大功率高頻開(kāi)關(guān)電源同步整流器研究與設(shè)計(jì)

楊澄波 吳彬

[摘 要]直流開(kāi)關(guān)電源是各種電源中應(yīng)用范圍最廣泛和市場(chǎng)最大的一種，包括AC/DC和DC/DC兩種經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源己經(jīng)處于電源技術(shù)研究的核心地位。目前，開(kāi)關(guān)電源主要以小型、輕量和高效的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于幾乎所有的電子設(shè)備中，是當(dāng)今電子產(chǎn)品不可或缺的電源方式。正是因?yàn)槠鋼硇⌒突?、輕便化、高功率密度的等特點(diǎn)，在大功率電源應(yīng)用場(chǎng)合注定也是開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，有很多開(kāi)關(guān)電源開(kāi)始用在大功率的電鍍電源領(lǐng)域中。

[關(guān)鍵詞]大功率高頻 開(kāi)關(guān)電源 同步整流器 研究設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM461 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2018）22-0052-02

1、開(kāi)關(guān)電源研究概述

開(kāi)關(guān)電源，就是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓或者電流的電源，其主要用于需要輸出電壓較低而電流較大的場(chǎng)合中。在20世紀(jì)60年代以前，眾多電力電子裝置和電氣控制設(shè)備的工作直流電源都采用線性電源。線性調(diào)節(jié)器式的穩(wěn)壓電源存在著諸多的缺點(diǎn)。開(kāi)關(guān)電源作為取代線性電源的替代品，能夠很好地解決以上缺點(diǎn)，因此，在60年代以后，開(kāi)關(guān)電源開(kāi)始大規(guī)模取代線性電源稱為電源研究的重點(diǎn)。如今，開(kāi)關(guān)電源取代線性電源已有四五十年歷史，最早出現(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是與線性電源相似主電路拓?fù)涞拇?lián)型開(kāi)關(guān)電源，其功率晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了PWM開(kāi)關(guān)電源，其開(kāi)關(guān)頻率提高到了20KHz，效率也從30%-40%線性電源的提高到了65%-70%，可大幅度節(jié)約能源。

2、電源主電路原理分析與設(shè)計(jì)

2.1 大功率開(kāi)關(guān)電源同步整流器主電路結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)項(xiàng)目的需要，本設(shè)計(jì)中的電路基本結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)部分組成：輸入一次AC-DC三相整流部分和帶有變壓器隔離的輸出二次DC-DC整流部分。其中，變壓器隔離的二次DC-DC整流結(jié)構(gòu)主要包括高頻逆變器、高頻隔離變壓器、同步整流以及輸出濾波四個(gè)主要部分。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率流動(dòng)為單向，即從三相交流端AC流向直流端DC。在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，變壓器部分使用的是高頻變壓器，用以實(shí)現(xiàn)電壓比調(diào)整和高低壓側(cè)的電氣隔離。相比于工頻輸出的變壓器，高頻變壓器具有體積較小、噪音低的特點(diǎn)。相應(yīng)地，與傳統(tǒng)工頻整流電源相比，高頻開(kāi)關(guān)電源具有高效節(jié)能，重量輕，體積小，動(dòng)態(tài)性能好，適應(yīng)性更強(qiáng)，諧波含量低等顯著優(yōu)點(diǎn)。

2.2 大功率高頻開(kāi)關(guān)電源同步整流器工作原理

2.2.1 電源主電路圖確定

根據(jù)以上電路結(jié)構(gòu)的分析討論，確定出本文所設(shè)計(jì)的大功率開(kāi)關(guān)電源同步整流器的主電路圖，如圖1所示，電路的兩個(gè)主要部分，AC-DC變換器和DC-DC變換器分別詞用的是全橋逆變結(jié)構(gòu)和全橋同步整流結(jié)構(gòu)。由于二次整流部分變壓器初級(jí)側(cè)采用的是移相控制方式，所以該整流器又被稱為移相全橋軟開(kāi)關(guān)同步整流器。在大功率電路中，移相全橋軟開(kāi)關(guān)變換器的應(yīng)用非常廣泛。

