基于拓扑自适应的通用武器供电电源节能技术研究

丁立平，洪 林，张 罡，张 帅，曹建锋

（上海机电工程研究所，上海 201109）

0 引 言

传统的专用武器供电电源只需要满足该型武器特定的电源需求，其电压和功率的变化范围较小，可以针对性地采用一种最优拓扑实现最优设计。相比传统的专用电源而言，通用武器供电电源需要满足不同的武器供电负载需求，供电通路多、范围宽、功率大。同时，由于发射平台的通用化要求［1］，各路输出直流电必须相互独立，因此需要配置较多的独立电源模块，由此导致通用武器供电电源额定功率是传统专用电源的额定功率几倍。大功率电源的损耗会产生大量的热量，导致电源温升，从而影响其可靠性和寿命。因此，电源的低损耗、高功率密度和高可靠成为通用武器供电电源设计的技术难题。

本文针对通用武器供电电源工作状态和负载特点，采用针对性的高可靠绿色节能技术，降低电源损耗，减小温升，实现通用武器供电电源高可靠和小型化。

1 武器供电电源

开关电源是将一种电源转换为另外一种电源的电子设备，按控制方式进行分类，一般可分为线性电源和开关电源两类［2］。其中，线性电源的输出纹波小、电磁兼容性高，但效率低、发热大、电源体积大；开关电源效率高、发热量小、体积小、重量轻，逐渐取代了线性电源。

开关电源一般由输入缓启电路、整流滤波电路、功率变换开关电路、变压器、功率开关管驱动电路、控制电路、辅助电源电路等组成［3］。

开关电源的发热量比线性电源的发热量小，但是由于通用武器供电电源需要适应各种负载，所以其电源额定功率大，从而导致发热量也很大。而电子元器件的失效率与温度有关，业界采用一度法则，即电子元器件温度降低1℃，可靠性可提高10%。因此，降低电源热损耗是通用武器供电电源实现高可靠性和小型化的关键。

开关电源的损耗主要由3部分构成：开关损耗、传导损耗、控制回路损耗。开关损耗是指开关电源由于开关功率器件的状态切换而导致的功率损耗，主要与开关频率有关。一般来说，对于一个特定的功率器件，开关频率越高，开关损耗就越大。传导损耗是指功率传输中传导线路固有的阻抗所导致的功率损耗，传输线路阻抗越大，传导损耗就越大。控制回路损耗主要是指由缓启电路、控制芯片等所导致的损耗。当前，开关电源中开关损耗在整个电源损耗中占比最大。

开关损耗与所采用的电源变换器拓扑关系密切，目前开关电源主要采用以下几种变换器拓扑，其拓扑特点如表1所示。

表1 开关电源主要拓扑特点Tab．1 Main features of switching power supply topology

武器供电电源采用开关电源形式，根据表1所列出的拓扑特点，结合通用武器供电电源的大功率、高效率和小型化使用需求，采用全桥拓扑为最优选择［4－5］。

全桥变换器一般采用脉宽调制（pulse width modulation，PWM）控制方式。PWM控制具有效率高、动态性能好、线性度高等优点。电源采用单一的PWM拓扑，功率开关管工作在硬开关状态，即功率开关管开通时，其两端电压渐变为零，电流过渡提升；关断时，其两端电流渐变为零，电压过渡提升。功率开关管开通和关断的渐变过程，导致了电压和电流的交叠，产生开通损耗、关断损耗和功率开关管的结电容充放电损耗等［6］。而硬开关所引起的损耗与开关频率正相关。为提升功率密度，实现小型化，通用武器供电电源大多采用高工作频率。硬开关损耗的存在，使得热损耗急剧增大，效率降低。另外，由于变换器电路中的寄生电感和电容的存在，硬开关过程会产生较强的尖峰电压和浪涌电流，引起强电磁干扰［7］。

为进一步降低硬开关带来的损耗，在通用武器供电电源输出大电流时，可采用零电压开关（zero voltage switch，ZVS）控制实现软开关控制。ZVS通过谐振电路实现，利用LC谐振降低功率开关管开关过程中的损耗，提高开关频率，从而减小变换器中变压器和滤波元件的体积，在保持变换器高效率的前提下，极大地提高变换器的功率密度。

