軟開關(guān)高壓開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法分析

李志超

摘要：設(shè)計(jì)軟開關(guān)高壓開關(guān)電源能夠提高電源轉(zhuǎn)換效率和可靠性，提高輸出功率，滿足不同負(fù)載條件下對于電源的要求?；诖耍疚耐ㄟ^對開關(guān)電源、充電電源的簡單介紹，提出了軟開關(guān)高壓開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法。以期通過對開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，提高電源負(fù)載能力，提高電源性能，滿足更大范圍工作情境的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：軟開關(guān);高壓開關(guān);電源設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)方法

引言：軟開關(guān)是指使用軟開關(guān)技術(shù)的過程，將電路中的電流、電壓首先降為0，之后緩慢升高電流、電壓，使之達(dá)到斷態(tài)值，從而開關(guān)損耗顯著降低，接近于0。該技術(shù)的優(yōu)勢在于，可使開關(guān)過程中的損耗大幅度降低，并可實(shí)現(xiàn)功率變換器件的高頻化。如果軟開關(guān)技術(shù)能夠真正得到應(yīng)用，可以在較寬電壓環(huán)境下形成串聯(lián)諧振充電拓?fù)?，?shí)現(xiàn)恒流工作會大幅度提高電路的抗短路能力。為實(shí)現(xiàn)該目的，需設(shè)計(jì)一種配套的軟開關(guān)高壓開關(guān)電源。

一、開關(guān)電源

常見的高壓電容器充電電源一般為理想諧振電容器充電電源電路，如圖1所示。當(dāng)圖中顯示的有關(guān)參數(shù)，如Uin、Lr、Cr、fs等處于恒定狀態(tài)，且全部設(shè)定為軟開關(guān)狀態(tài)時(shí)，充電電流同樣能夠保持恒定。與此同時(shí)，電容器的電壓會呈現(xiàn)出線性上升的趨勢（但在電路實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下，電源電壓Uin卻并不是永恒不變的，而是必定出現(xiàn)變化）。不僅如此，由于變壓器的漏感和存在分布電容的特性，導(dǎo)致高壓整流二極管中也會出現(xiàn)寄生電容值?？傮w而言，該電路盡管表面成功應(yīng)用了軟開關(guān)技術(shù)，但實(shí)際上，充電電流根本無法保持恒定，需進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。

二、充電電源

若將電路設(shè)計(jì)為開環(huán)控制狀態(tài)，則高頻升壓變壓器以及高壓整流二極管的分布電容在運(yùn)行期間的相關(guān)參數(shù)變化情況便不可能被忽視，需基于等效電容加以描述。按此設(shè)想，實(shí)際串聯(lián)諧振電路應(yīng)符合等效電路的表示方式。其中，與電源串聯(lián)的電容與另一個(gè)電容、阻抗源件之間同樣為串聯(lián)關(guān)系，但另一個(gè)電容與阻抗源件之間則為并聯(lián)關(guān)系。采用此種設(shè)計(jì)之后，當(dāng)電路電流為0時(shí)，電容器電壓基本保持不變，故阻抗源件的影響微乎其微[1]。總之，實(shí)際電路經(jīng)此設(shè)計(jì)，實(shí)際上已經(jīng)成為串并聯(lián)諧振電路。按此思路，可保證電壓達(dá)到最大充電電容對應(yīng)參數(shù)時(shí)，充電電流也同時(shí)達(dá)到足夠大的區(qū)間，以實(shí)現(xiàn)高壓軟開關(guān)技術(shù)的運(yùn)用。

三、軟開關(guān)高壓開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法

（一）軟開關(guān)技術(shù)

在軟開關(guān)高壓開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，軟開關(guān)技術(shù)是技術(shù)基礎(chǔ)，可以有效解決由于匝比增加，寄生參數(shù)對于電路運(yùn)行影響的風(fēng)險(xiǎn)，及由于產(chǎn)生過高損耗造成器件損壞的風(fēng)險(xiǎn)。使用軟開關(guān)技術(shù)是利用漏電感和寄生電容參與諧振電路，實(shí)現(xiàn)關(guān)斷零電流并開通零電壓，將寄生參數(shù)不良影響降到最低。在電路中應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)，和高壓變壓器產(chǎn)生諧振作用，降低負(fù)面影響。

