文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.035
中文引用格式： 李雪艷，李洪文，劉洋，等. 望遠(yuǎn)鏡用大功率智能開關(guān)電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(9)：128-131.
英文引用格式： Li Xueyan，Li Hongwen，Liu Yang，et al. Study of intelligent high power switching power source system used in the telescope shaft drive power system[J].Application of Electronic Technique，2015，41(9)：128-131.
0 引言
望遠(yuǎn)鏡是綜合光學(xué)、精密機(jī)械和精密控制的最新成果，高性能望遠(yuǎn)鏡除了有好的光學(xué)系統(tǒng)，還要有穩(wěn)定的、高精度的軸系驅(qū)動(dòng)電源[1]。望遠(yuǎn)鏡軸系驅(qū)動(dòng)功率電源先后經(jīng)歷了相控電源、線性電源和開關(guān)電源。相比于相控電源和線性電源，開關(guān)電源具有如下優(yōu)勢(shì)：功率轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)90%以上；變壓器工作在高頻狀態(tài)，體積和重量遠(yuǎn)小于工頻變壓器，整機(jī)的功率密度大幅度提高；穩(wěn)壓范圍寬，對(duì)電網(wǎng)電壓具有很強(qiáng)的適應(yīng)性；輸出濾波電容、電感小，因而體積小，重量輕，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快[2]，逐步成為電源系統(tǒng)的主流。隨著開關(guān)電源電路拓?fù)洹⒖刂评碚摰闹饾u成熟，以及在功率開關(guān)器件、大功率磁性元件、高耐壓絕緣材料等方面的快速發(fā)展，開關(guān)電源開始逐步應(yīng)用在大功率、高電壓電源領(lǐng)域并取得了迅速發(fā)展[3]。
隨著科技的發(fā)展，望遠(yuǎn)鏡軸系驅(qū)動(dòng)功率電源越來(lái)越向著高頻化、智能化、集成化方向發(fā)展[4]。因此，將大功率智能開關(guān)電源應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡軸系驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域具有非常重要的意義。本文是根據(jù)望遠(yuǎn)鏡主軸系驅(qū)動(dòng)用功率電源的應(yīng)用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種大功率智能開關(guān)電源，輸出電壓直流40 V～140 V連續(xù)可調(diào)，輸出最大電流為60 A，并采用智能接口將開關(guān)電源與上位機(jī)相連，通過(guò)上位機(jī)對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行控制。開關(guān)電源輸入具有過(guò)欠壓保護(hù)，輸出具有過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等特點(diǎn)進(jìn)一步增加了電源的可靠性。
1 電源主電路介紹
開關(guān)電源是基于硬件的產(chǎn)品，開關(guān)電源的硬件設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的部分。開關(guān)電源的功能框圖如圖1所示。
電源采用單相輸入，為適應(yīng)大功率電源的高頻特性，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用通態(tài)阻抗小的大功率IGBT組成全橋逆變電路。PWM控制芯片采用SG2525。開關(guān)電源電路圖如圖2所示。
1.1 輸入部分介紹
開關(guān)電源的輸入電壓為單相輸入交流220 V，輸入濾波電容具有濾波、保持輸出電壓及抑制噪聲等多重作用。應(yīng)用時(shí)一般按照輸入電能功率每10 kVA選1 000 μF[5]。因電容具有儲(chǔ)能作用，電源停止工作后，需將電容能量泄放。因此，在電容兩端并聯(lián)放電電阻。
上電伊始，單相交流電輸入至整流橋，經(jīng)其整流后輸入濾波電容。由于此時(shí)濾波電容兩端電壓為零，其等效阻抗很小，易形成很大的浪涌電流，導(dǎo)致整流橋器件損壞或?yàn)V波電容使用壽命降低，因此在輸入端設(shè)計(jì)軟啟動(dòng)電路[6]，如圖2的K1和RV1。
1.2 功率級(jí)介紹
拓?fù)潆娐凡捎眠m合大功率開關(guān)電源的全橋結(jié)構(gòu)[7]。由于本電源輸出功率較大，為降低通態(tài)損耗、提高電源整機(jī)效率，主功率開關(guān)器件選擇通態(tài)阻抗小的大功率IGBT。同時(shí)還有輸出短路、過(guò)流、過(guò)溫及過(guò)欠壓保護(hù)功能，大大提高了開關(guān)電源工作的可靠性。
高頻變壓器是開關(guān)電源最重要的元件，起著原副邊電壓隔離和能量轉(zhuǎn)換的作用。開關(guān)電源的輸出電壓為直流40 V～140 V，變壓器采用如圖2所示的中間抽頭型變壓器。變壓器的匝數(shù)比為：
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其中，Vi min為交流輸入最小電壓（V），取176 V；Dmax為控制最大占空比(%)，取40%；V0 max為輸出最大直流電壓(V)，取140 V。主變壓器的副邊電路可采用圖3所示的BUCK降壓電路。
開關(guān)電源的主開關(guān)頻率為20 kHz，變壓器次級(jí)輸出直流電壓150 V，整流后電壓頻率為40 kHz，次級(jí)等效電路為BUCK電路，輸出濾波電感為200 μH，輸出濾波電容為4 500 μF，等效電阻為15 mΩ，負(fù)載電阻為2 Ω，輸出電壓為40 V，PWM振蕩斜坡電壓1.32 V～3.72 V，電壓變化范圍可計(jì)為2.5 V，即調(diào)制器峰峰值VOSC為2.5 V。
功率級(jí)部分傳遞函數(shù)為：