2 绿色综合节能技术

2．1 移相全桥软开关技术

通用武器供电电源采用ZVS移相全桥拓扑技术，其原理如图1所示。电源主控芯片采用移相全桥控制器对开关电路进行移相控制，实现功率级的恒频PWM控制。对每个半桥独立设置死区时间，确保在该死区内开关管寄生电容（或外置谐振电容）放电完毕，为即将开通的功率开关管提供零电压开通条件。

图1 ZVS移相全桥拓扑原理Fig．1 Principle of ZVS phase－shifted full－bridge topology

ZVS移相全桥变换器通过谐振电感Lr和功率开关管 Q1～Q4（Q1、Q2为超前臂，Q3、Q4为滞后臂）的寄生电容C1～C4构成谐振软开关网络［8］。变换器功率开关管的开通、关断以及变压器原边电流与副边电压波形如图2所示。由于实现了功率开关管开通、关断瞬间的ZVS开通、关断，避免了功率器件大电流和高电压同时出现的硬开关状态，抑制了功率开关管开通、关断时产生的电压尖峰，减少了开关损耗与干扰。

图2 ZVS移相全桥波形示意图Fig．2 ZVS phase－shifted full－bridge waveform

为验证ZVS移相全桥拓扑相对PWM硬开关拓扑的电源效率更高，制作了两种供电电源原理样机（分别采用交错正激硬开关拓扑和ZVS移相全桥拓扑），并进行了实物测试。每种供电电源均包含12路独立供电，覆盖3种功率需求。两种不同拓扑电源原理样机效率实测数据对比如表2所示。

表2 不同电源拓扑额定负载下的效率对比表Tab．2 Efficiency comparison of two power－topology under rated load

电源效率为在额定负载条件下电源的输出功率与输入功率之比，电源损耗为电源输出功率和输入功率之差。通过实测两种不同拓扑下的电源损耗，可以发现，在额定负载条件下，相比交错正激拓扑电源，ZVS移相全桥拓扑电源的热损耗降低3%左右。

由于通用武器供电电源需要适配不同的负载需求，对ZVS移相全桥拓扑电源的某一路供电通路进行了不同负载条件下的损耗测试，测试数据如表3所示，负载电流与损耗关系如图3所示。

表3 ZVS移相全桥供电电源负载与损耗关系表Tab．3 Relation between load ＆loss of ZVS phase－shifted full－bridge power supply

图3 移相全桥供电电源损耗与负载关系图Fig．3 Relation between load ＆loss of phase－shifted full－bridge power supply

由图3可以看出，电源的损耗与负载不是正向递增关系，空载时损耗很大，为22．00W（因为输出滤波电容的存在，实际空载时输出负载电流不为0），随后下降；负载电流为5 A时损耗最小，为10．82 W；后续随着负载电流的增加，损耗逐渐增大。通用武器供电电源在实际使用工况中长时间处于空载或轻载（一般5%～10%负载电流以下视为轻载）模式，而基于ZVS移相全桥拓扑的供电电源在空载时的损耗却为峰值，因此在实际装备中使用这种拓扑电源存在极大的缺陷。

2．2 拓扑自适应技术

保证ZVS移相全桥拓扑电源高效工作的前提条件是谐振电路能正常工作。在ZVS移相全桥中，理想条件下滞后臂的起振条件需满足式（1）。

式中：Lr为谐振电感；Io为负载电流；n为变压器变比；CS为功率管等效电容；CT为变压器绕组分布电容；Uin为输入电压。

由式（1）可以看出，器件选型后CS、CT的取值是固定的，若要满足滞后臂的起振条件，只能加大Lr或Io的值。实际工况中，在输出电流很小或几近空载时，滞后臂的起振已很难实现，这种情况下反而会因为无法谐振导致谐振电流在回路流动引起无谓损耗。随着输出电流的增大，滞后臂起振进入ZVS软开关模式后，电源损耗会明显下降。实际上，在重载时移相全桥变换器处于ZVS软开关模式，电源损耗降低。而工作于硬开关模式的电源虽然在大负载条件下损耗变大，但在轻载（包括空载）时损耗却比较小。因此，如果电源能够在轻载时采用硬开关技术，在重载时采用软开关技术，则可以极大降低电源轻载下的电源损耗，也可优化通用武器供电电源对武器供电的适应范围。

在原ZVS移相全桥拓扑的基础上增加自适应切换设计，通过检测输出电流来判断切换电路的开启点。当切换电路作用时，电路进入硬开关模式，降低轻载功耗，提高转换效率；当切换电路关闭时，电路进入ZVS软开关模式，提高重载时的转换效率。切换电路主要由两个门电路组成，如图4所示。

