大功率IGBT开关型直流稳压电源的可靠性设计

大功率ＩＧＢＴ开关型直流稳压电源的可靠性设计

北京　王栋才　王进和

　　ＩＧＢＴ开关直流稳压电源比可控硅相控逆变直流稳压电源有明显的优越性，代表了当今电源技术的先进水平，已被广泛地应用在电力、通信、航空、航天、航船、武器装备等领域。

　　这种电源采用栅极谐振开关式ＩＧＢＴ逆变，逆变效率不低于９３％。应用ＳＣ－引单片机实现“安全预测控制”，并解决了电磁辐射对微机的干扰。实现了多种保护功能和高精度的恒压、恒流。该电源不仅可专用，也可通用。

　　一、工作原理

　　１．原理框图如右图所示。

　　２．原理概述如下。

　　三相３８０Ｖ交流电经过全桥整流、滤波形成直流电压，通过ＩＧＢＴ逆变部件，转换成２５ｋＨｚ以上的高频交流脉冲，再经高频变压器降压，最终由快速整流二极管整流、续流、ＬＣ滤波，形成缓变的直流电压。

　　控制电路采用数字闭环、模拟闭环电压电流反馈，经微处理器检测处理控制ＰＷＭ控制器，保证电源具有高精度的稳压、稳流特性。

　　二、电路可靠性设计

　　１．主电路及控制电路可靠性措施

　　（１）主电路采用具有软过度的双管单端正激式拓扑结构，无共同导通及单向偏磁现象发生。

　　（２）采用“安全预测控制技术”，用微处理器自动识别、检测参数信息，使电源始终处于最佳工作状态。将传统的事后保护改变为事前预防。

　　（３）控制电路采用厚膜集成电路和全腔体屏蔽技术，可断绝外部因素对模块的干扰。

　　（４）设计过压、欠压、缺相、过流、过热多种检测保护功能。

　　２．元器件降额使用

　　（１）开关管ＩＧＢＴ工作电压降额　５６％，工作电流降额３５％。

　　（２）滤波电容工作电压降额２１％。

　　（３）三相全桥整流器工作电压降额６８％，工作电流降额６５％。

　　（４）高频整流器续流器工作电压降额９４％，工作电流降额２０％。

　　３．降额损耗、温升及器件过荷问题

　　（１）采用软过度方式降低损耗和温升。

　　（２）设计缓冲吸收回路降低器件过荷。

　　（３）输出电感采用裸铜线绕制，有利于散热降温。

　　（４）设置输入电压软启动电路，防止开机浪涌电流对电源自身的冲击破坏。

　　（５）设置输出电压缓升电路，防止输出浪涌电流对负载的冲击。

　　三、结构工艺的可靠性设计

　　１．采用标准化、系列化、模块化设计

　　整机的低频整流滤波器、高频逆变器、高频整流器、控制电路及保护电路均采用标准化部件做成积木式模块，用少数几根连线将模块组合成整机，减少了分布参数产生的干扰。

　　２．抗震动、抗冲击设计

　　考虑到野外机动作业的工作条件，设计时凡元器件重量在１０ｇ以上的均采取加固措施。

　　３．机壳拼板式结构设计

　　４．表面处理

　　表面进行防腐、防锈处理。

　　５．防潮处理

　　电路板及关键部件采取了防潮处理。

　　四、通风散热设计

　　１．通风方式

　　采用短而粗的直通风道结构，确保风阻小、机内温升低、不易积灰尘。

　　２．温升降额处理

　　选用损耗小的铁氧体软磁材料，使高频变压器温升降额３３％；采用裸铜线绕制工艺，使电抗器温升降额５０％。

　　五、安全性设计

　　１．变压器、电抗器绝缘等级为Ｈ级。

　　２．对大容量电解电容，设计了充分限流电路和自动放电电路。

　　３．初、次级回路之间绝缘电阻≥５ＭΩ，介电强度≥４０００Ｖ。

　　４．初、次级回路到机架间绝缘电阻≥２．５ＭΩ，介电强度≥２５００Ｖ。

　　５．设置防止电源内部短路造成电网短路的保护装置。

　　６．机壳设有接地端子，使用时接地线。

　　六、维修性设计　　１．采用标准化、模块化设计，通过插头座转接，连线少，更换容易，维修方便。　　２．机壳的各面板拆装容易，便于维修。

　　３．设有指示仪表及电压、电流调节旋钮，观察容易，检测方便。

　　　　　　　□北京　王栋才　王进和