30kW大功率脉冲电源研制

刘崇义 杨旭东 吕小刚

(北京航天万源科技有限公司 北京 100176)

我们研制的30kW大功率脉冲电源，具有输出电压0至15V连续可调，输出电流0至2000A连续可调，具有输入过欠压保护，短路保护、过热保护等功能，还可与PLC系统匹配等功能。本文主要讲述功率元器件的选择及功率变压器的设计。

1 主电路框图

主功率原理框图如图1所示。

如图1所示，三相交流电通过整流滤波变为高压直流电，再通过功率开关、功率变压器将高压直流电变为低压电方波，最后，由整流滤波回路将高频方波电压滤波成为需要的脉冲电压。

2 整流桥的选择

2.1 整流桥的耐压

工作频率为50Hz，输入三相交流电压380V，采用三相整流桥，整流后峰值电压为380×（1+0.2）×1.414=644V。根据整流桥的实际电压等级，我们选择整流桥的耐压要高于1000V。

2.2 整流桥的额定电流

取电源效率为80%，电源的输入功率为30000/0.8=37500W，整流后电压下限为380×80%×1.414=430V，则最大输入线电流为37500/430=87A。

所以我们选择常州瑞华的MDS200-14，耐压1400V，电流200A。

3 功率开关管的选择

目前主要用到两种功率开关管：功率MOSFET和绝缘栅极双极型晶体管IGBT，IGBT一般用在更大的工业应用领域，我们选用英飞凌IGBT，型号为FF200R12KS4，耐压1200V，电流200A。

4 控制芯片的选择

KA3525是目前市场上广泛使用PWM控制芯片，具有成本低、质量可靠、技术成熟等优点。KA3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比，使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率和瞬态响应特性都有提高。

5 主功率变压器设计

5.1 选择磁芯材料

对于大功率电源磁芯的选择，普通的铁氧体磁芯无法满足功率上的需求，我们选择更高磁导率铁基纳米晶磁芯，纳米晶磁芯的工作磁通大致为铁氧体磁芯的2倍，所以体积更小些，由下面公式计算功率变压器的容量要求：

AP=P0×106/ 2ηfBmδKmKc

式中：

P0—输出功率，单位W；

η—变压器效率，取0.9；

图1 脉冲电源的原理框图

f—工作频率，单位Hz，取17kHz；

Bm—工作磁通，单位GS，取2000；

δ—导线电流密度，取3A/mm2；

Km—窗口填充系数，一般取0.4；

Kc—磁芯填充系数，一般取1；

经计算，磁芯的有效截面积要40cm2。

经上述计算，以及结构和散热上的考虑，我们需要4个这样的环形磁芯（磁芯规格D×d×h=120 mm ×70 mm×20mm，D为环形磁芯的外直径，d为环形磁芯的内直径，h为环形磁芯的厚度），采用变压器原边串联副边并联的方式，每两个磁环并在一起作为一个变压器磁芯进行绕制。

5.2 原副边匝数

由于我们选用两个变压器原边串联的方式，每个变压器承担一半的电压，则原边匝数N=Vin ×108/4fBmAp=11.8,取整为12匝。

原副边匝数比为k=Vinmin/Vo=380×0.8×1.414/15=28.6。

则副边匝数为24/28.6=0.8，取整为1。

5.3 线径选择

原边输入功率：

Pin=Po/η=30000/0.9=33333W

原边输入电流最大有效值

Iinmax=33333/430=77.6A

取电流密度3A/mm2，则所需导线截面积为77.6/3=25.8mm2。

由于变压器工作在高频，所以必须考虑趋肤效应，所谓趋肤效应就是：变压器绕组导线通过高频电流时，在导体内部产生涡流，涡流在导体表面是加强，在导体内部使电流减弱，电流趋向于导体表面。工程上定义电流密度从表面下降到电流密度的0.368（即1/e）的厚度为趋肤深度ε为0.5mm，则导线的最大直径为2ε=1mm，所以原边绕组选用直径0.8mm的漆包线40股，导线截面积为50.24mm2，沿磁环均匀绕制，副边采用12只外径为6mm，内径为5mm的铜管分别并联焊接在200mm×200mm×1mm的三块铜板上，铜板之间加绝缘板，铜管需用绝缘套管保护，防止短路。

6 结语

本文阐述了大功率脉冲电源的系统主电路、变压器设计以及元器件的原则等设计过程，在此基础上完成了硬件电路的设计。