图4 拓扑切换电路示意图Fig．4 Schematic diagram of topology switching－circuit

拓扑切换电路的工作原理：在负载电流较小（电流根据电源功率选定）时，切换开关为无效电平，或门（U1）4路输出信号OR1～OR4与驱动输入信号Out＿D、Out＿C、Out＿B、Out＿A一致，U1输出的4路驱动信号OR1～OR4进入与门（U2）后，Q1和Q4的驱动信号（Drive＿Q1、Drive＿Q4）、Q2和 Q3的驱动信号（Drive＿Q2、Drive＿Q3）经过与门后再分别驱动 Q1～Q4，此时Q1和Q4驱动信号的时序相位一致，Q2和Q3驱动信号的时序相位一致，实现双极性控制，即全桥变换器工作于硬开关模式；在负载电流增大到阈值时，切换开关常有效，U1的4路输出常有效，此时，U2的4路输出信号为ZVS软开关（即谐振状态）的驱动信号，移相全桥变换器工作于软开关模式。

2．3 远程唤醒技术

装备处于值班模式时，通用武器供电电源将长时间处于空载状态。为进一步降低空载损耗，使用远程唤醒技术。值班时，电源进入睡眠模式；作战时，通过远程唤醒，电源迅速启动，及时给负载供电。

从电源供电输入到建立输出，启动步骤严格，一般需要数秒时间完成整个过程。如果采用切断输入电源的方式进入睡眠模式，就会因为时效性不满足要求而无法满足武器供电战技指标。

如果值班模式下开关电源部分电路处于工作状态，在接收外部指令后唤醒其他电路，就可以极大地加快开机过程。为此，进一步改进开关电源设计，增加外部开／关机控制电路。电源进入睡眠模式时，主回路不工作，只有辅助电源电路工作。由于电源损耗主要集中在主回路中，因此睡眠模式下电源损耗极小。远程开／关机示意图如图5所示。

图5 远程开／关机示意图Fig．5 Schematic diagram of remote On／Off switch

图5中，当无需给负载供电时，远程控制信号为关机指令，此时主回路（DC／DC和输出整流滤波电路）处于非工作状态，其余辅助电源电路工作；当进入开机模式后，远程控制信号为开机指令，此时电源开机，电源工作于硬开关模式的轻载状态；当需要带载供电时，电源切换进入ZVS移相全桥模式。

3 试验结果分析

对采用自适应拓扑切换的原理样机进行实物损耗功率测试，负载电流与功率损耗数据见表5，电流与损耗关系见图6。

表5 拓扑自适应切换供电电源损耗与负载关系表Tab．5 Relation between load ＆loss of topology adaptive－switching power supply

根据实测数据可知，改进后的通用武器供电电源在空载和轻载模式下损耗大大减小，特别是电源空载时损耗由原来的22．00W降低为6．10 W，极大程度地降低了功率损耗。

对采用远程唤醒技术的样机进行睡眠模式功耗测试，睡眠模式下电源损耗仅3．07 W，比PWM硬开关的开机模式电源损耗降低约一半。对睡眠模式启动的时效性进行测试，波形如图7所示。

图6 拓扑自适应切换供电电源损耗与负载关系Fig．6 Relation between load ＆loss of topology adaptive－switching power supply

图7 通用武器供电电源从睡眠模式到唤醒模式的输出信号波形Fig．7 Output signal waveform of universal weapon power supply from sleep－mode to wake－up mode

图7中横坐标为时间，每格为40 ms，通用武器供电电源从睡眠模式唤醒到额定电压稳定输出的时间约为80 ms，满足系统使用要求。

采取上述综合节能措施的武器供电电源，在自然散热条件下按电源正常工作过程进行温升测试，结果显示温升下降一半以上，明显提高了电源可靠性。

4 结束语

首先，针对武器专用供电电源无法满足通用武器供电需求的问题，采用了高性能的ZVS移相全桥拓扑技术；然后，针对通用武器供电电源供电范围宽和轻载损耗大的问题，采用了自动拓扑切换技术；最后，采用了远程唤醒技术进一步降低长时间空载工况下电源的发热损耗。通过对实物样机进行测试，结果表明：采用以上3种方法的综合节能技术后，通用武器供电电源的损耗大幅度降低，可适应各种负载需求，提高了可靠性。