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淺析48V/50A開關(guān)電源整流模塊主電路設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2012-03-15

中心議題:

  • 電源整流模塊設(shè)計(jì)要求和具體電路設(shè)計(jì)

解決方案:

  • 采用雙正激變換電路拓?fù)湫问?/strong>
  • 開關(guān)管采用 VMOSFET
  • 采用復(fù)合隔離的逆變壓器 


高頻開關(guān)電源系統(tǒng)具有體積小,重量輕,高效節(jié)能,輸出紋波小,輸出雜音電壓小和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好等很多優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已開始逐步地取代整流式電源而成為現(xiàn)代通訊設(shè)備的新型基礎(chǔ)電源系統(tǒng)[1]。隨著電子技術(shù),電力電子技術(shù),自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的性能也越來越好。通信用開關(guān)電源系統(tǒng)作為開關(guān)式穩(wěn)壓電源的一種形式,它的設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)方法都具有自己的特殊性。      

要設(shè)計(jì)一套通信用開關(guān)電源系統(tǒng),首先要明白對(duì)它的全面要求,然后再設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各個(gè)部分。高頻開關(guān)電源主回路和控制回路所用的電路形式,元器件,控制方式都發(fā)展很快。它們的設(shè)計(jì)具有特殊的內(nèi)容和方法。      

1  設(shè)計(jì)要求和具體電路設(shè)計(jì)      

通信基礎(chǔ)開關(guān)電源系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是開關(guān)電源整流模塊。整流模塊的規(guī)格很多,結(jié)合在工作中遇到的實(shí)際情況,提出該模塊設(shè)計(jì)的硬指標(biāo)如下:      

1) 電網(wǎng)允許的電壓波動(dòng)范圍      

單相交流輸入,有效值波動(dòng)范圍:220 V±20%,即176~264 V;頻率:45~65 Hz。      

2) 直流輸出電壓,電流      

輸出電壓:標(biāo)稱-48V,調(diào)節(jié)范圍:浮充,43~565V;均充,45~58V。      

輸出電流:額定值:50A。      

3) 保護(hù)和告警性能      

①當(dāng)輸入電壓低到170 VAC或高到270 VAC,或散熱器溫度高到75 ℃時(shí),自動(dòng)關(guān)機(jī)。      

②當(dāng)模塊直流輸出電壓高到60 V,或輸出電流高到58~60 A時(shí),自動(dòng)關(guān)機(jī)。      

③當(dāng)輸出電流高到53~55 A時(shí),自動(dòng)限流,負(fù)載繼續(xù)加大時(shí),調(diào)低輸出電壓。      

4) 效率和功率因數(shù)      

模塊的效率不低于88%,功率因數(shù)不低于0.99。      

5) 其他指標(biāo)      

模塊的其他性能指標(biāo)都要滿足“YD/T731”和“入網(wǎng)檢驗(yàn)實(shí)施細(xì)則”等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。      

由于模塊的輸出功率不大,可采用如下的基本方案來設(shè)計(jì)主電路:      

1) 單相交流輸入,采用高頻有源功率因數(shù)校正技術(shù),以提高功率因數(shù);      

2) 采用雙正激變換電路拓?fù)湫问?,工作可靠性高?nbsp;     

3) 主開關(guān)管采用 VMOSFET,逆變開關(guān)頻率取為50 kHz;      

4) 采用復(fù)合隔離的逆變壓器,一只變壓器雙端工作;      

5) 采用倍流整流電路,便于繞制變壓器。

依照上述方案,即可設(shè)計(jì)出主電路的基本形式如圖1。      
 


以下即可按照模塊設(shè)計(jì)的要求來確定主電路中各元器件的基本參數(shù)。      
[page]
1) 輸出整流管的選擇      

輸出整流二極管的工作波形如圖2所示。      
 


由圖可見,二極管D5和D6的峰值電流約為50 A,平均電流為25 A。D5和D6承受的最高反向電壓為:      

VD=Vidcmax/n=395V/3≈132V      

因此,可以選擇300∶400 V,50∶60      

A的超快軟恢復(fù)的整流二極管模塊,如ST的STTA12004T(V),260 A等。      

2)逆變主開關(guān)管的選擇      

開關(guān)管的電流ICM等于逆變變壓器原邊的電流I1,即:      

ICM="I1
 
"=I2/n=25 A/3≈8.3 A      

所以,逆變主開關(guān)管T1∶T4可以選擇(550∶600)V,(20∶30)A的VMOSFET,如IR的IRFK3FC50等模塊。      

續(xù)流二極管D1∶D4可以選擇(550∶600)V,(15∶20)A的快速恢復(fù)二極管。      

3)濾波電感的計(jì)算      

直流輸出LC濾波的工作頻率為100 kHz,通信開關(guān)電源整流模塊要求在5%的額定負(fù)載下,保證雜音滿足指標(biāo)。額定情況下,最大占空比:      


4)濾波電解電容的計(jì)算      

按照離散雜音的要求,電容上允許的100 kHz下的紋波Δuc=3 mV。通過選擇開關(guān)電源專用電解電容并和無極性電容并聯(lián),將總的ESZ控制在1.5 mΩ以下,則有:      

C=ΔiLT/(t×ΔVc)≈5 556 μH      

2  結(jié)語       

現(xiàn)代通信設(shè)備已開始廣泛地采用開關(guān)式基礎(chǔ)電源系統(tǒng)。本文結(jié)合筆者所在的“通信原理試驗(yàn)室”建設(shè)情況,設(shè)計(jì)了開關(guān)電源系統(tǒng)整流模塊的主電路。該電路已經(jīng)成功應(yīng)用于試驗(yàn)室供電系統(tǒng),完全符合設(shè)計(jì)要求,達(dá)到了預(yù)期的目的。

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