返回 历史论文 首页
高功率密度大功率电源关键技术研究

  摘 要:本文根据电源研发的指标要求,基于大功率开关电源的实现方案,研究了高功率密度大功率电源的关键技术,主要内容包括主电路拓扑结构、方案设计、整流滤波技术、仿真技术等。
  关键词:高功率密度;大功率;电源;关键技术
  中图分类号: TL503.5             文献标识码: A            文章编号: 1673-1069(2017)01-176-2
  0  引言
  经过长期的发展,电源技术已经非常成熟,包括软开关技术、组装技术、整流技术、智能化控制技术等,电源技术的未来发展方向为智能化、高频化、绿色化、高功率密度以及高可靠性等。
  对于电源工程师来说,高功率密度是主要的追求目标,提高开关的频率、减小变压器和滤波电感电容的体积是研发重点,要想达到这个目标,高频变压器的磁芯要使用高导磁率、高饱和磁感应强度、低损耗以及良好稳定性的铁磁材料,现在市场上小功率开关电源的功率密度较高,例如,最大输出功率600W的软开关DC/DC产品的功率密度为120W/in3[1],大功率开关电源工频隔离产品的功率密度小于0.1W/cm3,相对于小功率开关电源,大功率开关电源的功率密度有较大的提升空间。
  1  开关电源的方案设计
  1.1 结构方案
  如果是一个闭环数字控制直流电源系统,一般包括功率变换、检测反馈和控制驱动三部分。(如图1所示)大功率开关电源常用的结构方案有三种:分别是单功率单元单控制方案、多功率单元井联单控制系统方案和多功率单元多控制系统方案。其中单功率单元单控制方案下,一个控制器控制一个功率单元,其优点是高频变压器副边具有较好的均流特性,其缺点是对元器件的性能要求较高,大容量高频变压器的设计和制作比较困难;多功率单元井联单控制系统中多个功率单元共用控制系统,每个功率单元具有相同的硬件电路,[2]其优点是控制器成本相对较低,但是如果全功率输出电源,各个功率单元不均流;多功率单元多控制系统中每个功率单元具有独立的控制系统,解决了各功率单元并联均流的问题,可以进行模块化生产,但是控制相对较复杂,不易进行同步控制。[3]
  <E:\123\中小企业管理与科技・上旬刊201701\1-197\88-1.jpg>
  图1
  1.2 主电路方案
  1.2.1  输入整流方案
  输入整流电路将市电整流为直流电,供给逆变电路,包括二极管整流技术和晶闸管整流技术。二极管整流设备比较简单,产生的高次谐波较少,晶闸管整流可以调节整流输出电压,但设备较复杂,可靠性不高,产生的高次谐波较多。从设计应用背景的角度,采用较多的是二极管整流方式。
  1.2.2  DC/DC方案
  直流变换器分为不带隔离变压器和带隔离变压器,逆变拓扑结构包括正激、反激、推挽、半球等结构。如果功率开关的电压和电流相同,输出功率与开关管的数量成正比。全桥直流变换器广泛应用于大功率场合,[4]如果直流变换器没有电气隔离,可以通过改变占空比来改变输出电压,有隔离变压器的直流变换器具有电气隔离作用,电源的利用率较高。输出高频整流有半波、全流和全桥三种,其中全波整流应用于低压场合。本文采用的是全桥有电气隔离的全波整流输出DC/DC变换器。
  2  开关电源的参数设计
  功率电路的基本参数为:P=200kW;电网波动10%;输入电压342-418V(AC),输出电压80V(DC),电流2500A,整机效率90%。采用的是四路相同功率单元并联输出,单路的输出功率为60kW。
  2.1 输出整流部分
  主接触器的规格为100A/690V,进线电流为1-2倍的安全裕量;熔断器的电流为150A;三相整流桥的输出电压为461-564V,三相整流输出电流为118-144A,输出电流的峰值为124-152A,直流输出电阻为4欧,三相整流桥的进线电流为101-124A。三相整流电路的额定电压取1600V,额定电流取300A。
  为了保证输出电压的平直,一般电解电容的耐压值为400V,为了满足耐压的需要,两个电容要进行串联,电容量减为一增。为满足电容量的要求,选择3300UF/450V电解电容两两串联后半联作为滤波电容,限流电抗设定为2mH/200A。
