文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.035
中文引用格式： 李雪艷，李洪文，劉洋，等. 望遠鏡用大功率智能開關電源控制系統設計[J].電子技術應用，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
望遠鏡是綜合光學、精密機械和精密控制的最新成果，高性能望遠鏡除了有好的光學系統，還要有穩定的、高精度的軸系驅動電源[1]。望遠鏡軸系驅動功率電源先后經歷了相控電源、線性電源和開關電源。相比于相控電源和線性電源，開關電源具有如下優勢：功率轉換效率高，可達90%以上；變壓器工作在高頻狀態，體積和重量遠小于工頻變壓器，整機的功率密度大幅度提高；穩壓范圍寬，對電網電壓具有很強的適應性；輸出濾波電容、電感小，因而體積小，重量輕，動態響應快[2]，逐步成為電源系統的主流。隨著開關電源電路拓撲、控制理論的逐漸成熟，以及在功率開關器件、大功率磁性元件、高耐壓絕緣材料等方面的快速發展，開關電源開始逐步應用在大功率、高電壓電源領域并取得了迅速發展[3]。
隨著科技的發展，望遠鏡軸系驅動功率電源越來越向著高頻化、智能化、集成化方向發展[4]。因此，將大功率智能開關電源應用于望遠鏡軸系驅動領域具有非常重要的意義。本文是根據望遠鏡主軸系驅動用功率電源的應用特點，設計了一種大功率智能開關電源，輸出電壓直流40 V～140 V連續可調，輸出最大電流為60 A，并采用智能接口將開關電源與上位機相連，通過上位機對開關電源進行控制。開關電源輸入具有過欠壓保護，輸出具有過壓保護、過流保護、欠壓保護、過溫保護等特點進一步增加了電源的可靠性。
1 電源主電路介紹
開關電源是基于硬件的產品，開關電源的硬件設計是設計過程中最重要的部分。開關電源的功能框圖如圖1所示。
電源采用單相輸入，為適應大功率電源的高頻特性，主電路拓撲結構采用通態阻抗小的大功率IGBT組成全橋逆變電路。PWM控制芯片采用SG2525。開關電源電路圖如圖2所示。
1.1 輸入部分介紹
開關電源的輸入電壓為單相輸入交流220 V，輸入濾波電容具有濾波、保持輸出電壓及抑制噪聲等多重作用。應用時一般按照輸入電能功率每10 kVA選1 000 μF[5]。因電容具有儲能作用，電源停止工作后，需將電容能量泄放。因此，在電容兩端并聯放電電阻。
上電伊始，單相交流電輸入至整流橋，經其整流后輸入濾波電容。由于此時濾波電容兩端電壓為零，其等效阻抗很小，易形成很大的浪涌電流，導致整流橋器件損壞或濾波電容使用壽命降低，因此在輸入端設計軟啟動電路[6]，如圖2的K1和RV1。
1.2 功率級介紹
拓撲電路采用適合大功率開關電源的全橋結構[7]。由于本電源輸出功率較大，為降低通態損耗、提高電源整機效率，主功率開關器件選擇通態阻抗小的大功率IGBT。同時還有輸出短路、過流、過溫及過欠壓保護功能，大大提高了開關電源工作的可靠性。
高頻變壓器是開關電源最重要的元件，起著原副邊電壓隔離和能量轉換的作用。開關電源的輸出電壓為直流40 V～140 V，變壓器采用如圖2所示的中間抽頭型變壓器。變壓器的匝數比為：
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其中，Vi min為交流輸入最小電壓（V），取176 V；Dmax為控制最大占空比(%)，取40%；V0 max為輸出最大直流電壓(V)，取140 V。主變壓器的副邊電路可采用圖3所示的BUCK降壓電路。
開關電源的主開關頻率為20 kHz，變壓器次級輸出直流電壓150 V，整流后電壓頻率為40 kHz，次級等效電路為BUCK電路，輸出濾波電感為200 μH，輸出濾波電容為4 500 μF，等效電阻為15 mΩ，負載電阻為2 Ω，輸出電壓為40 V，PWM振蕩斜坡電壓1.32 V～3.72 V，電壓變化范圍可計為2.5 V，即調制器峰峰值VOSC為2.5 V。
功率級部分傳遞函數為：
