CN208174568U - 一种具有双输入模式的直流电源模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种具有双输入模式的直流电源模块，包括发电机交流转换模块、市电及交流转换模块、浪涌抑制及滤波模块、全桥变换模块以及输出滤波整流模块；所述发电机交流转换模块以及所述市电及交流转换模块的输出端连接所述浪涌抑制及滤波模块的输入端，所述浪涌抑制及滤波模块、所述全桥变换模块以及所述输出滤波整流模块依次连接；所述全桥变换模块采用零电压零电流软开关控制方式。本实用新型的优点是，该电源采用了先进的零电压、零电流移相全桥软开关控制技术、有源功率因数校正技术和单片机控制技术等，并采用先进的元器件进行精心的布局和设计，该电源具有体积小、重量轻、外观美观、指标优良等特点。
Description
技术领域
本实用新型属于电力电子技术领域，具体涉及一种具有双输入模式的直流电源模块。
背景技术
现有直流电源一般采用一种电源输入模式进行，通过滤波整流输出直流电。我公司为了满足高性能雷达设备对市电和交流发电机两种输入电源变换成较高品质直流电的需要。
实用新型内容
本实用新型的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种具有双输入模式的直流电源模块，该直流电源模块采用高性能的工业用微处理器完成控制，并配有保护电路和模式切换电路，控制性能优良，能够很好的满足对雷达设备供电使用要求。
本实用新型目的实现由以下技术方案完成：
一种具有双输入模式的直流电源模块，其包括发电机交流转换模块、市电及交流转换模块、浪涌抑制及滤波模块、全桥变换模块以及输出滤波整流模块；所述发电机交流转换模块以及所述市电及交流转换模块的输出端连接所述浪涌抑制及滤波模块的输入端，所述浪涌抑制及滤波模块、所述全桥变换模块以及所述输出滤波整流模块依次连接；所述全桥变换模块采用零电压零电流软开关控制方式；所述发电机交流转换模块包括依次连接的EMI滤波模块、整流模块以及无源功率因数校正模块；所述无源功率因数校正模块的输出端连接所述浪涌抑制及滤波模块的输入端。
所述市电及交流转换模块包括依次连接的EMI滤波模块、整流模块以及有源功率因数校正模块；所述有源功率因数校正模块的输出端连接所述浪涌抑制及滤波模块的输入端。
所述无源功率因数校正模块为LC电路。
所述浪涌抑制及滤波模块包括第一导线和第二导线，所述第一导线的上串接有浪涌抑制电阻，所述浪涌抑制电阻的两端并联有继电器；所述第一导线的第一端以及所述第二导线的第一端为所述浪涌抑制及滤波模块的输入端，所述第一导线的第二端以及第二导线的第二端为所述浪涌抑制及滤波模块的输出端，所述第一导线的第二端以及第二导线的第二端之间连接有高压滤波电容。
所述全桥变换模块的电源输入端连接所述浪涌抑制及滤波模块的输出端，所述全桥变换模块的电源输出端连接所述输出滤波整流模块的输入端；所述全桥变换模块包含若干个高频开关器件；所述高频开关器件的控制端连接所述控制及保护电路；所述控制及保护电路包括脉宽调制电路、驱动电路、限流电路、过压保护电路、温度检测及保护电路以及取样电路。
所述直流电源模块还包括单片机监控电路和面板电路；所述单片机监控电路包括模拟接口以及数字接口，用于采集并测量所述控制及保护电路的各种参数；所述面板电路包括开关、指示灯以及数码管；所述面板电路连接所述单片机监控电路。
本实用新型的优点是，该电源采用了先进的零电压、零电流移相全桥软开关控制技术、有源功率因数校正技术和单片机控制技术等，并采用先进的元器件进行精心的布局和设计，该电源具有体积小、重量轻、外观美观、指标优良等特点，同时注重产品的可靠性和安全性设计，可满足用户的要求并力争超越用户的期望。尤其适合用电品质较高的直流电源。
附图说明
图1为本实用新型直流电源模块的结构框图；
图2为本实用新型中的浪涌抑制及滤波模块的原理图；
