遠程恒流供電系統中I-V節點電源設計

陳 亞，顏川江，祝 新

(1.海軍駐無錫地區軍事代表室，無錫 214061；2.中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

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遠程恒流供電系統中I-V節點電源設計

陳 亞1，顏川江2，祝 新2

(1.海軍駐無錫地區軍事代表室，無錫 214061；2.中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

針對海底觀測網絡的特殊應用場合，提出了相比恒壓供電更具優勢的遠程恒流供電系統方案，水下部分的I-V節點電源是供電系統的重要組成部分。詳細介紹了I-V節點電源的設計方案，電源的前級采取開關管旁路和輸出二極管的設計方式來實現，后級利用自激推挽式變換器隔離輸出穩定電壓。電源電路設計簡單、高效，采用最少的元器件設計了效率高、工作穩定的恒流/恒壓電源模塊。

遠程供電；恒流/恒壓；自激推挽式變換器

0 引 言

隨著科技的進步以及我國對海洋權益的日益重視，海底觀測網絡的研究與應用勢在必行。由于該網絡包含有源設備眾多，連接關系復雜，海底的應用環境特殊，無法進行正常的保養及維護，因此不能像陸上的供電系統對設備供電。新型的遠程供電系統研究和設計迫在眉睫，供電系統必須解決遠程組網、故障應對、高可靠性等技術難題。為此國內外多家研究機構及個人對該供電系統提出了設計方案，驗證了相關理論，儲備并完善了諸多技術研究。文獻[1]設計了水下恒壓遠程供電系統，研究了系統狀態估計與控制技術，提高了恒壓系統在水下環境中應對故障的能力。文獻[2]設計了水下恒流遠程供電系統，研究了恒流的多路分支技術，保持全網絡的恒流特性。浙江大學及同濟大學等單位建設了恒壓單節點試驗系統，解決了高-中-低壓轉換技術，并已進行海試。

縱觀各研究機構的研究思路，遠程供電系統大體分為恒壓供電模式和恒流供電模式。恒壓的優點是在組網中易于電路分支，更容易組成矩形網絡及樹狀網絡。缺點就是節點電源將承受高壓，且須逐級降壓使用，對于節點電源的器件選擇和電路實現都比較困難；其次恒壓供電系統某個支路故障，其節點電壓大幅下降，將會導致系統工作異常。恒流供電系統中，流過各節點的電流相等，其抗故障能力更強，故障點定位更容易，但在組網時實現電流分支相對困難，須開發恒流/恒流I-I分支模塊，通過I-I分支模塊進行干路分支。與恒壓供電模式相比，恒流供電模式更有優勢，本文只探討恒流供電系統。

1 遠程恒流供電系統原理

如圖1所示，恒流供電系統由岸基恒流源、海纜、I-V節點電源、I-V中繼電源、I-I分支模塊、DC/DC模塊等部分構成。其中岸基恒流源提供恒定電流輸出，2臺岸基恒流源為冗余設計，共同提供系統功率；I-V節點電源為恒流到恒壓的轉換電源，主要完成從恒流取電轉換成向節點設備提供恒壓電能；I-V中繼電源為恒流到恒壓的轉換電源，主要完成恒流轉換成恒壓,為光中繼提供電能，I-I分支模塊為恒流/恒流變換器，組網中需要進行分支布網時，利用此模塊進行電流分支。

恒流供電系統共分A、B、C、D四級，岸基恒流源為A級，I-V節點電源、I-V中繼電源、I-I分支模塊為B級，DC/DC模塊為C級，D級為水下設備級。供電系統層次清晰、模塊功能齊全，易于組網。

遠供系統工作環境特殊，海纜容易受到錨掛斷裂、接駁盒密閉性失效等情況產生短路，短路處將連接海水，短路位置至2臺岸基恒流源變為2個新的獨立遠供系統，2臺冗余備份的岸基恒流源將分別為2個獨立遠供系統重新提供電能。短路故障的解決方案是該供電系統的最大優點之一[3]。由于供電系統的線纜處于海纜之中，在海纜無故障的前提下，出現斷路的幾率非常低，因此不做此故障的討論。

