2．5V／18KA超导磁体模型线圈电源设计
来源： 作者： 发布时间：2015-04-21 08:29:53 浏览量：
倍流整流电路与全波整流电路相比，减小了变压器次级绕组电流的有效值；变压器的利用率高，无中心抽头；输出电感纹波电流相互抵消，可减小输出电压纹波；双电感也更适合于分布式功率耗散的要求。要实现倍流整流就要求L1和L2的电感值足够大，同时要保证L1和L2中电流均等变化。鉴于该开关电源的输出电流很大，设计有足够大电感量且同时能够流通1 kA以上电流的电感实现起来比较困难，所以在设计中不考虑倍流整流，最终选择全波整流。
4 反馈控制方案
在开关电源系统中由于输入电压发生变化、电源内部元器件因外界环境的影响而导致性能参数及外部负载发生变化，或某些突发事件均会引起输出发生变化。为稳定开关电源的输出，引进反馈信号进行误差放大，然后与基准信号作比较，调节开关管触发脉冲的相位，获取稳定的输出。
反馈控制模式在实际应用中分为电压模式和电流模式。由于主电路中有较大的滤波电容电感，电压模式对于输入电压的变化会产生相延时作用。电压模式输出电压发生变化时，采样信号经过误差放大器的补偿电路延时滞后，才能传至PWM比较器来改变触发脉冲的相位。基于上述两个原因使其对输入电压的动态响应速度变慢。提高电压模式动态响应速度的主要方式是采用双闭环控制，即电流模式控制，其控制框图如图3所示。
该电源插件电感系统对输出电流精度要求较高，双闭环控制最终跟踪信号应为输出电流，所以设计采用电压环为内环，电流反馈环为外环，最终达到对电流更加精确地跟踪控制。
5 整体结构和实验分析
图4示出开关电源设计整体结构图。通过上述分析，2．5 V／18 kA模型线圈电源主要结构已经很明晰，将3组相同的2．5 V／6 kA的模块并联，实现18 kA输出。主结构采用功率二极管进行三相整流、全桥逆变电路、全波整流和全桥移相控制。图中，L1为三相整流功率因数校正电感，R1为软启动电阻，C1为输入滤波电容，L2为谐振电感，Tx1～Tx2为12个高频变压器，VD7～VD30为模压电感高频整流管，L3～L4和C3构成输出LC滤波网络，CS1为输出电流检测，US1为输出电压检测。经过计算取L1=0．7 mH，C1=6．8 mF，R1=150 Ω，L2=3．4μH，C2=20μF，L3=0．8 μH，C3=0．7 F，变压器的变比为8：1。
根据参数值搭建原理图，借助ORCAD PSpcie仿真获得输出电流电压纹波波形。可知，该设计完全能满足设计要求，但仿真中很多元器件都是工作在理想状态，与实际使用的元器件存在一定的偏差。电源装配期间遇到一些与理论设计不相符的地方，最后在初始设计基础上进行调整，依旧可获得较好的实验结果。在理论指导的基础上进行电源装配，设计出能够满足要求的负载，获取实际输出电压和电流波形进行分析，获得改差模电感器进措施。
基于全桥移相控制芯片UCC3895做出样机，设计满足要求的负载，通过长期稳定的实验获得输出电流纹波和电压纹波波形。图5分别示出输出电流、电压纹波波形。由图5a可知，计算可以得到电流纹波有效值为11 A，小于当初设计值12A。由图5b可知，电压纹波峰-峰值为120 mV，有效值约为67 mV，大于当初的设计值25 mV，显然在消除电压纹波方面要做出改进。
实验采用阻感性负载，造成输出电压纹波大的原因可能有两个：①输出滤波电容存在等效串联电阻和接触电阻；②控制方案和控制参数选取不合适。通过对图5b的分析可知，电压纹波中包含较多的低频纹波，由于样机采用电压控制模式，响应速度慢，低频的纹波很难消除干净，致使输出电压中包含输入电压低频纹波成分，这类纹波可通过增大PI调节器的增益或改为大P调节器和适当增加输入滤波电容C1而得到有效解决。
6 结论
基于上述拓扑结构可以制造出满足参数要求的高频开关电源。由于样机只是调试阶段，所以在反馈控制时没有采用双闭环控制，以致输入端混入低频纹波，样机在手工接线和组装时较为粗糙，导致与输出滤波电容串联的等效电阻较大。在这两个方面进行改进，电压纹波最后能满足要求。此电源通过功率变换结构的合理选择以及器件参数的优化，有效地解决了传统电源中存在的效率低变压器与电感器设计手册、体积大、动态性能差等问题。另外通过实验人员连续10 h的带载运行可知，该设计满足开关电源的可靠性要求。
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