图3为本实用新型中的全桥变换模块以及输出滤波整流模块的原理图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本实用新型的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-3，图中标记1-15分别为：发电机交流转换模块1、市电及交流转换模块2、浪涌抑制及滤波模块3、全桥变换模块4、输出滤波整流模块5、EMI滤波模块6a、EMI滤波模块6b、整流模块7a、整流模块7b、无源功率因数校正模块8、有源功率因数校正模块9、、浪涌抑制电阻10、继电器11、高压滤波电容12、单片机监控电路13、面板电路14、辅助电源15。
实施例：如图1所示，本实施例具体涉及一种具有双输入模式的直流电源模块，其包括发电机交流转换模块1、市电及交流转换模块2、浪涌抑制及滤波模块3、全桥变换模块4以及输出滤波整流模块5；发电机交流转换模块1以及市电及交流转换模块2的输出端连接浪涌抑制及滤波模块3的输入端，浪涌抑制及滤波模块3、全桥变换模块4以及输出滤波整流模块5依次连接；全桥变换模块4采用零电压零电流软开关控制方式。
如图1所示，发电机交流转换模块1包括依次连接的EMI滤波模块6a、整流模块7a以及无源功率因数校正模块8；无源功率因数校正模块8的输出端连接浪涌抑制及滤波模块3的输入端，发电机交流转换模块1的输入端连接小型发电机；小型发电机的输出方式为三相三线，电压180V～280V，频率350Hz～640Hz。
如图1所示，市电及交流转换模块2包括依次连接的EMI滤波模块6b、整流模块7b以及有源功率因数校正模块9；有源功率因数校正模块9的输出端连接浪涌抑制及滤波模块3的输入端；市电及交流转换模块2的输入端连接的市电规格为：单相，电压220V±10％，频率50Hz±3Hz。
如图1所示，本实施例的直流电源模块具有两种工作模式：发电机输入模式(主网)和市电输入模式(备网)，两网互相隔离且不同时供电；当直流电源模块处于发电机输入模式时，发电机交流转换模块1接入小型发电机，同时市电及交流转换模块2与市电处于断开状态；当直流电源模块处于市电输入模式时，发电机交流转换模块1与小型发电机处于断开状态，同时市电及交流转换模块2接入市电电网。
如图1所示，市电及交流转换模块2以及发电机交流转换模块1的EMI滤波模块6一方面用于阻止电网上的干扰信号影响电源的正常工作，另一方面还可以隔离本实施例的直流电源模块在高频变换工作时会产生干扰信号，避免高频干扰信号污染电网。
如图1所示，市电及交流转换模块2以及发电机交流转换模块1的整流模块7为桥式整流电路，用于将市电或发电机输出的交流电转变成脉动直流电。
如图1所示，无源功率因数校正模块8为LC电路。由于小型发电机交流输入的电压和频率变化范围较宽，且不是常规供电；根据布局空间的需要，本电源采用4只4H330磁环绕制后串联作为无源功率因数校正模块8的功率因数电感，每只磁环用Φ1.6漆包线绕制60匝，其静态电感量为457.2μH。无源功率因数校正模块8可将本实施例的直流电源模块的功率因数提升到0.9以上。
如图1所示，有源功率因数校正模块9单独的+12V电源单独给功率因数校正芯片UC2854BDW供电，并采用平均电流控制模式对电源输入端进行有源功率因数校正，将电源的功率因数提升到0.99以上，并将整流后的高压升压到+375V左右提供给全桥变换模块4。
本实施例采用有源功率因数校正技术的目的是让电网输入端的电流波形逼近正弦波，并于输入的电网电压保持同相位。通过UC2854BN控制芯片实现的平均电流控制模式，采用了恒频电流控制，它具有高稳定性和低失真。不同于峰值电流型控制模式，平均电流型控制可准确的维持正弦电网电流，无需斜率补偿，而且对瞬态噪声的响应极小，同时也增强了对电网波动的适应性。功率因数校正电路工作工作原理：输入电压经电阻分压取样检测后与输入电流经检测后均加到内部乘法器输入端，输出电压经电阻分压取样与参考电压比较后输出误差信号也加到内部乘法器输入端。乘法器的输出电压控制电流取样比较器的门限电平，而比较器又受高频三角波信号调制，从而产生受控PWM控制信号，这样就能快速调节控制MOSFET的导通时间，使它及时跟随输入电压的变化。
如图1、2所示，浪涌抑制及滤波模块3包括第一导线和第二导线，所述第一导线的上串接有浪涌抑制电阻10，浪涌抑制电阻10的两端并联有继电器11，继电器11由继电器驱动电路控制；第一导线的第一端以及所述第二导线的第一端为浪涌抑制及滤波模块3的输入端，第一导线的第二端以及第二导线的第二端为浪涌抑制及滤波模块3的输出端，第一导线的第二端以及第二导线的第二端之间连接有高压滤波电容12。
