CN101478224B

CN101478224B - 大功率脉冲开关电源a型母排叠层方法

Info

Publication number: CN101478224B
Application number: CN 200810231639
Authority: CN
Inventors: 张曙; 高大庆; 陈又新; 张显来; 冯秀明
Original assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Current assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2028-09-26
Also published as: CN101478224A

Abstract

本发明公开大功率脉冲开关电源A型母排叠层方法，其结构特征是：选用4个整流桥模块并联整流和2个IGBT模块输出主电路，主电路中滤波电容，功率开关管或整流器，电感或变压器放置靠近，并确定好这些器件的方向即在大功率开关电源设计中，电容板，A、B、C、正极相输入铜板均采用铜板叠层而安装，减少了走线，克服导线电感和阻抗的影响，进而减小了电磁干扰，达到了抑制电磁干扰的目的。

Description

大功率脉冲开关电源A型母排叠层方法

技术领域

本发明涉及一种大功率脉冲开关电源设计中器件采用相叠连接的方法。

背景技术

兰州重离子加速器冷却储存环，给磁铁供电用的大功率开关电源(80KVA左右)有上百台。在相同功率容量下，开关电源比线性电源效率更高，体积更小，电磁干扰也更严重。控制高频噪声的产生和辐射是开关电源生产***设计中最为复杂的一门“黑盒”艺术。

大家知道，在开关电源中，有些信号包含丰富的高频分量，因而任何一条引线都可能成为天线，引线的长和宽影响它的电阻和电感量，进而关系到它们的频率响应，即使是传送直流信号的引线，也会从邻近的引线上引入RF(射频)信号，使电路发生故障，或者把这干扰信号再次辐射出去。所以在这里有必要对导线的特性进行分析说明。

导线具有对电子电路的瞬态性能和噪声性能产生影响的重要特性，而电感是其最重要的特性之一，即使是在低频情况下，导线的感抗都可能大于导线本身的电阻。

导线的总电感实际上是内部电感与外部电感之和，导线的横截面影响着内部电感，可以通过使用扁平状矩形截面导线替代圆形导线来减小导线的内部电感，假若给导线通以高频电流，因为导线存在趋肤效应，电流集中在导线的表面上流动，所以导线的内部电感进一步减小，因此一般外部电感是导线唯一比较大的电感，导线的间距影响着外部电感。

电阻是导线的第二个非常重要的特性，改变导线截面的形状可以减小导线的交流电阻，矩形截面导线的交流电阻小于圆截面导线，这是因为单位截面积内，矩形截面导线的表面积更大。

因为相同截面积的矩形截面导线的交流电阻和电感小于圆截面导线的交流电阻和电感，所以矩形导线更适合在开关电源中用做连接导线。

导线上产生的噪声电压是导线的特征阻抗的函数，而导线的特征阻抗等于：

Z_{0} = \sqrt{\frac{L_{T}}{C_{T}}}

L_T C_T分别是导线的分布电感和分布电容。

若想获得最好的噪声特性，传输线必须具有尽可能小的特性阻抗，由上式可知，传输线因此而应具有大电容和低电感特性。

用矩形截面导线代替圆形截面导线，或尽量使两根导线相互靠近都可以减小导线的电感，这两种做法同样也会增大线的电容。

所以最优的配电线应是这样的：尽可能宽的，平行的扁平导体，其中一根导体置于另一个的上面，且尽可能地接近。

这样的配置结构构成了一个良好的低阻抗电源配电线。

扁平线电感量：

L = 0.002 [\ln \frac{2 c}{b + c} + 0.5 + 0.22 (\frac{b + c}{l})] uH

式中：b—扁平线宽度.c—扁平线厚度.L—扁平线长度.

两片金属材质板，其间电容量：

C = ϵ \frac{A}{d}

A—版面积 ε—相对于空气介电常数 d—间距

当将细而长的导线改成铜板时，直接得到的好处是：准无限大的板，无外部电感，它仅有电阻和内部电感，它是按集肤深度范围上的频率增加，而不是按在细导线情况下的频率增加。

发明内容

针对以上导线的特性分析，为了控制开关电源高频噪声的产生，本发明的目的在于提供大功率脉冲开关电源A型叠层母排方法。即在大功率开关电源设计中，不用导线连接，而采用铜板连接。用铜板取代导线，铜板与铜板之间铜板之间都是相叠而安装的，故称为叠层母排。这种叠层母排设计方法是利用机械结构抑制技术通过合理的物理布局来抑制电磁干扰。

本发明的目的是通过以下技术措施来实现：

一种大功率开关电源叠层母排的方法，其特征是：

a.本电源主电路选用4个整流桥模块并联整流和2个IGBT模块输出，外形及管脚定义分别如图2、图3所示；

b.本电源是将4个整流桥模块和2个IGBT模块集中安装在同一水冷板上，4个整流桥模块并联，其交流输入和输出正极也用铜板连接；

c.将电容安装与负极铜板上，再将电容安装与正极铜板上，用螺钉将电容分别固定在正、负极铜板上；

d.电容板的负极与电容板的正极上下相叠，中间通过垫柱，用螺钉连接；

e.将安装好后的电容板与安装完成后的水冷板进行套装，电容板的负极分别与4个整流桥的输出负极及2个IGBT的E1脚通过垫柱相连，电容板的正极与2个IGBT的C2脚通过垫柱相连。

f，4个整流桥的A相输入铜板通过垫柱叠放在电容板的负极上与4个整流桥的A相相连；

g.4个整流桥的B相输入铜板通过垫柱叠放在整流桥A相输入的铜板上与4个整流桥的B相相连；

h.4个整流桥的C相输入铜板通过垫柱叠放在整流桥B相输入的铜板上与4个整流桥的C相相连；

j.4个整流桥的输出正极铜板通过垫柱叠放在整流桥C相输入的铜板上与4个整流桥的输出正极相连；

k.4个整流桥的A相、B相、C相交流输入3个铜板及输出正极铜板之间相叠安装，中间用垫柱相连；

上述的垫柱高为7～35mm。

上述的铜板为3mm。

本发明的优点是：

1、为减小每个电流环路的电磁辐射，选用4个整流桥模块，型号为：DF200AA120/160并联整流和2个IGBT模块输出主电路，主电路中滤波电容，功率开关管或整流器，电感或变压器放置靠近，并确定好这些器件的方向，减短连线长度，使它们之间的电流通路尽可能短，以满足兰州重离子加速器冷却储存环大电流输出电流较大(500A～700A)、高电压的需求。

2、电容板的负极与电容板的正极分别为两张铜板，上下相叠，中间通过不同高度垫柱相连。这样既减小了上述两个环路面积又减小了电容上的串联电阻和串联电感。

3、本发明采用铜板相叠连接方式，完成了多个器件的电气连接，减少了走线，进而减小了电磁干扰。

4、本发明作为大功率开关电源的主体安装在开关电源柜中，既减小了开关柜的体积，又减少了内部连线，达到了抑制电磁干扰的目的。

附图说明

图1为本发明主电路图。

图2为本发明整流桥外形图。

图3为本发明IGBT外形图。

图4为本发明整流桥模块、IGBT模块与水冷板安装图；图右为图5的左视图；图上为图5的仰视图。

图5为本发明电容板的负极铜板，图右为图5的左视图；图上为图5的仰视图。

图6为本发明电容板的正极铜板；图右为图6的左视图；图上为图6的仰视图。

图7为本发明电容与负极铜板安装图；图右为图7的左视图；图上为图7的仰视图。

图8为本发明电容与正极铜板安装图；图右为图8的左视图；图上为图9的仰视图。

图9中，左上角为整流桥的A相铜板电容与正极铜板安装图；右上角为整流桥的B相铜板，左下角整流桥的C相铜板，右下角整流桥的正极铜板。

图10为本发明电容正、负极板与整流桥模块、IGBT模块安装图，图右为图10的左视图；图上为图10的仰视图。

图11为本发明整流桥模块与整流桥模块A相输入铜板安装图，图右为图11的左视图；图上为图11的仰视图。

图12为本发明整流桥模块与整流桥模块B相输入铜板安装图，图右为图12的左视图；图上为图12的仰视图。

图13为本发明整流桥模块与整流桥模块C相输入铜板安装图，图右为图13的左视图；图上为图13的仰视图。

图14为本发明整流桥模块正极输出与整流桥模块正极输出铜板安装图，图右为图14的左视图；图上为图14的仰视图。

图15为垫柱示意图。

具体实施方式

结合附图，本发明对技术方案再作进一步的说明：

大功率脉冲开关电源A型母排叠层方法，电源主电路选用4个整流桥模块，和2个IGBT模块输出，型号为：FF800R12KF4(见图1)，外形及管脚定义分别如图2、图3所示。将4个整流桥模块和2个IGBT模块集中安装在同一水冷板上，4个整流桥模块并联，其交流输入和输出正极也用铜板连接，通过循环水装置进行冷却；整流桥模块和IGBT模块与水冷板安装如图4所示。将电容分别安装在负极铜板和正极铜板上，用螺钉将电容分别固定在正、负极板上；再将电容板的负极与电容板的正极上下相叠，中间通过7mm垫柱，用螺钉连接(见图7、图8)，这样既减小了上述两个环路面积，又减小了电容上的串联电阻和串联电感。电容板负极加工图如图5所示，电容板正极加工图如图6所示，电容与负极板安装如图7所示，电容与正负极板安装完成图如图8所示。然后，将安装好后的电容板与安装完成后的水冷板进行套装，电容板的负极分别与4个整流桥的输出负极及2个IGBT的E1脚通过垫柱相连。电容板的正极与2个IGBT的C2脚通过垫柱相连，如图10所示。这样用最简捷的方式完成了多个器件的电气连接，减少了走线，进而减小了电磁干扰。随后，4个整流桥的A相输入铜板通过14mm垫柱叠放在电容板的负极上与4个整流桥的A相相连，用螺钉固定(见图11)；4个整流桥的B相输入铜板通过21`mm垫柱叠放在整流桥A相输入的铜板上与4个整流桥的B相相连，用螺钉固定(见图12)；4个整流桥的C相输入铜板通过28mm垫柱叠放在整流桥B相输入的铜板上与4个整流桥的C相相连，用螺钉固定(见图13)；4个整流桥的输出正极铜板通过35mm垫柱叠放在整流桥C相输入的铜板上与4个整流桥的输出正极相连，用螺钉固定(见图14)；4个整流桥的A相、B相、C相交流输入3个铜板及输出正极铜板之间相叠安装，中间用垫柱相连。

最后整流桥的输出正极与电容板的正极通过铜排与滤波电抗器相连。

以上大功率开关电源的叠层母排结构设计在兰州重离子加速器冷却储存环中，在主环、实验环、RIBLL II等实验终端上得到了广泛的应用。

Claims

1.大功率脉冲开关电源A型母排叠层方法，其特征是：

a.本电源选用4个整流桥模块构成并联整流、以及2个IGBT模块构成单相逆变输出，其中，每个IGBT模块包括2个IGBT开关器件；

b.本电源是将4个整流桥模块和2个IGBT模块集中安装在同一水冷板上，4个整流桥模块并联，4个整流桥模块的相应的交流输入端之间以及输出正极之间用铜板连接；

c.将电容的负极安装在负极铜板上，再将电容的正极安装在正极铜板上，通过螺钉将电容固定在正、负极铜板上；

d.所述负极铜板和正极铜板上下相叠，中间通过垫柱，用螺钉连接；

e.将安装好后的负极铜板和正极铜板，与安装完成后的水冷板进行套装，所述负极铜板分别与4个整流桥的输出负极及2个IGBT模块的发射极通过垫柱相连，所述正极铜板与2个IGBT模块的集电极通过垫柱相连；

f.4个整流桥的A相输入铜板通过垫柱叠放在所述负极铜板上与4个整流桥的A相相连；

g.4个整流桥的B相输入铜板通过垫柱叠放在整流桥A相输入铜板上与4个整流桥的B相相连；

h.4个整流桥的C相输入铜板通过垫柱叠放在整流桥B相输入铜板上与4个整流桥的C相相连；

j.4个整流桥的输出正极铜板通过垫柱叠放在整流桥C相输入铜板上与4个整流桥的输出正极相连；

k.4个整流桥的A相、B相、C相输入铜板及输出正极铜板之间相叠安装，中间用垫柱相连。

2.根据权利要求1所述的一种大功率开关电源叠层母排的方法，其特征是：上述的垫柱高为7～35mm。

3.根据权利要求1所述的一种大功率开关电源叠层母排的方法，其特征是：上述的铜板厚为3mm。