（二）高頻電源變換器的選擇

高頻高壓開關(guān)電源使用逆變器可分為硬開關(guān)和軟開關(guān)，其中軟開關(guān)的優(yōu)勢更為明顯，其具有高頻、損耗小特點(diǎn)，能夠滿足恒流源特性。根據(jù)場景和參數(shù)的要求，高頻電源具備恒流特性，可以減少電場火花電流，讓火花快速得到熄滅，讓電場能量得到恢復(fù)[2]。軟開關(guān)技術(shù)可以將寄生電容以及有害電感整合到一起，形成正弦波，讓電源轉(zhuǎn)換率得到提高。而硬開關(guān)技術(shù)抑制瞬時(shí)短路過流能力較為薄弱，且損耗較大，無法適應(yīng)應(yīng)用場景。因此選擇軟開關(guān)變換器。串并聯(lián)諧振變換器可以輸出高于或者低于輸入電壓的電壓，負(fù)載范圍相對較大，串并聯(lián)諧振電路給逆變電路提供零電壓的開通條件，減少開關(guān)的損耗。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)存在兩個(gè)元件以及三個(gè)分段諧振，電路具備串聯(lián)和并聯(lián)的諧振變換器，讓開關(guān)管關(guān)斷損耗達(dá)到減小，及零電壓開通。電路中元件電壓應(yīng)力小，且負(fù)載范圍大，開關(guān)頻率變化相對較小，負(fù)載較小時(shí)電流也小，滿足不同負(fù)載條件的要求。

（三）主電路諧振回路

高頻高壓逆變電路通過同時(shí)采取調(diào)頻混合以及直流調(diào)功兩種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)控制逆變電路，有效控制電壓的大小。通過開關(guān)頻率跟蹤諧振頻率調(diào)整負(fù)載電壓。逆變器可以轉(zhuǎn)變直流為方波電壓，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓以及變壓器保持諧振，負(fù)載兩端電壓達(dá)到最大值。高壓逆變電路本質(zhì)上是兩個(gè)正反充電過程，正向充電過程是電源向電容進(jìn)行充電，此時(shí)為正弦電流，且電容電荷保持最大值，充電電流保持0，將觸發(fā)信號關(guān)閉，電容放電后仍為正弦電流，此時(shí)回路電流為0。高壓逆變器具有強(qiáng)大的抗干擾能力，由于信號傳輸線路距離較長，強(qiáng)電脈沖通過磁場耦合以及電容分布的等效電感相疊加，傳輸至信號回路。當(dāng)?shù)刃盘栐磧?nèi)阻較等效干擾源阻抗大時(shí)，干擾得到顯著減小。在電路中使用觸發(fā)高電平器件，同樣可以讓抗干擾能力得到提升，因此考慮到電路功能的差異，選擇低干擾容限的器件，可以滿足抗干擾要求。注意觸發(fā)電路元件避免交叉，可以減少部分干擾，保證觸發(fā)電路保持較遠(yuǎn)距離。盡量將磁力線以及PCB平面保持平行，讓電感遠(yuǎn)離觸發(fā)板，將引線控制在最短，并盡量互相咬合，從而減少干擾強(qiáng)度，讓電路抗干擾性能得到顯著提高。

（四）高頻變壓器

變壓器設(shè)計(jì)有重要作用，由于參數(shù)復(fù)雜，使用Pspice軟件模擬軟開關(guān)工作狀態(tài)。設(shè)定輸入電壓48V，輸出電壓800V，功率250W，輸入電流5.21A，輸出電流0.3125A。輸入?yún)?shù)后給出設(shè)計(jì)方案，利用軟件生成設(shè)計(jì)表，由廠家負(fù)責(zé)生產(chǎn)。出于對倍壓電路壓降、變壓器占空比丟失的影響，采取匝數(shù)比7：120，觀察變壓器參數(shù)。

（五）倍壓電路

通過利用倍壓整流電路以及高頻變壓，達(dá)到了輸出高壓條件，輸出電壓越高，越需要選擇變壓比大、體積龐大的變壓器，造成變壓器寄生參數(shù)要求嚴(yán)格。選擇變壓比小、小體積的變壓器，并結(jié)合倍壓電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠適應(yīng)電流低但電壓高的場景。在提高倍壓級數(shù)后，可以進(jìn)行同樣的電壓輸出，在一定程度上減少變壓器的體積。擴(kuò)大濾波電容能夠在一定程度上減小輸出紋波，但也會造成電容體積增加，不利于電源減小電源的體積，也造成建設(shè)成本的增加。在設(shè)計(jì)上需要綜合考量。陰極端電壓對于紋波要求以及電壓穩(wěn)定度要求更高，因此倍壓整流電路中選擇容量較小的電容，設(shè)計(jì)濾波電路充分滿足工程的需求。

