任雪峰

(海军装备部驻南京地区第二军事代表室，南京 211153)

0 引 言

21世纪是信息化的时代。信息化的快速发展使得人们对于电子设备、产品的依赖性越来越大，而这些电子设备、产品都离不开电源。经过几十年的发展，大功率开关电源技术越来越趋于成熟。它具有体积小、效率高的特点，已经逐步替代了传统的、效率较低的线性电源和相控电源。大功率开关电源组件安装在各种设备上，为设备供电，其性能和可靠性直接影响设备的性能和任务的完成。大功率中压直流电源主要为相控阵雷达天线阵面提供供电，具备效率高、电网调整率低、负载调整率低、稳压精度高、电磁兼容性好等特点。

1 电源架构设计

基于智能编程技术的中压直流电源拓扑结构见图1。中压直流电源包含EMI滤波电路、PFC电路、LLC谐振变换器、输出整流滤波电路、PFC控制电路、LLC控制电路、辅助电源等部分，中压直流电源同时还具备均流、热插拔、通信、监控和故障保护等功能。

三相输入交流电先经过EMI滤波电路抑制电网上的噪声，再经过三相三电平PFC电路，通过PWM调制控制输入电流与输入电压同相同频，同时将三相交流电转换为高压直流电。LLC谐振变换器通过PFM调制将高压直流电转换为高频高压交流电，再经过全波整流电路转换为隔离的高压直流电输出。[1]

2 电源电路实现

2.1 PFC功率因数校正

2.1.1 PFC功率因数校正原理

三相PFC工作原理图如图2所示。

图1 中压直流电源拓扑结构

图2 三相PFC 工作原理图

电路开关器件MOSFET、PFC整流二极管工作在软开关(如ZVS)状态下具有效率高、电磁干扰小等优点[2]。其工作原理如下：以A相桥臂为例，当双向MOSFET管开关SW1开通时，整流器的输入端电压被钳位于直流母线中点，电感电流绝对值上升；当双向MOSFET管开关SW1关断时，整流器的输入端电压为+Vdc/2或-Vdc/2，电压极性由A相电流的极性决定，电感电流绝对值下降。因此，A相桥臂有3个开关状态“1”、“0”、“-1”。整流器的输入端被分别钳位于直流母线的正极、中点和负极，并由此控制输入电流的幅值大小和方向。依次类推，可以对B、C相进行相应分析。该电路拓扑主开关承受的电压是输出电压的1/2，无直流输出电压直通问题，控制和驱动电路简单，其中每相的开关采取MOSFET管共源极的双向开关形式。当双向开关开通时，假如电流流过左侧MOS管，则右侧MOS管处于同步整流状态。所以，当其关断时，几乎没有反向恢复电流。因此，该拓扑的整流电路可以工作在较高的开关频率下。

PFC电路包含以下几部分：输入保护及浪涌抑制部分、PFC功率变换部分、PFC输出滤波部分、DSP控制及信号采集处理部分。

输入保护及浪涌抑制部分由限流电阻、继电器、辅助控制电路组成。开机时，先通过限流电阻对输入滤波电容充电，适当地选择限流电阻可以限制电源开机瞬间的最大浪涌电流。等滤波电容充满电后，继电器动作，使限流电阻短路，电源正常输出功率。

PFC功率变换部分包括BOOST电感、开关管、升压二极管和储能电容，把输入三相交流电变换成稳定的直流电，并对其谐波失真进行校正处理，使得输入的功率因数满足技术要求。PFC输出滤波部分的共模电感和其前后的滤波电容可以抑制电源本身对输出的高频干扰。输出储能电容用于满足输出直流电压的纹波与跌落范围的要求。[3]

DSP控制电路及信号采集处理部分采集电源的内部温度及输入输出电压电流信号进行运算处理，分别对电源输入缺相/过欠压、输出过压、输入/输出过流/短路、功率器件过温等保护功能实行控制。输出故障信号通过LED指示告警。采集电压电流信号对其失真度、幅值、相位进行分析运算处理，输出可控的PWM信号到PFC驱动电路。PWM信号放大后控制PFC功率变换电路，实施升压、谐波补偿、功率因数校正及输出稳压等功能。电源开关信号进入DSP控制电路实施开关机控制，关机时关断PFC输出电压，开机时输出PFC输出电压。

