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：

　　其中，Vi min为交流输入最小电压（V），取176 V；Dmax为控制最大占空比(%)，取40%；V0 max为输出最大直流电压(V)，取140 V。主变压器的副边电路可采用图3所示的BUCK降压电路。

　　开关电源的主开关频率为20 kHz，变压器次级输出直流电压150 V，整流后电压频率为40 kHz，次级等效电路为BUCK电路，输出滤波电感为200 μH，输出滤波电容为4 500 μF，等效电阻为15 mΩ，负载电阻为2 Ω，输出电压为40 V，PWM振荡斜坡电压1.32 V～3.72 V，电压变化范围可计为2.5 V，即调制器峰峰值VOSC为2.5 V。

　　功率级部分传递函数为：

　　电源系统的Bode图和阶跃响应如图4所示。当前系统的超调较大σ=76%，调节时间较长，根据奈奎斯特采样定理，要使系统保持稳定，需fc<<1/2开关频率，否则会有很大的开关纹波。且系统的零点fz和极点fP要保持适当的距离。fz和fP相距越远，系统相位裕量越大，低频增益越少，低频纹波衰减越大，同时高频增益增加，通过的高频窄噪声幅值增大。根据奈奎斯特稳定性判据，系统稳定时，系统的开环增益在穿越频率附近的增益斜率最好为-1（-20 dB/10倍频程）。-1增益斜率的相位曲线相位延迟较小且变化较缓，在系统某些环节的相位变化被忽略的情况下，也可保证系统的相位曲线具有足够的相位裕量，使系统保持稳定。故需在控制电路加入电压环补偿器。

2 控制环路设计

　　控制环路是整个开关电源的核心，其设计是否合理与开关电源的可靠性密切相关。

　2.1 PWM产生电路

　　SG2525系列的PWM集成电路满足现开关电源所要求的性能日益改进和外部零件数降低。因此，开关电源PWM控制电路采用SG2525作为核心芯片。SG2525输出两路相位相差180°的驱动信号，防止上下IGBT管的直通。SG2525的原理框图如图5所示。

　　SG2525在CT和放电终端间加入电阻以提供广泛的死区调整时间。内置只有一个外部定时电容的软启动电路。通过脉冲PWM波下降沿提供瞬时关闭及在长时间下降沿时启动软启动功能。在欠压状态下，这些功能也可发挥作用来减少软启动电容和输出损耗。

　　2.2 电压环路设计

　　电压环路选择如图6所示的补偿电路，选择补偿器的零点为f1=159 Hz，极点为f2=13.27 kHz，电压环路的传递函数为：

　　零点为：

　　加电压补偿环路校正后系统的开环Bode图和阶跃响应如图7。

　　由图7与图4知，加电压补偿网络后，新增的高频极点可削弱系统的高频增益，降低高频开关噪声；低频极点可维持低频有效增益来减少输出平均电压的稳态误差[8]。且系统的开环增益在穿越频率附近的增益斜率为-1，符合奈奎斯特稳定性判据，系统更加稳定。系统的超调减小，调节时间变短。

　　2.3 保护电路

　　正确恰当的保护电路是保证电源正常工作的必要条件。在开关电源的输入端，对输入的交流电过欠压保护使电源模块不因电网异常而损坏。当输入交流电压低于160 V时，对电源进行欠压保护，模块停止工作；当电压恢复到正常电压范围后，模块重新开始工作。同理，当输入交流电压高于290 V时，对电源进行过压保护。在开关电源的输出端，设计有输出过流保护、过压保护、限流保护、短路保护和过温保护来保证模块的正常工作。

3 实验研究

　　采用上述方案设计的大功率智能开关电源具有体积小、重量轻、电压连续可调、输出纹波小、效率高等优点，在调试过程中工作稳定。

　　图8为不同负载时变压器原边的电压、电流值，CH1表示电压值，CH3表示电流值，电流探头5 A/V，电压探头50 V/V。由图(a)、(b)可以看出，当负载发生变化时，变压器电压工作可靠，没有明显的振荡，变压器电流值会随之变化。

　　由图9和图10可得，在100 V、20 A时阶跃响应的上升时间为94 ms，上升时间较快且无很大的超调。并且空载时输出纹波的峰峰值为60 mV，输出纹波较小，系统比较稳定。

4 结论

　　采用全桥拓扑、全波整流主电路，运用SG2525 PWM 控制芯片与IGBT模块设计的大功率智能开关电源应用于望远镜轴系驱动电源系统可有效减少电源体积，提高电源效率。并可提供稳定的直流电压，且电压连续可调，调节范围宽，可满足不同规格的望远镜轴系驱动电源的要求。同时，输出纹波小，保证了望远镜轴系驱动功率电源的稳定度。各种保护措施的正确设计提高了整机的可靠性，减少了对电网的干扰。

　参考文献

　　[1] 王国民.天文光学望远镜轴系驱动方式发展概述[J].天文学进展，2007，25(4)：2-4.

　　[2] 李洪文.经纬仪伺服系统功率开关电源及控制系统设计[J].计算机测量与控制，2006(14)：2-4.

　　[3] 孙祥.大功率高电压开关电源的设计[D].南京：南京理工大学，2013.

　　[4] 蔡宣三，倪本来.开关电源设计与制作基础[M].北京：电子工业出版社，2012.

　　[5] 胡科堂.高电压大功率开关电源拓扑电路的设计与研究[D].北京：北京工业大学，2013.

　　[6] BILLINGS K，张占松.开关电源手册[M].第三版.北京：人民邮电出版社，2014.

　　[7] PRESSMAN A I，王志强.开关电源设计[M].第三版.北京：电子工业出版社，2010.

　　[8] ANG S，徐德鸿.开关功率变换器—开关电源的原理、仿真和设计[M].第三版.北京：机械工业出版社，2014.