（六）控制電路

控制電路主要結(jié)構(gòu)為驅(qū)動、控制以及反饋電路，由控制電路實(shí)現(xiàn)信號的管控，及時(shí)傳遞向驅(qū)動電路，從而產(chǎn)生脈沖電壓信號驅(qū)動開關(guān)管。通過對變阻器進(jìn)行調(diào)整，反相器將電壓信號輸入至PWM芯片，通過信號反饋完成閉環(huán)控制，對比輸出電壓和誤差，使用PWM比較器調(diào)整信號，以保障穩(wěn)定輸出電壓[3]。驅(qū)動電路的高壓逆變器脈沖利用專用控制芯片，和PWM控制芯片一樣，含有振蕩器、基準(zhǔn)電源等，能夠?qū)^電流進(jìn)行控制。使用SG3525芯片通過四路脈沖輸出，實(shí)現(xiàn)延時(shí)控制功能，并完成相位調(diào)制。當(dāng)控制芯片端輸出電壓超過1V時(shí)，經(jīng)過觸發(fā)器，誤差放大器電平改變，引發(fā)相位調(diào)制，形成相位差。延遲電路將電路波形延遲，達(dá)到相位控制的目的，從而達(dá)到零電壓開關(guān)的功能。

（七）仿真分析

圍繞上文開展的高頻高壓開關(guān)電源設(shè)計(jì)進(jìn)行電路仿真分析，結(jié)合初始條件的變化情況，考慮到各諧振周期的影響，需依托仿真工具和復(fù)雜判斷條件開展仿真工作，具體選擇MATLAB，完成諧振過程的具體仿真。仿真過程需要綜合考慮多方面因素影響，包括充電速度等，同時(shí)限制諧振頻率和諧波，這種限制可保證通過仿真電路更好進(jìn)行模擬，同時(shí)需保證電感值設(shè)置合理，因此仿真設(shè)置50kHz的串聯(lián)諧振頻率。通過仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析不難發(fā)發(fā)現(xiàn)，在開關(guān)頻率變化影響下，諧振電流回路對應(yīng)存在的諧振頻率具體數(shù)值為50kHz，這一參數(shù)的確定說明開關(guān)頻率帶來的影響較為深遠(yuǎn)，在諧振回路電流方面有著直觀體現(xiàn)。通過適度將開關(guān)頻率增大能夠發(fā)現(xiàn)，其具體值與諧振頻率相等時(shí)存在最大諧振電流，超過該值后諧振電流會不斷減小。

圍繞趨勢變化開展仿真分析可以確定，諧振電流峰值會受到開關(guān)頻率的直接影響，這種影響會最終導(dǎo)致其提升至250A，相較于最初的40A差別加大，同時(shí)起始階段震蕩峰值在增加的開關(guān)頻率影響下也不斷提升，具體值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出穩(wěn)定值，電流穩(wěn)定存在于多個(gè)周期后。進(jìn)一步可以可以發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定后的諧振電流基本不發(fā)生變化。進(jìn)一步開展高頻高壓開關(guān)電源設(shè)計(jì)仿真還能夠發(fā)現(xiàn)，串并聯(lián)諧振變換器的電流源特性較為突出，電流大小能夠基于開關(guān)電源的頻率控制。按照諧振頻率的具體值控制開關(guān)頻率，通過仿真可發(fā)現(xiàn)類似于正弦波的最大幅值諧振電流，諧振電流屬于衰減正弦波的情況出現(xiàn)于3倍諧振頻率的開關(guān)頻率時(shí)，上述兩種情況分別以基波分量、三次諧波電流分量為主要的諧振電流成分。結(jié)合近年來的相關(guān)研究不難發(fā)現(xiàn)，諧振頻率如達(dá)到開關(guān)頻率基數(shù)倍，電流存在不同程度極大值，這類研究成果與本文研究得出的結(jié)論相同，因此上述仿真的價(jià)值得到證明。

結(jié)論：綜上所述，為適應(yīng)不同工作場景，設(shè)計(jì)軟開關(guān)高壓開關(guān)電源，選擇串并聯(lián)諧振軟開關(guān)對變壓器的電容以及電感進(jìn)行處理，進(jìn)而讓電源轉(zhuǎn)換率得到提高。并充分利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，調(diào)整電路參數(shù)，提高電源設(shè)計(jì)的可行性。經(jīng)過對電源設(shè)計(jì)的仿真分析，軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用顯著提高了電源效率，提高電源適應(yīng)負(fù)載范圍，讓電源的應(yīng)用范圍得到進(jìn)一步擴(kuò)大。

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