中压电源机柜技术方案20160302资料

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1、中压电源机柜中压电源机柜技术方案技术方案佛山市爱威斯电源有限公司佛山市爱威斯电源有限公司20162016 年年 0303 月月佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案目目 录录1 范围.32 设计依据.33 术语和定义.34 概述.44.1用途和功能.44.2设计依据.45 技术要求.45.1电性能指标.45.2功能技术要求.55.3“六性”技术要求.65.4物理特性及制造技术要求.86 电源技术方案设计分析.106.1功能需求特点.106.2设计方案选择.106.3原理框图.126.4工作原理.136.5电源的监控设计.177 结构和冷却设计.197.1结构及散热设计.197.2热设计

2、仿真.208 电磁兼容性设计.219 六性分析.229.1可靠性设计.229.2测试性设计.239.3环境适应性设计.239.4维修性设计.249.5安全性设计.249.6保障性设计.2510 重要元器件质量、供货情况.2511 标准化设计.2511.1贯切的主要标准.2511.2“三化”设计.2612 元器件选用分析.2612.1元器件选用原则.2612.2元器件使用.2613 试验、验收.2813.1 环境试验项目.2813.2 交付验收项目.2914 产品交付后的质量保证.2915 结论.292佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案1 1 范围范围本文件为中压电源机柜的组成、性能

3、指标、设计制造中的关键技术及解决途径等的技术实施方案。本文件适用于中压电源机柜。2 2 设计依据设计依据下列文件中的有关条款通过引用而成为本文件的条款。凡注日期或版次的引用文件，其后的任何修改单（不包括勘误的内容）或修订版本都不适用于本文件，但提倡使用本文件的各方探讨其使用最新版本的可能性。凡不注日期或版次的引用文件，其最新版本适用于本文件。1 相关标准：GJB/Z 299C-2006电子设备可靠性预计手册GJB4.8-1983军用设备环境试验方法 颠震试验GJB150.18-1986 军用设备环境试验方法 冲击试验GJB150.3A-2009 军用装备实验室环境试验方法 第 3 部分：高温试

4、验GJB150.4A-2009 军用装备实验室环境试验方法 第 4 部分：低温试验GJB150.9A-2009 军用装备实验室环境试验方法 第 9 部分：湿热试验GJB150.16A-2009 军用装备实验室环境试验方法 第 16 部分：振动试验GJB151B-2013军用设备和分系统 电磁发射和敏感度要求与测量2 本产品在研制过程中应贯彻执行本公司有关的企业标准：软件设计规范；硬件设计规范；印制电路板设计规范。3 3 术语和定义术语和定义LLC Convertor：谐振变换器PFC(Power Factor Correction)：功率因数校正ZVS(Zero-Voltage-Switchi

5、ng)：零电压开关ZCS(Zero-Current-Switching)：零电流开关3佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案PWM(Pulse-Width Modulation)：脉宽调制PFM(Pulse Frequency Modulation)：脉冲频率调制EMI(Electromagnetic Interference)：电磁干扰BIT(Built In Test)：内部测试MOSFET：金属氧化物半导体场效应管DSP（Digital Signal Processor）:数字信号处理器4 4 概述概述4.1 用途和功能中压电源机柜主要功能是将三相 380V/50Hz 交流电变为

6、 500V 直流电，输出功率 135kW。4.2 设计依据中压电源机柜的设计依据参见第 2 章中的引用文件。5 5 技术要求技术要求5.1 电性能指标5.1.1 输入输出性能指标a)输入交流电压：380V10%/50Hz5%，三相三线制；220V10%/50Hz5%，单相（功率小于 200W）；b)输出电压：额定电压+500VDC；可调范围+460VDC+580VDC；c)额定输出功率：135kW；d)负载特性：容性负载，电容量 10000uF；5.1.2动态性能指标a)开机浪涌电流：开机浪涌电流不大于 300A；b)电压调整率：不大于1%（满载，线网电压变化不大于10%）；c)负载调整率：不

7、大于1%（空载-满载）；d)输出电压稳定性：输出电压随温度变化不大于 5V（-10+50范围内）；e)输出纹波噪声峰-峰值：不大于 4V（满载时）；4佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案5.1.3效率及功率因数指标a)效率应不小于 93%（40%以上负载范围）；b)功率因数不小于 0.98（满载）；c)交流输入电流总谐波失真度不大于 8%（满载）。5.2 功能技术要求5.2.1 并联功能中压电源由多台有源 PFC 开关电源组件并联合成输出，电源组件并联冗余工作，冗余度不小于 20（按可损坏电源组件的个数计算）。采用自主均流法，在 80100%负载条件下，均流精度优于 2%，在 108

