船用帶ＵＰＳ功能的多路輸出電源的設(shè)計
2009-04-12 00:00:00胡立強李小泉王永強邸建紅
船海工程 2009年3期
摘要：本文介紹了一種帶UPS功能的多路輸出電源的設(shè)計方法，該電源第一級DC/DC電源，并帶有蓄電池負(fù)載。第二級為逆變整流多路輸出電源，采用了多路比例反饋。實際使用表明，該電源工作穩(wěn)定可靠，性能良好。
關(guān)鍵詞：多路輸出電源；UPS；DC/DC；多路比例反饋
中圖分類號：U6；TM9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：16717953(2009)03001402
某船舶航行數(shù)據(jù)記錄儀電源要求輸入為DC110V，有110V/2A、50V/10A、5V/15A三路DC輸出，并且要求具有在線UPS功能，輸入停電時要無間隙切換，保證設(shè)備繼續(xù)正常工作。例如船舶出現(xiàn)傾斜全船失電甚至沉沒，應(yīng)能在供電狀態(tài)下記錄所有船舶信息，以備日后取證。且要求電源效率>93%，工作穩(wěn)定，可靠性高。
1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成
目前國內(nèi)外較為先進(jìn)的UPS裝置是利用微處理器控制的工頻高壓直流電源。雖然利用微處理器可以使電源輸出電壓根據(jù)負(fù)載進(jìn)行跟蹤優(yōu)化，但由于采用工頻高壓直流裝置，直流電源很龐大、沉重，而且根據(jù)回路電壓控制可控硅導(dǎo)通角，雖可調(diào)節(jié)輸出電壓，但輸出電壓波動很大。
本電源是采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)和變頻(PFM)技術(shù)的功率轉(zhuǎn)換電路。如圖1.將直流電濾波后，通過微機控制逆變?yōu)楦哳l方波交流電壓后，再經(jīng)高頻變壓器升壓，高頻整流橋整流，在UPS上得到電壓波形。
2、主電路介紹
主電路的原理如圖2.所示，直流電路供給逆變模塊的C、E極，逆變主要靠微機控制模塊各個橋臂的導(dǎo)通和截止來得到20KHZ的高頻矩形波交流電壓，電容C1、C2、電感L1與變壓器串聯(lián)構(gòu)成諧振支路，從高頻升壓變壓器得到的交流電通過高頻整流硅堆，得到所需可控的直流電。把輸出的電流、電壓、反饋至微機控制器改變脈沖工作頻率或脈沖寬度經(jīng)隔離驅(qū)動器送給IGBT全橋高頻逆變模塊以對輸出電流和輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。
3、逆變器開關(guān)管的選擇
采用傳統(tǒng)的晶閘管作為逆變元件時，由于晶閘管的開關(guān)速度慢，因此逆變器的工作頻率不可能很高，這就限制了儲能元件的充電速度和充電精度。功率場效應(yīng)管MOSFET具有優(yōu)越的高頻開關(guān)特性，無疑是一種更加理想的逆變用器件。同時，由于它的加入，電力電子器件在節(jié)省電能方面發(fā)揮了很大的潛力，使得半導(dǎo)體器件在中小功率中的應(yīng)用有了迅速發(fā)展。
但是，MOSFET作為多子器件也有它的缺點，即高壓MOSFET的正向電阻很大。因而就誕生了絕緣柵雙極型晶體管IGBT，由于它比MOSFET多一個PN結(jié)，本質(zhì)上是個雙極型晶體管。而這個附加的PN結(jié)注入的少子改善了通態(tài)特性，使得IGBT既具有MOSFET的下作速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動電路簡單、熱溫度性好的優(yōu)點，又包含了GTR (Giant Transistor巨型晶體管)的載流量大，阻斷電壓高等多項優(yōu)點，從而極大的擴(kuò)展了半導(dǎo)體器件的功率應(yīng)用領(lǐng)域，開辟了電力電子技術(shù)向高壓高頻化邁進(jìn)的現(xiàn)實道路。
4、控制方案
逆變電源系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，因為開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出在電網(wǎng)電壓和負(fù)載變化時，無穩(wěn)定作用，控制效果不理想，一般只用于小功率、波形質(zhì)量要求小高的場合。我們采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，把輸出電流和輸出電壓一起引入控制系統(tǒng)。采用PWM和PFM結(jié)合來實現(xiàn)電壓和電流等的控制。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.控制方法如下：
驅(qū)動電路的設(shè)計
驅(qū)動電路的作用是將控制電路輸出的脈沖放大到足以驅(qū)動功率開關(guān)管，采用不同的驅(qū)動電路將得到不同的開關(guān)特性。設(shè)計優(yōu)良的驅(qū)動電路能改善功率開關(guān)管的開關(guān)特性，從而減小開關(guān)損耗，提高電源的效率及功率器件工作的可靠性。因此，驅(qū)動電路的優(yōu)劣直接影響電源的性能。隨著開關(guān)工作頻率的提高，驅(qū)動電路的優(yōu)化設(shè)計顯得越來越重要。驅(qū)動電路保持最佳驅(qū)動特性，需要注意以下方面：
1)功率管開通時，驅(qū)動電路提供的基極電流應(yīng)有快速的上升沿，并一開始有一定的過沖，以加速開通過程。
2)IGBT是電壓驅(qū)動，它具有一定的閥值電壓和容性輸入阻抗，因此IGBT對柵極電荷集聚很敏感，必須要保證有一低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量的短。
3)用小內(nèi)阻的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電有足夠陡的前沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外，在IGBT開通后，驅(qū)動
電路提供的基極電流在任何負(fù)載情況下都能保證IGBT處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使IGBT的飽和壓降較低，以保證低的導(dǎo)通損耗。
4)驅(qū)動電平UCE必須綜合考慮。當(dāng)正的UCE過大時，IGBT通態(tài)壓降和開通損耗均增加，負(fù)載短路時的電流增大，IGBT能承受的過電流時間減少，對其安全不利，因此在有短路過程的設(shè)備中認(rèn)UCE應(yīng)選小些。而在關(guān)斷瞬間，為盡快抽取PNP管結(jié)電容存貯的電荷，須施加一足夠負(fù)的偏壓UCE，使集電極電流迅速下降以減少下降時間。但受IGBT的G，E間最大反向耐壓的限制，負(fù)偏壓取也不宜過大。
5)大電感負(fù)載下，IGBT的開關(guān)時間不能過分短，以限制di/dt所形成的尖峰電壓，保證IGBT的安全。
6)IGBT的柵極驅(qū)動電路損耗要小，電路應(yīng)盡可能簡單可靠，最好自帶有對IGBT的保護(hù)功能，并有較強的抗干擾能力。
6、結(jié)束語
UPS電源技術(shù)不斷在發(fā)展，該電源主要器件開關(guān)管在諧振狀態(tài)下開關(guān)條件大為改善，實現(xiàn)了電流諧振軟開通和零電流關(guān)斷，使得開關(guān)管和續(xù)流二極管的開關(guān)損耗大為減少。該類電源具有體積小、效率高，并且適用性廣、調(diào)節(jié)范圍大、電磁干擾小的特點，實測表明，在110V 、50V、 5V滿載輸出時，各電壓紋波峰峰值 (頻帶寬20MHZ)分別小于150mV 、100mV 、80mV，滿足要求，非常適合于船舶電源而得到廣泛的應(yīng)用。
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