SKA用低頻高效率整流電源的研制

汪邦照，張 帥，李志斌，繆夢宇，李善慶，陳乾宏

（1.合肥華耀電子工業有限公司，安徽 合肥 230088；2.南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 211106）

0 引 言

國內外對新一代射電望遠鏡的研究已逐漸從單天線和大口徑拋物面向多天線陣列和小口徑天線組陣方向轉變[1,2]。平方公里陣列天文望遠鏡（Square Kilometer Array，SKA）項目是我國作為正式成員參加第二個國際大科學工程的項目。作為國際天文學界建造的世界最大的綜合孔徑射電天文望遠鏡，如圖1所示，其將致力于回答宇宙最基本的問題，如第一代天體如何形成、星系演化、宇宙磁場、引力的本質、地外生命與地外文明以及暗物質和暗能量等，使人類更好地理解所生活的宇宙[2]。

SKA項目中涉及到拋物面天線、低頻孔徑陣列天線以及中頻孔徑陣列天線3種天線。其中低頻孔徑陣列包括數百個天線，天線供電接口單元放置在天線陣附近，通過光電復合線纜將供電和光纖接口分布到每個天線，其頻段在50～350 MHz之間，對信號干擾十分敏感，需要布局在沒有無線電信號的無人區，此外低頻孔徑陣列天線的供電要求十分苛刻，要求采用頻率低和干擾小的電源方案。常規開關電源的工作頻率可達到幾十萬赫茲，諧波含量豐富且頻率較高，為了避免供電電源的高頻噪聲串擾到天線的接收信號，影響天線接收信號的準確性，應限制低頻孔徑陣列天線的供電電源工作在1 kHz以下。

同時考慮到天線低供電電壓和大電流的需求，整流器件損耗較高，低頻孔徑陣列包括數百個天線，且長線供電線路壓降大，因此該供電電源需要在低頻實現低壓大電流的高效供電。針對低壓大電流輸出要求，可采用多管并聯的全波整流拓撲，降低整流損耗，并利用數字驅動技術實現同步整流控制，常規的二極管整流電路無需控制信號，穩定性高，但在大電流時損耗極大[3-5]。

為實現不同負載情況下的閉環穩壓，可在后級增加一級Buck變換器，或在全波同步整流的地線上插入一個開關管，通過控制該開關管的占空比來控制輸出電壓，由于SKA要求輸出為低壓大電流，因此這兩種方法會嚴重降低整機效率。而采用晶閘管調壓技術，通過斬波控制來調節后級輸出電壓平均值，可在不損害整機效率的前提下實現輸出電壓閉環[6]。但由于加入晶閘管后會提高輸入阻抗角與輸入諧波含量，因此需要在前級加入功率因數校正（PFC）技術[7]。目前，工頻輸入單相PFC技術主要分為有源和無源兩大類，雖然有源PFC技術校正效果較好，但無源PFC不會引入額外電磁干擾，更適用于本項目的應用場合。

本文分析了SKA天線用供電系統各模塊的原理，給出了樣機的設計方案，利用單片機采用誤差容忍度實現了低頻電壓閉環的穩定，此外還實驗驗證了理論分析的正確性和可行性，最后對全文進行了工作總結。

1 工作原理分析

針對SKA天線供電電源要求，本文采用了隔離式全波同步整流和初級側斬波閉環控制方案，如圖2所示。由于二極管在大電流情況下損耗較大，同時輸出電壓較低對器件電壓應力要求低，因此使用全波同步整流拓撲來降低損耗。結合晶閘管調壓技術的斬波功能，通過調節觸發角調節輸出電壓，利用單片機數字控制來實現輸出調節和穩壓。由于加入晶閘管調壓后系統輸入阻抗角惡化，而有源PFC將進一步引入高頻噪聲，對天線產生干擾，因此在輸入側并聯電容來進行無源功率因數校正[7,8]。

1.1 數字驅動同步整流

電源同步整流MOSFET的驅動時序由單片機控制，通過串聯在MOSFET上的電阻采樣流過MOSFET的電流值，差分放大后由單片機進行邏輯計算，給出開通和關斷信號，經驅動放大器驅動MOSFET的開通和關斷，既提高整流效率又避免直通短路。

同步整流電路拓撲如圖3所示，輸入正弦波正半周時，Q1的體二極管導通，電流逐步上升，通過采樣電流IR1，單片機讀取IR1(t)的值并連續對相鄰數值進行減法計算（如圖4所示），若連續3次結果大于0，且IR1(t)≥3 A時，如式（1）所示，則開通Q1，若連續3次結果小于0，且IR1(t)≤3 A時，如式（2）所示，則關斷Q1，Q2同理。MOSFET選擇IXYS的IXFN340N07，導通電流340 A、耐壓70 V、導通電阻4 mΩ。單片機采用32位STC12C5A16S2，采樣頻率為20 kHz，遠高于工頻的50 Hz，可滿足計算速度和精度需求。

流過Q1和Q2的電流波形如圖5所示。

1.2 晶閘管調壓器設計

本文利用晶閘管調壓技術，通過斬波控制來調節后級輸出電壓平均值，有效提高變換器效率。加入晶閘管后會提高輸入阻抗角與輸入諧波含量，因此需要在前級加入功率因數校正電路。圖6為晶閘管輸出電壓波形，由于其負載為感性，因此在雙向晶閘管均未觸發時，輸出電壓會因振蕩出現畸變電壓。晶閘管控制信號uctr與觸發角為線性相關，如式（3）所示（參考觸發器DKS-1說明書），通過調整控制信號uctr可實現電壓閉環。

