特种电源设计草案.docx
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特种电源设计草案.docx
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特种电源设计草案
高频高压大功率电源串并联方式
模组单元化设计方案设计草案
裴兴洪
一、主电路基本拓扑结构
主电路的基本拓扑结构可以分为如下三大部分:
1、可控整流滤波部分;2、降压单元部分,降压部分可以串联升压;3、脉冲升压部分。
具体如下图所示:
这三大部分主回路,皆有专用的驱动信号产生电路进行驱动和管理,每一级相对其他部分独立运行,前一级为后一级的源,后一级为前一级的负载,前级的设计功率大于后一级,前后级之间必须做好严格的电磁兼容,防止互相干扰;驱动电路和驱动电路之间做好必要的隔离措施,做好电气隔离;串联回路之间应做好功率分配,尽量做到功率相等;对于需要同步运行的单元电路,同步信号的可靠性、实时性、抗干扰性和鲁棒性都有非常严格的要求,否则功率器件将面临损坏的危险,配套的瞬时保护措施必须可靠运行。
二、可控整流部分的设计
现在研究的电路是各基本单元,其中包括三相可控整流电路、降压模组单元。
三相可控整流电路是电能处理的第一道环节,按照顺序首先应该完成这部分的设计。
其中比较关键的是晶闸管的触发电路和配套的控制回路。
针对这个驱动电路我参考了之前的设计电路,同时查阅了大量的设计论文,如:
参考了原单位韩国的电源专家在矿用变频器上采用的整流电路,《新型三相半控桥晶闸管触发电路的设计》(浙江大学的王义芳、黄进教授发表的论文)、《三相半控桥式整流触发电路的改进》(邢向全、马宝树发表的论文)、
《三相半控桥式整流电路故障分析》(天津职业技术师范学院雷云涛发表的论文)等。
并根据我们自身特点,进行了实用性改进,并且进行了仿真。
总共设计了三种基本模型如下图所示,
现将基本触发电路仿真结果展示如下,图2图3(图4为触发输出波形与采样波形比较):
图1
图2
图3
图4
注:
绿色波形为晶闸管触发波形,紫色波形为单向正半周采样波形,因为正在通过阻容充放电方式调节触发脉冲的宽度如图1所示,所以绿色的波形宽度小于紫色的采样波形如图4所示,输出的电压为199V如图5所示;当充满电后绿色波形与紫色波形对等时晶闸管全部打开如图6所示,电压上升到520伏如图7所示(380*1.4=532V);当实际调节时,可以通过程序控制,或者可调电阻实现对晶闸管导通角的调节,也可以通过反馈电路实现对晶闸管的自动调节使得整流滤波电路的输出电压稳定在合理的值域范围。
图5
图6
图7
三、碳化硅MOS管特性的研究
结合多年的应用经验并查阅了相关的技术文档和论文,总结特性如下:
1、碳化硅MOS管是新一代的半导体材料新的制作工艺制作的新器件;2、耐高温能力比普通MOS管高2倍以上,最大耐温可达600℃;3、高阻断电压,是硅材料的十倍以上;4、低通态阻抗,约为同等级的硅材料MOS管的一半以下;5、低损耗;6、更高的导热系数;7、高频率,可以适应于更高的开关频率。
8、高价格,一半同等级别参数的碳化硅要高出至少3到5倍;9、驱动信号敏感,碳化硅要求驱动信号在-4V到18V之间,一旦超过这个范围很有可能烧坏,硅材料的MOS管可以耐受-20V到20V,甚至短时间25伏的尖峰也没有问题。
这就要求对驱动电路的设计要千瓦小心,尤其高频大功率,强Di/Dt、Dv/Dt场合,更要对原件布局和信号干扰进行调整,并且要设计专门的驱动电路消除影响。
IGBT是高压大功率场合首选,很多设计者会首先考虑。
原因如下:
1、单管IGBT可以做到很大功率,不需要并联,耐压相对于硅MOS管高出许多;2、驱动电路和方案比较可靠,驱动电压可达-20V到30V,只要做好必要的驱动管理和保护,应用非常可靠;3、IGBT相对其他半导体鲁棒性好,抗冲击抗造;4、价格相对便宜;当然IGBT也有很多缺点,1、开关频率低,一般不超过30KHz;2、在低压条件下损耗较大;3、不易并联扩容,负温度系数导致并联困难;4、需要负压关断。
硅MOS管,由于工艺和物理特性目前很难做到单管高压大功率。
在低压条件下使用非常好,具有非常低的通态内阻,很高的开关频率,非常亲民的价格,非常方便的驱动,非常容易的串并联扩容。
综合性能看碳化硅MOS管具有明显的参数优势,对于成本不做严格要求的场合是首选器件。
选择型号截图如下:
输入380伏,输出100V100A,总功率10KW,可以采用初级并联,次级串联方式四组串并得到。
具体电路主回路模型如下:
其中,Q10、Q11、Q12、Q13为同步触发,Q20、Q21、Q22、Q23为同步触发,其他同理。
这样,可以最大限度简化主回路和驱动电路的设计,同时消除由于震荡基频不同带来的EMC问题。
每台变压器功率最大3.3KW,实际使用2800瓦,留有约20%左右的余量。
可以用此模型作为基础单元进行下一步的串联扩容使用。
功率MOS管型号怎么选取呢?