8、0%负载条件下，均流精度优于 5%。5.2.2 输出数字显示中压电源具有总的输出电压和电流指示，输出电源显示精度2V（450600V 范围内），电流显示精度2A（10100%负载）。5.2.3本遥控开关机及供电开关a)机柜具备切断机柜内 220V 和 380V 总供电的功能；b)中压电源具有本遥控开关机功能，机柜内安装本控开关按钮和本遥控切换按钮，两种按钮均为自锁式、具有保护盖，能防误动作；c)中压电源的遥控命令通过网络发送控制；d)电源组件面板上安装开关机按钮（自锁式，具有保护盖，能防误动作），能实现组件本控开关机。5.2.4指示及保护功能a)中压电源具有本地和远程开机显示功能：中压电源正常

9、开机后，机柜上的开机指示灯亮，同时通过网络发送“已开机”信号；b)中压电源具有总输出电流过流、输出过欠压等故障指示及保护功能；c)电源组件具有输入断相、输入过欠压、输出过欠压、输出过流和过热等故障指示及保护功能；d)中压电源和电源组件的故障信息及输出信息通过千兆网与上位机通信。5.2.5在线更换功能：多台电源组件并联使用时，电源组件具备在线更换的功能：5佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案a)断开其中任何一台电源组件的三相 380V 输入，可以将电源组件从输入供电插座中拔出；b)将拔出的电源组件重新插入相应的输入供电插座，提供三相380V 输入，电源组件能够正常并联工作。备注：当任何

10、一台电源组件的主回路部分（主回路开关管、输出整流桥等）发生短路故障时，不能影响其他电源组件的正常工作，该功能设计保证。5.2.6通信要求中压电源通过千兆网发送状态信息和故障信息。千兆网软件协议：具体协议待定表 1 故障上报报文结构序号字段名称字段长度说明：无故障，：故障第位对应：输入断相第位对应：输入过欠压第位对应：输出过欠压中压电源故障信息字节第位对应：总输出电流过流第位对应：过热第位对应：组件故障第位对应：组件故障.第 n 位对应：组件 m 故障中压电源电压值中压电源电流值字节字节0-600V0-400A5.3“六性”技术要求5.3.1可靠性器件要求：所有元器件应为工业级以上等级，必须进行

11、筛选，器件应为两年内产品（自合同签订之日起）。中压电源 MTBF：20000h（环境分类为 NS2，工作环境温度为 50）。6佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案5.3.2维修性电源组件等可更换单元要采用水电盲插形式，便于更换。采用模块化设计，相同品种的模块级备件可互换，MTTR5 分钟。5.3.3安全性a)具有防误插、过热、过压等自我保护功能；b)具有人身安全防护功能：人可触及处，没有高于 36V 的电压；c)可更换的面板结构件设计均有锁紧装置，面板安装把手，外壳无尖锐的倒角，以确保使用维护安全；d)机柜内高压电（高于安全电压）有标识及防护；e)交流输入无漏电，三相交流输入对外壳、

12、三相交流输入对直流输出间的绝缘电阻大于 100M（正常环境条件下），湿热试验后不小于 10M。5.3.4测试性中压电源具有模块级 BIT 功能，故障可定位到每个可更换模块，形成电源故障信息报文上传，按照标准故障报文格式传输。电源组件面板上装有电源的故障的故障和正常状态指示灯，根据指示灯的显示状态，操作人员可以直观地判断电源的工作状态。5.3.5电磁兼容性在输出额定功率及整机实际使用状态下，满足电磁兼容试验要求：符合GJB151B-2013军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量相关规定要求。测试 CE101、CE102、CS101、CS106、CS114、CS116、RE101、RE102、

13、RS101 和 RS103 等项目。5.3.6环境适应性a)工作温度：-10+50，贮存温度：-40+70；按军用装备实验室环境试验方法第 3 部分：高温试验（GJB150.3A-2009）、军用装备实验室环境试验方法第 4 部分：低温试验（GJB150.4A-2009）执行；b)湿热：按军用装备实验室环境试验方法第 9 部分：湿热试验（GJB150.9A-2009）执行；c)振动：按军用装备实验室环境试验方法第 16 部分：振动试验（GJB150.16A-2009）执行；7佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案d)颠振：按舰船电子设备环境试验颠振试验（GJB4.8-1983）执行；e

