高精度稳流电源

1万 · 2014-8-26 20:25

　1　引言

　　作为电真空微波放大管的一种，速调管以其功率大﹑效率高的优势得到了广泛的应用。而速调管一般都需要外加一个聚焦磁场。为了使速调管电子枪所打出的电子注不被散射损耗掉，这就要求磁场电源具有较好的电流稳定度。

　　2　性能指标

　　(1) 输入：三相50Hz、380V;
   (2) 输出：额定电压80V，额定电流25A，要求0∽25A连续可调;
   (3) 输出电流纹波：0.08A;
   (4) 输出电流稳定度：0.08A;
   (5) 提供电源过流保护,电源过压/欠压保护;

　　3　电路原理

　　3.1 主回路

　　主回路采用Buck变换器,原理框图如图1所示

　　
图1　主回路框图

1万 · 2014-8-26 20:25

　　3.1.1　原理简介：
　　
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nbsp;50Hz、380V三相交流输入电压经EMI电网滤波器阻断噪音信号，通过隔离变压器降成100V左右的交流电压，再经过整流滤波，变成Buck变换器所需要的平滑直流电压。图1中，当N1或者N2导通时，电感L1在未饱和前，电流线形增加，电感L1的极性为左正右负，二极管V1处于关断状态。当N1和N2都关断时，由于电感L1中的磁场作用，改变L1两端的电压极性，左负右正，续流二极管V1导通，以保证输出电压和电流不变。由于磁场负载是一个感性负载，当电源不工作时，磁场负载必然会产生一个反向的电压，二极管V2用来将这一反向的负载能量释放掉。

　　3.1.2 关键元器件的选择

　　(1) 开关管N1，N2的选择：采用三菱公司100A单管IGBT（CM100H-12）。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）具有MOSFET的工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单和GTR的阻断电压高、饱和导通压降低、载流能力强的优点。开关管的驱动采用变压器隔离。与不用变压器，直接驱动相比，主回路对驱动电路的干扰小，不易引起震荡。由于变压器工作比的限制，若只用一个IGBT,使得占空比不能超过50%。因此，开关管由两个IGBT并联，用控制电路输出的相位相差180的脉冲信号驱动。这样，占空比就能达到96%，使得输出电流能在很宽范围内调节。而且，开关管的损耗也能减少一半。

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　　(2) 反馈采样电路：通常，电源的反馈采样都采用电阻的形式。然而，由于本电源的输出电流较大，若使用电阻采样，电阻的功耗比较大。电阻的过分发热，必然会引起电阻阻值的变化，从而引起反馈采样电压的变化，无法满足电源的电流精度要求。这部分功耗，对整个电源而言，也是无用的能量损耗。而且，电阻的体积也比较大。采用电阻反馈显然是不可取的。因此，采用额定值25A的霍尔电流传感器（CSM025A）作为反馈的采样。该传感器具有良好的线性度、抗干扰能力强、低温漂、宽频带等优点，能够很好的满足电源的电流精度要求。

　　3.2 驱动电路

　　驱动电路的原理框图如图2所示

　　
图2　　驱动电路框图

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　　3.2.1 驱动电路的选择：

　　目前生产的开关电源大多采用PWM脉宽调制方式，少数采用PFM脉冲频率调制。PWM的缺点是受功率开关管最小导通时间的限制，对输出电压不能作宽范围的调节；另外，输出端一般要接假负载，以防止空载时输出电压升高。PFM式开关电源的输出电压调节范围很宽，输出端可以不接负载。本电源要求在0∽25A宽范围内连续可调，因此采用PFM的方式。

　　3.2.2 原理简介：
　　
图2中，压控震荡器VCO输出频率由运算放大器的输出电压Vo控制的方波，经定时器、二分频器和驱动放大电路后形成两路宽度相同的交替脉冲。再经过驱动变压器T1、T2隔离后，去分别驱动主回路中的N1、N2两只IGBT。R2、R3、V2、V3构成IGBT栅极与发射极的快速放电回路，和变压器T1一起构成IGBT的驱动电路。这种驱动方法既简单适用又可靠。

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　　3.3 保护电路

　　本电源要求提供过流、过压、欠压保护。保护电路原理框图如图3所示。

　　
图3　保护电路框图

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　3.3.1 原理简介：

　　图3中，当电源产生过流、过压、欠压故障时，V1、V2、V3为高电平，D触发器检测到该脉冲电平，锁存故障。再送入到或门，使得故障输出V7为高电平。V7分为两路：一路送到驱动电路中，关掉驱动，保护主回路IGBT开关管；另一路送到控制保护电路中，关断三相380的输入。

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3.3.2 欠压故障的处理方法：

　　由于电源慢启动的存在，在电源没有达到额定电流之前，电源必然会报出欠压故障。所以，在电源开机稳定之前要将欠压故障先屏蔽掉。作者使用了NE555的单稳态定时器。图3中，二极管D1、D2构成或门电路。开机通电的同时，定时器的输出电压V4为高电平,采样电压V5为低电平。此时，V6为高电平，没有欠压故障。当电源达到额定电流时，V5为高电平，定时器仍然为高电平。当定时器所设定的时间到了，定时器输出V4为低电平，由于V5已变成高电平，V6始终为高电平。这时，定时器不再起作用，电源能够正常采样欠压故障。