低频脉冲负载用特种开关电源研制

1 主要技术指标

该电源输入为380V三相四线，输出为24～36V（额定值为28V）可调，输出电流为60A，效率大于90%，源效应≤±0.1%，负载调整率≤±0.5%，具有过流、过压保护功能，同时电源内部要求输出自带1F以上的储能电容，负载为20Hz、占空比30%的低频脉冲负载。

2 设计难点及解决方法

①为了保证脉冲负载内的顶降符合要求，输出端要求带有不小于1.1F的储能电容，即电源要求能够带很大的容性负载；

解决方法：1）控制上采用电流内环，电压外环的双闭环控制策略，采用对输出电容限流降压充电的方式，以避免冲击电流保护；2）设计了软启动电路，开机时使输出电压缓慢上升，以减小冲击电流。

②负载在30%的脉内峰值电流达130A以上，而电源的额定输出电流Io为60A，过流能力为120%Io。这样就既要保证在脉内峰值电流的冲击下过流保护电路不会误动作，同时在真实过流时又能保护电源不受损坏。

解决方法：采用单一输出过流点保护时，在30%的脉内峰值电流已达130A以上，电流超过了过流点，此时过流电路动作，必然影响负载的正常工作，所以不能采用单一输出过流点保护方式；在电流、电压双闭环电路中，当电流到达环路限流点时，进一步增加负载将引起输出电压的降低，利用这一特性对输出过流保护电路采用输出过流和输出欠压相“或”的逻辑控制方式，即单独输出过流或输出欠压时保护电路不动作，只有当输出过流且输出电压被降至欠压点以下时才保护并关机。

3 方案介绍
本电源方案的结构框图如图1所示，下面进行简要介绍。

图1.电源结构框图

①输入EMI滤波及整流电路：选用专门生产电源滤波器厂家的三相电源滤波器。滤波器紧靠在电源金属外壳的入口处，以保证良好的EMI和EMC。

②无源PFC电路：如图2所示，由软启动电路、滤波电感和滤波电容组成的无源PFC电路，简单可靠，能够达到电源的技术指标的要求。

图 2 输入电路

③DC-DC功率变换模块：选用全桥移相软开关电路[2]。

图3 ZVS全桥变换器

ZVS全桥变换器的电路如图3所示。其中Q1～Q4是四只主开关管，D1～D4分别是Q1～Q4的内部寄生二极管，C1～C4分别是Q1～Q4的寄生电容，Lr是谐振电感，Tr是高频变压器，DR1和DR2是输出整流二极管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容。本变换器采用移相控制，每个桥臂的两个功率管成180°互补导通，两个桥臂的导通角相差一个相位，即移相角，通过调节移相角的大小来调节输出电压。Q1和Q3分别超前于Q4和Q2一个相位，称Q1和Q3组成的桥臂为超前桥臂，Q2和Q4组成的桥臂则为滞后桥臂。该变换器采用移相控制的方法利用谐振电感的能量来实现超前桥臂和滞后桥臂的零电压开关（ZVS），从而提高电源的效率、可靠性，减小EMI。同时在变换器中加入箝位电路，从而降低副边整流管的尖峰电压，有利于变换器的整体优化[3]。

该变换器具有以下特点：

- 超前桥臂可以在很宽的负载范围内实现ZVS；

- 滞后桥臂可以在一定的负载范围(一般>Iomax/2)内实现ZVS；

- 输出整流管上电压振荡和电压尖峰较小；

- 恒定频率控制，易于优化设计输出滤波电感和滤波电容。

图4给出了ZVS全桥变换器的控制电路的框图。其中PWM控制电路是基于UC3879芯片的电压电流双闭环控制电路，其动态特性比电压单闭环要好得多[4]。

图4 ZVS全桥变换器的控制电路结构框图

为进一步提高电源的动态性能，在控制电路中加入箝位电路，防止调节器深度饱和，使调节器由饱和进入线性调节区的时间被大大缩短，从而进一步提高电源的动态性能。控制电路中还包括输出电流限制功能。在电压闭环前端加入均流电路，通过环路调节控制实现电源多模块并联功能，其中均流电路采用UC3902芯片。保护电路包括本机的输出过压保护、输出过流保护（过流保护电路已集成在PWM芯片内部），将输出过压、过流放在本机而不是系统控制电路，主要考虑检测方便，延时小，有利于快速反应。控制电路的正常工作需要系统控制电路输出的正常开机信号。

④辅助电源：提供不受控的控制电路的电源。由于输入电网电压高，采用双管反激电路可以减小功率开关管的电压应力。反激电路可以适应较大范围的输入电压变化，结构体积比较小[5]。

下图是双管反激电路图：

图5 双管反激电路图

根据上述方案，制作了8台电源，经过测试及各种环境试验，电源输出电压为28V（24V～36V范围内可调），输出电流为60A，效率在90%以上，其中部分可达到92.8%，负载调整输出变化为0.15V左右，负载调整率低至0.1%，线网调整时输出电压变化0.01V，可以满足电源指标要求。最后与雷达整机系统进行联试，性能稳定可靠，满足了整机系统的需要，达到了预期的效果。图6和图7给出了联机时变压器上正常工作的电流波形和电源照片。

图6  通道1为带脉冲负载输出电压波形，通道2为变压器原边电流波形

图7 电源带载试验时面板部分照片

5 结束语

采用相同技术方案的该电源已经过批量生产并投入产品使用，证实该电源的研制非常成功，对今后类似低频脉冲式负载电源的设计具有重要的借鉴意义。