30kW大功率脈沖電源研制

劉崇義 楊旭東 呂小剛

(北京航天萬源科技有限公司 北京 100176)

我們研制的30kW大功率脈沖電源，具有輸出電壓0至15V連續(xù)可調(diào)，輸出電流0至2000A連續(xù)可調(diào)，具有輸入過欠壓保護(hù)，短路保護(hù)、過熱保護(hù)等功能，還可與PLC系統(tǒng)匹配等功能。本文主要講述功率元器件的選擇及功率變壓器的設(shè)計(jì)。

1 主電路框圖

主功率原理框圖如圖1所示。

如圖1所示，三相交流電通過整流濾波變?yōu)楦邏褐绷麟姡偻ㄟ^功率開關(guān)、功率變壓器將高壓直流電變?yōu)榈蛪弘姺讲ǎ詈螅烧鳛V波回路將高頻方波電壓濾波成為需要的脈沖電壓。

2 整流橋的選擇

2.1 整流橋的耐壓

工作頻率為50Hz，輸入三相交流電壓380V，采用三相整流橋，整流后峰值電壓為380×（1+0.2）×1.414=644V。根據(jù)整流橋的實(shí)際電壓等級(jí)，我們選擇整流橋的耐壓要高于1000V。

2.2 整流橋的額定電流

取電源效率為80%，電源的輸入功率為30000/0.8=37500W，整流后電壓下限為380×80%×1.414=430V，則最大輸入線電流為37500/430=87A。

所以我們選擇常州瑞華的MDS200-14，耐壓1400V，電流200A。

3 功率開關(guān)管的選擇

目前主要用到兩種功率開關(guān)管：功率MOSFET和絕緣柵極雙極型晶體管IGBT，IGBT一般用在更大的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，我們選用英飛凌IGBT，型號(hào)為FF200R12KS4，耐壓1200V，電流200A。

4 控制芯片的選擇

KA3525是目前市場(chǎng)上廣泛使用PWM控制芯片，具有成本低、質(zhì)量可靠、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。KA3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比，使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高。

5 主功率變壓器設(shè)計(jì)

5.1 選擇磁芯材料

對(duì)于大功率電源磁芯的選擇，普通的鐵氧體磁芯無法滿足功率上的需求，我們選擇更高磁導(dǎo)率鐵基納米晶磁芯，納米晶磁芯的工作磁通大致為鐵氧體磁芯的2倍，所以體積更小些，由下面公式計(jì)算功率變壓器的容量要求：

AP=P0×106/ 2ηfBmδKmKc

式中：

P0—輸出功率，單位W；

η—變壓器效率，取0.9；

圖1 脈沖電源的原理框圖

f—工作頻率，單位Hz，取17kHz；

Bm—工作磁通，單位GS，取2000；

δ—導(dǎo)線電流密度，取3A/mm2；

Km—窗口填充系數(shù)，一般取0.4；

Kc—磁芯填充系數(shù)，一般取1；

經(jīng)計(jì)算，磁芯的有效截面積要40cm2。

經(jīng)上述計(jì)算，以及結(jié)構(gòu)和散熱上的考慮，我們需要4個(gè)這樣的環(huán)形磁芯（磁芯規(guī)格D×d×h=120 mm ×70 mm×20mm，D為環(huán)形磁芯的外直徑，d為環(huán)形磁芯的內(nèi)直徑，h為環(huán)形磁芯的厚度），采用變壓器原邊串聯(lián)副邊并聯(lián)的方式，每?jī)蓚€(gè)磁環(huán)并在一起作為一個(gè)變壓器磁芯進(jìn)行繞制。

5.2 原副邊匝數(shù)

由于我們選用兩個(gè)變壓器原邊串聯(lián)的方式，每個(gè)變壓器承擔(dān)一半的電壓，則原邊匝數(shù)N=Vin ×108/4fBmAp=11.8,取整為12匝。

原副邊匝數(shù)比為k=Vinmin/Vo=380×0.8×1.414/15=28.6。

則副邊匝數(shù)為24/28.6=0.8，取整為1。

5.3 線徑選擇

原邊輸入功率：

Pin=Po/η=30000/0.9=33333W

原邊輸入電流最大有效值

Iinmax=33333/430=77.6A

取電流密度3A/mm2，則所需導(dǎo)線截面積為77.6/3=25.8mm2。

由于變壓器工作在高頻，所以必須考慮趨膚效應(yīng)，所謂趨膚效應(yīng)就是：變壓器繞組導(dǎo)線通過高頻電流時(shí)，在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生渦流，渦流在導(dǎo)體表面是加強(qiáng)，在導(dǎo)體內(nèi)部使電流減弱，電流趨向于導(dǎo)體表面。工程上定義電流密度從表面下降到電流密度的0.368（即1/e）的厚度為趨膚深度ε為0.5mm，則導(dǎo)線的最大直徑為2ε=1mm，所以原邊繞組選用直徑0.8mm的漆包線40股，導(dǎo)線截面積為50.24mm2，沿磁環(huán)均勻繞制，副邊采用12只外徑為6mm，內(nèi)徑為5mm的銅管分別并聯(lián)焊接在200mm×200mm×1mm的三塊銅板上，銅板之間加絕緣板，銅管需用絕緣套管保護(hù)，防止短路。

6 結(jié)語

本文闡述了大功率脈沖電源的系統(tǒng)主電路、變壓器設(shè)計(jì)以及元器件的原則等設(shè)計(jì)過程，在此基礎(chǔ)上完成了硬件電路的設(shè)計(jì)。