AC-DC-DC电源技术方案

1、dc电源设计方案目录1.概述12系统总体结构设计33.三相六开关apfc电路设计224.移相全桥zvs脉宽调制变换器27的分析与设计5.高压dc二次电源33的dc/dc变换器设计6.设备选择397.电源系统的热分析528.参数设计仿真结果551.概观1.1目的和意义目前，越来越多的电力电子设备被投入电网。由于无控整流器在大功率供电设备中的广泛应用，无控整流器对电网造成的谐波污染日益严重，降低了电力生产、传输和利用的效率，影响了电网的安全运行。为了保证电网的正常运行，目前的方法往往是限制接入电网的整流设备的容量，这就限制了一些大功率dc电源的使用。电力电子器件，尤其是各种dc转换器件的关键技术是

2、软开关技术，它正朝着高频、高功率密度方向发展。因此，大功率开关电源的功率因数校正技术和dc/dc变换器的软开关技术是当前的研究热点。1.2开关电源技术的当前发展开关电源是使用功率半导体器件作为开关元件并通过控制开关元件的占空比来调节输出电压的功率转换器件。开关电源的前级将电网的工频电压整流滤波成直流电压，然后由直流转换电路即开关电源进行处理，然后输出、整流滤波。为了稳定输出电压，设计了电压反馈电路对输出电压进行采样，并将采样后的电压信号送至控制电路进行比较处理，从而调整输出控制脉冲的占空比，最终使输出电压的纹波和电源的稳定性达到设计指标。开关电源通常包括电磁干扰滤波模块、交流/dc转换模块、d

3、c/dc转换模块、控制、驱动和保护模块、辅助电源模块等。传统开关电源输入电流中谐波含量高、功率因数低、开关损耗大、电磁干扰严重等一系列问题阻碍了电源技术向高效、绿色、实用方向发展。20世纪80年代以来，随着有源功率因数校正技术和软开关技术的发展，上述问题得到了很好的解决，开关电源技术进入了快速发展的新阶段。1.3本设计的主要内容本设计是符合航天地面直流电源通用规范要求的dc供电系统。它采用两级结构，前者交流/dc部分采用三相六开关apfc电路，后者采用移相全桥zvs脉宽调制转换电路。前级采用三相apfc整流电路，保证系统在6kw功率下稳定运行。功率因数大于0.99。具有很强的鲁棒性，具有过压欠

4、压指示、输出过压限流等保护功能。后级采用全桥变换器，采用软开关技术降低系统能量损耗，保证输出电压在45v至100v之间连续可调，电压稳定(峰峰值小于500毫伏，电压稳定性不大于1%)，屏蔽性能好，屏蔽性能大于40db，系统具有双模(电压源模式和电流源模式)工作特性。它具有友好的人机界面，提供外部显示屏，并能显示输出电压、电流、输入侧功率因数等实时信息。实时的。方便用户调整系统参数和预留can总线端口。整体尺寸不超过600毫米* 500毫米* 500毫米，整体质量不超过50公斤，产品符合gjb 1412-92 航天地面直流电源通用规范。根据相关要求和设计要求，购买工业级以上(含工业级)的供电元件

5、。2系统的总体结构设计2.1主要技术参数输入电压：三相交流380伏(10%)，50赫兹输出电压可在45v至100v之间调节。输出电流：dc 100a功率因数：0.99能效：90%输出电压a考虑到电源的性能和电路的复杂性，电源采用两级结构，前级为apfc交流/dc转换模块，实现三相交流到直流的转换。该转换模块具有apfc功能，以提高电路功率因数并减少电源对电网的谐波污染。后级dc/dc模块完成dc电压的转换和输出，并采用软开关技术使dc/dc转换电路中的开关管工作在软开关状态，从而降低开关电源电路在高频下的开关损耗，提高电源效率。此外，该电路还包括辅助电源电路、电磁干扰电路、控制电路、驱动电路、

6、保护电路等。电源的总体设计方案如图2-1所示。图2-1开关电源总体设计2.3前级交流/dc apfc转换电路2.3.1 apfc主电路结构设计根据开关电源接入电网的不同方式，apfc电路可分为单相apfc电路和三相apfc电路。其中，单相apfc电路常用于低功耗场合，其结构和控制方式相对简单。国内外一些研究机构和研究公司开发了一些专用apfc控制芯片。经过近几年的发展，该技术已经达到成熟。三相apfc电路适用于中高功率应用，其中三相电压与电流的耦合问题是主要问题。探索一种简单可靠的三相apfc拓扑结构，实现三相apfc电路是现代研究的热点。在此设计中，开关电源使用三相380伏交流输入。下面将比

