浅谈直流操作电源的设计

杨义 刘卫

摘 要：电力电子开关电源技术在电气工程自动化中的应用十分广泛，在电力直流操作电源的整个系统中，整流模块的设计、功率因数、均流方式、散热防尘等问题都是最为重要和复杂的，是逆变技术应用的核心部分。而随着开关电源数字化、高频化、模块化、绿色化等的出现，可将电力系统高效率用电和高品质用电相结合起来。

关键词：控制电路；逆变技术；数模转换

引言

我国地域辽阔，全国各省市的电力供电质量相差较大，为能很好地适应全国范围内市场的需求，直流操作电源系统必须达到电网所要求的各个参数；但也要考虑到电源正常工作时的成本和工作效率、精度及可靠性等指标，而且相适应的输入电压范围也不能太宽.所以我们选择交流电压输入为：三相380V±8%，50HZ±18%，或者为：单相220V±8%，50HZ±18%。要求的输出直流电压变化范围是175-270V，而不同规模的变电系统设备所应用的输出电流也不同，一般在10-40A的范围内，这样可以有效的保证供电系统的可靠性，平稳性和安全性，所以电力系统均采用开关电源模块并联运行的方式，即系统采用N+1模式，可以有一台的余量备份，所以，我们这里设计输出电流为15A的开关电源模块。

1 直流操作开关电源技术方案选择

根据前面的要求，单台开关电源模块的输出功率为：

P0max=V0max·Ie=270×15A=4050W

单台模块的输出功率虽然不太大，但是我们为了采用移相式ZVT软开关变换技术，还是采用全桥逆变电路，采用VMOSFET作为开关管，由于输出侧的电流小，电压高，为了能选到合适的快恢复整流二极管，我们采用全桥整流电路，为了提高可靠性和整机效率，采用无源PFC技术，即用LC滤波。控制回路采用以移相式PWM控制芯片UC3875为核心的方案，并用电流型控制模式，采用以上技术的直流操作开关电源模块的系统结构如图1所示：

图1

2 电源主电路的设计

2.1 直流母线电压范围计算

交流输入电压范围为380V±10%，三相全橋整流为每周期（20ms）六个波头。无源PFC校正LC滤波，L1较大，C2很小，对电压的平滑作用随负载的不同而不同。负载重时，C2上的电压几乎与整流后面一样，轻载时又几乎为峰值电压。所以，直流母线上的电压变化范围是：

Vdamx=380×■×1.2≈645V

Vdamx=380×■×0.8×sin60°≈372V

2.2 变压器的变比

变压器的变比设计需要保证在最低输入电压时能输出所要求的V2min，即

n=■=■≈1.024≈1.2

2.3 效率预估计和功率计算

首先假设变压器的效率为98.5%，次级回路的效率为96.5%，变压器初级的效率为95%，则整机效率为：？浊=95%×98.5%×96.5%≈90.3%

额定输出功率：Poe=2850W

变压器输出功率：P2max=2953.5W

变压器输入功率：P1max=P2max/98.5≈3000W

电源输入功率：Pie=2850/90%≈3167W

2.4 开关管选择

前面已经选定利用VMOSFET作为开关管，现在计算其电流电压定额。初级回路电流峰值I1M=8.1A，所以可选取开关管定额为12-15A。直流母线最高电压Vdmax=645V，加上100V电压毛刺，选取其电压定额为1000V。因此，我们选取IXYS公司的IXTK21N00型VMOSFET作为开关管，实现ZVT时，开关损耗很小，因为是零电压开通，且关断时刻损耗也很小，即Poff=■×I1m×VDS×tif×f=■×8.16×645×50n×60k≈7.9W

3 结束语

目前在我国正在运用的电力直流操作电源主要有高频开关式电源和可控硅整流式两种方式。输出的电压和电流都能保证留有一定的余量，在电气工程中电力电子开关电源技术的应用最为广泛，开关电源技术和电力电子非常快速地向前发展，供电网络运行时，电力直流操作电源将输出的交流电操作成可调节的，能稳流、稳压的直流电压，新技术的出现又会使许多应用产品更新换代，还会开拓更多更新的应用领域。专用电源以开关电源技术为核心的研发将在未来的工业电源中发挥着不可替代的作用。

参考文献

[1]王兆安.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]何希才.新型开关电源设计与应用[M].北京：科学出版社，2010.

[3]沙占友.新型开关电源的设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2011.

[4]白同云.电子电路实用抗干扰技术[M].北京：邮电大学出版社，2012.