高压模块电源设计

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刘铁军 曹超

摘要:本论文阐述了一系列高压模块电源,所术的电源通过ZCS/ZVS变换器拓扑设计技术,ZCS/ZVS控制及检测技术、高频高功率密度磁性器件设计技术、零电流核心控制芯片的设计和仿真技术、热设计、可靠性设计技术,建立高功率密度的ZCS/ZVS软开关DC/DC变换器自主设计技术平台。

关键词:模块电源;高压;软开关

1.背景

近年来,随着我国经济平稳、较快发展,国家综合实力和国际影响力不断增强,尤其是航空、航天和武器装备等高科技领域发展势头最猛。随着国家经济发展战略要求我们必须尽快填补高压模块电源这一空白,实现产品国产化并形成系列化型谱产品,为我国经济发展和巩固军事实力起到有力支撑作用。高压模块电源的高可靠性、小体积技术优势倍受广大国内军工用户青睐,需求量逐年增加。

2.主要内容和原理

高压模块电源采用ZCS/ZVS变换器拓扑设计技术,ZCS/ZVS控制及检测技术、高频高功率密度磁性器件设计技术、零电流核心控制芯片的设计和仿真技术、热设计、可靠性设计技术,建立高功率密度的ZCS/ZVS软开关DC/DC变换器自主设计技术平台。

有源箝位网络由箝位开关管和箝位电容组成。根据箝位电容Cc的位置不同,有源箝位正激变换器有两种拓扑方式,但它们的工作原理基本一致。

有源钳位变换器的变压器是双向对称磁化的,它工作在B-H回线的第一和第三象限。变压器得到了充分利用,因此占空比可以大于0.5,而且开关管的电压应力低,这和LAMBDA的零电流方式是基本类似的。和零电流方式不同的是,有源钳位的钳位开关管是零电压方式的,励磁能量和漏感能量全部回馈到输入回路中,两者效率都可以达到很高,有源钳位电路在600W时最高效率可以达到91%(实测),而LAMBDA在600W时最高效率为89%(据分析,这和其变压器的铜损稍大、模块内功率走线相对损耗大有一定关系),但也证明了两种电路拓扑都可以实现大功率,高功率密度设计。

3.机械结构和特殊工艺控制

高压模块电源产品的基板只是用做散热面,不用来承载任何电路。散热效果明显要好于其它类型的产品,且承载的铝基板是接通输入地的,起到了很好的电磁屏蔽作用。采用真空螺旋加速灌封,保证一次灌封实体率达到99%以上,提高了抗震性能和可靠性。

4.关键技术及优势

高压模块电源的关键技术及优势有以下几点:

(1)频率越高,对控制电路设计要求越高,对高速传输信号的要求越高,对体积和电路布线的要求也越高,几乎是呈正比例的。由于该型谱产品采用有源钳位PWM控制方式,故开关频率不超过1MHz,即可实现大功率、高功率密度。而LAMBDA产品采用的是零电压PWM控制方式,其最高开关频率超过300KHz。这样,开关频率的差别就使我公司的控制电路集成化的设计难度大大降低;

(2)在有源鉗位技术解禁后,各种控制IC如雨后春笋般涌现出来,现在有源钳位的控制IC,不仅将绝大部分功能集成化,控制IC的外围电路设计和元件数量方面也大大简化了,使输入级控制电路变的简单、可靠,这样,输入级控制电路集成设计就变的简单,只需少量元件和控制IC做二次集成即可;而输出级的控制电路,由于功能单一,所用元件数量也非常少,故其集成化也是不存在困难的。

综上两个因素,虽然高压模块电源技术还没有完全做过控制电路的集成设计,但已完成了控制电路的半集成化设计,虽然该型谱的控制电路与先前的半集成化设计有所不同(先前的频率不超过200KHz,而该型谱产品的工作频率要将近400KHz),但是在高频信号的解决措施方面有着明显的发展,比如多层电路板多层屏蔽设计方案以及各种新元件和小型化元件的使用,已经能使高频信号的传输和干扰都有很高的保证,所以完成对型谱产品控制电路的集成化设计同,塑料封装并双面接铜板接地屏蔽的方式。塑料封装目前在国内不存在任何问题,而增加双面铜板接地屏蔽也只是在塑料封装后增加了一道铜板成型工艺,在国内来讲,算是比较简单的工艺。故在封装方面都是比较容易解决和实现的问题。在选择封装厂家方面,我公司本着多公司择优选择的方针,选择了多家国内比较成熟的封装公司做储备供应保证。

5.可达技术指标

(一)输入电压:

1) DC280V(200V-400V)/DC500V(400V-650V)

2) 其它定制电压。

(二)输出电压:

1) DC5V、DC12V、DC24V、DC28V、DC48V 固定电压

2) DC0~5V、0~12V、0~24V、0~48V可调电压

3) 特殊定制固定或者电压

(三)电压精度:≤0.5%(典型)

(四)电压调整率:≤0.5%(典型)

(五)电流调整率:≤1%(典型)

(六)纹波系数:≤0.1%(典型)

(七)效率:≥90%(典型)

(八)保护方式:

1) 过压保护:关断式

2) 过流保护:限流式/关断式/折回式

3) 过温保护:关断式/可恢复式

6.应用效益

国产化高压模块电源利用现有的模块开发平台对该产品进行技术攻关,并逐步实现产业化规模生产。投入市场以后,将会填补国内空白,打破少数发达国家对我国军工领域的贸易壁垒,可以拉动相关产业升级,带动地方经济发展起到积极作用。

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