  2.2 逆变部分
  IGBT承受的正向电压即为前端整流器的输出电压,留有2-3倍的安全裕量,IGBT的额定电压为1026-1539V,负载电压取1200V,逆变输出基波电流为144A,最大电流为180.49A。
  3  开关电源关键技术
  3.1 滤波技术
  滤波器设计是电磁兼容设计的重要环节,滤波器的性能决定着电器设备是否正常运行,一般根据电压电流的纹波要求来选择滤波器参数。滤波技术下可以选择性地传输信号,滤波器可以减少开关器件的电应力,抑制输入端的脉动电压和输出纹波。
  根据处理信号的不同,滤波器可以分为数字和模拟两种,根据应用的器件不同可以分为有源和无源两种。有源滤波器是可以进行动态滤波,补充功率。本文研究的开关电源采用的是无源滤波技术。
  在电路中,阴极和阳极各有三个二极管,阳极所接入的交流电压值最高,阴极接入的交流电压值最低,不论哪种情况下共阳极和共阴极组都有一个二极管是导通的。整流输出波形为六个波头,如果没有二极管导通,则电容供电,电压逐渐下降,二极管组成的三相整流电路将交流电转换,滤波后为直流电压,供给逆变电路。[5]
  3.2 PSPICE仿真技术   PSPICE主要进行计算机系列的电路原理分析,广泛应用于电路分析以及优化设计领域,可以进行自动化电子设计,完成电路性能仿真、参数分析、优化设计等功能,可以取代电路和电路实验中的器件,是通用电路模拟程序中应用较广泛的软件。
  通过仿真可以研究整流桥后加电容滤波、整流桥后加LC滤波、整流桥前加电感整流桥后加电容三种情况,不同的滤波,可以产生不同的电流变化,Lc滤波也会对电源输出纹波以及功率因数产生影响,前级和后级LC滤波会产生不同的作用。不同电感时电源功率因数变化如表1所示。
  表1
  [电感\&0.2×3\&0.3×3\&0.4×3\&0.5×3\&0.6×3\&THD
  功率因数\&59.90%
  0.857823\&45.20%
  0.911020\&38.85%
  0.932031\&34.07%
  0.946566\&30.22%
  0.957190\&]
  通过仿真可以看出,单个电容滤波时,各相电流的畸变较大,功率因数低,输出电压的波动较大;三相整流输出加上LC滤波后,电流的波动较小,功率提高,输出电压的波动减小。如果电感在整流桥之前加入,电感会增大,功率因数会提高,电感如果为1.8mH,则比LC滤波的功率因数要大;整流桥前进线电路加电感,如果整流桥发生短路,电抗会阻碍电流的突变,为进行系统检测争取了时间,整流桥后加电感,三个电感的体积大于相同电感量的电感,成本较高。
  总之,三相整流后滤波对功率因数的影响较大,但对电压纹波的影响较小,全波整流后对功率因数的影响较小,主要吸收的是全波整流电压中的高频部分,从而致使负载电压产生较小的波动。
  参 考 文 献
  [1] C.R.Swartz.新型功率系统级封装隔离转换器―设定行业尺寸―功率密度和系统设计灵活性[J].Design Ideas,2013.
  [2] 张欣.一种辅助电流可控的移相全桥零电压开关变换器[J].电工技术学报,2014.
  [3] 李宏.全桥移相大功率开关电源的设计[D].江南大学,2015.
  [4] 陈武,等.DC/DC多模块串并联组合系统控制策略[J].电工技术学报,2013.
  [5] 李晓帆,等.大功率低电压大电流开关电源输出电路研究[J].船电技术,2014.



【相关论文推荐】
  • 大功率LED封装关键技术讨论
  • 高功率密度电容器充电电源
  • 大功率LED散热技术研究
  • 大功率LED路灯散热结构技术研究
  • 一种高转换效率高功率因素的大功率LED电源研究
  • 相控阵大功率T/R模块关键技术分析
  • 高功率因数大功率LED路灯驱动电源的设计
  • 用新技术设计新的电源控制IC用新IC设计高效率高功率密度的绿色电源
  • 太阳能最大功率跟踪技术研究
  • 站长统计

    站长统计