圖1 恒流供電系統原理框圖

2 I-V節點電源設計方案及技術要求

I-V節點電源主要實現從干路上取恒流電，變換成穩定恒壓給后級電源或設備使用的功能，使用在干路的節點處，是水下部分數量最多、功能最全的電源，也是最重要的電源。I-V節點電源的設計原則是：簡單實效，實現恒流/恒壓的功能，具備在水下長期工作的高可靠性，具有短路的保護機制。

I-V節點電源包含前后兩部分，前部是分由旁路開關金屬-氧化物半導體(MOS)管及二極管組成的前級穩壓電路，后部分為自激推挽式變換，將輸入輸出進行隔離。電源模塊的前級與外殼的高耐壓隔離采用了疊層的氮化鋁，四層氮化鋁耐壓達到了40kV。輸入過壓采取可控硅導通方式進行保護，同時當輸出短路時，前級輸入電壓會升高，同樣能通過打通可控硅進行保護。

本模塊技術要求如下

輸入：恒流1.5A+5%；

輸出電壓：DC150V+1%；

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額定輸出功率：200W；

輸出電壓紋波：≤±2%；

輸入輸出隔離：12kV；

具有輸入短路、輸出短路保護功能。

3 I-V節點電源前級設計

圖2所示為I-V節點電源的前級原理框圖，圖中包括了輸入端的整流橋、開關管、輸出二極管、前級過壓保護單元及脈寬調制電路。

圖2 I-V節點電源的前級原理框圖

開關管作為旁路開關使用，將多余的電能通過脈寬調制信號開啟開關管旁路至恒流輸出端，脈寬

調制信號由輸出電壓分壓得到的反饋電壓調整輸出的脈寬，達到控制輸出電壓穩定的目的。其自動穩壓過程可以簡述為：Vout↑→Vf↑→D1↓→D2↑→ton↑→Vout↓。

4 自激推挽式變換器設計及主要元器件的選擇

自激推挽式變換器是利用開關管和變壓器鐵芯的磁通量飽和來進行自激振蕩，從而實現開關管“開/關”轉換的直流變換器。本電路有著電路精簡、無需輔助電源及脈寬調制(PWM)控制電路、高效可靠等優勢，非常適合I-V節點電源。

4.1 自激推挽式變換器的工作原理

自激推挽式變換器的電路原理[4]如圖3所示，當電壓Vin加到輸入端時，通過R1和R2并接到2個開關MOS管的柵極，由于電路的不對稱性，總會有一個開關導通，假如V1導通，WP1磁芯磁化，WB1感應電動勢增大，WB2反向電動勢至V2截止，V1全導通，WP1的磁通隨電流線性增大至飽和，飽和后V1很快截止，V2進入導通，V2復制V1的過程后完成1個周期。

圖3 自激推挽式變換器的電路原理圖

整個過程周而復始，使得V1、V2交替導通,在MOS管的漏極產生方波，完成推挽工作，輸出經過濾波后獲得直流電壓。

4.2 MOSFET代替晶體管避免磁通不平衡的影響

磁通不平衡[5]是自激推挽式電路存在的一大缺點，MOS管沒有存儲時間，在交替的半周期內，柵極導通次數和漏極導通次數總是相等。在交替的半周期中施加到變壓器上的伏秒數相等。其次MOS管導通電阻的正溫度系數形成的負反饋也會阻止磁通不平衡問題的產生。

4.3 變壓器的設計

變壓器設計是開關電源的重點和難點。為了滿足12kV的隔離電壓，普通的骨架加磁芯方案難以解決爬電問題。本設計選擇了鈷基非晶磁環，通過高耐壓絕緣膠帶纏繞進行隔離，經測試達到了隔離12kV的耐壓，并解決了爬電距離。

