高頻軟開關(guān)通訊電源電路的設(shè)計(jì)

劉 偉

(揚(yáng)州大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引 言

開關(guān)電源是電力電子的一個(gè)分支，是電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要內(nèi)容[1-4]。軟開關(guān)技術(shù)克服了硬開關(guān)電路中的一些缺點(diǎn)，如功率器件開關(guān)過(guò)程中同時(shí)出現(xiàn)功率器件電壓或電流應(yīng)力大、開關(guān)損耗大[5-6]。軟開關(guān)技術(shù)在雙管正激電路中也有很多應(yīng)用[7-10]，但大多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，甚至要加輔助開關(guān)管，增加了控制的復(fù)雜性。本次設(shè)計(jì)的軟開關(guān)雙正激變換器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要另加輔助開關(guān)管，同時(shí)具有高頻、高效、高功率密度的特點(diǎn)。

1 工作原理

1.1 主電路描述

雙正激高頻軟開關(guān)電源主電路如圖1所示，是一種應(yīng)用能量恢復(fù)緩沖電路的軟開關(guān)正激變換器開關(guān)電源。M1、M2為主開關(guān)管，D7為整流二級(jí)管，D8為續(xù)流二極管，M1、M2、D1、D4、變壓器及變壓器副邊的整流和濾波電路構(gòu)成雙正激變換器，變壓器原副邊匝比為K=N1/N2。C3、D5、D6、C4、D9、D10構(gòu)成緩沖電路，緩沖電路主要利用諧振原理實(shí)現(xiàn)功率管軟開關(guān)(C3>C1、C3>C4、C1=C2)。

初始狀態(tài)時(shí)電容C3、C4都己經(jīng)充電，C3的電壓為U1，左邊極性為正；C4電壓為-Ut2，右邊極性為正，Ut2為變壓器副邊電壓。一個(gè)開關(guān)周期中，變換器有6個(gè)開關(guān)模態(tài)，工作原理波形圖如圖2所示。

圖1 雙正激高頻軟開關(guān)電源的主電路

圖2 電路工作原理波形圖

1.2 工作模態(tài)

1.2.1開關(guān)模態(tài)0[t0,t1]

t0時(shí)刻，開通開關(guān)管M1和M2，由于漏感作用，為零電流導(dǎo)通。原邊電路上諧振電容C3與諧振電感L2通過(guò)開關(guān)M2、二極管D5諧振，有：

(1)

把初始條件UC3(t0)=U1代入方程解得：

(2)

1.2.2開關(guān)模態(tài)1[t1,t2]

t1時(shí)刻，電容C3的電壓己經(jīng)充到-U1，電容C4也已經(jīng)充電到變壓器副邊電壓與負(fù)載電壓的差值Ut2-Uo，由于漏感較小，因此認(rèn)為兩者電壓都基本不變，二極管D8上的電流己經(jīng)減少到零，停止續(xù)流，負(fù)載電流完全由變壓器副邊電流提供。在[t1,t2]時(shí)間段，變壓器向副邊傳輸能量，勵(lì)磁電流im線性增加：

(3)

Lm為勵(lì)磁電感。副邊二極管D7保持導(dǎo)通狀態(tài)，二極管D8處在截止?fàn)顟B(tài)，停止續(xù)流。

1.2.3開關(guān)模態(tài)2[t2,t3]

t2時(shí)刻，開關(guān)管M1和M2關(guān)斷。由于此時(shí)C3上的電壓為-U1，右邊極性為正，開關(guān)管M1和M2結(jié)電容上的電壓很小，是零電壓關(guān)斷(ZVS)。變壓器T和電感L1放電，變壓器原邊電流It1通過(guò)C3、D6、變壓器T續(xù)流，使存儲(chǔ)在變壓器漏感中的能量復(fù)位，即對(duì)C3反向充電，則有：

(4)

L=L1+LT,LT為變壓器初級(jí)線圈的電感。將初始條件為：UC3=-U1。代入解得：

(5)

1.2.4開關(guān)模態(tài)3[t3,t4]

1.2.5開關(guān)模態(tài)4[t4,t5]

t4時(shí)刻，緩沖電容電壓UC3充電到U1，緩沖電容C4的電壓反向充電到-Ut2。由于D6的反向阻斷作用，以及D1、D4的箝位作用，C3上的電壓不變。

1.2.6開關(guān)模態(tài)5[t5,t6]

