新型模塊式高頻高壓大功率開關電源的設計
1、問題的引出
1.1電力電子技術的發(fā)展
在電力電子技術中，開關電源占有重要地位，而現(xiàn)代電力電子技術的繁榮與開關電源（特別是高頻開關電源）的發(fā)展緊密聯(lián)系在一起，則高頻化是現(xiàn)代電力電子技術焦點之一。但現(xiàn)代高頻開關電源技術的進步得力于新理論、新技術、新器件、新材料的支持。其應用空間迅速擴展，除了計算機、電機變頻控制、電悍、電鍍、電感加熱、超聲波加工（清洗）等所用的變流設備在原有基礎上升級換代外，熒光燈和新型電光源的鎮(zhèn)流器，現(xiàn)代辦公設備、通訊裝置、運載工具、移動軍事裝置、航空、航天、航海裝置等，都開始將注意力轉向以高頻變換為代表的現(xiàn)代電力電子技術，許多新的應用領域中其熱點也陸續(xù)發(fā)展并選中高頻開關電源(DC/AC)。
1.2市場的需要
在上述這些應用領域中很重要的是要求高可靠的高頻高壓大功率的開關電源。根據(jù)現(xiàn)代電力電子技術關于高頻電源電路應集成化、智能化及模塊化的又一特點，縱觀目前市場，由于國內(nèi)在此方面起步較晚，因而具備這一特點的高可靠高頻大功率開關電源還處于開發(fā)研制(包括國外廠商在內(nèi))之中，即使有,也只是AC_DC或DC_DC的±48v、±24v等常用通訊用的開關電源。
面對這新的桃戰(zhàn)和機遇，我們采用了日本聯(lián)美蘭達（NEMIC-LAMBDA）公司產(chǎn)的PF1000A-360型AC/DC功率變換模塊和IPM-4M型全橋式DC/AC高頻大功率變換模塊并將其前后級相連又與高頻大功率脈沖變壓器T等一起組合而成新型模塊式高頻(22-25)KHZ 高壓(100V-120V)大功率（1000W）開關電源, 并作為信號源(或稱超聲波發(fā)生器)與換能器匹配組合成高聲高強度超聲波管道清洗機。 值此，該新型高頻高壓大功率開關電源設計方案作一分析介紹。
2、設計思想
對高頻高壓大功率開關電源而言，其程式應該由前級AC-DC(市電交流輸入220v變換成直流高壓) 和后級DC-AC(直流高壓逆變成高頻高壓) 兩大主要部分組成。
按目前常規(guī)的設計，前級AC-DC往往采用市電220v交流輸入經(jīng)整流濾波；而后級采用電源管理IC（電源控制芯片）和全橋大功率管(MOSFTT管或IGBT管) 及脈沖大功率變壓器一起組成的零電壓開通、關斷的諧振電路（ZVS）拓撲方式來實現(xiàn)DC-AC，見圖1所示。
2.1這種分立組合式的設計程式對高頻大功率電力電子技術來說有較大缺陷
首先分析后級DC-AC。雖然電源管理器(控制芯片IC)功能很強，但由于仍屬分立組合，故制作調(diào)試煩瑣，特別是與大功率管連接的功率驅(qū)動部分往往都是小型高頻變壓器與驅(qū)動三極管的合成，所以在負載匹配上經(jīng)常出現(xiàn)由于連線分布電容和電感所形成的尖峰脈沖將擊穿或燒毀；再看前級AC-DC，進行AC-DC, 是將輸入交流的220V市電變換成直流高壓(320V-350V)的大功率變換，若是采用一的般的橋式整流加濾波，則在交流電源一個周期內(nèi)，其整個開關電源只有很短時間從交流電源吸取電流，輸入脈沖電流的峰值很大，它含有非常高的諧波分量（三次諧波尤為突出），由于只有輸入電流的基波分量才能產(chǎn)生有功功率，因此開功率因素很低，同時，諧波電流還會嚴重污染電網(wǎng)，并干擾其它設備。
2、模塊化技術的應用方案是克服上述缺陷的最有效設計
3.1選用合適功率變換模塊電路
前級AC-DC大功率變換為了提高功率因素，限制電流畸變和諧波，必須必須采用功率因素校正（Power Factor Correction, 簡稱PFC）新技術，即具有諧波和功率因素校正及各種過壓、過流等保護功能的功率變換模塊電路。
據(jù)此，采用了日本NEMIC-LAMBDA公司產(chǎn)的PF-1000要-360型AC-DC大功率變換模塊，將(AC)交流輸入220v成直流(DC)360v. 其PF-1000A-360型AC-DC變換模塊內(nèi)部框圖，見圖2所示。交流輸入220v加到PF功率變換模塊的輸入引腳AC(L火線)和AC(N零線)，經(jīng)功率因素和諧波校正后, 從PF模塊的引腳+U0和-Uo輸出。
PF-1000A-360型AC-DC大功率變換模塊簡介：
* 模塊PF-1000A-360型AC-DC變換模塊技術指標：其輸入電壓為交流170V—265V，而輸出電壓為直流360V; 輸出為直流電流2.8A-4.2A;輸出功率為1008W-1512W；典型浪涌電流60A；最小功率因素為95%；輸出電壓精度為±2%；
* 模塊的特點: 可實現(xiàn)功率因素和諧波校正，效率高達95%以上。帶有過壓保護、過熱保護和輸入浪涌保護等保護電路。模塊內(nèi)部將功率電路和控制電路集合在一起，使用起來非常方便。
* PF-1000A-360型引腳功能:
IOG-升壓變換器工作監(jiān)視引腳。正常工作時，IOG端為低電平，若IOG端為高電平，表示該模塊出故障。
SG--信號地，在模塊內(nèi)部與負輸出引腳-Uo相連。
ENA--電源“接通” 監(jiān)視引腳, 用于監(jiān)視PF模塊輸出電壓, 當PF模塊輸出電壓處于
其正常電平(360VDC)時為低電平。
AUX--輔助電源輸出引腳，在最大輸出電流為10MA時，輸出電壓范圍為12V—20V.
PC--并聯(lián)工作控制引腳,只要直接將該模塊PC引腳與另一模塊的PC引腳相連，則兩個
模塊就可并聯(lián)工作，最多允許五個同功率模塊并聯(lián)。
R1--外接浪涌限流電阻，用它可以限制電源剛接通時的浪涌電流，若不接，則模塊不
應正常工作, 實際上R1(4.2Ω/2W)應與F3溫度保險絲(250V 2A 130℃) 相串接而成(見圖4所示)。
外形尺寸（長*寬*厚）為：146mm*86mm*125.mm
模塊使用時應按裝在散熱板上。
3.2后級DC-AC的設計
后級DC-AC的設計,是采用IPM-4M全橋式DC-AC高頻大功率變換模塊，該(DC-AC)IPM—4M 模塊(見圖3所示), 應用美國IR公司的功率器件和貼片工藝生產(chǎn)。用戶可以簡單方便地直接利用它或其組合設計制作、成各類高頻大功率開關電源。
* 應用P1電流檢測，實現(xiàn)恒流控制：
將流過第P1腳的電流感應檢波取樣送至第9腳，經(jīng)過調(diào)整送至第8腳可進行恒流控制。
* 具有輔助電源供電流型PWM及輔助保護電路正常工作：
由啟動電源和內(nèi)反饋電源組成，它要求電壓在20-500V范圍內(nèi)能正常工作(一般情況下在交流220V整流后350V-360V直流電壓下工作)。由其模塊內(nèi)部結構分析所知，它大大減少或克服了后級(DC-AC)分立組合所帶來的制作調(diào)試麻煩和大功率管被擊穿或燒毀等弊病。只需方便的使用模塊的引腳，就可實現(xiàn)功能DC-AC。
為便于應用，值此將模塊特點作一介紹：IPM-4M全橋式DC-AC高頻大功率變換模塊特點（見圖3所示）。
* 模塊DC/AC變換方式
*全橋式功率輸出，內(nèi)裝4只MOSFET大功率三極管
*工作頻率可10Hz-150KHz調(diào)節(jié)
*輸出電壓穩(wěn)定可調(diào)，改變輸出脈寬值
*適應工作電壓范圍寬:20v-500v
*模塊工作電流0-20A
*可作為驅(qū)動器進行大功率擴展
*外形尺寸（長寬厚）為：115mm*66mm*23mm.