14、)冲击：按军用设备环境试验方法冲击试验（GJB150.18-1986）执行；5.4 物理特性及制造技术要求5.4.1接口a)380V 交流输入采用填料函，填料函安装在机柜右侧壁上部位置；b)其余电连接器如表 2（暂定），电连接器安装在机柜顶板上：表 2 电连接器及接口定义XS1YMG24F5Z1D40序号241电路特性220VL220VN地备注输入XS3YMG20F10K1D40序号1234电路特性TX+TX-RX+RX-备注通信XS5YMD42F4K1P40序号1234电路特性500V+500V+500V-500V-备注输出XS2YMG20F10K1D40序号1234电路特性备注预留XS4Y

15、MD42F4K1P40序号1234电路特性500V+500V+500V-500V-备注输出c)机柜总进出水接头置于机柜背部。8佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案5.4.2物理特性a)机柜尺寸要求（不包含减震器和吊环）：高度1600mm，宽度1100mm，深度596mm；b)机柜重量小于 400kg（包含减震器和吊环）；c)单个电源组件重量小于 10kg5.4.3制造要求a)中压电源机柜内需要安装断路器或者交流接触器等器件，可以实现输入供电的物理隔离。b)机柜采用气密性设计，进行三防处理，采用前开旋转门方式。机柜顶部装有吊环螺钉，底部及背部安装减震器；c)采用水冷方式，进水温度 27

16、3，冷却水流量 1.2m3/h，进口压力不大于 0.6MPa，进出口处压损不大于 0.2MPa；d)颜色、管径e)机柜内部安装漏液检测装置，底部设计漏液排放口；f)中压电源应按照表 3 技术参数进行分机级环境应力筛选试验：表 3基本筛选应力条件筛选层次项目和参数温度范围温度变化速率(试箱空气温度）上、下限温度保持时间循环次数被试产品（分机级产品）-10+505/min120min5+10从低温升温开始直至高温保温结束，通温度循环通/断电电压拉偏9电并检测性能；工作时处于最大电源负载状态，其余时间断电。在高低温温度稳定后，通断电源各三次。电应力按试验循环，依次进行上限、标称和下限电压拉偏。13

17、循环为下限值，47 循环为上限佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案值，810 循环为标称值。试验中功能或性能检测功率谱密度频率范围进行0.04g2/Hz202000Hz1每轴向 5+15min通电电应力为标称值，不进行拉偏进行随机振动震动轴向震动持续时间通/断电电压拉偏实验中功能或性能检测6 6 电源技术方案设计分析电源技术方案设计分析6.1 功能需求特点根据文件中所提出的技术要求，电源机柜应实现以下功能：a)将供电系统提供的三相 50Hz 380V 交流电转换为 460V580V 稳定的直流电压为负载供电，460500V 输出时限流，500V650V 输出时限功；b)电源机柜满足高

18、功率因数、高效率、低纹波的要求；c)电源机柜具备过压、过流、过热等保护功能，对电源模块工作状态进行监控并将电源模块的状态信息通过通信上报给上位机；d)电源模块具有并联均流功能，实现电源供电系统的冗余设计。6.2 设计方案选择6.2.1 机柜方案设计中压电源为 135kW/500V 输出。机柜由密闭式水冷机柜及相关配电部分、监控单元及水冷式10kW 整流模块组成。整流模块额定输出10KW，额定输出500V/20A，最大输出功率 11kW。根据输出的冗余度不少于 20%的要求，机柜配备18 台整流模块。机柜尺寸：宽度 1100mm，高度 1600mm，深度 596mm整流模块尺寸：宽度 380mm

19、，高度 88mm，深度 450mm机柜示意图见图 1，整流模块示意图见图 2。10佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案图 1 中压电源机柜外观示意图图 2 整流模块示意图，左图为正面，右图为侧面11佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案6.2.2 整流模块设计为满足电源技术协议要求，该电源主功率变换器采用 LLC 全谐振式 PFM软开关变换器拓扑。具有开关频率高，开关损耗小，重量轻、体积小、EMI 噪声小、开关应力小等的特点。传统的全桥 PWM 变换技术，在轻载状态下很难实现ZVS，所以只能在一定负载范围内有较高效率；而 LLC 变换器是 PFM 控制，可在全负载范围内实现

20、ZVS，所以全负载范围内都具有较高的效率。通过近几年电源行业的验证，已经日趋成熟。为了取得 0.98 的功率因数，本方案采用三相三开关三电平的有源功率因数校正电路，采用智能编程DSP 三相有源功率校正控制电路，此电路具有高PFC 值，低 THD 值，具有效率高，电磁干扰小的特点；同时零件应力较小，重量相对较轻。减轻电源的整体重量。每个整流模块内部都有并联均流控制电路，通过多个整流模块的并联可组成大功率电源系统。整流模块的并联电路设计采用 DSP 运算均流电路，并联模块中任何一个模块出现故障，其它模块仍能正常工作，提高了电源系统的工作可靠性。6.3 原理框图电源机柜内部系统的组成原理框图见图 3

