新型模塊式高頻高壓大功率開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)
1.1電力電子技術(shù)的開(kāi)展
在電力電子技術(shù)中，開(kāi)關(guān)電源占有重要位置，而現(xiàn)代電力電子技術(shù)的繁榮與開(kāi)關(guān)電源（特別是高頻開(kāi)關(guān)電源）的開(kāi)展 嚴(yán)密聯(lián)絡(luò)在一同，則高頻化是現(xiàn)代電力電子技術(shù)焦點(diǎn)之一。但現(xiàn)代高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的進(jìn)步得力于新理論、新技術(shù)、新器件、新資料的支持。其應(yīng)用空間疾速擴(kuò)展，除了計(jì)算機(jī)、電機(jī)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(shè)備在原有根底上晉級(jí)換代外，熒光燈和新型電光源的鎮(zhèn)流器，現(xiàn)代辦公設(shè)備、通訊安裝、運(yùn)載工具、挪動(dòng)軍事安裝、航空、航天、航海安裝等，都開(kāi)端將留意力轉(zhuǎn)向以高頻變換為代表的現(xiàn)代電力電子技術(shù)，很多新的應(yīng)用范疇中其搶手也陸續(xù)開(kāi)展并選中高頻開(kāi)關(guān)電源(DC/AC)。
1.2市場(chǎng)的需求
在上述這些應(yīng)用范疇中很重要的是請(qǐng)求高牢靠的高頻高壓大功率的開(kāi)關(guān)電源。依據(jù)現(xiàn)代電力電子技術(shù)關(guān)于高頻電源電路應(yīng)集成化、智能化及模塊化的又一特性，縱觀目前市場(chǎng)，由于國(guó)內(nèi)在此方面起步較晚，因此具備這一特性的高牢靠高頻大功率開(kāi)關(guān)電源還處于開(kāi)發(fā)研制(包括國(guó)外廠商在內(nèi))之中，即便有,也只是AC_DC或DC_DC的±48v、±24v等常用通訊用的開(kāi)關(guān)電源。
面對(duì)這新的桃戰(zhàn)和機(jī)遇，我們采用了日本聯(lián)美蘭達(dá)（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(jí)相連又與高頻大功率脈沖變壓器T等一同組合而成新型模塊式高頻(22-25)KHZ 高壓(100V-120V)大功率（1000W）開(kāi)關(guān)電源, 并作為信號(hào)源(或稱(chēng)超聲波發(fā)作器)與換能器匹配組合成高聲高強(qiáng)度超聲波管道清洗機(jī)。 值此，該新型高頻高壓大功率開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)計(jì)劃作一剖析先容。
2、設(shè)計(jì)思想
對(duì)高頻高壓大功率開(kāi)關(guān)電源而言，其程式應(yīng)該由前級(jí)AC-DC(市電交流輸進(jìn)220v變換成直流高壓) 和后級(jí)DC-AC(直流高壓逆變成高頻高壓) 兩大主要局部組成。
按目前常規(guī)的設(shè)計(jì)，前級(jí)AC-DC常常采用市電220v交流輸進(jìn)經(jīng)整流濾波；然后級(jí)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同組成的零電壓開(kāi)通、關(guān)斷的諧振電路（ZVS）拓?fù)浞绞絹?lái)完成DC-AC。
2.1這種分立組合式的設(shè)計(jì)程式對(duì)高頻大功率電力電子技術(shù)來(lái)說(shuō)有較大缺陷
首先剖析后級(jí)DC-AC。固然電源管理器(控制芯片IC)功用很強(qiáng)，但由于仍屬分立組合，故制造調(diào)試煩瑣，特別是與大功率管銜接的功率驅(qū)動(dòng)局部常常都是小型高頻變壓器與驅(qū)動(dòng)三極管的合成，所以在負(fù)載匹配上經(jīng)常呈現(xiàn)由于連線(xiàn)散布電容和電感所構(gòu)成的尖峰脈沖將擊穿或燒毀；再看前級(jí)AC-DC，停止AC-DC, 是將輸進(jìn)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(gè)周期內(nèi)，其整個(gè)開(kāi)關(guān)電源只要很短時(shí)間從交流電源汲取電流，輸進(jìn)脈沖電流的峰值很大，它含有十分高的諧波重量（三次諧波尤為突出），由于只要輸進(jìn)電流的基波重量才干產(chǎn)生有功功率，因而開(kāi)功率要素很低，同時(shí)，諧波電流還會(huì)嚴(yán)重污染電網(wǎng)，并干擾其它設(shè)備。