7、较和分析各种三相功率因数校正电路。(1)三相单开关功率因数校正电路三相单开关功率因数校正电路是三相功率因数校正电路中结构和控制最简单的电路。它可以看作是三相pfc整流电路中单相pfc整流电路的扩展。如图2-2所示，在该电路的拓扑结构中，只使用一个开关管，通过控制开关管的占空比来控制输入电流的大小，迫使输入电流跟随输入电压的变化，使输入电流近似于正弦波，并与输入电压同相，实现功率因数校正。三相单开关boost pfc电路因其电路设计简单、控制简单、可靠性高而得到广泛应用。图2-2三相单开关升压功率因数校正电路(2)三相双开关功率因数校正电路如三相双开关功率因数校正电路的电路图2-3所示，三个电容

8、器并联在交流/dc变换器的输入端，从而形成中性线，串联连接dc侧的两个开关管，并将两个串联开关管的中点与前端形成的中性线连接。恒频控制开关管s1的s2互补导通使电感电流的峰值与输入电压成正比，输入侧的交流电流波形也近似校正为正弦波，并与输入电压同相，从而实现功率因数校正的目的。该电路的典型优点是：a)当电路负载较大时，不需要辅助谐振电路，两个开关管s1和s2都工作在软开关状态。当开关频率较高时，可以大大降低开关损耗，提高电路效率，降低电路的散热要求；b)该双开关三相功率因数校正电路具有拓扑结构简单、易于控制、成本低、易于实现等优点。因此，具有很强的研究价值和实用性。图2-3三相双开关pfc电路

9、(3)三相三开关功率因数校正电路一些学者提出了一种三相三开关功率因数校正电路，如图2-4所示。图2-4三相三开关pfc电路在三相三开关功率因数校正电路中，各相电源分别与开关管连接，储能电感的充放电状态由与各相串联的开关控制。当开关接通时，电流增加，当开关断开时，电流减少。每相的工作原理类似于单相升压功率因数校正电路，电感电流该电路仅在输入交流电压过零时控制开关动作，控制各相电感电流的大小，实现三相电流的部分解耦。该电路具有以下显著特点：a)电路工作在工频，不需要高频半导体器件，可以降低电路的成本和开关损耗；b)电路中不需要零线，电流中不含三次谐波，开关应力小；c)功率因数校正的效果在重负载下较

10、好，在轻负载下较差。因此，三相三开关功率因数校正电路适用于低体积要求和小负载变化范围的应用。(4)三相四开关功率因数校正电路三相四开关功率因数校正电路如图2-5所示。该电路类似于三相双开关功率因数校正电路，只是输入端的中心线由三个rl电路构成，整流桥的下桥臂开关管为三个可控开关，而只有一个开关管和一个二极管并联在一起形成dc侧的桥臂。与三相双开关电路相比，这种电路拓扑不存在直通的危险。图2-5三相四开关功率因数校正电路(5)三相六开关功率因数校正电路三相六开关功率因数校正电路如图2-6所示。三相六开关功率因数校正电路是一种三相完全去耦的电路拓扑，也称为三相脉宽调制整流器。图2-6三相六开关pf

11、c电路在三相电路中，有三个电压和电流需要控制。在三相六开关电路中，使用两个开关来控制一个相电流，以将电流校正为与电压同相的正弦波，并且功率因数接近1。常见的控制策略包括d-q坐标系控制和空间矢量控制。三相六开关功率因数校正电路是功率因数校正中功率因数最高的电路，但其开关器件多，控制相当复杂。通过分析五个三相apfc电路的拓扑，可以得到下表2-1。三相单开关apfc电路、三相双开关apfc电路和三相三开关apfc电路的拓扑结构相对简单，易于控制。然而，经过功率因数校正后，输入电流中的谐波分量仍然非常大。三相四开关apfc电路和三相六开关apfc电路的功率因数校正效果比较好，可以达到单位功率因数。