21、。电源机柜内部主要由两部分组成，一部分是整流模块，一部分是监控单元。图 3 中压电源机柜框架图12佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案整流模块包含了 EMI 滤波器、整流滤波及 PFC,LLC 功率变换器、高频变压器、输出整流滤波、采样电路、控制保护及均流电路、辅助电源等部分组成。电源模块原理框图如图 4 所示。三相输入380Vac输入电压采样电路PFC 部分SCI 通讯DC-DC 辅助供电DSP2 供电DSP1 供电EMI 滤波电路PFC电路部分DC-DC 功率变换部分全波整流、滤波500Vdc输出PFC 电压辅助供电电流采样电路DC-DC驱动PFC-DSP控制电路(PFC部分)D

22、C-DSP控制电路(DC 部分)DC 部分SCI通讯输出电压、电流采样环境温度检测指示灯控制CAN通讯监控模块图 4 整流模块内部框架图6.4 工作原理6.4.1 EMI 滤波器13佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案EMI 滤波器是三相输入电磁干扰滤波器，它的主要作用是减小电源内部噪声对电网的干扰，同进也能抑制电网上的噪声对电源的干扰。为增加滤波效果，滤波器的设计上采用两级共模滤波电路。6.4.2 三相输入整流及功率因数校正电路（PFC）三相输入整流及功率因数校正电路（PFC）原理图见图 5。其功能是将三相380V 交流电转换为合适的直流电压，同时对因整流器-电容滤波电路非线性元件

23、和储能元件的组合造成的输入交流电流失真进行校正，使交流输入电流的波形接近正弦波，并且使交流电压和电流的相位基本一致。该电路拓扑具有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等优点。其中每相的开关采取两个 MOSFET 管共源极的双向开关形式，共用一个驱动信号。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，几乎没在反向恢复电流。因此，该拓扑的整流电路可以工作在较高的开关频率下。图 5 三相 PFC 工作原理其工作原理如下：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

24、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14佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案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。电路采用 DSP 控制方案，具有效率高，电磁干扰小等优点。6.4.3开机限流电路开机限流电路由限流电阻、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

25、，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。等到滤波电容充满电后，电路控制继电器作动导通，限流电阻被短路，开关电源开始输出功率。开机防冲击电路如图 6 所示。图 6 开机限流电路6.4.4LLC 半桥谐振变换器LLC谐振DC/DC 变换器主电路如图7。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。电感L1、变压T1 和电容C1A,C1B 组成谐振网络，二极管D3-D6 构成全波整流电路，通过调整开关频率达到输出稳定。15佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案图7LLC谐振DC/DC 变换器主电路图直流电压变换特性如图 所示。图8 LLC 串联

26、谐振变换器直流电压增益特性图8 表明：LLC谐振变换器随负载的变化而频率变化。特性曲线存在两个不同的谐振频率：f0 和f1，随着负载增大(即Q 值增大)，频率变小，为了保证工作在ZVS，DSP 设定最小的工作频率85K。6.4.5控制保护电路PFC电路和LLC功率变换电路的控制分别采用TMS320F2801 为核心构成的DSP数字控制系统，充分发挥了DSP 功能强大、运算速度快的特点。由于控制系统的软件没有失效率，从而提高了电源模块的可靠性。16佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案6.5 电源的监控设计6.5.1电源监控的目的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

27、压，电流等信息以及各个整流模块的状态、故障信息，并通过千兆网通讯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。6.5.2电源监控电路的组成电源监控由一块电源监控主板完成所有的电源监控功能。主要有 MCU（内部带 EEPROM、D/A、A/D 转换电路）、信号处理电路、通讯接口电路等组成。其组成原理框图如图 9 所示。内部总线输出总电流采样MCU输出电压采样千兆网通信图 9 电源监控电路框架原理图其中 MCU 是整个电源监控的控制核心，它控制电源状态数据采集、各模块状态信号采集、与远程终端通讯以及对电源的控制功能；信号处理电路主要包括幅度变换，保护信号等，完成将电源送