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電源系統(tǒng)的Bode圖和階躍響應(yīng)如圖4所示。當(dāng)前系統(tǒng)的超調(diào)較大σ=76%，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，要使系統(tǒng)保持穩(wěn)定，需fc<<1/2開關(guān)頻率，否則會(huì)有很大的開關(guān)紋波。且系統(tǒng)的零點(diǎn)fz和極點(diǎn)fP要保持適當(dāng)?shù)木嚯x。fz和fP相距越遠(yuǎn)，系統(tǒng)相位裕量越大，低頻增益越少，低頻紋波衰減越大，同時(shí)高頻增益增加，通過(guò)的高頻窄噪聲幅值增大。根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)的開環(huán)增益在穿越頻率附近的增益斜率最好為-1（-20 dB/10倍頻程）。-1增益斜率的相位曲線相位延遲較小且變化較緩，在系統(tǒng)某些環(huán)節(jié)的相位變化被忽略的情況下，也可保證系統(tǒng)的相位曲線具有足夠的相位裕量，使系統(tǒng)保持穩(wěn)定。故需在控制電路加入電壓環(huán)補(bǔ)償器。
2 控制環(huán)路設(shè)計(jì)
控制環(huán)路是整個(gè)開關(guān)電源的核心，其設(shè)計(jì)是否合理與開關(guān)電源的可靠性密切相關(guān)。
2.1 PWM產(chǎn)生電路
SG2525系列的PWM集成電路滿足現(xiàn)開關(guān)電源所要求的性能日益改進(jìn)和外部零件數(shù)降低。因此，開關(guān)電源PWM控制電路采用SG2525作為核心芯片。SG2525輸出兩路相位相差180°的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，防止上下IGBT管的直通。SG2525的原理框圖如圖5所示。
SG2525在CT和放電終端間加入電阻以提供廣泛的死區(qū)調(diào)整時(shí)間。內(nèi)置只有一個(gè)外部定時(shí)電容的軟啟動(dòng)電路。通過(guò)脈沖PWM波下降沿提供瞬時(shí)關(guān)閉及在長(zhǎng)時(shí)間下降沿時(shí)啟動(dòng)軟啟動(dòng)功能。在欠壓狀態(tài)下，這些功能也可發(fā)揮作用來(lái)減少軟啟動(dòng)電容和輸出損耗。
2.2 電壓環(huán)路設(shè)計(jì)
電壓環(huán)路選擇如圖6所示的補(bǔ)償電路，選擇補(bǔ)償器的零點(diǎn)為f1=159 Hz，極點(diǎn)為f2=13.27 kHz，電壓環(huán)路的傳遞函數(shù)為：
零點(diǎn)為：
加電壓補(bǔ)償環(huán)路校正后系統(tǒng)的開環(huán)Bode圖和階躍響應(yīng)如圖7。
由圖7與圖4知，加電壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后，新增的高頻極點(diǎn)可削弱系統(tǒng)的高頻增益，降低高頻開關(guān)噪聲；低頻極點(diǎn)可維持低頻有效增益來(lái)減少輸出平均電壓的穩(wěn)態(tài)誤差[8]。且系統(tǒng)的開環(huán)增益在穿越頻率附近的增益斜率為-1，符合奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。系統(tǒng)的超調(diào)減小，調(diào)節(jié)時(shí)間變短。
2.3 保護(hù)電路
正確恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電路是保證電源正常工作的必要條件。在開關(guān)電源的輸入端，對(duì)輸入的交流電過(guò)欠壓保護(hù)使電源模塊不因電網(wǎng)異常而損壞。當(dāng)輸入交流電壓低于160 V時(shí)，對(duì)電源進(jìn)行欠壓保護(hù)，模塊停止工作；當(dāng)電壓恢復(fù)到正常電壓范圍后，模塊重新開始工作。同理，當(dāng)輸入交流電壓高于290 V時(shí)，對(duì)電源進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)。在開關(guān)電源的輸出端，設(shè)計(jì)有輸出過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、限流保護(hù)、短路保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)來(lái)保證模塊的正常工作。
3 實(shí)驗(yàn)研究
采用上述方案設(shè)計(jì)的大功率智能開關(guān)電源具有體積小、重量輕、電壓連續(xù)可調(diào)、輸出紋波小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在調(diào)試過(guò)程中工作穩(wěn)定。
圖8為不同負(fù)載時(shí)變壓器原邊的電壓、電流值，CH1表示電壓值，CH3表示電流值，電流探頭5 A/V，電壓探頭50 V/V。由圖(a)、(b)可以看出，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，變壓器電壓工作可靠，沒(méi)有明顯的振蕩，變壓器電流值會(huì)隨之變化。
由圖9和圖10可得，在100 V、20 A時(shí)階躍響應(yīng)的上升時(shí)間為94 ms，上升時(shí)間較快且無(wú)很大的超調(diào)。并且空載時(shí)輸出紋波的峰峰值為60 mV，輸出紋波較小，系統(tǒng)比較穩(wěn)定。
4 結(jié)論
采用全橋拓?fù)?、全波整流主電路，運(yùn)用SG2525 PWM 控制芯片與IGBT模塊設(shè)計(jì)的大功率智能開關(guān)電源應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡軸系驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)可有效減少電源體積，提高電源效率。并可提供穩(wěn)定的直流電壓，且電壓連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍寬，可滿足不同規(guī)格的望遠(yuǎn)鏡軸系驅(qū)動(dòng)電源的要求。同時(shí)，輸出紋波小，保證了望遠(yuǎn)鏡軸系驅(qū)動(dòng)功率電源的穩(wěn)定度。各種保護(hù)措施的正確設(shè)計(jì)提高了整機(jī)的可靠性，減少了對(duì)電網(wǎng)的干擾。
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