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望远镜用大功率智能开关电源控制系统设计

  李雪艳1,2,李洪文1,刘  洋1,邓永停1,2

  (1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春130033;2.中国科学院大学,北京100039)

  摘  要: 根据望远镜轴系驱动电源的特性设计了基于脉宽调制(PWM)控制芯片和IGBT模块的大功率智能开关电源。主电路拓扑为全桥逆变电路,次级为全波整流电路,并采用智能接口将开关电源与上位机直接相连,同时还有输出短路、过流、过温、过压和欠压保护电路,大大简化了系统的设计,提高了系统工作的可靠性。对控制环路进行了详细的分析和设计,开关电源的输出电压连续可调,可满足不同规格的望远镜轴系驱动电源的要求。最后通过实验验证了系统设计的有效性。

  关键词: 望远镜;开关电源;IGBT模块;脉宽调制

  中图分类号: TN86;TG580.23+5文献标识码: ADOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.035

  中文引用格式: 李雪艳,李洪文,刘洋,等. 望远镜用大功率智能开关电源控制系统设计[J].电子技术应用,2015,41(9):128-131.

  英文引用格式: Li Xueyan,Li Hongwen,Liu Yang,et al. Study of intelligent high power switching power source system used in the telescope shaft drive power system[J].Application of Electronic Technique,2015,41(9):128-131.

0 引言

  望远镜是综合光学、精密机械和精密控制的最新成果,高性能望远镜除了有好的光学系统,还要有稳定的、高精度的轴系驱动电源[1]。望远镜轴系驱动功率电源先后经历了相控电源、线性电源和开关电源。相比于相控电源和线性电源,开关电源具有如下优势:功率转换效率高,可达90%以上;变压器工作在高频状态,体积和重量远小于工频变压器,整机的功率密度大幅度提高;稳压范围宽,对电网电压具有很强的适应性;输出滤波电容、电感小,因而体积小,重量轻,动态响应快[2],逐步成为电源系统的主流。随着开关电源电路拓扑、控制理论的逐渐成熟,以及在功率开关器件、大功率磁性元件、高耐压绝缘材料等方面的快速发展,开关电源开始逐步应用在大功率、高电压电源领域并取得了迅速发展[3]。

  随着科技的发展,望远镜轴系驱动功率电源越来越向着高频化、智能化、集成化方向发展[4]。因此,将大功率智能开关电源应用于望远镜轴系驱动领域具有非常重要的意义。本文是根据望远镜主轴系驱动用功率电源的应用特点,设计了一种大功率智能开关电源,输出电压直流40 V~140 V连续可调,输出最大电流为60 A,并采用智能接口将开关电源与上位机相连,通过上位机对开关电源进行控制。开关电源输入具有过欠压保护,输出具有过压保护、过流保护、欠压保护、过温保护等特点进一步增加了电源的可靠性。

1 电源主电路介绍

  开关电源是基于硬件的产品,开关电源的硬件设计是设计过程中最重要的部分。开关电源的功能框图如图1所示。

  电源采用单相输入,为适应大功率电源的高频特性,主电路拓扑结构采用通态阻抗小的大功率IGBT组成全桥逆变电路。PWM控制芯片采用SG2525。开关电源电路图如图2所示。

  1.1 输入部分介绍

  开关电源的输入电压为单相输入交流220 V,输入滤波电容具有滤波、保持输出电压及抑制噪声等多重作用。应用时一般按照输入电能功率每10 kVA选1 000 μF[5]。因电容具有储能作用,电源停止工作后,需将电容能量泄放。因此,在电容两端并联放电电阻。

  上电伊始,单相交流电输入至整流桥,经其整流后输入滤波电容。由于此时滤波电容两端电压为零,其等效阻抗很小,易形成很大的浪涌电流,导致整流桥器件损坏或滤波电容使用寿命降低,因此在输入端设计软启动电路[6],如图2的K1和RV1。

  1.2 功率级介绍

  拓扑电路采用适合大功率开关电源的全桥结构[7]。由于本电源输出功率较大,为降低通态损耗、提高电源整机效率,主功率开关器件选择通态阻抗小的大功率IGBT。同时还有输出短路、过流、过温及过欠压保护功能,大大提高了开关电源工作的可靠性。

  高频变压器是开关电源最重要的元件,起着原副边电压隔离和能量转换的作用。开关电源的输出电压为直流40 V~140 V,变压器采用如图2所示的中间抽头型变压器。变压器的匝数比为: