远程恒流供电系统中I-V节点电源设计

陈 亚，颜川江，祝 新

(1.海军驻无锡地区军事代表室，无锡 214061；2.中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)



远程恒流供电系统中I-V节点电源设计

陈 亚1，颜川江2，祝 新2

(1.海军驻无锡地区军事代表室，无锡 214061；2.中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

针对海底观测网络的特殊应用场合，提出了相比恒压供电更具优势的远程恒流供电系统方案，水下部分的I-V节点电源是供电系统的重要组成部分。详细介绍了I-V节点电源的设计方案，电源的前级采取开关管旁路和输出二极管的设计方式来实现，后级利用自激推挽式变换器隔离输出稳定电压。电源电路设计简单、高效，采用最少的元器件设计了效率高、工作稳定的恒流/恒压电源模块。

远程供电；恒流/恒压；自激推挽式变换器

0 引 言

随着科技的进步以及我国对海洋权益的日益重视，海底观测网络的研究与应用势在必行。由于该网络包含有源设备众多，连接关系复杂，海底的应用环境特殊，无法进行正常的保养及维护，因此不能像陆上的供电系统对设备供电。新型的远程供电系统研究和设计迫在眉睫，供电系统必须解决远程组网、故障应对、高可靠性等技术难题。为此国内外多家研究机构及个人对该供电系统提出了设计方案，验证了相关理论，储备并完善了诸多技术研究。文献[1]设计了水下恒压远程供电系统，研究了系统状态估计与控制技术，提高了恒压系统在水下环境中应对故障的能力。文献[2]设计了水下恒流远程供电系统，研究了恒流的多路分支技术，保持全网络的恒流特性。浙江大学及同济大学等单位建设了恒压单节点试验系统，解决了高-中-低压转换技术，并已进行海试。

纵观各研究机构的研究思路，远程供电系统大体分为恒压供电模式和恒流供电模式。恒压的优点是在组网中易于电路分支，更容易组成矩形网络及树状网络。缺点就是节点电源将承受高压，且须逐级降压使用，对于节点电源的器件选择和电路实现都比较困难；其次恒压供电系统某个支路故障，其节点电压大幅下降，将会导致系统工作异常。恒流供电系统中，流过各节点的电流相等，其抗故障能力更强，故障点定位更容易，但在组网时实现电流分支相对困难，须开发恒流/恒流I-I分支模块，通过I-I分支模块进行干路分支。与恒压供电模式相比，恒流供电模式更有优势，本文只探讨恒流供电系统。

1 远程恒流供电系统原理

如图1所示，恒流供电系统由岸基恒流源、海缆、I-V节点电源、I-V中继电源、I-I分支模块、DC/DC模块等部分构成。其中岸基恒流源提供恒定电流输出，2台岸基恒流源为冗余设计，共同提供系统功率；I-V节点电源为恒流到恒压的转换电源，主要完成从恒流取电转换成向节点设备提供恒压电能；I-V中继电源为恒流到恒压的转换电源，主要完成恒流转换成恒压,为光中继提供电能，I-I分支模块为恒流/恒流变换器，组网中需要进行分支布网时，利用此模块进行电流分支。

恒流供电系统共分A、B、C、D四级，岸基恒流源为A级，I-V节点电源、I-V中继电源、I-I分支模块为B级，DC/DC模块为C级，D级为水下设备级。供电系统层次清晰、模块功能齐全，易于组网。

远供系统工作环境特殊，海缆容易受到锚挂断裂、接驳盒密闭性失效等情况产生短路，短路处将连接海水，短路位置至2台岸基恒流源变为2个新的独立远供系统，2台冗余备份的岸基恒流源将分别为2个独立远供系统重新提供电能。短路故障的解决方案是该供电系统的最大优点之一[3]。由于供电系统的线缆处于海缆之中，在海缆无故障的前提下，出现断路的几率非常低，因此不做此故障的讨论。

图1 恒流供电系统原理框图

2 I-V节点电源设计方案及技术要求

I-V节点电源主要实现从干路上取恒流电，变换成稳定恒压给后级电源或设备使用的功能，使用在干路的节点处，是水下部分数量最多、功能最全的电源，也是最重要的电源。I-V节点电源的设计原则是：简单实效，实现恒流/恒压的功能，具备在水下长期工作的高可靠性，具有短路的保护机制。

I-V节点电源包含前后两部分，前部是分由旁路开关金属-氧化物半导体(MOS)管及二极管组成的前级稳压电路，后部分为自激推挽式变换，将输入输出进行隔离。电源模块的前级与外壳的高耐压隔离采用了叠层的氮化铝，四层氮化铝耐压达到了40kV。输入过压采取可控硅导通方式进行保护，同时当输出短路时，前级输入电压会升高，同样能通过打通可控硅进行保护。

本模块技术要求如下

输入：恒流1.5A+5%；

输出电压：DC150V+1%；

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额定输出功率：200W；

输出电压纹波：≤±2%；

输入输出隔离：12kV；

具有输入短路、输出短路保护功能。

3 I-V节点电源前级设计

图2所示为I-V节点电源的前级原理框图，图中包括了输入端的整流桥、开关管、输出二极管、前级过压保护单元及脉宽调制电路。

图2 I-V节点电源的前级原理框图

开关管作为旁路开关使用，将多余的电能通过脉宽调制信号开启开关管旁路至恒流输出端，脉宽

调制信号由输出电压分压得到的反馈电压调整输出的脉宽，达到控制输出电压稳定的目的。其自动稳压过程可以简述为：Vout↑→Vf↑→D1↓→D2↑→ton↑→Vout↓。