2.2.2 電路控制方式與三種基本運(yùn)行狀態(tài)分析

電路的AC-DC輸入側(cè)三相整流為不可控的三相整流橋，這部分的作用是輸出逆變所需高壓直流電，電路較為簡(jiǎn)單，本文在其運(yùn)行方式上將不做講解。以下只分析前級(jí)逆變、高頻變壓器和后級(jí)同步整流三個(gè)部分即DC-DC關(guān)鍵部分的控制方式、工作原理和運(yùn)行狀況。

對(duì)于全橋變換器，其控制方式一般有兩種。雙極性控制方式和移相控制方式。雙極性控制方式的開(kāi)關(guān)管S1和S4、S2和S3同時(shí)開(kāi)通和關(guān)斷，其開(kāi)通時(shí)間不超過(guò)半個(gè)開(kāi)關(guān)周期，開(kāi)通角度小于180°。移相控制方式每個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通之間相差一個(gè)移相角。應(yīng)用不同的控制方式，全橋變換器工作情況有很大的差別，雙極性控制方式是全橋變換電路最基本的控制方式，它工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管的電流和電壓尖峰很高，需要很大的安全工作區(qū)，且開(kāi)關(guān)管的損耗較大，限制了開(kāi)關(guān)頻率的提高；而一向控制方式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，具有多方面的優(yōu)點(diǎn)，是中、大功率應(yīng)用場(chǎng)合的理想控制方式，從實(shí)現(xiàn)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)角度來(lái)說(shuō)，移相控制方式有更多的優(yōu)越性。

移相控制方式需要利用開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容和高頻變壓器的漏電感作為諧振元件。漏電感儲(chǔ)存的能量對(duì)功率開(kāi)關(guān)管的兩端并聯(lián)的輸出電容多放電來(lái)使開(kāi)關(guān)管兩端的電壓降到零，使電路的四個(gè)開(kāi)關(guān)管依次在零電壓下開(kāi)通，在緩沖電容的作用下零電壓關(guān)斷，從而有效降低電路的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲，減少了器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的電磁干擾。電路中開(kāi)關(guān)頻率保持不變，可以有效減小電壓電流應(yīng)力，從而減小變換器的體積和重量。

在變壓器次級(jí)側(cè)引入同步整流技術(shù)并使用同步整流全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DC-DC變換器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.3 含軟開(kāi)關(guān)技術(shù)及死區(qū)的電路工作過(guò)程及其模式分析

該移相全橋變換器工作于硬開(kāi)關(guān)方式。由于在續(xù)流狀態(tài)中，開(kāi)關(guān)管狀態(tài)變換的時(shí)刻的電流非常大，在這種硬開(kāi)關(guān)的工作方式下將會(huì)產(chǎn)生很大的功率損耗。移相控制軟開(kāi)關(guān)PWM變換的零電壓實(shí)現(xiàn)方法是給四個(gè)IGBT分別并聯(lián)合適的電容如圖所示，利用變壓器的漏感、寄生電容、以及并聯(lián)電容等諧振元件實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。如圖4所示。VD1-VD4為開(kāi)關(guān)管S1-S2的內(nèi)部反并二極管，C1-C4為開(kāi)關(guān)管S1-S4的寄生電容和外接電容，Ls為諧振電感，其包含變壓器的漏感和外接諧振電感。

總之，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展與不斷進(jìn)步以及能源節(jié)約型社會(huì)的大背景下，在低壓大電流的大功率電源應(yīng)用領(lǐng)域，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注電力電子系統(tǒng)的效率問(wèn)題。然而目前市場(chǎng)上應(yīng)于大功率場(chǎng)合的電源將不能滿足當(dāng)前的綠色和高效的發(fā)展需要。本文目的在于設(shè)計(jì)一款效率更高、運(yùn)行更安全、體積更小的大功率開(kāi)關(guān)電源。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱君鴻.大功率高頻開(kāi)關(guān)電源同步整流器研究與設(shè)計(jì)[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2014.

[2] 張朋朋.大功率高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].西南交通大學(xué)，2009.