2、模塊化技術(shù)的應(yīng)用計(jì)劃是克制上述缺陷的最有效設(shè)計(jì)
3.1選用適宜功率變換模塊電路
前級(jí)AC-DC大功率變換為了進(jìn)步功率要素，限制電流畸變調(diào)和波，必需必需采用功率要素校正（Power Factor Correction, 簡(jiǎn)稱(chēng)PFC）新技術(shù)，即具有諧波和功率要素校正及各種過(guò)壓、過(guò)流等維護(hù)功用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)交流輸進(jìn)220v成直流(DC)360v. 其PF-1000A-360型AC-DC變換模塊內(nèi)部框圖，見(jiàn)圖2所示。交流輸進(jìn)220v加到PF功率變換模塊的輸進(jìn)引腳AC(L前線(xiàn))和AC(N零線(xiàn))，經(jīng)功率要素調(diào)和波校正后, 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(jiǎn)介：
* 模塊PF-1000A-360型AC-DC變換模塊技術(shù)指標(biāo)：其輸進(jìn)電壓為交流170V—2.5V，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；最小功率要素為95%；輸出電壓精度為±2%；
* 模塊的特性: 可完成功率要素調(diào)和波校正，效率高達(dá)95%以上。帶有過(guò)壓維護(hù)、過(guò)熱維護(hù)和輸進(jìn)浪涌維護(hù)等維護(hù)電路。模塊內(nèi)部將功率電路和控制電路匯合在一同，運(yùn)用起來(lái)十分便當(dāng)。
* PF-1000A-360型引腳功用:
IOG-升壓變換器工作監(jiān)視引腳。正常工作時(shí)，IOG端為低電平，若IOG端為高電平，表示該模塊出毛病。
SG--信號(hào)地，在模塊內(nèi)部與負(fù)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(dāng)PF模塊輸出電壓處于其正常電平(360VDC)時(shí)為低電平。AUX--輔助電源輸出引腳，在最大輸出電流為10MA時(shí)，輸出電壓范圍為12V—20V. PC--并聯(lián)工作控制引腳,只需直接將該模塊PC引腳與另一模塊的PC引腳相連，則兩個(gè)模塊就可并聯(lián)工作，最多容許五個(gè)同功率模塊并聯(lián)。
R1--外接浪涌限流電阻，用它能夠限制電源剛接通時(shí)的浪涌電流，若不接，則模塊不應(yīng)正常工作, 實(shí)踐上R1(4.2Ω/2W)應(yīng)與F3溫度保險(xiǎn)絲(250V 2A 130℃) 相串接而成。
外形尺寸（長(zhǎng)*寬*厚）為：146mm*86mm*125.mm模塊運(yùn)用時(shí)應(yīng)按裝在散熱板上。
3.2后級(jí)DC-AC的設(shè)計(jì)
后級(jí)DC-AC的設(shè)計(jì),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(jiàn)圖3所示), 應(yīng)用美國(guó)IR公司的功率器件和貼片工藝消費(fèi)。用戶(hù)能夠簡(jiǎn)雙方便地直接應(yīng)用它或其組合設(shè)計(jì)制造、成各類(lèi)高頻大功率開(kāi)關(guān)電源。
那為什么后級(jí)DC-AC要選用IPM-4M全橋式DC-AC高頻大功率變換模塊？經(jīng)過(guò)對(duì)該模塊內(nèi)部構(gòu)造剖析就了如指掌，從圖3中可看到：
*具有功用較強(qiáng)的電源管理器電路（電源控制芯片），即電流型PWM及輔助維護(hù)電路：
所謂電流型即在比擬器的輸進(jìn)端直接用感應(yīng)到的輸出電流信號(hào)與誤差放大器停止比擬，來(lái)控制輸出的峰值電流跟隨誤差電壓變化。這種控制方式能夠改善整個(gè)開(kāi)關(guān)電源電壓和電流的調(diào)整率，改善整個(gè)系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。電流型PWM 還具有重選脈沖抑止電路，消弭在一種輸出里呈現(xiàn)兩個(gè)連續(xù)脈沖的可能性。這關(guān)于半橋電路或全橋電路組成的開(kāi)關(guān)電源能否牢靠工作是極為重要的。
* 內(nèi)含IC驅(qū)動(dòng)電路替代脈沖變壓器隔離：