如图1、2所示，浪涌抑制及滤波模块3可以为浪涌抑制电阻10向高压滤波电容12充电提供足够的时间并使继电器11未吸合时电源不工作，防止电源模块开机瞬间出现大的浪涌电流。在开机瞬间，由于高压滤波电容12上的电压为零，交流电压整流后经过浪涌抑制电阻10向高压滤波电容12充电，这样就防止了开机的浪涌电流损坏器件。大约经过3s，继电器11由其控制电路吸合其动结点，浪涌抑制电阻10被短路，功率由继电器11向后级传输。
如图1、3所示，全桥变换模块4的电源输入端连接浪涌抑制及滤波模块3的输出端，全桥变换模块4的电源输出端连接输出滤波整流模块5的输入端；全桥变换模块4包含四个高频开关器件；高频开关器件的控制端连接控制及保护电路；所述控制及保护电路包括脉宽调制电路、驱动电路、限流电路、过压保护电路、温度检测及保护电路以及取样电路；全桥变换模块4用于在控制及保护电路输出的脉宽调制驱动信号的控制下，将高压直流变成调宽的交流脉冲；控制及保护电路除了用于输出脉宽调制驱动信号，还用于对输入、输出、温度等各种异常现象提供保护，以确保电源、负载的安全运行和电源稳压、限流等各种电气性能的完成。
如图1、3所示，输出滤波整流模块5由高频整流滤波,EMI滤波等电路组成，其功能是将脉宽调制的高频交流脉冲变成低杂音,低电磁干扰的高质量的直流电压输出。
如图1、3所示，本实施例中，全桥变换模块4采用了全桥移相式零电压、零电流开关(ZVS，ZCS)技术，有效地降低了开关管的电压、电流应力和开关损耗，电源自身功耗低，提高了整机可靠性和效率，明显地减少了电磁干扰。
具体的，本实施例的直流电源模块要求的高温工作温度为+55℃，要使电源在高温条件下能够满负荷工作，就必须控制电源的温升小于+35℃，即电源散热器在高温工作时的温度应保证在+90℃以下。
通过对直流电源模块的热源进行分析可知，主要发热源为高频变换中的高频开关器件和输出整流二极管，这两部分电路产生的热量占到总热量的70％左右，因此，要保证电源在高温条件下正常工作，必须最大限度地减小这两部分电路产生的热量。针对这一问题，本实施例采取的措施之一是在直流输出采用低压降肖特基二极管进行整流以降低损耗；措施之二就是在变换电路中采用低压降的IGBT作为开关管，它的优点是导通时的通态压降较小，但还需要降低开关管在开通和关断时的损耗。本实施例采用软开关控制技术对高频开关器件进行控制。通过设计选用匹配参数，使得高频开关器件的开通和关断损耗降至最小，以满足直流电源模块的高温工作要求。此外，采用该项技术还可以提高电源的可靠性及电磁兼容指标的要求。
如图1、3所示，本实施例的软开关特性是通过采用相移式全桥变换来实现的，其电路原理框图如图3所示。该电路采用了零电流零电压(ZCS-ZVS)软开关技术，软开关是指功率开关管的开通或关断时在器件上的电压或电流等于零的状态下进行的，实现开关损耗为零。而硬开关是指功率开关管的开通或关断是在器件上的电压或电流不等于零的状态下进行的，开关损耗大。软开关的主要优点如下：
a)开关损耗低，变换效率高,轻载效率高，实用性强。
b)温升低，可靠性高。根据美国军用电子设备可靠性预计手册MIL-HDBK-217F，质量系数πT＝exp[-3091(1/(TJ+273)-1/298)]，当温度为25℃时π25＝1.0；温度为60℃时π60＝3.0；温度为100℃时π100＝8.0。可见元器件的温度越低，其质量系数越小，相应的可靠性就越高。
c)dV/dt、di/dt低，降低了功率开关管的电流、电压应力，可靠性高。同时有利于EMC指标。根据手册，当应力VS≤0.3时πS＝1.0；0.5＜VS≤0.6时πS＝3.0；0.9＜VS≤1.0时πS＝8.0。
根据电路变换功率及主变压器的漏感等参数，合适的选用阻断电容Cb的容量、设计可饱和电感LS和IGBT开关管DS之间的电容等参数，使电源的开关桥臂满足ZCS-ZVS的要求。通过采取合适的参数设计后，电源在高温+55℃的环境中工作正常，电源的纹波等指标均能满足设计要求。