1.3 功率因數校正

采用無源功率因數校正技術，為簡化電路可直接在輸入端并聯電容來進行功率因數校正。以容性電流抵消感性電流的思路來設計補償電容，考慮到不同負載條件下輸入阻抗角的不同，輸入端并聯電容應按照額定負載情況下實驗測得的輸入阻抗角進行設計。如式（4）所示，其中U為輸入交流電壓峰值，I為輸入電流峰值，ψ為輸入阻抗角。

2 參數設計

本文研制電源為SKA中1個天線供電接口單元供電，兼顧各個國家的供電體系，其具體指標如表1所示。

表1 電源技術指標

2.1 輸入濾波器

選擇輸入濾波器需考慮輸入電流峰值。整流器輸出的最大功率Pomax=360 W，電源輸入的最小工作電壓Vin_min=200 V AC，電源效率η=0.8，功率因數PF=0.9，得到輸入的最大峰值電流Iin_max=3.54 A。輸入濾波器選擇菲爾斯特的JLA240V5AB1-FT2057單相交流輸入EMI濾波器，其常規輸入電壓為單相240 V AC/50 Hz，輸入電流為5 A。

2.2 變壓器

考慮輸入功率因數波動和一定裕量，變壓器按照800 W的容量進行設計，匝比設計為40:1:1。在正常工作狀態下，變壓器原邊繞組的輸入電壓為240 V AC/50 Hz，副邊繞組輸出的交流電壓有效值為6 V AC/50 Hz，采用環形磁芯設計，由于副邊輸出電流較大，因此線圈采用銅皮繞制，以降低變壓器損耗，在此采用菲爾斯特的隔離工頻變壓器TF6Q03-FT462。

2.3 輸出濾波器

單相50 Hz整流電路的輸出電壓含有大量的交流100 Hz的紋波，輸出采用兩級LC濾波方式，有效降低輸出電壓紋波到200 mV以下。取L=70 μH，C=0.5 F，考慮到大電流輸出，為了降低損耗，濾波電感采用銅皮繞制，濾波電容采用多組并聯，以減小等效串聯電阻。

2.4 功率校正電容

根據測量所制作樣機在額定負載下的輸入阻抗角，由式（4）設計得Cp=7.89 μF，功率因數從0.85提高至0.937。

3 控制策略

本文通過采樣輸出電壓至單片機STC12C5A16S2，采樣頻率為20 kHz，數字PI環處理后給出占空比變化的方波，濾波后得到晶閘管的斬波信號，通過該斬波信號確定晶閘管觸發角的大小，從而實現電壓閉環。為了使得電路在下一次控制量更新前達到穩態，7個工頻周期更新一次，另外由于單片機的內存空間資源有限，因此取連續32個點的平均值參與PI計算。一方面電壓紋波使得同一周期內采到的輸出電壓脈動較大，另一方面8位單片機的控制精度較低，從而導致輸出電壓小幅度跳動，在紋波上顯示尤為明顯，如圖7所示。

本文閉環控制方法針對這一問題引入誤差容忍度，即當輸出電壓短暫穩定在額定值附近時，認定已經達到穩態，將PI環中的誤差積分清零，使輸出保持當前狀態。如圖8所示為該算法的詳細展示，其中Vad為采樣濾波電壓，Vo為額定輸出電壓，err表征誤差容忍度，cnt表征輸出電壓的穩定時間，err_integral表征PI環中的誤差積分。圖9展現了由于閉環算法中存在誤差容忍度，輸出電壓在加載時處于誤差帶的下邊緣，減載時處于誤差帶的上邊緣。

4 實驗驗證

依照上文設計研制的樣機如圖10所示，圖11為不同負載情況下系統各部分損耗比例，由于系統工作在工頻，龐大的變壓器其銅損隨之提高，因此變壓器損耗占系統總損耗的72.4%。圖12為利用二極管整流與同步整流的整機效率對比圖，在負載電流小于35 A時，由于二極管壓降小于MOS管，因此此時二極管整流整機效率高于同步整流效率，而在重載時，二極管損耗遠高于MOS管，因此同步整流相比二極管整流效率大大提高。進一步加入晶閘管后，輸出外特性通過閉環調節得到改善，最后整機效率在滿載80 A時相比體二極管整流提高了24.4%，達到80.4%，符合SKA天線電源要求。

由于同步整流驅動芯片存在T0時間的泵電容充電時間，同步整流中MOS驅動被強制拉低而轉用體二極管整流，因此出現如圖13（a）所示的體二極管壓降VD的輸出電壓波動。而VD＞480 mV，遠超輸出電壓紋波要求。為減小輸出電壓紋波，使泵電容電壓一直保持在6 V，如圖13（b）所示，有效減小了輸出電壓脈動，將輸出電壓控制在135 mV之內。

同時如圖14中方框1所示，通過在MOS管兩端加入TVS，可限制驅動關斷瞬間的諧振電壓尖峰。而在泵電容開始充電時刻，負載電流全部換流至體二極管，則不存在延遲關斷的問題，因此未出現電壓尖峰，如圖14中方塊2所示。

5 結 論

本文提出了一種用于SKA天線供電的低頻低紋波高功率因數電源，采用隔離式全波自驅動同步整流方式提高整流效率，通過晶閘管調壓技術結合單片機控制，實現輸出電壓閉環調節，并通過前級并聯電容在不引入高頻噪聲干擾的前提下提高功率因數。最后研制了一臺工作頻率為50 Hz，輸出功率為360 W，輸出電壓紋波為137 mV，功率因數為0.937的樣機，實現了SKA天線用電源的供電要求。