一種高性能直流勵磁電源的設(shè)計(jì)

蔣洪衛(wèi)，張　彥

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所,揚(yáng)州 225001)

一種高性能直流勵磁電源的設(shè)計(jì)

蔣洪衛(wèi)，張彥

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所,揚(yáng)州 225001)

摘要：介紹了一種開關(guān)和線性組合式直流勵磁電源，闡述了電源的基本原理,提出一種單片控制器浮地運(yùn)行的電源控制方案,通過實(shí)驗(yàn)給出了保證電壓線性調(diào)整性能時垂直金屬氧化物半導(dǎo)體(VMOS)管的最低管壓降范圍。

關(guān)鍵詞：移相控制；線性調(diào)整；單片控制器

0引言

在高能醫(yī)用直線加速器中，前級微波激勵源通常采用高峰值微波功率的磁控管。磁路作為磁控管的重要組成部分之一，對磁控管的微波功率輸出影響很大。中小功率磁控管一般采用永磁聚焦方式，峰值功率兆瓦級以上則更多地采用電磁聚焦模式。若要保持磁控管微波輸出穩(wěn)定，則需具有穩(wěn)定輸出的直流勵磁電源。而在高能醫(yī)用加速器中，磁控管往往具有多檔位的功率輸出，對應(yīng)的直流勵磁電源也需要滿足多檔位連續(xù)穩(wěn)定地工作。

1直流勵磁電源設(shè)計(jì)

某型高能醫(yī)用直線加速器對磁控管直流勵磁電源主要技術(shù)指標(biāo)如下：

輸入：單相50 Hz， 交流(AC)220V±20%；

輸出電壓：0～30 V分檔連續(xù)可調(diào)；

輸出電流：0～35 A分檔連續(xù)可調(diào)；

負(fù)載調(diào)整率：≤0.2%；

電網(wǎng)調(diào)整率：≤0.2%；

紋波：≤0.1%；

電源效率：≥85%。

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，這里采用開關(guān)和線性組合式穩(wěn)壓穩(wěn)流技術(shù)。

電源末級采用線性穩(wěn)流穩(wěn)壓輸出方式，利用線性電源的高精度和動態(tài)調(diào)節(jié)特性來滿足負(fù)載調(diào)整率、電網(wǎng)調(diào)整率和紋波的技術(shù)指標(biāo)等要求。電源前級采用軟開關(guān)全橋變換器，通過對線性調(diào)整器件的管壓降進(jìn)行控制，以滿足電源效率要求。

電源系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　直流勵磁電源框圖

單相AC220V、50 Hz交流電源經(jīng)過電磁兼容(EMC)管理電路、整流電路和功率因數(shù)校正(PFC)電路，形成直流(DC)370V左右的電源，再經(jīng)過全橋變換、高頻變壓器降壓和高頻整流濾波后產(chǎn)生約32 V左右的直流電壓，該電壓通過線性調(diào)整電路產(chǎn)生符合指標(biāo)要求的直流勵磁電源。

PFC電路采用單管Boost變換電路，該拓?fù)湫褪骄哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)[1]：

(1) 輸入電流連續(xù)，電磁感應(yīng)(EMI)小，射頻干擾(RFI)低；

(2) 有輸入電感，可減少對輸入濾波器的要求，并可防止電網(wǎng)對主電路高頻瞬態(tài)沖擊；

(3) 開關(guān)器件的電壓不超過輸出電壓值。

常用的控制AC-DC開關(guān)變換器實(shí)現(xiàn)自動功率因數(shù)校正(APFC)的方法基本上有3種，即電流峰值控制、電流滯環(huán)控制、平均電流控制，而單管Boost變換電路在平均電路控制模式下，工頻電流的峰值是高頻電流的平均值，因而高頻電流的峰值比工頻電流的峰值更高。諧波(THD)很小，對噪聲不敏感，電感電流峰值與平均值之間的誤差小。PFC控制芯片選用西門子公司的TDA4819。