28、来的电压、电流进行处理，以满足 MCU本身 AD 转换器的取样要求；掉电非易失性存储器完成一些参数的掉电储存；通讯接口 1 完成千兆网协议，以实现与远程控制器的通讯，方便远程终端获取电源状态以及故障信息。6.5.3电源监控各组成模块的功能介绍a)MCU本电源监控借鉴所内现有的电源监控单元方案，其优势在于外围电路成熟可17佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案靠，已在多个产品上得以应用；外设比较丰富，自身带有 10 位的 A/D 转换器、10 位的 D/A 转换器及 EEPROM，满足电源电压、电流以及温度的取样精度要求。b)信号处理电路信号处理电路一般用于实现信号的阻抗变换，保护以及简

29、单的滤波处理，以使得信号质量更好，采样精度更高。一般采用差动接法，使得信号的共模噪声抑制能力更强，在最后进入 AD 转换器的最后一个环节信号加入一阶无源低通滤波电路，保证信号质量，同时在信号输出端加入 TVS 瞬态抑制器，抑制差模和共模浪涌，以保护电路的安全。c)通讯接口电路 1根据技术协议要求，电源机柜采用千兆网与通讯终端通讯。6.5.4满足技术协议需求a)电压、电流监测监测电源输出电压、电流。硬件上保证采样精度后，通过软件校准，满足下列指标：输出电压检测误差不大于2V。输出电流检测误差不大于2A。其接口原理图见图 10b)直流输出过压保护与告警功能18图 10A/D 接口电路佛山市爱威斯电

30、源有限公司 中压电源机柜技术方案当直流输出电压值达到“设定值”20V 时，电源停机，同时通过通信上报过压信息，并告警。c)输出过流保护与告警功能当输出电流过流时（电源机柜输出电流达到 285A295A 范围时进入过流状态），电源停机保护，同时通过通信上报过流信息，并告警。d)直流输出短路保护与告警功能当电源的直流输出短路时，电源停机保护，同时通过通信上报故障信息，并告警。e)通信要求及遥测、遥信、遥控性能通信方式：通过千兆网发送状态信息和故障信息，包括输出电压、电流以及整流模块的工作、故障状态。7 7 结构和冷却设计结构和冷却设计7.1 结构及散热设计7.1.1 外部结构-机柜采用 1100m

31、m（宽）*1600mm（高）*596mm（深）的全密闭机柜。-直接水冷式结构。-机柜底部和背部装有减震器-进出水口，位于机柜后部。-采用前开旋转门方式，机架以及门板采用低压铸造，门板加密封圈，三个方向配置门锁，一个方向配置铰链，以保证气密性。7.1.2 内部结构打开机柜门，可见内部结构。机柜的正面上部为正常指示灯、故障指示灯、本控开关按钮、本遥控切换按钮及 18 个模块的交流输入 MCB；监控单元内置。18 个模块的插槽，为双列排布。其它器件及控制部分内置。7.1.3 水冷却系统描述：循环冷却水经进水口后，分出接口，经水管分送到水冷模块后方的接口处。19佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技

32、术方案水冷模块上的接口与机柜后部其对应的接口可以实现盲插。模块的进水管路+出水管路的长度、弯曲度基本相等，用以保证模块的水阻基本相同，以便使各模块获得相同的水流。水道分两层，一层为冷却供液，一层为漏液水道，在机架水接头与模块水接头连接处下方放置水槽连通漏液水道并放置漏液监测装置，监测是否出现漏液状况并反馈到监控单元。漏液水道连接液体阀门，正常工作时，液体阀门关闭；当出现漏液状况时，可以人手打开阀门，排放出漏液。7.2 热设计仿真电源机柜采用直接水冷的冷却方式，循环冷却水经进水口后，经过接口，经水管分送到水冷模块后方的接口处。整流模块的最大输出功率按 11kW 设计，最低效率按不小于 93%计算

33、，最大热耗约为828W。主要损耗分布图如图11 所示。整流二极管和开关管的损耗占据了相当大的部分。将整流二极管和开关管所产生的热量带走成为热设计要解决的重要问题。整流二极管开关管主变压器输入输出电感及谐振电感其他12%12%3%41%32%图 11 功率元件损耗分析通过热仿真计算得到电源各发热器件的温度分布如图 12 所示，仿真条件为：电源入口水流速度 0.05m3/h，水温30，环境温度为50，在电源满功率输出。仿真结果显示，整流管壳体温度为 77，开关管壳体温度为 82，满足热设计要求。电源在实际使用过程中，由于机柜实际的水流速度约为1.2 m3/h，所以功率管的实际温度要比仿真结果低。2