如图1所示，本实施例的直流电源模块还包括单片机监控电路13和面板电路14；单片机监控电路13包括模拟接口以及数字接口，用于采集并测量控制及保护电路的各种参数；面板电路14包括开关、指示灯以及数码管；面板电路14连接单片机监控电路13。
如图1所示，单片机监控电路13的主要功能是完成模块监控单元、脉宽调制控制电路两者之间的信息传递和相关信息的处理。它对控制电路送来的模拟量与开关量进行监测，根据接收的相关信息执行对电源的开关机控制和告警功能。
如图1所示，面板电路14由数码管、指示灯与开关等组成，其功能是检测面板开关的状态，完成电源电压、电流的显示及状态的指示等信息。
如图1所示，市电及交流转换模块2以及发电机交流转换模块1还连接有辅助电源15，辅助电源15是以TOP器件为核心的单端反激电路，主要是给有源功率因数校正模块9、脉冲调制控制电路、单片机监控电路13以及面板电路14提供工作电源。
本实施例的直流电源模块进行仿真结果如下所示：当直流电源模块工作在市电输入模式下，稳压环路相位过零时，增益余量约-31.7dB；稳压环路增益过零时，相位余量约51.5度；当直流电源模块工作在发电机输入模式下，稳压环路相位过零时，增益余量约-31.7dB；稳压环路增益过零时，相位余量约51.5度。
本实施例的有益技术效果为：该电源采用了先进的零电压、零电流移相全桥软开关控制技术、有源功率因数校正技术和单片机控制技术等，并采用先进的元器件进行精心的布局和设计，该电源具有体积小、重量轻、外观美观、指标优良等特点，同时注重产品的可靠性和安全性设计，可满足用户的要求并力争超越用户的期望。尤其适合用电品质较高的直流电源。
Claims (6)
1.一种具有双输入模式的直流电源模块，其特征在于，包括：发电机交流转换模块、市电及交流转换模块、浪涌抑制及滤波模块、全桥变换模块以及输出滤波整流模块；所述发电机交流转换模块以及所述市电及交流转换模块的输出端连接所述浪涌抑制及滤波模块的输入端，所述浪涌抑制及滤波模块、所述全桥变换模块以及所述输出滤波整流模块依次连接；所述全桥变换模块采用零电压零电流软开关控制方式；所述发电机交流转换模块包括依次连接的EMI滤波模块、整流模块以及无源功率因数校正模块；所述无源功率因数校正模块的输出端连接所述浪涌抑制及滤波模块的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种具有双输入模式的直流电源模块，其特征在于，所述市电及交流转换模块包括依次连接的EMI滤波模块、整流模块以及有源功率因数校正模块；所述有源功率因数校正模块的输出端连接所述浪涌抑制及滤波模块的输入端。
3.根据权利要求1所述的一种具有双输入模式的直流电源模块，其特征在于，所述无源功率因数校正模块为LC电路。
4.根据权利要求1所述的一种具有双输入模式的直流电源模块，其特征在于，所述浪涌抑制及滤波模块包括第一导线和第二导线，所述第一导线上串接有浪涌抑制电阻，所述浪涌抑制电阻的两端并联有继电器；所述第一导线的第一端以及所述第二导线的第一端为所述浪涌抑制及滤波模块的输入端，所述第一导线的第二端以及第二导线的第二端为所述浪涌抑制及滤波模块的输出端，所述第一导线的第二端以及第二导线的第二端之间连接有高压滤波电容。
5.根据权利要求1所述的一种具有双输入模式的直流电源模块，其特征在于，所述全桥变换模块的电源输入端连接所述浪涌抑制及滤波模块的输出端，所述全桥变换模块的电源输出端连接所述输出滤波整流模块的输入端；所述全桥变换模块包含若干个高频开关器件；所述高频开关器件的控制端连接所述控制及保护电路；所述控制及保护电路包括脉宽调制电路、驱动电路、限流电路、过压保护电路、温度检测及保护电路以及取样电路。
6.根据权利要求5所述的一种具有双输入模式的直流电源模块，其特征在于，所述直流电源模块还包括单片机监控电路和面板电路；所述单片机监控电路包括模拟接口以及数字接口，用于采集并测量所述控制及保护电路的各种参数；所述面板电路包括开关、指示灯以及数码管；所述面板电路连接所述单片机监控电路。
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Granted publication date: 20181130 |