唐思文，曾超，李印龍，楊喜軍

（上海交通大學電氣工程系，上海 200240）

一種分布控制系統(tǒng)24 V直流電源的實現(xiàn)

唐思文，曾超，李印龍，楊喜軍

（上海交通大學電氣工程系，上海 200240）

在分析分散控制系統(tǒng)（DCS）供電電源需求的基礎上，給出了一種實現(xiàn)方案。采用FAN4803的PFC功能和PWM功能，實現(xiàn)一種帶功率因數(shù)校正的單相AC－DC變換器，輸出直流電壓385 V，并獲得12 V工作和驅動電源。采用UC3844實現(xiàn)一種385 V～24 V的單端正激DC－DC變換器，最終連續(xù)負載能力為500W。采用均載控制芯片UC3907實現(xiàn)2路N＋1冗余設計，連續(xù)負載能力為500W，總負荷能力可達750W以上。

分布控制系統(tǒng)；AC－DC變換器；DC－DC變換器；功率因數(shù)校正；單端正激；均載控制；冗余設計

0 引 言

隨著信息技術的發(fā)展，分散控制系統(tǒng)DCS的應用也越來越廣泛，工業(yè)現(xiàn)場采用了大量的智能儀表。因此對直流電源提出了更高的性能需求，如功率等級、效率、EMC水平［1］、電壓品質等，而且隨著DCS系統(tǒng)日益龐大，對直流電源的功率等級要求也越來越高。小功率的直流電源（如150W）已顯得力不從心。

24 V大功率直流電源基本為國外壟斷，為了提高DCS系統(tǒng)的集成性、配置的靈活性和性價比，開發(fā)具有自主知識產權、與DCS系統(tǒng)配套的24 V大功率直流電源非常必要，迫切需要開發(fā)功率超過500W以上的新型開關電源［2－3］。而現(xiàn)有DCS直流電源大都不能滿足上述要求。為了提高輸出功率等級和供電可靠性，24 V大功率直流電源需要采用輸出并聯(lián)運行均載技術和冗余技術。

基于以上分析，本文設計和實現(xiàn)一種額定輸出功率500W的220 VAC－24VDC變換器。其中前級為帶有APFC的AC－DC變換器、后級為單端正激的DC－DC變換器，并采取輸出端并聯(lián)冗余操作，獲得額定輸出500W的可靠供電能力。

1 電路拓撲與工作原理

1．1 電路拓撲

單級DCS直流電源的功率電路包括前后兩級，其中前級AC－DC變換器拓撲如圖1所示，后級DC－DC變換器拓撲如圖2所示，＋12 V風機驅動和芯片工作用電源結構如圖3所示，均流電路結構如圖4所示。

圖1 前級AC－DC變換器結構

1．2 工作原理

1．2．1 AC－DC變換器

圖1所示為采用FAN4803CP－X［4］的單相APFC典型電路［5］20。二極管D1～D4構成不控整流橋，電感L1、反向快恢復二極管FRD1、逆導型開關RCS1構成升壓環(huán)節(jié)，E1為儲能電解電容，C1為交流濾波電容。電阻R1與R2形成分壓電路，用于檢測網側電壓。R4與R5形成分壓電路，用于檢測中間直流電壓。R3為反映電感L1電流的分流電阻。

圖2 后級DC－DC變換器結構

圖3 ＋12 V開關電源結構

圖4 均流電路結構

FAN4803為內部同步PFC和PWM的8引腳芯片，擁有單引腳電壓誤差放大器專利技術，其PFC部分采用峰值或平均值、連續(xù)升壓、前沿調制模式，固定開關頻率為67 kHz，PFC控制內部結構如圖5所示，其典型應用線路參見文獻4。

1．2．2 DC－DC變換器

圖5 FAN4803內部結構

圖2所示為初級雙端正激、次級為兩級并聯(lián)全波整流的DC－DC典型電路［5］72。初級雙端正激可以解決正激變換器的磁路復位問題。具有兩只功率MOSFET，關斷時每只MOSFET僅承受一倍直流輸入電壓，不出現(xiàn)漏感尖峰，沒有漏感能量消耗。若保證復位時間等于導通時間，則磁芯總能復位。其原因是，功率器件關斷時，Np上的反向電壓與導通時的正向電壓相等。因此，若最大導通時間不超過半周期的80%，使下半周期開始前有20%的余量，則磁芯總能可靠復位。

控制電路中，UC3844［6］配置TPS2812［7］，這時需要一路隔離的＋12 V驅動電源，另一路驅動采用脈沖變壓器電路，如圖6所示。

圖6 脈沖變壓器驅動電路

1．2．3 ＋12 V開關電源電路

圖3給出了基于FAN4803的＋12 V反激開關電源結構，F(xiàn)AN4803－1的PWM開關頻率為67 kHz，F(xiàn)AN4803－2的PWM開關頻率為134 kHz，PWM控制內部結構如圖5所示，其典型應用線路參見文獻4。圖1和圖2所示電路順次連接，即構成單級AC－DC變換器，輸入單相交流220 V，輸出直流電源＋24V，輸出功率500W。圖3所示電路為其提供驅動電源和工作電源，并提供直流散熱風扇電源。

1．2．4 均流電路

本文采用的是并聯(lián)均流的N＋1備份電源冗余方式，指電源由多個相同單元組成，各單元通過或門二極管并聯(lián)在一起，由各單元同時向設備供電。這種方案在1個電源故障時不會影響負載供電，但負載端短路時容易波及所有單元。

功率MOSFET代替二極管實現(xiàn)冗余，導通內阻可以到幾MΩ，不僅實現(xiàn)了效率更高的解決方案，而且由于無需散熱器，節(jié)省大量電路板面積，也減少了設備的散熱源。

