直流稳压电源的设计

  随着电力电子技术的迅速发展，直流电源应用十分普遍，其好坏直接影响着电气设备或控制管理系统的工作性能，目前，市场上各种直流电源的基本环节大致相同，都包括交流电源、交流变压器(有时能不用)、整流电路、滤波稳压电路等。本文以三相交流电源供电的直流电源设计为例，介绍直流电源设计中一些问题的解决的方法。并就在实际应用中，多个直流稳压电源串联使用问题做了阐述。

  三相整流变压器的设计包括：一、二次绕组的联结方式，二次侧电压的计算，一、二次侧电流的计算，容量的计算与确定，结构及形式的选择等环节。其中一、二次绕组的联结方式及二次侧电压的确定是我们重点分析的内容。本文以某一步进电机驱动器的3个直流电源设计为例进行详细介绍，原理图如图1。

  二次电压不仅与负载电压(即要设计的直流稳压电源电压)和整流电路有关，而且与稳压器件有关。对于要求高的选桥式整流电路，用电容滤波稳压和稳压器稳压，对于要求低的则可以不稳压或用电容稳压。如在图1中，+7V低压驱动，主要是用来锁相，其电流小、电压低，电压波动对驱动电源的工作状态影响不大，不用稳压；+110V用以高压驱动，断续式供电且频率很高，大的电流和电流变化率会产生很高过电压，因此要用电解电容稳压，电阻限流；+12V用于计算机和集成电路的电源，电流小、电压低，但要求电压稳定、纹波系数小，因此用电容和三端稳压器两级稳压。对于不同的稳压手段，二次电压有不一样的确定方法，理论上这3个电压的计算式相同，即U2=Ud／2．34或UL＝Ud／1．35，计算的3个二次电压分别为：5.2V、81.5V和8.9V，但这样计算的结果在实际中不和适，因此，有些量必须用工程估算式来确定，如三相不可逆整流系统一般用公式UL=(0.9～1.0)·Ud估算，如果直流侧用电解电容滤波时、输出平均值会升高，一般用公式UL=Ud/2½估算；如果直流侧用电容和三端稳压器稳压，为了扩大稳压范围，Ud一般应升高3～6V，再用公式UL＝(0.9～1.0)·Ud估算。这样确定的3个二次电压分别为：UL7=0.9×7=6.3V，UL110=110/2½=78V,UL12=16×0.9=14.4V。

  二次电流要根据负载电流的大小和整流电路来定，在图1中采用三相桥式整流电路，用式I2＝(2/3)½Id求出3个二次电流有效值分别为：3.26A、6.5A、1.63A，就得到3个二次电压和电流。根据变压器一、二次功率近似相等原则，可求得一次电流I1＝1.45A，变压器的容量为S=953VA，按1.5kVA选变压器型号。

  三相交压器绕组能够准确的通过需要接成星形或Δ形。三相整流电路通常用于大功率(即负载功率在4kW以上)整流，变压器通常接成Y／Δ、Δ／Y 2种。Δ／Y接法可使电源线个阶梯，更接近正弦波，谐波影响小，可控整流电路用得比较多；Y／Δ接法能够给大家提供单相交流电源，减小二次绕组电流，通常用于大功率二极管整流电路；对于小功率三相变压器有时也接成Y／Y型，虽然这种接法会给电网引入谐波．但毕竟其功率小，影响也较小。总之，选的时候既要考虑对电网的影响，又要尽量减小绕组电流，降低绕组绝缘等级。在图1中，7V和12V电流比较小，电压低，选星形接法；110V电流大，电压不是太高，选Δ形接法，可大幅度的降低绕组中电流，减小绕组线径，延长常规使用的寿命；一次绕组的线V)，但变压器容量只有2kW，一次电流为1.45A，所以选星形接法，可降低绕组的电压和绕组的绝缘等。

  三相整流电路通常有三相半波整流电路和三相桥式整流电路，由于三相桥式整流电路输出平均电压高，电压脉动小，品质因数高，因此多使用桥式整流电路。桥臂上二极管型号的选择主要是由它的额定电压和额定电流决定，额定电流和电压则由负载平均电流和电压决定，其计算式为：ID＝（1／3）½·Id，ID(AV)= ID ／1.57，UDn＝(1～2) 2½·U2，由ID(AV)和UDn查二极管手册就可确定整流管的型号。

  整流滤波电路通常有电容、电感和RC等滤波电路。电感滤波是利用电感对脉动电流产生反电动势，阻碍电流变化来实现的，电感越大，滤波效果越好。它通常用于负载电流大、对滤波要求不高的场台。RC滤波电路是电阻和电容连接使用的滤波电路，由于电阻会降低一部分直流电压，直流输出电压会减小，因此只适用于小电流电路。电容滤波是利用电容的充放电作用使整流输出电压变得平稳，而且电压幅值升高，滤波效果好，适于各种整流电路。滤波电容的选择主要是种类和容量、耐压值的确定。常用的整流滤波电容有铝电解、钽电解、涤纶、独石电容等。铝电解电容漏电流大，耐压和工作时候的温度(最高+70℃)较低，但容量大；钽电解电容漏电流小，耐压和工作时候的温度比铝电解电容都高，通常用于要求比较高的地方；涤纶电容绝缘电阻大，损耗小，工作时候的温度(最高+55℃)低，容量小，但耐压高；独石电容体积可以做得很小，耐压也可以做得很高，化学性能和热性能较为稳定，但容量小。一般当整流输出电流大时，必须用电解电容滤波稳压；输出电流小时，用一般电容或电解电容滤波都可以，如果对直流输出电压有纹波系数要求或者为避免高频噪音，用电解电容和小容量无极性电容并联使用效果较好：小容量电容可滤掉脉动直流中的高次谐波，电解电容滤掉大幅值的低频成分，稳压范围宽、效果好。整流滤波电路对电容器的容量和耐压值要求不是太高，一般根据输出电流的大小估算电容器的容量，输出电流大，容量就大；电流小，容量就小。但是，容量太大会降低输出电压值，太小则会导致电压脉动大、不稳定。容量确定可参考表1，耐压值一般取所接电路工作电压的1.5～2倍。

  稳压电路有分立元件稳压电路和集成稳压电路2种，其中集成稳压电路大多数都用在低电压小电流的整流电路，具有体积小，电路简单，稳压精度高，使用调试方便等特点。选择时首先要确定系列，是正电源还是负电源，是可调的还是固定的，其次是根据它的额定电压和额定电流选择具体型号；同时，稳压器在接入整流电路时要适当加一些保护元件，如在I／O端接二极管可防止输入端短路，在输入端和地之间接一小电容，可限制输入电压幅值等。

  直流电源的设计理论上最简单，但在具体的工程设计中还要进一步分析、研究、实践和总结。