全橋變換電路如圖2所示。V1、V2、V3、V4、L1、C1、C2等構(gòu)成定頻諧振式全橋變換器，采用相移PWM控制模式。移相控制電路是高頻開關(guān)電源的重要組成部分，其作用在于使全橋變換器的2個橋臂開關(guān)管的導(dǎo)通角錯開1個角度，以獲得不同的占空比，從而調(diào)節(jié)輸出電壓的高低[2]。本設(shè)計(jì)采用了專用移相控制集成芯片UC3875，它能夠產(chǎn)生4路移相控制的脈寬調(diào)制(PWM)信號，并且具有穩(wěn)壓、穩(wěn)流及多種保護(hù)功能。UC3875的4個輸出分別驅(qū)動2個半橋，并都能單獨(dú)進(jìn)行導(dǎo)通延時調(diào)節(jié)，即死區(qū)時間的調(diào)節(jié)，該死區(qū)時間可以確保下一個要導(dǎo)通的開關(guān)管的輸出電容能夠放電完畢，也就是開關(guān)管2端的電壓可以在該時間內(nèi)降到零，因而實(shí)現(xiàn)了零電壓開通。

圖2　全橋變換示意圖

圖2中L1、C1、C2構(gòu)成LCC串并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，其中C1=C2=2C。

諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率為：

(1)

諧振網(wǎng)絡(luò)特性阻抗為：

(2)

Z0根據(jù)全橋變換器所需處理的最大輸出功率設(shè)定。

本電源額定輸出功率POmax=UOmax×IOmax=30×35=1 050(W)，考慮到線性調(diào)整管的管壓降△U、整流管V5、V6的管壓降、電感L2的壓降以及變壓器傳輸效率等，全橋變換器大約需要處理的功率為P≈1.2kW。由于前級采用了PFC電路，因而全橋變換器工作直流電壓U為相對穩(wěn)定的DC375V，忽略開關(guān)管的通態(tài)壓降，則全橋變換器等效負(fù)載阻抗ZL為：

Z0一般取值為負(fù)載阻抗的95%，本設(shè)計(jì)取值為110Ω。

為實(shí)現(xiàn)全橋變換器橋臂開關(guān)的零電壓和零電流轉(zhuǎn)換，諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率f0通常取開關(guān)頻率fs的1.25倍。本電源開關(guān)頻率fs選擇為100kHz，因而諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率f0為125kHz。

根據(jù)以上分析，可以確定L1、C1、C2分別為：L1=140μH，C1=C2=0.022μF。

線性調(diào)整電路為經(jīng)典的串聯(lián)穩(wěn)壓電路，基本電路如圖3所示。

圖3　串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路

由于電源輸出電流達(dá)35 A，因而在設(shè)計(jì)中選擇3只VMOS管IRFP150并聯(lián)作為線性調(diào)整器件，以滿足輸出電流的要求。由于VMOS管易于并聯(lián)使用，并聯(lián)時僅需要在柵極串入電阻。

圖4為UC3875對調(diào)整管管壓降進(jìn)行閉環(huán)控制的部分電路。圖3中的調(diào)整管壓降取樣信號饋送至圖3中的R5，經(jīng)過R5、C4濾波后饋送如UC3875內(nèi)的集成誤差運(yùn)算放大器3腳(IN(-))，UC3875的1腳VREF端通過R4和RP1組合分壓，調(diào)節(jié)RP1可以將調(diào)整管壓降最高限制在2.5 V。

圖4　調(diào)整管管壓降閉環(huán)控制示意圖

電源采用ATMEG32單片機(jī)作為核心控制器，實(shí)現(xiàn)本電源的遠(yuǎn)程控制和本機(jī)狀態(tài)檢測功能。控制器通過RS485串行總線實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊。電源的輸出電壓、輸出電流通過取樣電路送至單片機(jī)，由于ATMEG32內(nèi)置的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)為10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換，因而本設(shè)計(jì)外擴(kuò)12位A/D電路，實(shí)現(xiàn)輸出電壓、輸出電流的高精度檢測。

