一種變壓器串并聯(lián)的開關(guān)電源的研制

呂學(xué)紅

（太原理工大學(xué)輕紡美院實(shí)驗(yàn)中心，山西 晉中030600）

0 引 言

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷時(shí)間比例，來(lái)保持電源穩(wěn)定電壓的輸出。開關(guān)電源的成本隨著輸出功率的增加而增長(zhǎng)。開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展方向是高性能碳化硅功率半導(dǎo)體器件、高頻磁技術(shù)、新型電容器、功率因數(shù)校正、AC－DC開關(guān)變換技術(shù)、高頻開關(guān)電源的電磁兼容研究、開關(guān)電源的設(shè)計(jì)、測(cè)試技術(shù)、低電壓、大電流的開關(guān)電源的開發(fā)［1］。開關(guān)電源產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、軍工設(shè)備、科研設(shè)備、LED照明、工業(yè)設(shè)備、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體制冷制熱、空氣凈化器、電子冰箱、液晶顯示器、LED燈具、通訊設(shè)備、視聽設(shè)備、安防、數(shù)碼產(chǎn)品和儀器等領(lǐng)域。而變壓器串并聯(lián)技術(shù)在開關(guān)電源的應(yīng)用，主要是提高大容量開關(guān)電源的總體性能。

1 變壓器串并聯(lián)的幾種形式

電源變壓器的串并聯(lián)規(guī)則與其他電子元件的串并聯(lián)規(guī)則一樣，兩個(gè)或多個(gè)變壓器串聯(lián)一般要求電源變壓器功率滿足要求，電壓不符合要求。然而當(dāng)電壓滿足給定要求，變壓器功率不滿足給定要求時(shí)，可以選擇兩個(gè)或多個(gè)變壓器并聯(lián)。電源變壓器是由電感線圈組成的。不論是電源變壓器初級(jí)串聯(lián)還是電源變壓器輸出的次級(jí)串聯(lián)都可以按照電感器的運(yùn)算規(guī)則。下面介紹四種變壓器的串并聯(lián)形式。

（1）電源變壓器的初級(jí)串聯(lián)

變壓器的匝數(shù)比N是變壓器的初級(jí)匝數(shù)與次級(jí)匝數(shù)之比。設(shè)兩個(gè)初級(jí)為360 V，次級(jí)為12 V的變壓器，根據(jù)上面匝數(shù)比的定義，得到N為30，假設(shè)將兩個(gè)變壓器的初級(jí)串聯(lián)，則在單個(gè)次級(jí)上輸出的電壓為15 V以下。兩個(gè)或多個(gè)變壓器初級(jí)串聯(lián)使用，一般是在單個(gè)變壓器的次級(jí)電壓成倍高于用電器電源使用情況下。這種情況，以單個(gè)變壓器的功率要求為前提，而次級(jí)輸出電壓不一定相同。

（2）電源變壓器的次級(jí)串聯(lián)

在次級(jí)輸出電壓不滿足條件，而單個(gè)功率滿足條件前提下，可以選擇兩個(gè)或者多個(gè)電源變壓器的次級(jí)串聯(lián)，設(shè)兩個(gè)初級(jí)為360 V，次級(jí)為20 V的變壓器，如果要實(shí)現(xiàn)負(fù)載供給電壓為36 V，將兩個(gè)變壓器的次級(jí)串聯(lián)起來(lái)可以達(dá)到要求，在保證單個(gè)變壓器功率的前提下不同的次級(jí)輸出也可以將其次級(jí)串聯(lián)應(yīng)用。

（3）變壓器的初級(jí)并聯(lián)

在我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常使用變壓器的初級(jí)并聯(lián)，變壓器初級(jí)并聯(lián)的例子：彩電中的遙控變壓器和主變壓器兩個(gè)。

（4）變壓器的次級(jí)并聯(lián)

變壓器的次級(jí)并聯(lián)是在單個(gè)變壓器次級(jí)輸出電壓相同，而單個(gè)功率不能滿足要求的前提下選擇的方法，具體是將多個(gè)變壓器的次級(jí)電流線性組合，來(lái)達(dá)到負(fù)載功率所要求的大小。

2 開關(guān)電源控制電路設(shè)計(jì)

開關(guān)電源的性能優(yōu)劣關(guān)鍵在于控制電路的設(shè)計(jì)，下面重點(diǎn)介紹電源的控制與主電路設(shè)計(jì)。

圖1 開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)框圖

如圖1所示，開關(guān)電源由輸入電路、變換器、輸出電路、控制電路四個(gè)部分組成。將輸入交流電源轉(zhuǎn)化為直流輸入電源這一功能是輸入電路完成的。變換電路主要功能是對(duì)帶有功率的電源波形進(jìn)行斬波調(diào)制和輸出。它含開關(guān)電路、輸出隔離電路等，是開關(guān)電源變換的主通道。向驅(qū)動(dòng)電路提供調(diào)制后的矩形脈沖，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的是控制電路完成的功能。輸出電路主要是將輸出電壓整流成脈沖直流，并將脈沖直流平滑成低紋波直流電壓。輸出整流技術(shù)主要包括半波、全波、恒功率、倍流、同步等整流方式［2］。