12、然而，所需的开关设备很多，并且控制非常复杂。它们大多由数字芯片控制，因此实现成本相对较高。表2-1三相apfc电路的优缺点主拓扑图三相apfc型优势不足之处三相单开关该电路设计简单，易于控制，开关损耗低，成本低，易于实现。功率因数校正不佳；开关器件承受高电压应力。电磁干扰很高。三相双开关该拓扑结构简单，易于控制，成本低，易于实现。很难达到单位功率因数。三相三开关工作在工频，不需要高频半导体器件，降低了电路成本和开关损耗；开关应力很小。轻载时功率因数校正效果差。三相四开关电路拓扑没有直通的危险，功率因数高。电流的正半波和负半波之间不对称，导致电流中出现偶次谐波。三相六开关适用于大功率场合，可达到

13、单位功率因数。开关设备很多，控制也很复杂。需要数字控制芯片。因此，为了考虑开关电源的性能和电源的大功率应用，本设计打算采用三相六开关apfc电路来提高电源的功率密度和效率。2 . 3 . 2 apfc控制技术的确定根据开关变换器的不同导通模式，apfc电路可分为连续导通模式和不连续导通模式。转换器工作在连续导通模式，这意味着续流二极管上的电流在电路开关关闭的时间间隔内不会降至零。变换器工作在直流模式意味着变换器中开关和二极管的电感电流在0其显著优点是：输入电流自动跟踪电压，功率管在零电流工作。由于电感电流在开关管关断期间会产生零力矩，其缺点是：a)由于电路工作在电感电流的不连续模式，输入电流和

14、输出电流中包含的纹波很大，所以电路中的滤波电路要求很高；b)电流中存在高峰值电流，因此开关器件需要承受较大的电流应力。直流电机可以通过恒频、变频、等面积等控制方法进行控制。恒定频率控制意味着开关转换器中控制半导体开关的频率是恒定的。在这种控制策略下，开关转换器的开关频率保持恒定，即开关周期恒定，同时功率管的占空比d改变。正因为如此，电源输入的平均电流与输入电压不成比例，所以输入电流会失真，其工作电流的波形如图2-7所示。图2-7 dcm恒频控制电流波形变频控制意味着开关的频率不断变化，即开关周期不断变化，而开关管的占空比保持不变。电源电压与平均输入电流成正比，因此可以获得单位功率因数。在这种控

15、制策略中，功率管的接通时间，即占空比，总是恒定的，电感电流总是处于临界导通模式，其工作电流波形如图2-8所示。图2-8 dcm变频控制电流波形(2)ccm控制模式ccm模式是应用最广泛的控制模式之一，它来源于dc/dc变换器的电流控制模式。将采样的输入电压信号与输出电压进行比较，得到的误差信号和各相电压作为乘法器的两个输入来控制电流控制器，电流控制器控制脉宽调制控制器输出的控制信号的占空比，使输入电流根据给定的信号变化。与直流电机控制方式相比，交流电机控制方式具有输入输出电流纹波小、总谐波失真和电磁干扰小、对滤波电路要求低等优点。ccm控制模式可分为间接电流控制和直接电流控制，根据是否直接选择

16、电感电流作为控制电路的反馈量来划分。间接电流控制方法是通过控制交流侧输入电压基波的幅值和相位来间接实现输入电感的电流，也称为幅值相位控制。间接电流控制具有结构简单、无需电流采样的优点。然而，它的稳定性很差，动态响应很慢。在直流控制策略中，整流器的输入电流是系统的反馈和控制量。它具有高动态响应和高电流控制精度的优点。然而，它需要检测输入电流并且成本高。具体而言，直流控制可分为滞环电流控制、预测电流控制、无差拍控制、三角载波电流控制、平均电流控制、单周期控制、状态反馈控制、模糊控制等。本设计所研究的开关电源的前级交流/dc部分采用三相六开关apfc电路，工作在共模模式。通过三对互补开关的开关恒频控制，电感电流的峰值跟随各相输入电压的变化，从而实现功率因数校正的目的。2.3.3 apfc数学模型三相功率因数校正控制电路的设计可以用“双环分离法”简化：在设计电流内环时，假设输出电源是稳定的；在设计外环时，假设内环已被跟踪，因此内环和外环可以分别设计。分离的前提是电流环路的带宽比电压环路的带宽宽得多。假设一般电压环路的带宽是电源频率的一部分是合理的。对于内环，三个内环具有相同的结构，并且它们的单相结构是一阶的，因此设计相对容易。外环主电路为三相，平均