34、0佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案图 12 功率元件温度场分析8 8 电磁兼容性设计电磁兼容性设计电源模块的电磁干扰主要有传导干扰和辐射干扰。GJB151B-2013 军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求中的 CE102 项目考核的是 10KHz10MHz 频率范围内的传导干扰。为满足要求，在电源系统的设计中我们采用 EMI 滤波器。CE101项考核的是 25Hz10KHz 频率范围内的传导干扰，造成 CE101 项指标的原因主要是由于电源的输入阻抗特性为非纯电阻负载所致。开关电源的 AC/DC 变换部分大都采用桥式整流加大容量电容滤波电路，以得到波形较为平滑的直流电压，整流器-

35、电容滤波电路是一种非线性元件和储能元件的组合，因此虽然输入电压为正弦波，但输入交流电流波形存在严重畸变，在电容充电器件形成一个很窄的脉冲电流尖峰，这个尖峰电流波形是由 50Hz 的基波电流和多次谐波电流构成的，各次谐波电流的频率是基波频率的整数倍（奇数）。但是由于谐波的频率较低，现有的电源滤波器无法有效地抑制这些干扰。为使电源模块的 GJB151B-2013 CE101项指标满足奇数指标要求，电源输入采用三相有源功率因数校正技术，使可输入电流的谐波失真度小于 8%，功率因数大于 0.98.辐射干扰主要源于开关电源中快关器件的高频通断和输出整流二极管反向恢复及脉冲变压器及滤波电感等。针对辐射干扰

36、，主要措施有：（1）元器件的合理布局；（2）输出整流二极管采用恢复电荷小，且反向恢复时间短的，反向恢复呈软特性的快恢复二极管；（3）高频脉冲变压器、输出滤波电感等磁性元件的屏21佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案蔽及电源模块外壳的屏蔽接地等；（4）软开关技术。9 9 六性分析六性分析9.1 可靠性设计9.1.1 可靠性设计电源采取以下可靠性设计技术和可靠性措施保证可靠性指标的实现：a)为提高电源可靠性，除了在电源模块的设计中留有一定的余量外每个机柜的主电源模块个数的冗余度不少于 20%；b)高效率的散热设计。热应力对元器件的可靠性影响最大,功率开关管MOSFET、高频整流管等主要发

37、热器件全部安装在散热冷板上，采用直接水冷，大大降低了热阻，提高了器件的可靠性；c)设计时优先选用标准件、标准器件、成熟元器件。关键元器件（功率开关管 MOSFET、高频整流管、PWM 控制芯片等）均采用进口器件；其余装机元器件优选符合国军标、国标及专业标准的元器件，电源所采用的全部元器件都符合产品质量等级要求；所用元器件的额定工作温度范围，额定加速度值，额定振动和冲击速度峰值等环境条件要求都严格高于分系统的环境条件；d)电容器选用温度系数小，稳定性好，损耗小，固有频率高的产品；e)对元器件按照有关规定进行了合理的降额，其工作温度、电压、电流等参数都在元器件额定值基础上留有一定裕量，提高电源的使

38、用可靠性：f)电源模块采用盲插方式，以便快速更换，满足 MTTR 的要求；9.1.2 可靠性计算与分析根据GJB/Z 229C-2006电子设备可靠性预计手册对电源进行可靠性预计，整流模块内部按电路功能划分为输入整流滤波（含 PFC 电路）、功率变换器（DC-DC）、控制保护单元、辅助电源等部分，以上各部分均可视为串联系统，经过计算电源内部各单元失效率计算结果如下：控制保护单元：1=3.07210-7/h2=8.36410-7/h输入整流滤波 FPC：功率变换器：辅助电源：3=11.00310-7/h4=2.37410-7/h22佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案单个电源模块总失效

39、率：0=1+2+3+4=24.81310-7/h系统总共配备 18 个电源模块，需要最少 14 个电源模块正常工作。电源模块组的总失效率：a=014(14/18)=270.18610-7/h监控单元：b=2.63910-7/h电源模块与监控单元视为串联系统，系统总失效率：=a+b=272.82510-7/hMTBF=1/=36653 小时由以上计算可知，电源系统的可靠性可以达到预定指标（大于 20000 小时），完全满足设计指标。9.2 测试性设计电源模块具有在线自动测试功能。电源面板上装有电源的故障和正常状态指示灯，根据指示灯的显示状态，操作人员可以直观地判别电源的工作状态。电源内部的监控单

