一種大功率高壓直流電源方案設計

航天南湖電子信息技術股份有限公司　袁　毛　劉凱倫

引言

在工業及軍用領域，大功率電源的應用需求非常廣泛。本文介紹一種將380VAC/50Hz三相電轉換為500VDC直流電的電源技術方案。本電源主要特點為：電源效率高、對供電電網的污染少、可靠性高、精度高，故障定位簡單，適用于分布式供配電結構。

1.組成與工作原理

本電源由濾波組件（濾波器、濾波電容）、軟啟動電路、18脈沖整流電路、傳感器、控制電路和保護電路組成。電源原理框圖如圖 1所示。輸入交流電經濾波器后，由軟啟動電路限制啟動電流和浪涌電流沖擊，在18脈沖整流路中經多脈沖降壓變壓器生成三組移相三相交流電，輸入整流橋，最后整流成直流電輸出。電流各狀態信息由傳感器采集送入控制電路，對電源進行狀態監控，同時電源具有通訊功能，與控制終端進行信息交互，接受上位機控制指令，上報電源狀態信息等。

圖1　電源原理框圖

2.電源電氣設計

2.1　濾波組件

采用濾波組件減小輸出電壓紋波，避免負載斷開瞬間產生較大的電壓尖峰，保護整流電路。18脈沖整流電路輸出的電壓紋波峰最大峰值為9.5V，輸出電容越大輸入電流THD越差，需在整流橋后加LC濾波恒流輸出。電感選擇5μH，輸出電容值選擇2200μF，輸出電壓脈動小于2V。輸出直流電壓峰值為598V，將兩個耐壓450V電容串聯使用，選取江海電容CD139-450V-2200μF。

2.2　軟啟動電路

軟啟動電路可以避免變壓器瞬間加電飽和時以及電感與輸出濾波電容發生振蕩時輸出電壓過壓對后級電路產生影響。軟啟動電路電路圖如圖2。交流接觸器最大輸入電流為97.5A，選擇型號JQ-38F，額定工作電流200A。軟啟動電阻取值為100Ω，軟啟動繼電器選擇國營891廠JQX-3MD型電磁繼電器，觸點電流30A。

2.3　18脈沖整流電路

整流橋二極管兩端承受的最大電壓線電壓峰值為600V，考慮1.5倍過載，額定工作時輸出電流Idnax為150A。參考GJB Z35-93的降額標準，可選用IXYS公司VUO190 16NO7三相整流橋，額定電流248A，反向電壓1600V。

圖2　軟啟動電路圖

2.4　傳感器

a）電信號傳感器

采集輸入交流電壓、變壓器輸出脈沖電流、輸出直流電流、輸出直流電壓信號。輸入交流電壓信號、變壓器輸出脈沖電流信號是MOS管驅動PWM的參考變量，要求響應及時準確，信號延時不大于一個周期（2.5ms）的1%，即25μs。

b）溫度傳感器

采用集成芯片TEMP04采集MOS管和變壓器的溫度。將溫度信號變為輸出電壓占空比信號，通過檢測占空比標定器件溫度，該采集方法抗干擾能力較強。

2.5　控制電路

控制電路可以對輸入輸出電壓、電流進行檢測，控制輸入輸出電路通/斷。

輸入選擇BJB6-4P-100A系列斷路器。當輸出功率為50kW，3相平衡，輸入電壓拉偏至低端時，每相輸入最大電流為：

輸出斷路器選擇選擇百事寶高壓直流斷路器BJM5系列，用于對輸出520V直流的應急切斷。

2.6　保護電路

采用ABB絕緣監測模塊CM-IWN-1進行對地隔離系統母線安全性的檢測，通過互相獨立地測量正負母線對地絕緣阻抗的大小，判斷系統絕緣狀態。絕緣監測器CM-IWN-1檢測端分別直接連接在兩根母線和大地上，對母線對地絕緣電阻值進行實時監測，并與參考值——絕緣響應門限比較；CM-IWN-1可以設置多種絕緣響應門限（10Ω～110KΩ），當母線對地電阻小于設定的門限電阻值時，繼電器動作，同時LED指示燈示紅。

通過電流霍爾檢測直流輸出端共模電流來判斷是否有漏電流，當520V直流線間存在漏電阻時，設計電路實時監測漏電流大小，當漏電流超過人體安全電流30mA時，指示燈亮報警，關斷直流側斷路器。

交流端放置4P低壓防雷器，直流端放置2P低壓防雷器，有效對電源進行SPD防護。

3.電源結構設計

結構設計主要從以下幾個方面考慮：緊湊化、小型化、輕型化；散熱的有效性；走線和布局的美觀性；節點之間連接的可靠有效性；可拆卸性和方便維修等。

為保證結構設計緊湊、小型化，整體結構采用插件設計方案：主要的散熱元器件分布在冷板；PCB板和連接器等其他元器件分布在中隔板、面板和側板；元器件之間的連接盡量采用匯流條以減少空間。

為保證結構散熱的有效性，整流部分主輔電流進行拆分，保證主電流部分的具有一定的距離，減小熱效應的疊加。

為保證結構設計走線美觀，整體設計多采用匯流條進行連接，減少線纜的使用；必須使用線纜的元器件，盡量布置在一起，保證出線方向和走線方向一致。

4.電源效率

本電源損耗主要損失在變壓器和整流橋上。整流橋二極管導通壓降為1.1V，導通電阻為2.7mΩ，整流橋損耗為：

則單套整流電源系統效率估算為（未考慮接觸、輔助源損耗）：

額定輸入時，整流電源系統效率為95.5%。

5.結論

采用工藝成熟的多脈沖整流技術，能有效提高電源的功率因數，能在機載使用條件下充分利用供電電網或電站的供電容量，減少電源對供電電網的污染。使用控制電路進行狀態判斷，具有可靠、精度高，故障定位簡單的特點。

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