2.1.2 PFC软件设计

PFC采用DSP编程。DSP 采样电流、电压信号进行 SVPWM 算法控制，生成驱动信号。整个系统的工作状况可以划分为几种模式：

(1) 模式1：对整个系统进行检测，接收到开始信号；

(2) 模式2：完成环路计算和坐标变换，完成SVPWM计算；

(3) 运行模式：整个系统处于运行状态，在正常情况下输出驱动信号；

(4) 停止模式：遇到错误或收到停机指令封锁驱动信号，整个系统进入停机状态，继电器断开。

PFC部分DSP软件设计采取“循环+中断”的控制结构。系统主程序首先进行系统初始化，然后对各种功能模块进行配置。当系统检测没有错误后闭合继电器；如检测到系统错误则产生中断，进入中断服务子程序。

主程序主要执行系统控制指令检测和故障检测，但环路计算、区间判断、矢量作用时间计算、分配、PWM 驱动等程序都需要在中断子程序中完成，其中关键的是AD中断子程序。

PWM计时周期就是开关周期45 kHz。PWM的定时中断可以作为每一个环节的计时器，使整个系统可以同步工作。PWM周期起始时刻，PWM模块触发AD转换。经过AD处理后触发一次DSP中断。中断期间对结果进行计算处理后将新占空比赋值给PWM中的影子比较寄存器。在下一个 PWM 周期到来时对比较寄存器重载，获得PWM驱动脉冲信号，并继续触发下一次AD采集，不断地重复上述过程。

2.2 LLC谐振变换器

2.2.1 LLC谐振变换器原理

LLC谐振变换器主电路如图3所示。电感L1、变压器T1和C1A、C1B组成谐振网络，其输入电压为受Q1、Q2控制的方波。MOS 管Q1、Q2 占空比均为50%，Q1和Q2驱动信号之间存在一定死区，防止Q1、Q2直通。通过调整Q1、Q2控制信号的频率，改变输入到谐振网络的方波电压的频率，从而改变谐振网络中各元器件基波分量，稳定输出电压。

2.2.2 LLC谐振变换器软件设计

LLC谐振变换器软件采用DSP编程。主程序完成初始化，然后等待中断。首先是系统控制初始化，主要完成设置锁相环、 看门狗外设时钟。 接着是GPIO口的初始化，主要是设置各个口的功能、初始状态、数据传输方向等。然后是PIE中断扩展的初始化，主要是初始化PIE 控制寄存器，禁止所有CPU中断和PIE中断，清除标志位，初始化PIE向量表。最后是所有外设模块的初始化，主要包括ADC模块和EPWM模块中关键寄存器的设置。

图3 LLC谐振变换器主电路图

根据交错控制的需要发出两路驱动波形，而且要保证这两路驱动波形的频率一致，相位相差90°。电源模块LLC控制采用EPWM1和EPWM2分别给主路和辅路发驱动波形。为实现交错控制，把两个EPWM作同步处理，EPWM1作为主模块，而EPWM2作为辅模块，保持一定相位关系。

在 A/D 中断中，完成软件滤波、软启动、数字运算、过压保护等功能。应用EPWM3启动A/D转换，采样频率为100 kHz。采样值在转换完成后开始A/D中断，执行相应的程序。

2.3 辅助功能设计

2.3.1 监控功能

电源监控的目的是在线监测电源的工作状态，获取电源工作中的电压、电流、温度等信息，以及电源自身的状态、故障信息，并通过CAN通信总线将电源的状态信息上报给上位机，方便使用和维护人员对电源状态进行判断、检修。同时，电源监控单元通过CAN通讯总线接收上位机发出的指令，实现对电源远程控制功能。

2.3.2 保护功能

电源设计了各种保护电路，以确保电源可靠工作以及保护电源负载的用电安全。电源除了具有恒压恒流功能，还具有输入过流、输出过压、过温等保护功能。

(1) 输入过流保护功能

通过电流互感器将输入的电流信号采样后转变成电压信号，如果负载电流超出额定范围造成输入过流，则关断电源输出，起到保护电源的作用。

(2) 输出过压保护功能

输出过压保护的主要目的是保证电源的负载能够正常工作。当电压高于设定值时，关断电源输出，有效保护电源和负载。针对系统保护的可靠性，电源内部设置了软件和硬件两种保护措施。这两种保护措施是相互独立的，一种电路失效都不会影响到另一种保护电路的正常工作。