4.3.1 變壓器線圈匝數的計算

T1初級繞組的匝數可以根據下式計算：

(1)

式中：Vin為施加在繞組上的電壓,約為165V;NP為繞組匝數；Ac為磁芯截面積；考慮到磁通飽和因素，工作磁通密度取飽和磁通的0.8倍，即B=0.8×Bm≈2 200Gs；f為工作頻率,設定為50kHz。

根據公式(1),可以求出初級繞組匝數：

NP1=NP2=30(匝)

T1次級繞組Ns1、Ns2的計算,VO=150V，根據推挽的變壓器公式，次級繞組匝數可計算為：

T1輔助繞組Nb的計算，因T2變壓器設計的變比為1∶1∶1，所以輔助繞組的輸出電壓為MOS管的開關電壓，設置為15V比較合適，簡單計算可得：

Nb=2(匝)

T2采用14×8×7的鐵氧體環，計算出輸入輸出匝數為：

5 I-V節點電源工作狀態測試結果

對所設計的I-V節點電源進行了測試，電源串聯接入恒流輸入源中，得到了穩定的150V輸出，電源開啟及帶載正常，并具備輸入過壓、輸出短路保護功能。正常工作時兩開關管G端的波形如圖4所示，輸出電壓紋波如圖5所示。

圖4 開關管G端波形

圖5 輸出電壓紋波

I-V節點電源通過旁路開關管及輸出二極管從恒流干路中獲取直流電壓，并通過自激推挽電路隔離輸出，電路結構簡單，電子元器件少，符合高可靠性設計原則，同時效率高達90%，是遠程恒流供電系統中水下電源的首選方案。

該電源已獲得了實驗室應用，性能穩定，可靠性高，抗干擾能力強,以后還將進一步完善及推廣。

[1]CHANT,LIUCC,HOWEBM,etal.FaultlocationfortheNEPTUNEpowersystem[J].IEEETransactionsonPowerSystems,2007,22(2)：522-523.

[2]ASAKAWAK,KOJIMAJ,MURAMATSUJ,etal.Current-to-currentconverterforscientificunderwatercablenetworks[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,2007,32(3)：584-592.

[3] 王希晨，周學軍，周媛媛，等.適用于海底觀測網絡的恒流遠供系統可靠性分析方法[J].國防科技大學學報，2015，37(5)：186-191.

[4] 張慶華，盧廣鋒，王子健.基于自激推挽式小型化二次電源的設計[J].電子技術，2009，46(5)：50-52.

[5] 段小虎，曹國雄.自激型推挽式直流變換器的“連通”現象[J].國外電子元器件，2002(5)：26-28.

DesignofI-VNodePowerSupplyinRemoteConstantCurrentPowerSupplySystem

CHENYa1,YANChuan-jiang2,ZHUXin2

(1.NavyMilitaryRepresentativeOfficeinWuxiProvince,Wuxi214061，China;2.The723InstituteofCSIC，Yangzhou225001，China)

Aimingatthespecialapplicationoccasionsofseafloorobservationnetwork,thispaperputsforwardtheprojectofremoteconstantcurrentpowersupplysystemwhichhassuperioritythanconstantvoltagepowersupply,andtheunderwaterI-Vnodepowersupplyisanimportantpartofthepowersupplysystem.ThedesignschemeofI-Vnodepowersupplyisintroduceddetailedly,andthepre-stageofpowersupplyisrealizedthroughthedesignmodeofswitchtubebypassandoutputdiode,therear-stageofpowersupplyusesself-excitedpush-pullconvertertooutputstablevoltageisolatedly.Thepowersupplycircuitisdesignedsimplyandeffectively,andusestheleastamountofcomponentstoachieveastableconstantcurrentandconstantvoltagepowersupplymodulewithhighefficiency.

remotepowersupply;constantcurrent/constantvoltage;self-excitedpush-pullconverter

2016-03-01

TM

B

CN32-1413(2016)03-0107-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.027