4 自激推挽式变换器设计及主要元器件的选择

自激推挽式变换器是利用开关管和变压器铁芯的磁通量饱和来进行自激振荡，从而实现开关管“开/关”转换的直流变换器。本电路有着电路精简、无需辅助电源及脉宽调制(PWM)控制电路、高效可靠等优势，非常适合I-V节点电源。

4.1 自激推挽式变换器的工作原理

自激推挽式变换器的电路原理[4]如图3所示，当电压Vin加到输入端时，通过R1和R2并接到2个开关MOS管的栅极，由于电路的不对称性，总会有一个开关导通，假如V1导通，WP1磁芯磁化，WB1感应电动势增大，WB2反向电动势至V2截止，V1全导通，WP1的磁通随电流线性增大至饱和，饱和后V1很快截止，V2进入导通，V2复制V1的过程后完成1个周期。

图3 自激推挽式变换器的电路原理图

整个过程周而复始，使得V1、V2交替导通,在MOS管的漏极产生方波，完成推挽工作，输出经过滤波后获得直流电压。

4.2 MOSFET代替晶体管避免磁通不平衡的影响

磁通不平衡[5]是自激推挽式电路存在的一大缺点，MOS管没有存储时间，在交替的半周期内，栅极导通次数和漏极导通次数总是相等。在交替的半周期中施加到变压器上的伏秒数相等。其次MOS管导通电阻的正温度系数形成的负反馈也会阻止磁通不平衡问题的产生。

4.3 变压器的设计

变压器设计是开关电源的重点和难点。为了满足12kV的隔离电压，普通的骨架加磁芯方案难以解决爬电问题。本设计选择了钴基非晶磁环，通过高耐压绝缘胶带缠绕进行隔离，经测试达到了隔离12kV的耐压，并解决了爬电距离。

4.3.1 变压器线圈匝数的计算

T1初级绕组的匝数可以根据下式计算：

(1)

式中：Vin为施加在绕组上的电压,约为165V;NP为绕组匝数；Ac为磁芯截面积；考虑到磁通饱和因素，工作磁通密度取饱和磁通的0.8倍，即B=0.8×Bm≈2 200Gs；f为工作频率,设定为50kHz。

根据公式(1),可以求出初级绕组匝数：

NP1=NP2=30(匝)

T1次级绕组Ns1、Ns2的计算,VO=150V，根据推挽的变压器公式，次级绕组匝数可计算为：

T1辅助绕组Nb的计算，因T2变压器设计的变比为1∶1∶1，所以辅助绕组的输出电压为MOS管的开关电压，设置为15V比较合适，简单计算可得：

Nb=2(匝)

T2采用14×8×7的铁氧体环，计算出输入输出匝数为：

5 I-V节点电源工作状态测试结果

对所设计的I-V节点电源进行了测试，电源串联接入恒流输入源中，得到了稳定的150V输出，电源开启及带载正常，并具备输入过压、输出短路保护功能。正常工作时两开关管G端的波形如图4所示，输出电压纹波如图5所示。

图4 开关管G端波形

图5 输出电压纹波

I-V节点电源通过旁路开关管及输出二极管从恒流干路中获取直流电压，并通过自激推挽电路隔离输出，电路结构简单，电子元器件少，符合高可靠性设计原则，同时效率高达90%，是远程恒流供电系统中水下电源的首选方案。

该电源已获得了实验室应用，性能稳定，可靠性高，抗干扰能力强,以后还将进一步完善及推广。

[1]CHANT,LIUCC,HOWEBM,etal.FaultlocationfortheNEPTUNEpowersystem[J].IEEETransactionsonPowerSystems,2007,22(2)：522-523.

[2]ASAKAWAK,KOJIMAJ,MURAMATSUJ,etal.Current-to-currentconverterforscientificunderwatercablenetworks[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,2007,32(3)：584-592.

[3] 王希晨，周学军，周媛媛，等.适用于海底观测网络的恒流远供系统可靠性分析方法[J].国防科技大学学报，2015，37(5)：186-191.

[4] 张庆华，卢广锋，王子健.基于自激推挽式小型化二次电源的设计[J].电子技术，2009，46(5)：50-52.

[5] 段小虎，曹国雄.自激型推挽式直流变换器的“连通”现象[J].国外电子元器件，2002(5)：26-28.

DesignofI-VNodePowerSupplyinRemoteConstantCurrentPowerSupplySystem

CHENYa1,YANChuan-jiang2,ZHUXin2

(1.NavyMilitaryRepresentativeOfficeinWuxiProvince,Wuxi214061，China;2.The723InstituteofCSIC，Yangzhou225001，China)

Aimingatthespecialapplicationoccasionsofseafloorobservationnetwork,thispaperputsforwardtheprojectofremoteconstantcurrentpowersupplysystemwhichhassuperioritythanconstantvoltagepowersupply,andtheunderwaterI-Vnodepowersupplyisanimportantpartofthepowersupplysystem.ThedesignschemeofI-Vnodepowersupplyisintroduceddetailedly,andthepre-stageofpowersupplyisrealizedthroughthedesignmodeofswitchtubebypassandoutputdiode,therear-stageofpowersupplyusesself-excitedpush-pullconvertertooutputstablevoltageisolatedly.Thepowersupplycircuitisdesignedsimplyandeffectively,andusestheleastamountofcomponentstoachieveastableconstantcurrentandconstantvoltagepowersupplymodulewithhighefficiency.

remotepowersupply;constantcurrent/constantvoltage;self-excitedpush-pullconverter

2016-03-01

TM

B

CN32-1413(2016)03-0107-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.027