在半橋電路或全橋電路中高端和低真?zhèn)�驅(qū)動(dòng)器是不供地的，普通采用脈沖變壓器隔離。當(dāng)頻率在數(shù)Hz到數(shù)百KHz范圍內(nèi)變化時(shí)，普通的脈沖變壓器是無(wú)法勝任的。而采用IC驅(qū)動(dòng)電路就不存在上述標(biāo)題，它的固有死區(qū)能避免產(chǎn)生直通訊號(hào)，它的圖騰柱電路能吸收橋電路的“米勒效應(yīng)”。
* 采用全橋DC-AC變換器：
采用性能優(yōu)秀的MOSFET或IGBT，在公共接地點(diǎn)上伴有0.1Ω的電流取樣電阻，它能感應(yīng)到內(nèi)部任一橋路或任一橋路的外部過(guò)流、短路，將檢測(cè)信號(hào)送往維護(hù)輔助電路停止斷定調(diào)整或極限維護(hù)。并有4×1500pf電容，輸出串接1mH電感可成為零電壓開(kāi)通、關(guān)斷的諧振電路(ZVS)。
* 應(yīng)用P1電流檢測(cè)，完成恒流控制：
將流過(guò)第P1腳的電流感應(yīng)檢波取樣送至第9腳，經(jīng)過(guò)調(diào)整送至第8腳可停止恒流控制。
* 具有輔助電源供電流型PWM及輔助維護(hù)電路正常工作：
由啟動(dòng)電源和內(nèi)反應(yīng)電源組成，它請(qǐng)求電壓在20-500V范圍內(nèi)能正常工作(普通狀況下在交流220V整流后350V-360V直流電壓下工作)。
由其模塊內(nèi)部構(gòu)造剖析所知，它大大減少或克制了后級(jí)(DC-AC)分立組合所帶來(lái)的制造調(diào)試費(fèi)事和大功率管被擊穿或燒毀等弊病。只需便當(dāng)?shù)倪\(yùn)用模塊的引腳，就可完成功用DC-AC。
為便于應(yīng)用，值此將模塊特性作一先容：IPM-4M全橋式DC-AC高頻大功率變換模塊特性。
* 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)理
*輸出電壓穩(wěn)定可調(diào)，改動(dòng)輸出脈寬值
*順應(yīng)工作電壓范圍寬:20v-500v
*模塊工作電流0-20A
*可作為驅(qū)動(dòng)器停止大功率擴(kuò)展
*外形尺寸（長(zhǎng)寬厚）為：115mm*66mm*23mm.
* 模塊運(yùn)用時(shí)應(yīng)按裝在散熱板上
IPM-4M模塊輸出引腳運(yùn)用闡明：
*模塊左下角圓點(diǎn)為次第腳P1為第1腳
*P1、DC+正電源輸進(jìn)：可在20V-500V電壓范圍內(nèi)運(yùn)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(fù)電源輸進(jìn)（或地端）
*P5、UHO全橋脈沖電流取樣輸出：當(dāng)內(nèi)接取樣電阻0.1Ω時(shí)動(dòng)作電流為4A時(shí),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，留意：視在功率不應(yīng)超越1200VA(P1點(diǎn)電壓乘以流過(guò)P1電流)
*P6、RT頻率調(diào)整：此腳懸空時(shí)，P2、P3輸出標(biāo)稱(chēng)頻率(各模塊均有標(biāo)注，本先容的模塊為22KHz)。當(dāng)P6和P4之間接進(jìn)100KΩ精細(xì)電位器時(shí)，改動(dòng)阻值可使在標(biāo)注頻率f在0—150KHz范圍內(nèi)變化。
*P7、V0光隔離反應(yīng)脈寬調(diào)制地電位。
*P8、Vin光隔離反應(yīng)脈寬調(diào)制信號(hào)輸進(jìn)：當(dāng)反應(yīng)信號(hào)大于2.5V時(shí),P2、P3輸出脈沖寬度減小，使反應(yīng)信號(hào)均衡在2.5V
*P9、P1, 電流檢測(cè)信號(hào)隔離輸出：在P7、P8、P9之間接微調(diào)電阻（P8接電阻抽頭），調(diào)整它可改動(dòng)P2、P3輸出或做電流整定。不用時(shí)此腳懸空。
*模塊運(yùn)用時(shí)應(yīng)按裝在散熱板上。
由于DC/AC模塊應(yīng)用范疇很多，但大多數(shù)都運(yùn)用到了高頻大功率變壓器，現(xiàn)提供設(shè)計(jì)公式和例子。
E=U1為變壓器低級(jí)直流電壓
N1為低級(jí)匝數(shù)；
E=U1為加在變壓器低級(jí)的最高電壓；
f變壓器的工作頻率；
S磁芯的有效面積；
4.44為系數(shù)(對(duì)正弦波—4.44)或4(關(guān)于矩形波--4)；
4、模塊式高頻(22-25KHZ)高壓(100V-120V)大功率（1000W）高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)計(jì)劃
4.1技術(shù)請(qǐng)求：
