引言
某工程試驗點火裝置，為滿足狹小空間下,，不同阻值爆炸橋絲的引燃工作,，要求紋波" title="紋波">紋波小、輸出可調(diào),，體積小和高可靠的開關(guān)穩(wěn)壓電源,。基本要求是輸入AC220V,，輸出DC0～100V連續(xù)可調(diào),，最大輸出電流100A，低頻紋波Vrms≤O．1％,，電壓調(diào)整率≤0．5％,，穩(wěn)定度≤0．1％的開關(guān)電源" title="開關(guān)電源">開關(guān)電源。設(shè)計思想主要服從可靠,、體積兩方面要求,。在綜合分析了現(xiàn)有的軟硬開關(guān)變換器" title="變換器">變換器電源技術(shù)后，采用了脈寬調(diào)制變換器的形式設(shè)計,，好處是簡單可靠,。通過對電源的供電環(huán)節(jié)、反饋控制,、吸收電路,、元器件選取與制作以及工藝結(jié)構(gòu)等方面優(yōu)化設(shè)計，解決了大電流下的輸出紋波大,、輸出大范圍調(diào)節(jié)下電源穩(wěn)定性差,、炸管和振蕩等問題，研制出了合格的電源,。
l 電源主電路
電源主電路如圖1所示,。電源由輸入電路、變換器,、直流輸出和控制驅(qū)動組成,。輸入電路包含抑制合閘浪涌的延時電路、EMI過濾器,、單相整流器和濾波電容器組,。變換器采用脈沖寬度調(diào)制“H”橋拓?fù)?。高頻變壓器、橋式整流器,、電感器和電容器組構(gòu)成直流電壓輸出電路?？刂齐娐防肞WM調(diào)節(jié)輸出電壓電流方案,。
1)輸入電路
輸入電路由輸入延時啟動、EMI濾波器,、橋式整流電路B1和濾波電容器組C1構(gòu)成,。延時啟動使用繼電器方式，以減小電源合閘瞬間對濾波電容器組C1的電流沖擊,。電容器選用CDE公司的DCMCE型逆變器專用輸入濾波電容器,。整流橋選擇TECHSEM公司的MDQ75單相整流橋模塊。由于電源每次工作時間很短暫及體積的限制,，輸入電路中沒有加入功率因數(shù)校正電路,。
2)變換器和驅(qū)動電路
變換器采用脈寬調(diào)制的“H”橋拓?fù)洌伤闹籌GBT(VT1一VT4)組成,。工作時,，其輸出在1～60μs變化脈沖寬度。IGBT選用三菱公司的CM75BU一12H單相全橋模塊,，好處是每只IGBT開關(guān)特性的一致性好,，無須考慮電路的平衡問題。對于驅(qū)動電路" title="驅(qū)動電路">驅(qū)動電路,，目前集成驅(qū)動電路很多,，由于它直接影響到IGBT可靠工作及可靠保護(hù)，經(jīng)比較選用了POWERXE公司基于VLA502一02的兩通道IGBT驅(qū)動模塊BG2A,。圖2是VLA502—02的原理圖,，與常用混合驅(qū)動模塊另一個同之處是它集成了DC／DC電源，無須再對每個驅(qū)動電路單獨供電,。實際使用表明,，BG2A可靠性大大高于EX840等驅(qū)動電路，從未遇到過損壞,。
3)變壓器和輸出整流濾波電路
變壓器功率較大,，鐵氧體磁芯難以做到，采用了鐵基納米晶帶材,。與鐵氧體材料相比,，鐵基納米晶帶材具有高飽和磁感應(yīng)強度、高導(dǎo)磁率和低矯頑力,，使變壓器體積減小,、頻響更高,、效率提高。同時,，加工,、安裝方便、參數(shù)調(diào)整容易,。由于IGBT作硬開關(guān),，工作頻率高于1 5kHz時，開關(guān)損耗成為電源主要損耗,，因此,，變壓器及變換器工作的頻率設(shè)計為15kHz。輸出整流二極管選用摩托羅拉MUR20020快恢復(fù)二極管,。
輸出濾波電路采用LC濾波器,，由于電感器的電感量和功率較大，鐵粉芯和鐵硅鋁的磁芯沒有相適應(yīng)的產(chǎn)品規(guī)格,，電感磁芯采用了鐵基非晶材料,。為了降低輸出紋波，電容器采用美國CED公司101型電解電容器,，它的ESR(等效串聯(lián)電阻),、ESL(等效串聯(lián)電感)為目前所有品牌電解電容器中最低，且溫度范圍很寬,。