存儲(chǔ)于變壓器中的能量通過(guò)續(xù)流二極管D1、D4復(fù)位，而不流過(guò)緩沖電容C3和二極管D6。當(dāng)原邊繞組的能量全部返回到輸入端時(shí)，電流下降到零，原邊繞組上的電壓也瞬時(shí)變?yōu)榱悖缓驧1和M2結(jié)電容對(duì)輸入端放電，直到M1和M2結(jié)電容上的電壓之和等于U1。副邊電容C4電壓保持不變。當(dāng)存儲(chǔ)于變壓器中的能量被完全復(fù)位，此模式開始并保持，直到開關(guān)M1和M2開通，此時(shí)又開了一個(gè)新的開關(guān)周期。

2 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)[11-14]

雙正激高頻軟開關(guān)電源電路由輸入整流濾波電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路及雙正激軟開關(guān)主電路等四部分組成，其中控制電路采用TL494來(lái)實(shí)現(xiàn)。雙正激軟開關(guān)電源的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：輸入交流電壓220 V±20%；交流電壓頻率50 Hz；輸出直流電壓24 V；輸出電流20 A；額定開關(guān)頻率50 kHz；效率>90%。

2.1 最大導(dǎo)通時(shí)間的確定

選擇開關(guān)周期T=1/fs=1/50 kHz=20 μs；初選D=0.4，則有TON=20 μs×0.4=8 μs。

2.2 輸入濾波電容的設(shè)計(jì)

為了保證整流濾波后的直流電壓最小值U1 min符合要求，每個(gè)周期中Cin所提供的能量約為:

(6)

則輸入濾波電容容量為:

(7)

實(shí)際工作時(shí)，此電容選擇大一些，有利于減小輸入端電流紋波。所以選取1 000 μF。

2.3 主功率變壓器和濾波電路參數(shù)的設(shè)計(jì)[15]

變壓器次級(jí)最低電壓U2 min應(yīng)為：

(8)

式中:UO為輸出直流電壓最大值;ULmax為濾波電感兩端電壓;UF為整流二極管正向電壓。

則變壓器原副邊變比:

K=U1 min/U2 min=211/67.75=3.11

(9)

選用磁芯EE40的主功率變壓器 ，次級(jí)繞組匝數(shù)15匝，初級(jí)繞組匝數(shù)50匝。

輸出濾波電感可按下式計(jì)算：

90 μH

(10)

輸出濾波電容的計(jì)算公式：

(11)

此電容選得大些，有利于減小輸出電壓紋波，最終此電容選用兩個(gè)容量為220 μF/50 V的電解電容并聯(lián)使用。

2.4 功率管及輸出整流二極管吸收電容的選擇

功率管的吸收電容的主要功能為功率管的耐壓保護(hù)和抑制噪聲，根據(jù)實(shí)用電源手冊(cè)，通常使用47～4 700 pF/(1～3 kV)的CBB薄膜電容器，結(jié)合ORCAD仿真和具體實(shí)驗(yàn)，選擇容量為2 200 pF的電容器作為功率管的吸收電容器。

根據(jù)實(shí)用電源手冊(cè)，輸出整流二極管的緩沖電容器通常使用330～4700pF/(1～3 kV)的CBB薄膜電容器，本課題結(jié)合ORCAD仿真和具體實(shí)驗(yàn)，選擇容量為1 000pF的電容器作為輸出整流二極管的緩沖電容器。

2.5 諧振回路電感和電容的設(shè)計(jì)

根據(jù)具體經(jīng)驗(yàn)，高頻軟開關(guān)電源的諧振回路的諧振周期一般小于1/10個(gè)開關(guān)電源周期，即:

(12)

本課題結(jié)合ORCAD仿真和具體實(shí)驗(yàn)，選擇容量為6nF的電容器作諧振回路的電容器，選擇容量為6 μH的電感作諧振回路的電感器。

2.6 主功率管和功率二極管的選擇

主功率管在截止期間承受的電壓與輸入電壓相同，而輸入電壓最大值低于373V，并且考慮到主功率變壓器原邊的電流較小，因而選用IRF450作為雙管正激式軟開關(guān)電源的主功率管。變壓器原邊功率二極管D1、D2、D7、D8、Dr、Dp采用MUR1550，變壓器副邊功率二極管D3、D4、D5、D6采用MBR3050。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

