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開關電源系統中整流模塊的功能設計應用

來源:深圳德意志工業有限公司 作者:深圳德意志工業 時間:2017-07-16 12:40

      以智能高頻開關電源系統中的整流模塊為研究對象,采用無源PFC和DC/DC變換器的原理,對模塊的整流原理進行設計和改善,經過對整流模塊的硬件、電路的設計與調試表明:該整流模塊可以有效地解決智能高頻開關電源系統中整流問題,同時,還具有可靠性強、穩定性好且體積小、噪聲低、節能高效、維護方便等優點,能夠很好地滿足現代智能高頻開關電源系統的發展趨勢要求。
關鍵詞:高頻開關電源;整流模塊;DC-DC變換器;PFC

 
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0 引言
隨著我國科技生產水平的不斷提高,各行各業對供電質量的要求越來越高,而智能高頻開關電源作為一種繼電保護裝置和控制回路裝置,為生活和生產中的供電的可靠性提供了有力的保障。當市電供電中斷時還可以作為后備電源,所以說智能高頻開關電源是對供電質量保證的重要組成部分之一。它具有高度靈活組合、自主監控的特點,另外可靠性強、穩定性好且具有體積小、噪聲低、節能高效、維護方便等也是它的一大優點。可以說智能高頻開關電源是一種集計算機技術、控制技術、通信技術于一體的高科技產品,可實現系統的自動診斷、自動測試和自動控制。本文主要闡述的是智能高頻開關電源的整流模塊的設計。

1 系統總體結構介紹
智能高頻開關電源系統的總體結構主要由主監控單元、配電模塊、交流配電單元、整流模塊等組成,系統總體的結構圖如圖1所示。系統中的各個監控單元受主監控單元的管理和控制,通過通信線將各個監控單元采集的信息送給主監控統一管理。主監控顯示直流系統各種信息,用戶也可以觸摸顯示屏查詢信息及操作,系統信息還可以接入到遠程監控系統中。系統除了交流監控、直流監控、開關量監控等基礎單位外,還配置了絕緣監測、降壓裝置、電池巡檢等功能單元,以達到對直流系統進行全面監控的目的。
工作時兩路市電(交流)經過交流切換裝置輸入一路交流,給各個整流模塊供電。整流模塊將輸入三相交流電轉換為直流電,給備用電源(蓄電池)充電,同時也給合閘母線負載供電,另外合閘母線通過降壓裝置給控制母線供電。所以說本文設計的整流模塊是將整流和充電兩項功能結合于一體的一種新型的整流模塊。2 整流模塊的設計
整流模塊是智能高頻開關電源系統中的一個重要部分,關系到系統的直流電壓輸出和工作時電壓輸出的穩定狀況。本文的設計主要是對模塊整流原理的改進和完善,利用無源PFC和DC/DC變換器的原理,使得改進后的模塊能夠有效完成整流作用。
本文設計的整流模塊的工作原理框圖如圖2所示,工作時,模塊首先通過過防雷處理和濾波對輸入的三相交流進行處理,這樣才能保證模塊后級電路的安全;經過處理后的三相交流經過整流和無源PFC后轉換成高壓直流時,這時轉換的高壓直流要經過DC/DC變換器再次轉換成可變的直流電壓輸出;另外模塊控制部分還有負責過壓、過流以及短路保護等作用,這樣才能保證輸出電壓的穩定,也同時能對模塊各部件進行保護。模塊還在遠程監控中提供了“四遙”(遙控、遙調、遙測、遙信)接口。
即功率因數校正(Power Factor Correction,PFC)是指有效功率與總耗電量(視在功率)之間的關系,也就是有效功率除以總耗電量(視在功率)的比值。無源PFC是指不使用晶體管等一些有源器件組成的校正電路,一般情況下由二極管、電阻、電容和電感等無源器材組成。本文的PFC主要是在整流橋堆和濾波電容之間加1個電感,具體原理如圖3所示,利用電感上的電流不能突變的特性來平滑電容充電強脈沖的波動,改善電路中電流的畸變,并且利用電感上的電壓超前于電流這一特性來補償濾波電容電流超前電壓的特性,使功率因數和電磁干擾都得以改善。
這種方式只是一種簡單的補償措施,只能做到抑制電流瞬時突變的目的,但電流畸變的校正及功率因數的補償能力都很差。
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種控制具有加速平穩、快速響應的性能,同時可以收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約20%~30%的電能。直流斬波器不僅能起到調壓作用,還能起到有效抑制電網側諧波電流噪聲的作用本文的DC/DC變換器采用雙管正激式DC/DC變換器,它的原理如圖4所示,變壓器T1起隔離和變壓的作用,在輸出端要加一個電感器L0(續流電感)起能量的儲存及傳遞作用,變壓器初級無再有復位繞組,因為VD1,VD2的導通限制了兩個調整管關斷時所承受的電壓。輸出回路需有一個整流二極管VD3和一個續流二極管VD4(VD3,VD4最好均選用恢復時間快的整流管)。
輸出濾波電容CO應選擇低、大容量的電容,這樣有利于降低紋波電壓。雙管正激式DC/DC變換器的

(1)在任何工作條件下,為使兩個開關管所承受的電壓不會超過UIN,Ud(UIN為輸入電壓;Ud為VD1,VD2的正向壓降),VD1,VD2必須是快恢復管,其在實際設計和調試中恢復時間越短越好。
(2)與單端正激式DC/DC變換器相比,它無須復位電路,這有利于簡化電路和變壓器的設計;它的功率器件可選擇較低的耐壓值;它功率等級也會很大。
(3)兩個開關管的工作狀態一致,會同時處于通態或斷態。所以使用在智能高頻開關電源這樣大功率等級電源中比較適合。
平滑濾波原理:整流電路將交流電變為脈動直流電,但其中含有大量的交流成分(稱為紋波電壓)。為了獲得平滑的直流電壓,應在整流電路的后面加接濾波電路,以濾去交流部分。此時在橋式整流電路輸出端與負載之間并聯一個大電容,采用電容濾波后使二極管得到的時間縮短,由于電容CO充電的瞬時電流較大,形成了浪涌電流,容易損壞二極管,故在選擇二極管時,必須留有足夠的電流裕量,以免燒壞。

3 整流模塊的功能介紹
整流模塊除了能將輸入的交流(380 V、50 Hz)變換成額定的直流輸出(5 A/230 V)之外,還具有保護功能和設置功能,現將模塊的保護功能和設置功能介紹如下:
3.1 保護功能介紹
(1)輸出過壓保護。輸出電壓過高會對用電設備造成重大事故,為杜絕此類事故的發生,在模塊內部設有過壓保護電路,當出現過壓后模塊自動鎖定,同時模塊的故障指示燈亮,模塊自動退出工作狀態,從而不會影響到整個系統的正常運行。
(2)輸出限流保護。因為每個整流模塊的輸出功率受到限制,輸出的電流不能過大。因此,對每個模塊的輸出電流最大限制為額定輸出電流的1.2倍,如果超出負載,模塊自動調低輸出電壓以達到保護模塊的功能。  




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