4)控制與安全保護(hù)
電源是輸出電壓在0～100V間不分檔,、可連續(xù)調(diào)節(jié)的直流穩(wěn)壓電源，過載保護(hù)被設(shè)計成高精度的限流保護(hù)形式,，其限流值在0～100A間可連續(xù)調(diào)節(jié),。為了可靠起見，反饋控制采用了傳統(tǒng)的模擬控制,，即用誤差放大器來減小輸出電壓與參考電壓的誤差,。控制芯片采用TL494,，設(shè)計為恒壓恒流雙閉環(huán)控制系統(tǒng),，兩個閉環(huán)共用一個脈寬調(diào)制實時處理，實現(xiàn)恒壓調(diào)節(jié)和恒流調(diào)節(jié)功能,。TL494的兩個誤差放大器,，一個用于電壓穩(wěn)定控制，一個用于電流限制,。電流采樣電阻采用1 00A／75mV標(biāo)準(zhǔn)分流器,。TL494用作電壓反饋和電流反饋的放大器被設(shè)計成“或”的關(guān)系。輸出電壓大小的調(diào)節(jié),，用改變電壓反饋取樣電阻的分壓比實現(xiàn),，電流限制調(diào)節(jié)的方法同樣,。
2 輸出電壓紋波
抑制電源輸出電壓中的低頻交流紋波和開關(guān)噪聲紋波的關(guān)鍵是找到成因，再確定處理方案,。通常是從器件和電路兩方面解決,。
1)尖峰噪聲的抑制
尖峰噪聲產(chǎn)生于晶體管ON／OFF的瞬間。為抑制尖峰噪聲,，選取ESR,、ESL低的電容器和具有軟恢復(fù)特性的二極管，通過C4～C7和R4～R7對二極管開關(guān)時的尖峰進(jìn)行抑制,。另外，在二極管套入非晶磁珠,，對尖峰抑制效果大大好于RC電路,，但發(fā)熱太大，未被采用,。對于IGBT母線電感引起的尖峰,，通常的LCR吸收電路比較復(fù)雜，參數(shù)不易協(xié)調(diào),。由于變換器是采用H橋模塊,，母線很短，所以只用C2完成尖峰吸收,。R2和R3吸收變壓器漏感引起的尖峰,。使開關(guān)波形瞬間產(chǎn)生的尖峰電平只比直流電平稍高一些，大大減輕了IGBT上的尖峰噪聲,。C2,，C3選用CDE公司的930型聚丙烯薄膜無感電容器。
2)輸出紋波的抑制
開關(guān)電源中低頻交流紋波一般的說法是從交流電網(wǎng)引入的,，輸出濾波器無法濾除,，主要靠系統(tǒng)閉環(huán)負(fù)反饋來抑制，但這極易引起電路振蕩,，損壞IGBT,。事實上在供電容量足夠，輸入濾波合適的情況下,，測不出交流輸入帶給直流輸出的紋波,。由于開關(guān)電源電路中諧波豐富，以致引起低頻紋波的原因很多：工藝結(jié)構(gòu)方面,，如布線不當(dāng),；器件的原因，如電容的ESR,、電感參數(shù)(取直,，氣隙,，磁芯的選擇)；元件間的配合,，如L與C的乘積值等,。尤其電感器對電源的穩(wěn)定性和輸出紋波影響。其中防飽和氣隙是電感器在輸出引起低頻紋波重要原因,，常常不易判斷,，這個紋波的頻率隨氣隙的大小而變，范圍在幾百赫茲內(nèi),。幅度大小與輸出電壓的值有一定關(guān)系,，且不成比例，如圖3所示,。但電感磁芯沒有氣隙,，又易飽和。非閉合磁芯,，又使體積變很大,，相對而言，設(shè)計了功率容量放大,，不開氣隙的磁芯,，使問題解決。
3 結(jié)束語
經(jīng)有關(guān)計量單位對電源進(jìn)行的正式測試,，無論是空載還是負(fù)載,，輸出電壓在1～100V變化時，相應(yīng)紋波在0．6～50mV之間,，電源的其它工作和指標(biāo)也都達(dá)到要求,。電源在工程現(xiàn)場順利地通過了工程控制系統(tǒng)自運行、發(fā)火引爆試驗,、測控系統(tǒng)聯(lián)試,、發(fā)動機點火熱試車等工作的考核驗證，已正式投入使用,。這表明高功率調(diào)寬變換器型穩(wěn)壓電源可以很好的做到寬范圍的連續(xù)可調(diào)和超低紋波要求,，拓寬了高功率普通硬開關(guān)電源的用途。