* 模塊使用時應按裝在散熱板上
IPM-4M模塊輸出引腳使用說明：
*模塊左下角圓點為順序腳P1為第1腳
*P1、DC+正電源輸入：可在20V-500V電壓范圍內(nèi)使用
*P2、AC功率脈沖寬度調(diào)制波輸出：波形極性與P3相反
*P3、AC功率脈沖寬度調(diào)制波輸出：波形極性與P2相反
*P4、DC-負電源輸入（或地端）
*P5、UHO全橋脈沖電流取樣輸出：當內(nèi)接取樣電阻0.1Ω時動作電流為4A時,P4和P5之間每并接一只0.1Ω電阻，可使最大工作電流增加4A，注意：視在功率不應超過1200VA(P1點電壓乘以流過P1電流)
*P6、RT頻率調(diào)整：此腳懸空時，P2、P3輸出標稱頻率(各模塊均有標注，本介紹的模塊為22KHz)。當P6和P4之間接入100KΩ精密電位器時，改變阻值可使在標注頻率f在0—150KHz范圍內(nèi)變化。
*P7、V0光隔離反饋脈寬調(diào)制地電位。
*P8、Vin光隔離反饋脈寬調(diào)制信號輸入：當反饋信號大于2.5V時,P2、P3輸出脈沖寬度減小，使反饋信號平衡在2.5V
*P9、P1, 電流檢測信號隔離輸出：在P7、P8、P9之間接微調(diào)電阻（P8接電阻抽頭），調(diào)整它可改變P2、P3輸出或做電流整定。不用時此腳懸空。
*模塊使用時應按裝在散熱板上。
由于DC/AC模塊應用領域很多，但大多數(shù)都使用到了高頻大功率變壓器，現(xiàn)提供設計公式和例子
那為什么后級DC-AC要選用IPM-4M全橋式DC-AC高頻大功率變換模塊？通過對該模塊內(nèi)部結構分析就一目了然，從圖3中可看到：
*具有功能較強的電源管理器電路（電源控制芯片），即電流型PWM及輔助保護電路：
所謂電流型即在比較器的輸入端直接用感應到的輸出電流信號與誤差放大器進行比較，來控制輸出的峰值電流跟隨誤差電壓變化。這種控制方式可以改善整個開關電源電壓和電流的調(diào)整率，改善整個系統(tǒng)的瞬態(tài)響應。電流型PWM 還具有重選脈沖抑制電路，消除在一種輸出里出現(xiàn)兩個連續(xù)脈沖的可能性。這對于半橋電路或全橋電路組成的開關電源能否可靠工作是極為重要的。
* 內(nèi)含IC驅(qū)動電路代替脈沖變壓器隔離：
在半橋電路或全橋電路中高端和低端的驅(qū)動器是不供地的，一般采用脈沖變壓器隔離。當頻率在數(shù)Hz到數(shù)百KHz范圍內(nèi)變化時，普通的脈沖變壓器是無法勝任的。而采用IC驅(qū)動電路就不存在上述問題，它的固有死區(qū)能防止產(chǎn)生直通信號，它的圖騰柱電路能吸收橋電路的“米勒效應”。
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