圖4給出了采用UC3907［8］的均流電路，采用并聯(lián)均流的N＋1備份方式，額定輸出功率500W，可以輸出功率750W以上。

UC3907具有基本總線結構，可以實現(xiàn)控制輸出電壓和負載均流。輸出電壓由完全差分高阻抗電壓放大器檢測，每級電源電流由高精度差分電流放大器檢測，具有光耦驅動能力，共用總線線路阻抗較低，噪聲靈敏度較低。UC3907內部結構如圖7所示，兩級直流電源并聯(lián)均流示意圖如圖8所示，其均載反饋環(huán)路示意圖如圖9所示，與UC3844接口電路如圖10所示。

圖7 UC3907內部結構

圖8 兩級直流電源并聯(lián)均流

2 設計與實現(xiàn)

2．1 電路設計

設計目的：實現(xiàn)AC－DC變換器。輸入單相網側電壓220 V，輸出電壓＋24 V，連續(xù)負載能力為500W，完成2路N＋1冗余設計。

2．1．1 AC－DC變換器的功率電路

選擇單相二極管整流橋KRJ2508，25 A／100℃／800V；采用鐵氧體EE40型PFC電感，在25 kH、85℃和額定電流下感值約為350μH；濾波電容取值為470μF；N溝道功率MOSFET采用FCA76N60N：48．1 A／100℃／600 V；反向快恢復二極管采用30EPH06：28 ns，30 A／116℃／600 V；采用兩級共模扼流圈配置Y電容方案，實現(xiàn)EMI濾波。

圖9 UC3907均載反饋環(huán)路

圖10 UC3907與UC3844接口電路

2．1．2 DC－DC變換器的功率電路

雙端正激逆變部分：采用功率MOSFET FCA76N60N、反向快恢復二極管30EPH06、鐵氧體EE40型高頻降壓變壓器。

雙端正激整流部分：4只雙共陰極二極管S20LC20U，20 A／200 VDC；4只電解電容，1 200 uF／35 V；一只隔離光耦：PC817。

2．1．3 并聯(lián)均流電路

兩只均流芯片：UC3907；兩只隔離光耦：PC817。整個ACDC變換器由兩個單級AC－DC變換器組成，輸入共同的交流電源，輸出端通過UC3907均流電路連接。

2．1．4 散熱部分

所有發(fā)熱的功率開關均安裝在鋁散熱器上，鋁散熱器接外殼，外殼連接保護地。整個裝置采用直流風扇強制散熱。風機型號為FD126025，0．24 A／12 V；風機電源用三端穩(wěn)壓器，型號為L7812。

2．2 實驗結果

在輸入網側電壓（20%范圍內，對所設計的AC－DC變換器進行了調試和測試，實現(xiàn)了其基本功能。下面給出一組供電電壓230 V時的實測波形，所測得網側電流能夠滿足諧波電流限制標準［9］，輸出直流電壓精度較高。輕載下中間直流電壓平均值為380 V，紋波峰峰值較低。較重負載下中間直流電壓平均值有所下降，紋波峰峰值有所增加。整個負載范圍內兩路AC－DC變換器輸出均流效果良好。

圖11 輕載下網側電壓和網側電流的實測波形

圖11給出了較輕負載下網側電壓和網側電流的波形，電流總有效值為0．40 A?？梢娸p載下波形校正效果較差，差模電容引起的容性位移相對較大。

圖12給出了中等負載下網側電壓和網側電流的波形，電流總有效值為1．15 A。可見中等負載下波形校正效果轉好。

圖13給出了該條件下網側電流和直流輸出電壓波形，電流總有效值為1．90 A。

圖14給出了較重負載下的波形，電流總有效值為2．75 A?？梢娸^重負載下波形校正效果也較好。

圖12 中等負載下網側電壓和網側電流的實測波形

表1 24V直流電源實測數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)

圖13 中等負載下網側電流和直流電壓的實測波形

圖14 較重負載下網側電壓和網側電流的實測波形

表1給出了一組實測數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)，從中可以看出實現(xiàn)AC－DC變換器具有較好的性能指標。

3 結束語

提出了一種額定輸出功率500W的220 VAC－24 VDC變換器實現(xiàn)方案，采用FAN4803、UC3844和UC3907實現(xiàn)直流電源的AC－DC、DC－DC和并聯(lián)均流功能。實驗結果驗證了在中等負載和較重負載的情況下，該變換器具有良好的性能指標和校正波形。

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Im plementation of a 24 V DC Power Supply for Distributed Control System s

TANG Si-wen1，ZENG Chao1，LIYin-long1，YANG Xi-jun1
（Department of Electrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China）

On the basis of an analysis of the power supply demand of the distributed control system（DCS），this paper presents an implementation scheme．FAN4803 PFC／PWM functions are utilized to realize a single-phase AC-DC converter with power factor correction，with 385 V DC voltage aswell as12 V working and driving power supply．UC3844 is used to achieve a single-end forward 385 V-24 V DC-DC converterwith 500W final continuous load．UC3907 load-sharing control chip is utilized to accomplish 2－way N＋1 redundancy design，with a continuous load capacity of 500W and total load capacity over 750W．

distributed control system；AC-DC converter；DC-DC converter；power factor correction；single-end forward conversion；load balancing control；redundancy design

10．3969／j·issn．1000－3886．2014．04．007

TN86

A

1000－3886（2014）04－0019－04

唐思文（1990－），女，上海人，上海交通大學電氣工程系碩士研究生，專業(yè)為電力電子與電力傳動，目前研究方向為單相功率因數(shù)校正技術。

定稿日期：2013－08－22

本論文得到國家自然科學基金（60934005）和2011年閔行區(qū)技術創(chuàng)新項目－企校合作專項（2011MH101）支持