推理如下:
计算过程如下:
总输出功率为Po=100V*100A=10000W;
由于采用软开关变换电路,工作效率较高,暂定义为η=90%;
则:
输入功率为Pin=10000/0.9=11111W,取11200瓦;
则:
每组功率Pinz=11200/4=2800瓦;
在满载负荷条件下,占空比应为D=48%,设计频率Fs=50KHz,则导通时间Ton=(1/50)*0.48*10^-6S=9.6uS;
谐振电感Lm的确定:
因为F0=1/2π√LC
所以Lm=1/F0^2*4*π^2*C,由于容抗原因,C的值一般不可以取非常小,又因为C的值如果太大L的取值将会非常小,所以C的值有一个取值范围,根据经验和查阅相关技术手册,在3KW档次电容一般选取104PF左右,现将此值带入,可得Lm=100uH;
则,在不考虑变压器漏感情况下,MOS管上的最大峰值电流为:
Imdspeak=480*0.48/0.1*50=46A,即如果次级短路情况下,初级由于谐振电感的阻碍,在每个周期内所能达到的最大电流为46A,经查阅C3M0030090K这个MOS管额定电流为63A,如此选择C3M0030090K这个MOS管理论上是非常安全的。
满载平均电流为:
Iri=2800/2*480*0.48=6.08A。
△Ip=(Vin-n*Uo)*(t1-t0)/(Lk+Ls)
=(650-4*101)*8.5*10^-6/(0.1+0.02)*10^-3
=17.4A;
查阅C3M0030090K这个MOS管的极限参数和特性曲线截图如下:
如上图所示,在室温25℃在电流17.4安条件下,通态压降为小于1伏,此时通态功耗为P通=17.4*0.85=14.8W。
极限电流为46安,此时P通=46*1.5=69W,小于PD值,所以仍然是处于安全区间。
在150℃条件下P通=46*2.5=115W,虽然比较危险,但是还有部分功率余量,因此,从技术参数上看可以选择此款MOS管。
四、变压器的选择设计
考虑单台变压器实现10000瓦有许多技术、工艺困难,结合以往经验决定采用多台变压器串并联方式进行。
有如下几种选择,EE70(单台可以做到2400W)、EE85(单台可以做到3300W),如果选择EE70至少需要5-6台变压器才能实现10KW,如果选择EE85可以用4台实现。
当然,选择的变压器数量越少相对更加好一点,过多的变压器串并联,会有许多需要避免的问题,比如功率均等问题、电磁干扰问题等,所以在尽可能条件下要减少数量。
暂定EE85。
变压器初级并联,次级串联,要求并联驱动信号要严格的同频同相同幅,只有保证这样才能保证功率分配均等,不会因为功率偏差太大而将其中一台烧坏,从而使整个系统崩溃。
现将EE85的磁芯参数和规格尺寸先介绍如下:
经计算EE85的Ae=8.5CM^2,EE70的Ae=6.3CM^2;
相关公式:
其中△B=Bm-Br,经查表,Bs为4500G,Br为55,留出足够余量后,选择Bm=3300,(注:
可以参照下图)则△B=3245,取整3200。
次级电压为Uo1=100/4=25V。
根据伏秒积平衡,Ns=Uo1*Ton/△B*Ae=0.78匝,取整后为1匝。
初级最低电压为Uinmin=380*0.85*1.4=452V,则初级匝数为:
Np=(Uinmin/Uo1)*Ns=18匝。
有效电流为:
Iro=Io/D=100/0.48*2=104A;
Iri=2800/2*480*0.48=6.08A;根据电流密度可以选取对应的导线截面积,选取对应规格的铜线和铜板。
经查表,可得初级采用利兹线0.12*80根;次级铜板采用50mm宽厚为0.2mm的铜皮5张即可,铜皮之间需要绝缘。