40、元，实时采集工作中电源的电压、电流、温度及故障等信息并上报上位机，操作人员通过上位机显示的电源状态信息，可完成对电源的状态测试。9.3 环境适应性设计针对电源的使用要求，从热设计、元器件、原材料选用、结构布局、环境试验等方面考虑，采用如下的设计方法：a)合理选用元器件。元器件的选用都参照产品的环境适应性要求，并留有一定的余量，设备的工作温度为-10+50，我们选用的元器件工作温度范围为-40+85，部分元器件的工作温度为-55+125。b)原材料尽量避免使用易腐蚀材料，结构件多使用铝合金、不锈钢等材质。c)电源面板四个角上设置有松不落螺钉，电源模块后板上定位销孔用于电源模块与机柜安装固定，确保

41、电源在机柜上的可靠安装。d)合理的热设计。电源在工作时功率元器件会产生功率损耗，合理地进行热设计，确保在最恶劣的条件下发热元器件的壳温控制在保证903以下，确保电源工作的可靠性；23佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案e)进行筛选和环境试验。所有装机外购的各种元器件在入库前即要进行试验和筛选，所有的电源在装配完后按规范进行应力筛选；所有电源在完成调试后，均进行三防处理。9.4 维修性设计电源模块为现场可更换单元，由于电源的输入输出连接器采用盲插连接器，电源通过面板上的四个松不落螺钉与机柜固定。为了便于电源安放及顺利推入机柜，电源模块设计有导轨结构，便于电源模块的拆卸更换，更换电源时间

42、小于5分钟，满足 MTTR 的要求。9.5 安全性设计9.5.1 电气安全性设计措施电源模块内部有输出过温、过流、过欠压保护电路，确保对电源及负载的保护；电源内部均装有交流三相开关和输入交流保险丝；当电源输入出现短路时空气开关会自动跳闸或保险丝熔断，可将故障电源模块与交流输入电源隔离开。电源面板上有电源的故障和正常指示灯，提示电源的工作状态。绝缘保护：电源内部连接均选用绝缘性能良好、耐高温的导线；在常温状态下输入输出之间绝缘电阻不小于 100M；所有交流输入端口和直流输出端口与机壳之间留有足够的空间距离，确保绝缘电阻不小于 100 M。9.5.2 结构安全设计措施所有电源的面板结构件设计均有锁

43、紧装置，面板安装把手，外壳无尖锐的倒角，以确保使用维护安全。在电源的结构设计中，同时采用了导向销孔与导向销来进行导向定位。其中，电源后端背板上的两个导向销孔同机柜内部的导向销进行配合，而电源前端背板上斜对角两个导向销则与机柜上对应的导向销孔配合。导向销及导向销孔的配合，限定了电源在侧向及垂向的位移，而面板上四个松不落螺钉的使用，则完全限定了电源的位移，使得电源牢牢地安装在机柜中。9.5.3 人身安全保护设计电源设计中强电与弱电尽量分置，强电的接入点有保护措施，防止操作人员直接接触到强电接入点等。电源模块的输入插座的接插件为针，相应的输入电缆接插件为孔，这样可防止操作人员直接接触到强电接入点。电

44、源内部大于36V的储能电容两端均接有泄放电阻，确保电源断电后 30 秒内电容上的电压降到安24佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案全范围内。9.6 保障性设计保障性设计电源的维修级别为现场级和工厂级。故障电源定位与更换属于现场级维修，故障电源修复属于工厂级维修。维修任务见表 4。表 4 维修任务维修任务类别任务日常维护保养：外观清洁，散热器表面灰尘清理，紧固件检查现场级电源开关、保险丝等故障件更换故障电源模块更换工厂级故障电源模块维修保障资源要求包括：a)保障设备：仪器仪表，主要用于设备出现故障时检测；b)备件供应：本电源包含一定的备件；c)技术资料：本电源的技术资料包含使用说明书、

45、电路图、接口关系等；d)人员人力：包含培训和培训保障等。1010 重要元器件质量、供货情况重要元器件质量、供货情况开关电源中的主开关管选用 IR 公司生产的 MOSFET 管，高频整流管选用APT 公司生产的超快恢复二极管，作为成熟的器件在大功率开关电源产品中已大量采用，可靠性很高，供货管道较多，价格也较便宜。PFC 的控制芯片采用美国 TI 公司生产的 DSP 型号 TMS320F280XX 系列，该控制芯片作为成熟的器件在 PWM 控制开关电源中得到广泛地运用，可靠性高，供货管道较多，价格也较便宜。1111 标准化设计标准化设计11.1 贯切的主要标准主要贯切的标准包括产品接口、保障性、可