輸進(jìn)電壓：交流220v
輸出脈沖電壓：幅值為100v-120v、頻率f為(22-25)Khz±1%，其占空比D為0.4-0.5為可調(diào)。
輸出功率:為1000W
輸出高頻大電流可采用LED數(shù)字顯現(xiàn)
工作頻率f可采用LED數(shù)字顯現(xiàn)
脈沖輸出電壓經(jīng)過(guò)LC諧振電路應(yīng)在超聲波換能器二端取得高頻(22-25)KHz高壓的正弦波
4.2該高頻高壓大功率開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)電原理框圖
詳細(xì)先容剖析如下:從圖4可看出該開(kāi)關(guān)電源由前級(jí)IC1的PF1000A-360型AC/DC大功率變換模塊和后級(jí)IC2的DC/AC IPM—4M 模塊相連并與高頻大功率脈沖變壓器T等三大局部一同組合而成, 即成為超聲波管道清洗機(jī)的信號(hào)源（超聲波發(fā)作器）。詳細(xì)先容如下:
① 模塊式高頻高壓大功率開(kāi)關(guān)電源的工作調(diào)試過(guò)程
②合上進(jìn)線(xiàn)交流電源220V后，當(dāng)IC1的(AC/DC)PF-1000A-360型變換模塊輸出電壓為直流360V并加于IPM-4M(DC/AC) 模塊IC2的P1、P4引腳上時(shí)，則輸出脈沖變壓器(功率應(yīng)大于1200W)T的低級(jí)二端P2與P3上(接自IPM-4M模塊全橋型功率管對(duì)角線(xiàn)端)將并取得360V高頻(22—25)KHz脈沖電壓。
③ 脈沖輸出電壓取決于大功率脈沖變壓器T次級(jí)N2端不同的匝數(shù),可取得的幅值為100v-120v的脈沖電壓,見(jiàn)圖4右上角所示。
④ 輸出電壓工作頻率f：為(22-25)Khz±1% 其占空比D為0.4-0.5為可調(diào)
⑤ IC2的P2、P3引腳上有脈沖波形保送,調(diào)整W3便可看到脈寬變化。
⑥ 當(dāng)K1、K2在斷開(kāi)位置，頻率計(jì)顯現(xiàn)模塊標(biāo)稱(chēng)頻率22KHz。當(dāng)合K1上時(shí)，減少W1阻值，頻率將向高端變化。當(dāng)K2合上時(shí)，增加W1阻值，頻率將向低端變化。依據(jù)需求來(lái)決議運(yùn)用參數(shù)。
⑦ 調(diào)整W3，可改動(dòng)穩(wěn)定的輸出電壓的幅值。
⑧調(diào)整W2，可改動(dòng)輸出電流輸出值。這個(gè)功用不用時(shí)可懸空。
5、大功率高壓(100v-120v)高頻(22-25 KHz)正弦波的完成
當(dāng)大功率脈沖變壓器T次級(jí)N2輸出的100v-120v的脈沖波電壓加到LC諧振電路( 其L為可調(diào)高頻電感線(xiàn)圈, C為超聲波換能器的等效電容,由此則組成LC諧振器，見(jiàn)圖4右上角虛線(xiàn)所示), 經(jīng)過(guò)調(diào)整高頻電感線(xiàn)圈L可使諧振器得到串聯(lián)諧振，其諧振頻率f0為換能器固有頻率 并在電容C(換能器)兩端將取得諧振后的高壓高頻(22-25 KHz)正弦波,見(jiàn)圖4右上角所示. 以上整個(gè)過(guò)程完成了從AC-DC再?gòu)腄C-AC高頻(22-25 KHz) 高壓(100V—120V) 大功率(1000W) 的輸出。
完畢語(yǔ)
(AC-DC)PF-1000A-360模塊與(DC-AC)IPM-4M模塊用處很是普遍，用它們組合成的新型模塊式高頻高壓大功率開(kāi)關(guān)電源其設(shè)計(jì)、調(diào)試、制造簡(jiǎn)雙方便，理論證明與由PF-1000A-360模塊和移相諧振軟開(kāi)關(guān)PWM全橋控制芯片ML4818及MOSFET大功率管分立組合應(yīng)用計(jì)劃相比擬,該模塊式高頻高壓大功率開(kāi)關(guān)電源作為信號(hào)源(或稱(chēng)超聲波發(fā)作器)經(jīng)與大功率超聲波換能器配套重復(fù)運(yùn)用和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)，其性能穩(wěn)定牢靠，徹底克制了以往用單個(gè)集成和分立式大功率管組合而成的開(kāi)關(guān)電源那種經(jīng)常被燒毀、擊穿及毛病率高、維修難等缺乏之處，經(jīng)重復(fù)運(yùn)用，該新型模塊式高頻高壓大功率開(kāi)關(guān)電源完成了高效率（效率達(dá)95%以上）高牢靠免維護(hù)，是屬新一代高頻高壓大功率開(kāi)關(guān)電源技術(shù)和產(chǎn)品。
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