主要波形圖如圖3～6所示。實(shí)驗(yàn)波形與原理波形基本相一致，表明了電源電路設(shè)計(jì)的正確性并實(shí)現(xiàn)了電路的軟開關(guān)功能；與原理波形比較，實(shí)驗(yàn)電路波形存在電流尖峰和電壓尖峰，這是因?yàn)樵矸治鲋泻雎粤穗娐芳纳姼小⒓纳娙荨⒃骷杩箤?duì)電路的影

圖3 TL494輸出脈沖波形圖4 主功率管漏源電壓波形

響，而實(shí)際電路中寄生電感、寄生電容、元器件阻抗總是存在的； 電路最大輸出功率500 W，在額定輸出時(shí)效率達(dá)到93%，在負(fù)載從輕載到額定負(fù)載及輸入電壓變化范圍內(nèi)工作穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖5 主功率管漏極電流波形圖6 D7電壓波形

[1] 李永東.現(xiàn)代電力電子學(xué)原理及應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,2011.

[2] 王春鳳，李旭春，薛文軒，等一.開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010,29(9):142-145.

WANG Chun-feng,LI Xu-chun,XUE Wen-xuan,etal. Discussion on the Switching Mode Power Supply Experiment[J]. Research and Exploration in Laboratory,2010,29(9):142-145.

[3] 張躍勤，雷 敏，湯懷清.新型單片開關(guān)電源在自制實(shí)驗(yàn)裝置中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2007,26(1):39-40+58.

ZHANG Yue-qin,LEI Min,TANG Huai-qing. Application of Novel Single-Chip SMPS in Self-Made Experimental Device[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2007,26(1):39-40+58.

[4] 丘東元，段振濤，張 波，等.高頻開關(guān)電源教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2011,33(4):65-68.

QIU Dong-yuan,DUAN Zhen-tao,ZHANG Bo,etal. Design of High Frequency Switched Mode Power Supply Experimental Platform[J]. Journal of Electrical & Electronic Education, 2011,33(4):65-68.

[5] 阮新波，嚴(yán)仰光.直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社,2000.

[6] 謝 勇，孟 杰，黃麗娟，等.倍流整流移相全橋DC/DC變換器模糊PI控制[J].電力電子技術(shù),2012,46(7):28-30.

XIE Yong,MENG Jie,HUANG Li-juan,etal. Fuzzy PI Control of PSFB DC/DC Converter With Current-doubler-rectifier[J]. Power Electronics, 2012,46(7):28-30.

[7] 盛專成，李廣勇，賀懷謙.一種雙正激電路的軟開關(guān)拓?fù)鋄J].電力電子技術(shù)，2001,35(3)：43-46.

SHENG Zhuan cheng, LI Guang yong, HE Huai qian. A New Soft Switching Topology for Double Switching Forward Converter[J]. Power Electronics, 2001,35(3)：43-46.

[8] 魏署光，馬曉軍，閆之峰.一種改進(jìn)型ZVT雙管雙正激變換電路的研究[J].電力電子技術(shù)，2005,39(4):50-52.

WEI Shu-guang, MA Xiao-jun, YAN Zhi-feng. Development on an Improved Converting Circuit with Double ZVT Dual-transistor Forward[J]. Power Electronics,2005,39(4):50-52.

[9] 謝 勇，李杭軍,周禮中.雙管正激型開關(guān)電源研制[J].電力電子技術(shù)，2006,40(3):102-104.

XIE Yong,LI Hang-jun,ZHOU Li-zhong. Development of the Double Transistor Forward Switching Power Supply[J]. Power Electronics, 2006,40(3):102-104.

[10] 王 彬，張東來(lái)，高曉光.變壓器次級(jí)有源嵌位正激變換器的研究[J]. 電力電子技術(shù)，2006,40(3):48-49.

WANG Bin,ZHANG Dong-lai,GAO Xiao-guang. Research on a Forward Converter by using Secondary Active Clamp[J]. Power Electronics, 2006,40(3):48-49.

[11] 周志敏，周紀(jì)海. 開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京:人民郵電出版社,2003.

[12] 劉勝利.高頻開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[13] 普萊斯曼.開關(guān)電源設(shè)計(jì)(第二版)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[14] 張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004.

[15] 趙修科.實(shí)用電源技術(shù)手冊(cè)—磁性元器件分冊(cè)[M].沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2002.