46、靠性、维修性、测试性、人机工程、环境、安全、电磁兼容等方面的标准。25佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案11.2“三化”设计开关电源的研制遵照三化原则设计，开关电源采用模块化设计。研制过程中充分继承了以往研制的电源产品成果，增强了产品的可靠性和可换性。电源模块内部，根据不同的功能设计为不同的功能模块，使电源的内部的功能模块具有可更换性。电路设计方面，最大限度借用已有产品的经验，与以前的电源设计具有可继承性，同时考虑以后电源设计时能够继承使用本电源的相关设计，使设计具有共享性。1212 元器件选用分析元器件选用分析12.1 元器件选用原则a)元器件质量等级要求。选用的元器件环境条件必

47、须满足电路的环境条件要求和元器件本身应符合国军标、国标、行业标准或企业规范的要求。b)元器件的技术标准（包括技术性能指标、质量等级）应满足产品的设计使用要求；国产元器件采购与选用控制中的质量等级符合 B1 及其以上等级。c)选择经实践证明质量稳定、可靠性高的标准元器件，不选择淘汰品种和按规定禁用的元器件；d)最大限度的压缩元器件品种、规格；e)不使用未定型的元器件；f)在满足质量要求的前提下，性能价格比相当时，应优先选用国产元器件。12.2 元器件使用12.2.1 元器件的筛选元器件必须通过二次筛选合格，才能装机使用，装成组件后还需经环境应力筛选合格才能交付系统联试。12.2.2 降额设计为了

48、提高元器件的工作可靠性，延长使用寿命，施加在元器件上的实际工作应力必须低于额定应力。元器件的降额使用包括电压、电流和功率等电应力方面的降额，也应包括温度、振动、冲击的环境应力的降额。部分元器件降额准则见表 5。26佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案表表 5 5 关键元器件降额准则关键元器件降额准则元器件种类降额参数电源电压输入电压降额系数推荐0.70.60.70.7800.70.8850.60.60.5650.60.50.50.60.50.5最大0.80.70.80.75950.90.91000.750.70.65400.70.60.60.80.750.6模拟电路（放大器、比较器、

49、模拟开关、控制器等）集成电路输出电流功率最高结温电源电压数字电路输出电流最高结温反向电压开关管（双极性、MOS）分立半导体器件电流功率最高结温电压（不适用于稳压管）电流二极管功率最高结温固定电阻器电压合成型电阻器功率27佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案最高额定温度直流工作电压固定陶瓷型最高额定温度直流工作电压电容器固定纸/所料薄膜最高额定温度直流工作电压电解电容器最高额定温度热点温度工作电流电感元件瞬态电压/电流介质耐压12.2.3 热设计0.60.5300.5300.520400.60.80.50.80.6200.6200.710200.70.90.6热应力对元器件的可靠性影响

50、最大。在元器件的布局、安装的过程中，充分考虑热的因素，将功率开关管、高频整流管、高频电感等高发热器件安装在散热器基板上，确保器件与冷却介质间有最小的热阻，同时散热器上装有温度传感器，当散热器温度超过 87时温度控制电路送出过温信号同时将电源禁止，避免因温度过高致使功率器件损坏。1313 试验、验收试验、验收13.1 环境试验项目为验证电源是否满足技术协议要求中的环境适应性要求，需要对电源开展相应的环境试验。试验项目和试验要求见表 6。28电压采集模拟量佛山市爱威斯电源有限公司 中压电源机柜技术方案表 6 环境试验项目序环境试验号项目1234567813.2 交付验收项目低温贮存低温工作高温贮存

51、高温工作湿热振动颠震冲击试验要求按 GJB150.4A-2009 的要求进行试验按 GJB150.4A-2009 的要求进行试验按 GJB150.3A-2009 的要求进行试验按 GJB150.3A-2009 的要求进行试验按 GJB150A.9-2009 的要求进行试验按 GJB150.16A-2009 的要求进行试验按 GJB4.8-1983 的要求进行试验按 GJB150.18-1986 的要求进行试验根据技术协议中的技术要求拟制电源的验收测试规范，并提交用户方审核确认。交付甲方的产品将此验收测试规范的内容完全筛选和检验，合格后通知用户方进行出厂检验。出厂检验合格后可包装运输到甲方指定的地点。产品的合格证、质量检验报告、使用说明书将随产品一同交付。1414 产品交付后的质量保证产品交付后的质量保证本电源交付用户使用后，公司将帮助用户用好产品，使其在寿命期内充分发挥使用特性，并使故障降到最低；对产品交付后发生的质量问题要及时归零并最好沟通，与用户保持联系，了解用户的进一步需求。1515 结论结论根据以上分析，电源在性能、功能、可靠性上均能够满足技术协议所提出的要求。29