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電源系統的Bode圖和階躍響應如圖4所示。當前系統的超調較大σ=76%，調節時間較長，根據奈奎斯特采樣定理，要使系統保持穩定，需fc<<1/2開關頻率，否則會有很大的開關紋波。且系統的零點fz和極點fP要保持適當的距離。fz和fP相距越遠，系統相位裕量越大，低頻增益越少，低頻紋波衰減越大，同時高頻增益增加，通過的高頻窄噪聲幅值增大。根據奈奎斯特穩定性判據，系統穩定時，系統的開環增益在穿越頻率附近的增益斜率最好為-1（-20 dB/10倍頻程）。-1增益斜率的相位曲線相位延遲較小且變化較緩，在系統某些環節的相位變化被忽略的情況下，也可保證系統的相位曲線具有足夠的相位裕量，使系統保持穩定。故需在控制電路加入電壓環補償器。
2 控制環路設計
控制環路是整個開關電源的核心，其設計是否合理與開關電源的可靠性密切相關。
2.1 PWM產生電路
SG2525系列的PWM集成電路滿足現開關電源所要求的性能日益改進和外部零件數降低。因此，開關電源PWM控制電路采用SG2525作為核心芯片。SG2525輸出兩路相位相差180°的驅動信號，防止上下IGBT管的直通。SG2525的原理框圖如圖5所示。
SG2525在CT和放電終端間加入電阻以提供廣泛的死區調整時間。內置只有一個外部定時電容的軟啟動電路。通過脈沖PWM波下降沿提供瞬時關閉及在長時間下降沿時啟動軟啟動功能。在欠壓狀態下，這些功能也可發揮作用來減少軟啟動電容和輸出損耗。
2.2 電壓環路設計
電壓環路選擇如圖6所示的補償電路，選擇補償器的零點為f1=159 Hz，極點為f2=13.27 kHz，電壓環路的傳遞函數為：
零點為：
加電壓補償環路校正后系統的開環Bode圖和階躍響應如圖7。
由圖7與圖4知，加電壓補償網絡后，新增的高頻極點可削弱系統的高頻增益，降低高頻開關噪聲；低頻極點可維持低頻有效增益來減少輸出平均電壓的穩態誤差[8]。且系統的開環增益在穿越頻率附近的增益斜率為-1，符合奈奎斯特穩定性判據，系統更加穩定。系統的超調減小，調節時間變短。
2.3 保護電路
正確恰當的保護電路是保證電源正常工作的必要條件。在開關電源的輸入端，對輸入的交流電過欠壓保護使電源模塊不因電網異常而損壞。當輸入交流電壓低于160 V時，對電源進行欠壓保護，模塊停止工作；當電壓恢復到正常電壓范圍后，模塊重新開始工作。同理，當輸入交流電壓高于290 V時，對電源進行過壓保護。在開關電源的輸出端，設計有輸出過流保護、過壓保護、限流保護、短路保護和過溫保護來保證模塊的正常工作。
3 實驗研究
采用上述方案設計的大功率智能開關電源具有體積小、重量輕、電壓連續可調、輸出紋波小、效率高等優點，在調試過程中工作穩定。
圖8為不同負載時變壓器原邊的電壓、電流值，CH1表示電壓值，CH3表示電流值，電流探頭5 A/V，電壓探頭50 V/V。由圖(a)、(b)可以看出，當負載發生變化時，變壓器電壓工作可靠，沒有明顯的振蕩，變壓器電流值會隨之變化。
由圖9和圖10可得，在100 V、20 A時階躍響應的上升時間為94 ms，上升時間較快且無很大的超調。并且空載時輸出紋波的峰峰值為60 mV，輸出紋波較小，系統比較穩定。
4 結論
采用全橋拓撲、全波整流主電路，運用SG2525 PWM 控制芯片與IGBT模塊設計的大功率智能開關電源應用于望遠鏡軸系驅動電源系統可有效減少電源體積，提高電源效率。并可提供穩定的直流電壓，且電壓連續可調，調節范圍寬，可滿足不同規格的望遠鏡軸系驅動電源的要求。同時，輸出紋波小，保證了望遠鏡軸系驅動功率電源的穩定度。各種保護措施的正確設計提高了整機的可靠性，減少了對電網的干擾。
參考文獻
[1] 王國民.天文光學望遠鏡軸系驅動方式發展概述[J].天文學進展，2007，25(4)：2-4.
[2] 李洪文.經緯儀伺服系統功率開關電源及控制系統設計[J].計算機測量與控制，2006(14)：2-4.
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