2．1 主電路的拓?fù)溥x擇

開關(guān)電源的類型很多，從輸入到輸出有無(wú)隔離角度，開關(guān)電源主電路分為隔離式與非隔離式兩大類型。非隔離式電路是輸入端與輸出端電氣相通，沒有隔離。隔離式是指輸入端與輸出端電氣不相通，通過(guò)脈沖變壓器的磁耦方式傳遞能量，輸入輸出完全隔離。電路拓?fù)溥x擇所考慮的問(wèn)題包括：（1）輸入電路不總是比輸出電壓高或低時(shí)，就不能選擇buck變換器或非隔離反激式變換器；（2）輸出電壓與輸入電壓比在5倍以上，選擇用變壓器；（3）要隔離就要用變壓器；（4）EMI的要求很高，建議不要用輸入電流不連續(xù)的電路拓?fù)?；?）同步整流不管負(fù)載大小如何，都可以選用變換器工作于電流連續(xù)模式；（6）輸出電流很大時(shí)，選用電壓控制模式比電流控制模式好。目前常見的是以橋式為基礎(chǔ)的大容量開關(guān)電源的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，下面按照橋式和半橋式進(jìn)行分析。

2．1．1 半橋式電路

半橋式電路如圖2所示。當(dāng)S1和S2輪流導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)兩種方式產(chǎn)生滿足條件的交變電流，進(jìn)而在二次側(cè)產(chǎn)生滿足條件的交變脈動(dòng)電流，經(jīng)過(guò)全波整流轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，再經(jīng)電感和電容濾波，送給負(fù)載。這個(gè)電路也相當(dāng)于降壓式拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)。

2．2．2 全橋型變換器

圖2 半橋型變換器的電路圖

全橋型變化電路如圖3所示。當(dāng)S1、S3和S2、S4兩兩輪流導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)兩種途徑產(chǎn)生交變電流，則在二次側(cè)產(chǎn)生交變的脈動(dòng)電流，經(jīng)過(guò)全波整流轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，再經(jīng)電感和電容濾波，送給負(fù)載。這個(gè)電路也相當(dāng)于降壓式拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)［3］。

圖3 全橋式變換電路

橋式變化器包括四個(gè)功率晶體管。與半橋?qū)Ρ?，功率晶體管及驅(qū)動(dòng)裝置個(gè)數(shù)增加一倍，從而使成本較高，但是可用在功率要求大的場(chǎng)合。橋式電路線路是主變壓器僅需要一個(gè)原邊繞組，通過(guò)電壓的正負(fù)得到磁通的正反相，副邊有一個(gè)中心抽頭繞組，它采用全波整流輸出。這樣可以充分利用變壓器的鐵心和繞組，從而提高效率、功率密度。變壓器有相當(dāng)多的組合方式，比如有逆變變壓器的原邊并聯(lián)，副邊各自整流后并聯(lián)、逆變變壓器原邊串聯(lián)副邊各自整流后并聯(lián)等組合方式。對(duì)于變壓器組合方式，存在一個(gè)功率分配，即均流問(wèn)題。圖4這種變壓器的組合滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 全橋串并聯(lián)結(jié)構(gòu)

圖4電路中，因?yàn)槊恳唤M橋的開關(guān)管電流容量只要滿足總?cè)萘康亩种弧Ｋ詫?shí)際上管子的數(shù)量并沒有增加，但是這種方式工作的可靠性提高了一倍。

2．2 變壓器設(shè)計(jì)

橋式變換器的變壓器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是保證兩個(gè)半周期都用同一個(gè)原邊繞組，從而提高磁心和繞組的使用率。原邊繞組匝數(shù)多些，電感量大些，達(dá)到減少磁化電流的目的。本設(shè)計(jì)中整個(gè)電源模塊得的輸出最大功率約為6 kW，變壓器傳輸?shù)墓β蕿? kW，開關(guān)工作在70 kHz的頻率，選用鐵氧體鐵心材料為EE65，PC40，則BS＝0．5 T，實(shí)際工作選取最大工作磁度為0．15 T，鐵心截面積為5．32 cm2。根據(jù)已知條件和公式，可以求得變壓器副邊電壓幅值和匝數(shù)比。

3 開關(guān)電源設(shè)計(jì)的干擾問(wèn)題

干擾一般是由高次諧波產(chǎn)生的，抗干擾主要是抑制高次諧波，抑制的方法一般有三種：（1）采用無(wú)源濾波器；（2）采用有源濾波器；（3）簡(jiǎn)化電路，主要是靠減少元件數(shù)量，降低成本又在規(guī)定的電磁干擾EMI值范圍之內(nèi)的方法。又可分為：①輸入電壓接向串聯(lián)電容，利用電容電壓與輸入電壓之差來(lái)控制二極管導(dǎo)通，控制電容的充、放電時(shí)間，從而使輸入電流的導(dǎo)通角擴(kuò)大。②輸入兩種交流電壓電路中，增加電容量。③諧振型開關(guān)電源采用正弦波諧振方式，電磁干擾噪聲比PWM式小，開關(guān)損耗小。其產(chǎn)生的附加問(wèn)題，可用軟開發(fā)技術(shù)和有源箝位技術(shù)解決。它是抑制高次諧波與諧波有機(jī)結(jié)合的方式，是發(fā)展的趨勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為其他大容量開關(guān)電源的開發(fā)提供了依據(jù)。電源變壓器在串并聯(lián)的時(shí)候要注意變壓器的同名端。不同次級(jí)輸出，如果采取并聯(lián)方式，盡量是穩(wěn)定后進(jìn)行。并聯(lián)電壓取變壓器輸出中最低的電壓值。然而次級(jí)串聯(lián)既可以串聯(lián)，又可以選擇在穩(wěn)定后再串聯(lián)。電源電路的共地是必須考慮的問(wèn)題。

［1］ 趙 濤，黃曉莉．高功率因素軟開關(guān)三相AC／DC變換器［J］．電子技術(shù)學(xué)報(bào)，2002，17（6）：59－61．

［2］ 張占三，蔡宜蘭．開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，1998．

［3］ 南余榮，鐘德剛，吳志剛，等．大容量開關(guān)電源的設(shè)計(jì)［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，26（19）：52－54．