某型大功率电源组件设计

宋晓娜，谢丽贺

（1.河南科技大学，河南 洛阳 471023；2.中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009）

0 引言

电源组件安装在导弹内，为导弹工作提供能源，并将来自载机的三相交流115V／400Hz电源经过转换处理后输出直流电源+57V／27A，提供给导弹。该电源组件用于系统试验及地面绕飞试验，以评估某型导弹在空中挂机飞行情况下对目标的截获和跟踪能力。它的性能和可靠性直接影响着全弹的性能和战斗任务的完成。该电源组件的最大特点是要在小体积情况下实现1500W的大功率。

1 导弹对电源组件的技术要求

导弹对电源组件的技术要求如下。

三相交流电源（载机A、B、C、中线）输入为115 V，400±20Hz，相电流约为6.5A，总功率约为1500W；电源启动／关闭信号（+5V），匹配隔离处理线路；电源输出为+57±3V／27A（直接4线束带插头输出连接）；输出峰值电流为32A／30ms；工作频率（变频）为200～600kHz；纹波电压（峰峰值）小于600mV；转换效率大于80%；具有输出过流保护功能：当输出电流（约）大于34A／1ms时，保护电路工作（此时输出电压降低）；具有供电欠压保护功能，当供电电压小于80V和大于150V时保护电路工作（此时输出电压关闭），但当供电电压大于180 V时可能失效（此时故障，输出电压关闭）；工作环境温度为-45～+65℃；供电特性符合为GJB181-86（浪涌电压试验除外）；每次连续（满载）工作时间不大于60s，间隔时间不大于8min；结构尺寸为L=160mm，D=180mm。

2 设计思路

直流电源可以分为两种：高频开关电源和线性直流电源［1］。在电源设计时，首先考虑的是选择哪一种，而这主要取决于对电源的技术要求。

2.1 开关电源

开关电源就是通过电路控制开关管的导通与截止，将交流电转化为高频率的直流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压。开关电源大体可以分为隔离和非隔离两种，隔离型的必定有开关变压器，而非隔离的未必一定有［2］。

2.2 线性电源

线性电源是先将交流电经过变压器降低电压幅值，再经过整流电路后，得到脉冲直流电，后经滤波得到带有微小纹波电压的直流电压［3］。再经过控制电路和单片微处理控制器的控制下对线性调整元件进行精细调节，使之输出高精度的直流电压源［4］。

2.3 开关电源和线性电源的区别

开关电源的结构中没有变压器和散热片，因而体积小、效率高和发热小，但是具有电磁干扰等缺点。而线性电源功率器件工作在线性状态，即其功率器件一直在工作，所以效率低。其工作方式，使它从高压变压，必须有变压器降压装置，它的体积大、笨重、效率低和发热量也大［5］。

鉴于以上开关电源和线性电源的区别，以及对该弹上电源1500W的大功率要求和体积的限制，可以看出，开关电源是设计的最佳选择。

3 系统组成与工作原理

3.1 电源组件组成

电源组件主要由输入滤波、缓启动、功率变换、输出滤波和外部控制信号处理等几部分组成。电源组成如图1所示。

图1 电源组成

3.2 基本工作原理

由载机提供的三相115V／400Hz电源输入。经过全桥整流和滤波变换后形成+280V直流电压，为了降低在峰值切入时对载机供电电源的冲击，即减小上电冲击电流峰值，设计了一个慢启动线路。标准的电源模块DC／DC变换器将+280V电压变换成稳定的+57V的直流电压，输出滤波电路对噪声电压进行抑制处理，以满足电压品质的要求。

DC／DC变换器的工作输出电压和关闭是受外部控制信号控制的，当控制信号输入+5V的压差信号时，DC／DC变换器正常工作，启动输出+57V电压。当控制信号关闭5V压差时，DC／DC变换器停止工作，输出电压为0V。

4 电路设计

电源电路原理图共由7个部分组成，分别包括：输入滤波电路、三相整流电路、慢启动线路、隔离型DC／DC变换器、输出滤波电路、控制信号处理电路和结构件。

4.1 输入滤波电路

输入滤波电路由一个三相EMI滤波器构成，内部2级共模滤波，在200kHz～1MHz能产生40～50db的衰减。其不仅可以对外部干扰信号进行抑制，减少对本电源工作时的输出噪声，也可以抑制本电源工作时产生的谐波噪声，减少对供电电源的影响，以满足电磁兼容性的要求。

