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連續可調，輸出電流0至2000A連續可調，具有輸入過欠壓保護，短路保護、過熱保護等功能，還可與PLC系統匹配等功能。本文主要講述功率元器件的選擇及功率變壓器的設計。

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為高壓直流電，再通過功率開關、功率變壓器將高壓直流電變為低壓電方波，最后，由整流濾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。根據整流橋的實際電壓等級，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 功率開關管的選擇

目前主要用到兩種功率開關管：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應用領域，我們選用英飛凌IGBT，型號為FF200R12KS4，耐壓1200V，電流200A。

4 控制芯片的選擇

KA3525是目前市場上廣泛使用PWM控制芯片，具有成本低、質量可靠、技術成熟等優點。KA3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流型脈寬調制器是按照接反饋電流來調節脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調節占空比，使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結構上有電壓環和電流環雙環系統，因此，無論開關電源的電壓調整率和瞬態響應特性都有提高。

5 主功率變壓器設計

5.1 選擇磁芯材料

對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—導線電流密度，取3A/mm2；

Km—窗口填充系數，一般取0.4；

Kc—磁芯填充系數，一般取1；

經計算，磁芯的有效截面積要40cm2。

經上述計算，以及結構和散熱上的考慮，我們需要4個這樣的環形磁芯（磁芯規格D×d×h=120 mm ×70 mm×20mm，D為環形磁芯的外直徑，d為環形磁芯的內直徑，h為環形磁芯的厚度），采用變壓器原邊串聯副邊并聯的方式，每兩個磁環并在一起作為一個變壓器磁芯進行繞制。

5.2 原副邊匝數

由于我們選用兩個變壓器原邊串聯的方式，每個變壓器承擔一半的電壓，則原邊匝數N=Vin ×108/4fBmAp=11.8,取整為12匝。

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

則副邊匝數為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，所謂趨膚效應就是：變壓器繞組導線通過高頻電流時，在導體內部產生渦流，渦流在導體表面是加強，在導體內部使電流減弱，電流趨向于導體表面。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，導線截面積為50.24mm2，沿磁環均勻繞制，副邊采用12只外徑為6mm，內徑為5mm的銅管分別并聯焊接在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，防止短路。

6 結語

本文闡述了大功率脈沖電源的系統主電路、變壓器設計以及元器件的原則等設計過程，在此基礎上完成了硬件電路的設計。