上位機(jī)通過串行總線對本電源的輸出電壓、輸出電流進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時調(diào)節(jié)控制，為保證電壓、電流的設(shè)置精度，采用3個8字節(jié)數(shù)字信號分別代表電流、電壓基準(zhǔn)。單片控制器通過外擴(kuò)的12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)換，分別產(chǎn)生模擬電流、電壓基準(zhǔn)信號，饋送至線性調(diào)整單元。

2電源設(shè)計(jì)要素

2.1　浮動地設(shè)計(jì)

由于本電源輸出電流、電壓精度要求較高，因而本設(shè)計(jì)采用浮動接地技術(shù)，將單片控制器的地接至電源輸出的正端，該技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 相移PWM控制器UC3875與線性調(diào)整控制電路采用同一輔助+15 V電源供電。調(diào)整管管壓降可以直接反饋至相移PWM控制器UC3875。而且調(diào)整管管壓降也可以通過濾波電路直接饋送至單片控制器的模擬信號輸入端。

(2) 輸出電流通過小阻值精密電阻取樣，再經(jīng)過高精度放大后反饋至線性調(diào)整控制電路。輸出電壓也可以直接采用精密電阻采樣，饋送至線性調(diào)整控制電路。輸出電流、輸出電壓取樣信號經(jīng)過信號調(diào)理電路饋送至ADC后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，饋送至單片機(jī)。

(3) 單片控制器通過隔離的RS485收發(fā)器與上位機(jī)通訊，與整機(jī)的地線進(jìn)行物理隔離，有效抑制各種傳導(dǎo)干擾。

2.2　調(diào)整管壓降設(shè)計(jì)

由于本設(shè)計(jì)采用VMOS管IRFP150作為線性調(diào)整器件，因而可以充分利用VMOS管的線性動態(tài)性能，降低調(diào)整管壓降。在額定輸出電流狀態(tài)下，管壓降每降低1 V，調(diào)整管功耗減小35 W，效率可提高約3%。在電源實(shí)際調(diào)試過程中，可以通過調(diào)節(jié)圖4中所示的RP1來控制調(diào)整管管壓降，以使電源獲得最佳的輸出性能。

通過設(shè)計(jì)調(diào)試和對電源性能測試，調(diào)整管壓降可以控制在0.85～0.95 V之間。

3電源測試

通過實(shí)驗(yàn)，實(shí)際測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　電源輸出調(diào)節(jié)特性

表1中數(shù)據(jù)均為調(diào)整管壓降為0.9 V時的測試結(jié)果，其中負(fù)載電阻為0.8~16 Ω,由10只8 Ω/55 W電阻組合而成。

4結(jié)束語

單片控制器極強(qiáng)的抗干擾性及良好的穩(wěn)定可靠性，確保了開關(guān)和線性組合式直流勵磁電源在高能加速器中的穩(wěn)定運(yùn)行。本電源電氣性能與產(chǎn)品質(zhì)量均能滿足用戶要求，并經(jīng)過長期運(yùn)行驗(yàn)證了電源的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]黃漢生.功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展[A].全國電源技術(shù)年會論文集[C].北京,1995:4.

[2]王京梅，蘭文中.零電壓-零電流PWM 軟開關(guān)技術(shù)研究[J].電子器件，2002，25(24):340-344.

Design of A DC Excitation Power Supply with High Performance

JIANG Hong-wei,ZHANG Yan

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Abstract:This paper introduces a DC excitation power supply of switching and linear combination，expatiates the basic principle of power supply,puts forward a kind of power supply control project of monolithic controller floating operation,and gives the least voltage-drop range of vertical metal oxide semiconductor (VMOS) tube to ensure voltage linear adjustment performance through experiment.

Key words:phase-shift control;linear adjustment;monolithic controller

收稿日期:2013-07-23

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.029

中圖分類號：TM46

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：CN32-1413(2015)03-0106-04