一种大功率高压直流电源方案设计

航天南湖电子信息技术股份有限公司　袁　毛　刘凯伦

引言

在工业及军用领域，大功率电源的应用需求非常广泛。本文介绍一种将380VAC/50Hz三相电转换为500VDC直流电的电源技术方案。本电源主要特点为：电源效率高、对供电电网的污染少、可靠性高、精度高，故障定位简单，适用于分布式供配电结构。

1.组成与工作原理

本电源由滤波组件（滤波器、滤波电容）、软启动电路、18脉冲整流电路、传感器、控制电路和保护电路组成。电源原理框图如图 1所示。输入交流电经滤波器后，由软启动电路限制启动电流和浪涌电流冲击，在18脉冲整流路中经多脉冲降压变压器生成三组移相三相交流电，输入整流桥，最后整流成直流电输出。电流各状态信息由传感器采集送入控制电路，对电源进行状态监控，同时电源具有通讯功能，与控制终端进行信息交互，接受上位机控制指令，上报电源状态信息等。

图1　电源原理框图

2.电源电气设计

2.1　滤波组件

采用滤波组件减小输出电压纹波，避免负载断开瞬间产生较大的电压尖峰，保护整流电路。18脉冲整流电路输出的电压纹波峰最大峰值为9.5V，输出电容越大输入电流THD越差，需在整流桥后加LC滤波恒流输出。电感选择5µH，输出电容值选择2200µF，输出电压脉动小于2V。输出直流电压峰值为598V，将两个耐压450V电容串联使用，选取江海电容CD139-450V-2200µF。

2.2　软启动电路

软启动电路可以避免变压器瞬间加电饱和时以及电感与输出滤波电容发生振荡时输出电压过压对后级电路产生影响。软启动电路电路图如图2。交流接触器最大输入电流为97.5A，选择型号JQ-38F，额定工作电流200A。软启动电阻取值为100Ω，软启动继电器选择国营891厂JQX-3MD型电磁继电器，触点电流30A。

2.3　18脉冲整流电路

整流桥二极管两端承受的最大电压线电压峰值为600V，考虑1.5倍过载，额定工作时输出电流Idnax为150A。参考GJB Z35-93的降额标准，可选用IXYS公司VUO190 16NO7三相整流桥，额定电流248A，反向电压1600V。

图2　软启动电路图

2.4　传感器

a）电信号传感器

采集输入交流电压、变压器输出脉冲电流、输出直流电流、输出直流电压信号。输入交流电压信号、变压器输出脉冲电流信号是MOS管驱动PWM的参考变量，要求响应及时准确，信号延时不大于一个周期（2.5ms）的1%，即25μs。

b）温度传感器

采用集成芯片TEMP04采集MOS管和变压器的温度。将温度信号变为输出电压占空比信号，通过检测占空比标定器件温度，该采集方法抗干扰能力较强。

2.5　控制电路

控制电路可以对输入输出电压、电流进行检测，控制输入输出电路通/断。

输入选择BJB6-4P-100A系列断路器。当输出功率为50kW，3相平衡，输入电压拉偏至低端时，每相输入最大电流为：

输出断路器选择选择百事宝高压直流断路器BJM5系列，用于对输出520V直流的应急切断。

2.6　保护电路

采用ABB绝缘监测模块CM-IWN-1进行对地隔离系统母线安全性的检测，通过互相独立地测量正负母线对地绝缘阻抗的大小，判断系统绝缘状态。绝缘监测器CM-IWN-1检测端分别直接连接在两根母线和大地上，对母线对地绝缘电阻值进行实时监测，并与参考值——绝缘响应门限比较；CM-IWN-1可以设置多种绝缘响应门限（10Ω～110KΩ），当母线对地电阻小于设定的门限电阻值时，继电器动作，同时LED指示灯示红。

通过电流霍尔检测直流输出端共模电流来判断是否有漏电流，当520V直流线间存在漏电阻时，设计电路实时监测漏电流大小，当漏电流超过人体安全电流30mA时，指示灯亮报警，关断直流侧断路器。

交流端放置4P低压防雷器，直流端放置2P低压防雷器，有效对电源进行SPD防护。

3.电源结构设计

结构设计主要从以下几个方面考虑：紧凑化、小型化、轻型化；散热的有效性；走线和布局的美观性；节点之间连接的可靠有效性；可拆卸性和方便维修等。

为保证结构设计紧凑、小型化，整体结构采用插件设计方案：主要的散热元器件分布在冷板；PCB板和连接器等其他元器件分布在中隔板、面板和侧板；元器件之间的连接尽量采用汇流条以减少空间。

为保证结构散热的有效性，整流部分主辅电流进行拆分，保证主电流部分的具有一定的距离，减小热效应的叠加。

为保证结构设计走线美观，整体设计多采用汇流条进行连接，减少线缆的使用；必须使用线缆的元器件，尽量布置在一起，保证出线方向和走线方向一致。

4.电源效率

本电源损耗主要损失在变压器和整流桥上。整流桥二极管导通压降为1.1V，导通电阻为2.7mΩ，整流桥损耗为：

则单套整流电源系统效率估算为（未考虑接触、辅助源损耗）：

额定输入时，整流电源系统效率为95.5%。

5.结论

采用工艺成熟的多脉冲整流技术，能有效提高电源的功率因数，能在机载使用条件下充分利用供电电网或电站的供电容量，减少电源对供电电网的污染。使用控制电路进行状态判断，具有可靠、精度高，故障定位简单的特点。

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