(3) 过温保护功能

电源采用液冷却方式。在工作过程中，如液冷系统发生故障会造成热量无法及时散发，此时若无过温保护必然会损坏电源。因此，采用温度传感器检测冷板温度。当冷板温度超过保护温度时，电源内部保护电路将电源关机；当冷板温度降至保护温度以下时，保护电路解除过热保护，电源重新开机，进入正常工作状态。

2.3.3 热插拔功能

电源组件多机并联使用中，由于电源组件输出端通常接有较大电容，如果直接进行在线更换，将引起输出母线上电压较大波动，从而影响系统对负载正常供电，同时还会引起连接器插针间产生飞弧。热拔插的实现通常采用隔离的方式，让组件完成启动前其输出端电容与母线隔离开。本电源为高压、小电流输出，采用二极管隔离。当电源插入未完成缓启动时，母线电压高于输出电容电压，此时二极管截止，使输出电容和母线隔离；当组件完成缓启动后，输出电容电压高于母线电压时二极管导通，正常输出电流。

2.3.4 并联功能

为了提高电源供电系统的可靠性，一般会采取多个电源集中并联供电的供电方案。电源组件可组成N台并联系统。当每个机柜中有一台电源出现故障时，其余电源自动增加输出功率，保证能够提供负载所需的功率，不会影响整个系统的正常工作。这样当每个机柜中的电源均正常工作时，每个电源组件的输出功率将平均分配负载功率。由于电源组件是降额使用，提高了电源组件的工作可靠性，系统可靠性相应提高。

为了可靠地实现多路电源组件的并联工作，最重要的是解决各个电源组件的均流问题，以保证各电源组件之间电流应力和热应力均匀分配，防止一部或多部电源工作在电流极限状态。由于并联运行的各个组件特性并不一致，某一组件可能分担更多的电流，甚至过载，从而使某些外特性较差的组件运行于轻载甚至空载，其结果必然是分担电流多的组件热应力大，降低该组件的工作可靠性。

自动均流技术是常用的硬件电流均流技术之一。该方法是通过均流总线和相并联各电源间电流信号的比较获得相应修正量，来调整电源组件的PWM信号宽度，实现各单元电源间电流均匀分配的。

每个电源组件内部都有并联均流控制电路，通过多个电源组件的并联可组成大功率电源系统。电源组件的并联电路分两部分，粗调整由单机硬件实现，精确调整采用DSP 运算均流电路。电源组件间通信采用数字信号进行，对各电源组件电流进行求和平均，再加PID处理，调整各电源组件的电流，保证均流精度。电源组件输出端设计有二极管隔离，并联模块中任何一个模块出现故障其他模块仍能正常工作，提高了电源系统的工作可靠性。

3 电源性能验证及试验结果

根据以上方法，研制了包含6台中压直流电源的电源机柜。该电源机柜为某相控阵雷达供电系统中的一次电源，为雷达天线面阵提供550 V的直流电。电源机柜需提供45 kW的输出功率。因此，采用了6台中压直流电源并联工作的方式，5加1冗余热备份工作，每台中压直流电源输出功率约10 kW(550 V/18 A)。

中压直流电源技术指标如下：输入三相三线380 V、50 Hz，输出550 V、18 A；效率≥92%(40%以上范围)；功率因数≥0.98(满载)；电网调整率≤1%(线网电压变化±10%)；负载调整率≤1%(空载-满载)。

对中压直流电源进行了测试验证，测试数据如表1所示。

表1 单台中压直流电源测试数据

从测试数据可以看出，中压直流电源的各项关键指标都达到了设计目标，均优于指标要求，具备效率高、电网调整率低、负载调整率低、电磁兼容性好的优点。

对6台中压直流电源进行了并联测试，测试数据如表2所示。从并联测试数据可以看出，在50%至满载范围内能将均流误差控制在5%以内，而其他负载条件下可以将均流误差控制在10%以内。

表2 中压直流电源并联测试数据

4 结束语

经过各项试验验证表明，本文提出的基于智能编程技术中压直流电源具备效率高、电网调整率低、负载调整率低、稳压精度高、电磁兼容性好等特点，能够满足预定的设计目标要求。下一步研究方向为电源组件的组合分配控制网络设计，从而进一步提升大功率相控阵雷达供电系统的任务可靠性。