4.2 三相整流电路

三相整流电路由6只RURP3060超快恢复二极管构成全桥整流电路，将三相交流电压变换成直流电压。选用30A／600V的超快恢复二极管，功率因数按0.85计算，输入将达2200VA，对应供电电源中每相的电流有效值约6.8A，峰值电流约9.6 A，而二极管承受的耐压是线电压峰值为：

当U2电压最高点为118V时，URM约为290 V，取600V／30A的超快恢复二极管可满足要求。

4.3 慢启动线路

慢启动线路的目的是为了降低供电电源的冲击电流，提高系统的可靠性，同时降低设备对电网的冲击。启动电流抑制为满载电流的1.4倍，控制在约10A，启动抑制电阻R=25Ω，启动完成后用2只MOS管并联替代电阻进行导通，MOS管型号FQB9N50，Vds=500V，Id=9A。初始充电时由电阻进行限流，当电容的电压上升到170V以上时，再导通并联在电阻上的MOSFET，从而降低系统的功耗。当输入开关将系统切入的时候，电容C03上的初始电压为零，相当于短路，全部的电压降到了电阻R3A上，系统的充电起始峰值电流将被限制到290 V／R3A=290V／23.5Ω=12.3A峰值之内，相当于1.28倍的正常工作电流峰值。慢启动线路的电路如图2所示。

图2 缓充电电路

4.4 滤波电容

滤波电容的目的是将整流之后的电压波形进行平波缓动处理，使直流母线的电压脉动降低，以利于DC／DC变换器的可靠准确工作并降低输出噪声。滤波电容值容量越大，母线电压将越平坦。将1500 W负载等效成一个负载电阻并联在滤波电容上，则等效负载为：

UPN=，P为功率，可以按照模块效率推测母线侧的功率为1500W／0.85=1760W。设母线的波动幅度为a%，如图3所示，在图3中，不加滤波电容时，整流母线的波形为UD，当加入滤波电容后，母线电压为UCAP，该滤波电容在0～t1的时间内被线电压充电，负载也从输入得到功率，达到线电压峰值以后，输入电压下降，而滤波电容的电压高于线电压所以整流二极管不导通，此时滤波电容对负载放电。电容充电后放电时间为tf，参见图3中，滤波电容的放电时间为tf=t4-t2=t4-t3+t3-t2，t3-t2=T／12，T为正弦波周期，而依据周期性，t4-t3=t1，从而得到放电时间tf=+t1，在t1时，输入电压正好等于谷值UPN×（1-a%），对于400Hz系统，T=1／400=0.0025s，依据正弦波公式UPN（1+a%）=Ucos（ωt-30°），ωt∈ （0，），在取了a%后，可以求出t1，根据电容充放电关系，滤波电容应为：

图3 三相输入及母线电压波形

由于现在使用的DC／DC电源模块，其输入电压范围为180～375V，考虑对应在80V欠压保护的时候，母线电压峰值为195V，DC／DC电源模块的欠压工作点设在152V，对应a%=（195-152）／195×100%=22%，取a%=20%，按照供电输入下限电压U=108V计算，则，t1=0.00046s，对应tf=0.00067s，对应C=76μF，故采用了CBB电容，选6.8μF电容12个并联，总容量81μF。

4.5 隔离DC／DC变换器

隔离变换采用了以模块为主体的设计，而整个组件的核心是大功率的DC／DC变换器模块，采用成熟的VICOR公司的开关谐振电源模块设计完成隔离的DC-DC变换。DC／DC变换器模块效率高，但是噪声大，它的传导干扰和辐射干扰会对用电部件和周围的电子部件产生干扰。

由于输出的功率需要达到57V／27A，瞬态电流32A，总功率1800W，而VICOR公司MAXI系列模块最大功率为500W，故采用4支，而57V的电压为非标准电压，如果使用二极管隔离并联方式，需要用48V输出的模块将输出电压上调到57.7 V，这样模块的输出电压将超过+20%的上调极限，使用很勉强，而且3块以上的模块输出并联时，输入侧的均流端不能直接相连，需要脉冲变压器隔离连接，电路比较烦琐，易受干扰。故选用了模块输出串联的工作方式，输出电流相同。

隔离DC／DC变换器中一路的电路原理图如图4所示。其中Ri为下调电阻，RL为负载电阻。由于各模块的输出电压相对稳定，其输出功率比较均衡，输入的均流端无需特别电路。对应57V／4=14.25V，只要把15V的模块下调5%即可。故选用输 出 为15V／500W 的 VICOR 公 司 的V300A15M500BL2电源模块4块，采用输入并联、输出串联来实现需要的功能。

图4 DC／DC变换器连接

输入并联时，为了防止干扰信号（噪声）加到母线上，因为该信号影响模块之间的负载均流，增加不稳定性或导致模块故障。一种可能的干扰源是通过正（+）和负（-）电源引脚传入的输入纹波电流。应该采取措施将并联母线输入电流的交流分量去藕。所以每只模块的输入都用0.2μF的陶瓷或薄膜电容本地旁路。这样就可以分流高频的输入纹波电流。每只模块的基板和负（-）输入引脚之间接入一个4700pF的Y-电容，分流共模电流分量。

4.6 输出滤波电路

输出滤波按照一级共模线路、一级差模线路的方式设计。共模电路设计到了每一路，而差模电路只在串连后的输出中设计到。其中，共模设计一方面降低共模的尖峰，另一方面防止模块之间输出相互干扰。差模滤波设计以抑制谐波，降低输出纹波。其电路如图5所示。

图5 输出滤波电路

4.7 控制信号电路

由于电源模块的控制参考地是模块的输入地，而控制信号地与电源模块的控制参考地不一定共地，所以设计光耦进行了隔离。

三极管进行了反相，这样当没有控制信号时，三极管VT1导通，将电源模块的PC端经过二极管拉到低电位，使模块输出关断。当5V的控制信号输入时，光耦闭合，将三极管VT1的基极拉低，使PC端上升到高电平，使电源模块开始工作输出电压。控制信号电路如图6所示。

图6 控制信号隔离转换

5 热设计

电源组件的工作模式是间歇工作方式，连续工作90s，间隔8min。而在90s时间，按照热量不跟外界进行热交换的条件来进行计算的（实际热交换是一直存在的，能有效地降低外壳的温度。），电源模块所产生的热量仅通过模块底部传导到与之紧密螺装的铝板及壳壁上，以下只是依靠热容来进行热设计。

每个电源模块的效率为86%，按实际输出功率1600W计算，所以功耗为：

对应工作一次工作时产生的热量为：

铝的密度ρ=2.7g／（cm）3，铝的摩尔热容c=24.2J／mol·k，铝的摩尔质量M=27g／mol。

整体铝壳加上中间铝板的铝制框架体积为：

对应铝的质量为：

依据Q=cmΔt，计算出：

依据高温环境温度65℃，在工作90s内结构壳体的单次工作温度将达91.6℃，而模块的最高工作温度是100℃，所以不会发生过热保护，本电源可在高温环境下正常工作。

6 试验结果

6.1 电源拉偏

AC／DC发射电源带载工作，输出电压／电流为55.1V／27A。调整电源测试系统的输出分别为AC118V／400Hz，AC115V／400Hz，AC115V／380 Hz，AC118V／420Hz，对产品进行拉偏试验，输出电压应在DC57±3V之间。经检测，产品均符合要求。检测结果如表1所示。

表1 电源拉偏测试样品检测结果

6.2 过流保护

AC／DC发射电源带载工作，电源输入为AC115V／400Hz。调整电子负载的大小，至产品输出保护时停止调整，记录此时的输出电流大小。经检测，产品的过流点Iq=35A。

6.3 瞬变电压

对产品的AC115V电源线施加AC150V／100 ms的瞬变电压，进行5次，每次间隔1min。经检测，在施加瞬变电压瞬间，样品的输出关闭，4～5s后输出电压恢复正常（Vo=55.1V、Io=27A）；瞬变电压过后，产品输出正常。

7 结束语

大功率电源组件已根据设计要求完成研制，其最大特点是在小体积情况下实现了1500W的大功率。通过试验表明，该弹上电源满足导弹需要的各项技术要求，是一种可靠性高、性能稳定的电源，其输出电压、品质和功率等参数满足要求，为导弹安全可靠的工作提供有效地保障，且电源组件已交付导弹使用，并满足全弹系统要求。

［1］王顺祺.稳压电源设计［M］.北京：国防工业出版社，1983.

［2］杨 旭，裴云庆，王兆安.开关电源技术［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［3］林传骝.线性电源的EMC设计依据［J］.国外电子测量技术，1998，（5）：28-28.

［4］屠 径，赵玉龙.某型弹载二次电源设计［J］.现代电子技术，2012，（10）：147-149.

［5］熊文静，郑耀林，黄传明.开关稳压电源的原理及发展［J］.仪器仪表用户，2007，（2）：6-7.