AC-DC-DC电源技术方案设计

直流电源设计方案

目录

1.概述 (1)

2 系统的整体结构设计 (3)

3．三相六开关APFC电路设计 (23)

4. 移相全桥ZVS PWM变换器分析与设计 (28)

5．高压直流二次电源DC／DC变换器设计 (34)

6. 器材选取 (40)

7. 电源系统散热分析 (55)

8. 参数设计仿真结果 (58)

1.概述

1.1 目的和意义

目前，越来越多的电力电子设备投入到电网中，由于不可控整流器在大功率电源设备中的广泛应用，其对电网造成的谐波污染日益严重，使得电能生产、传输和利用的效率降低，并影响电网的安全运行。为了保证电网的正常运行，现在采取的办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直流电源的使用。电力电子装置，尤其是各种直流变换装置向高频化、高功率密度化发展，其关键技术是软开关技术。因此，大功率开关电源的功率因数校正技术及DC/DC变换器软开关技术是当前研究的热点。

1.2 开关电源技术发展现状

开关电源是采用功率半导体器件作为开关元件，通过控制开关元件的占空比进而调整输出电压的电源变换装置，开关电源的前置级将电网工频电压经整流滤波为直流电压，再经直流变换电路即开关电源后即处理后输出、整流、滤波。为了稳定输出电压，设计电压反馈电路对输出的电压进行采样，并把所采样的电压信号送到控制电路中，进行比较处理，调节输出的控制脉冲的占空比，最终使输出电压的纹波及电源的稳定满足设计指标。

开关电源通常包括EMI滤波模块、AC/DC变换模块、DC/DC变换模块、控制、驱动及保护模块、辅助电源模块等。传统的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着高效率、绿色化、实用化的方向发展。自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,上述问题得到了较好的解决，开关电源技术也步入了一个新的迅速发展的阶段。

1.3 本次设计的主要容

本次设计一款符合《航天地面直流电源通用规》要求的直流电源系统。其采用两级结构，前级AC/DC部分采用三相六开关APFC电路，后级采用移相全桥ZVS

PWM变换电路。

前级采用三相APFC整流电路，保证系统在6KW功率下平稳工作，功率因素大于0.99，具有较强鲁棒性，具有过压、欠压指示，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，减小系统能量损耗，且保证输出电压在45V-100V连续可调，且电压稳定（峰峰值小于500mV，电压稳定度不大于1%）,具有良好的屏蔽性能，屏蔽性能大于40dB，系统具有双模式（电压源模式，电流源模式）工作特点。具有友好的人机界面，提供外接显示屏，可实时显示输出电压、电流、输入侧功率因数等实时信息，方便用户调整系统参数，并预留CAN 总线端口。整体尺寸不大于600mm*500mm*500mm,整体质量不大于50Kg，产品符合GJB 1412-92《航天地面直流电源通用规》。

并根据相关要求依据设计所需采购工业级以上(含工业级)电源元件。

2 系统的整体结构设计

2.1 主要技术参数

➢输入电压：三相交流 380V( ±10% ),50HZ

➢输出电压45V～100V可调

➢输出电流：DC 100A

➢功率因数：>0.99

➢电源效率：>90%

➢输出电压稳定度：不大于1%

➢输出电压纹波（峰-峰值）：不大于500mV

➢过载能力：120% 额定值

➢冷却方式：风冷或强制风冷

2.2 系统设计方案

为了兼顾电源性能与电路复杂度，电源采用两级结构，前级为APFC AC/DC 变换模块，实现三相交流电到直流电的变换，该变换模块具备APFC功能，用以提高电路功率因数，减少电源对电网的谐波污染；后级 DC/DC 模块完成直流电压的变换与输出，采用软开关技术，使DC/DC变换电路中的开关管均工作在软开关状态，减少开关电源电路在高频时的开关损耗，提高电源效率。另外电路中还包含辅助电源电路、EMI电路、控制电路、驱动电路、保护电路等，电源的整体设计方案如图 2-1 所示。

图 2-1 开关电源整体设计方案

2.3 前级AC/DC APFC变换电路

2.3.1 APFC 主电路结构设计

按照开关电源接入电网方式的不同，APFC 电路可以分为单相APFC电路和三相APFC电路。

其中在小功率场合常采用单相APFC电路，其结构与控制方式相对简单，国外的一些研究结构和科研公司均开发了一些专用的APFC控制芯片，经过近些年的发展，技术臻于成熟；三相APFC电路适合于功率的场合，其中三相电压与电流之间的耦合问题是其存在的主要问题。探究简单可靠的三相APFC拓扑，将三相 APFC 电路实用化是现代研究的热点。本次设计开关电源采用三相380V交流输入，以下将对各种三相PFC电路进行比较与分析。

（1）三相单开关PFC电路

三相单开关 PFC 电路是三相 PFC 电路中结构和控制最为简单的电路，其可以看为单相 PFC整流电路在三相 PFC 整流电路中的拓展。如图 2-2 所示，在电路的拓扑中，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变化，从而使输入电流逼近于正弦波，且与输入电压同相，实现功率因数校正。三相单开关 Boost PFC 电路由于其电路设计简单，控制简便，可靠性较高，因此得到了广泛的应用。

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图 2-2 三相单开关 Boost 型 PFC 电路

（2）三相双开关 PFC 电路

三相双开关 PFC 电路图2-3所示，在 AC/DC 变换器的输入端使用三个电容并联，进而构造出一个中线，将直流侧的两只开关管串联在一起，并使两只串联开关管的中点与前端构造出的中线相连。恒频的控制开关管 S1 的 S2 的互补导通，使得电感电流峰值与输入电压成正比，输入侧交流电流波形也近似校正为正弦波，且与输入电压同相，从而实现功率因数校正的目的。

这个电路的典型优点是：a)在电路的负载较大时，不需要辅助的谐振电路，两个开关管 S1、S2 均工作在软开关状态，在开关频率很高时，可以大大减少了开关损耗，提高了电路效率，降低电路散热的要求； b)这种双开关三相 PFC 电路具备拓扑结构简单、控制容易、成本低、容易实现等优点，因此其具备很强的研究价值及实用性。

图 2-3 三相双开关PFC电路

（3）三相三开关 PFC 电路

有学者提出了三相三开关PFC电路如图2-4所示。