五、输出整流二极管参数计算
1、反向耐压:
根据变压器变比公式N1/N2=U1/U2,在输入最大值条件下,输出反压最高,因为变压器参数已经计算完毕,可以把上述参数直接代入,经计算得U2=146.6V,留出1.3倍余量为192V,所以应该选取200伏耐压的管子。
2、最大电流确定:
输出有效电流为104A,在最小占空比条件下,输出电流最大,最低输入电压480V时占空比为0.48,则在最高电压660V时占空比为0.35,则最大输出电流为148A。
留出1.5倍余量,应该选择至少222安的管子。
3、型号选择:
根据计算结果选择二极管MUR20020CT。
主要参数如下图所示:
六、其他储能原件计算(时间关系先不做细致计算,可等其他设计工作完成后进行,先列出需要的主要元件)
1、谐振电感
2、谐振电容
3、储能电感
七、高压大功率脉冲变压器
这是本系统中非常重要的一个关键原件,也是设计制作过程中的一个难点。
需要在其他各单元电路功能实现后重点攻克,在设计制作各功能单元过程中可以同步研究、部分试验试制小型的高压脉冲变压器,积累奠定经验验证理论结果,修正设计模型。
八、实现步骤
前期的理论模型建立、仿真工作非常重要,选择的方案如果不正确,会给后期的实施执行带来无法挽回的损失。
需要逐步的去试验和验证。
实现过程:
1、可控整流部分---2、降压部分-------3、升压脉冲部分。
每一个部分包含若干小节,重点分为主回路设计和控制回路设计。
主回路设计关乎EMC、可靠性、散热、可执行性,需要把结构排布做好;控制回路设计,主要根据所选取的方案,把各点电气网络设计完善,相关的保护、反馈、控制功能设计完善,尽可能做到设计周全,减少漏洞。
所需要的人力安排:
根据公司现状做如下安排,因为已经有1名结构工程师了,另再招2名电子工程师、1名研发助理,或者1名电子工程师和1名研发助理。
九、期原件预采购
1、电阻:
0-1M,按照标准电阻值表准备样品各1000只或者整盘/最小包装如下规格:
0805、1206、1/4瓦直插。
0.1欧、0.15欧、0.22欧、0.51欧、1欧、5.1欧、10欧、15欧、20欧、22欧、47欧、51欧、100欧、510欧、1K、2K、2.7K、3.3K、5.1K、10K、20K、30K、51K、75K、100K、130K、150K、200K、330K、510K、750K这些档次为常用档,如果不能准备整系列可以优先准备这些档的电阻,要精度为1%的。
2瓦的直插电阻需要准备上述档次的200只。
2、电容:
15P-2uF,按照标准电容值表准备各1000只或者整盘/最小包装如下规格:
0805、1206。
3、常用二极管,贴片1206、SMA、SMB、SMC封装的1N4148、1N4007、US1M、ES2G、SS210、SS240等等类似的需要准备1000只或最小包装;
4、常用三极管,如2N5551\2N5401\S8550\S8050\MJE172\MJE182\2SC2655等贴片或者直插的各准备50-100只;
5、芯片类,如UC3842\UC3857\UC3846\LF353\LM358\LM393\MC6022\TL431\LM1117-5.0\LM1117-3.3等,数量50-100只。
6、五金件,M3*8、M3*10、M3*15的螺丝、螺母,ST2.7*3、ST2.7*5的自攻丝螺丝,M3的平滑丝、弹垫,等。
裴兴洪
2018/8/23
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