高壓軟開關充電電源硬件設計

趙強

摘 要：對任何的電設備來說，電源都是不可缺少的。開關充電電源替代了傳統意義上笨重工頻的變壓電源，縮小了電源自身體積。電源控制的電子設備處于開啟狀態，提高整機的效率。本文主要對電源開關工作原理進行了介紹，接著對軟開關技術進行了分析，最后探討了軟開關充電電源硬件設計。

關鍵詞：開關電源；軟開關；硬件設計

0 引言

開關電源是一項電子化技術，其使用功率轉換器實現電能間的轉換，轉換后的電能用來滿足各方面用電的需要。其較線型電源重量更輕、體積更小、效率更高，在計算機、電視機、自動化控制設備、通信設備等各領域得到廣泛的應用。

1 開關電源基本工作原理

開關電源有許多種形式，尤其是以調制型脈沖的寬度（PWM）最盛行，目前以該種形式開關電源的工作原理進行介紹。

主回路指由電網把能量傳給負載的一種回路，其他回路則被稱為控制類回路。

電網的交流電經濾波整流電路的輸入，進而獲得直流高波紋電壓，此后經過變換功率電路，轉換成滿足要求的波脈動電壓，再經整流形成連續直流低波紋電壓。

控制類回路在將開關高壓T動脈沖提高的同時，要實現電壓穩定輸出的控制，此外還要保護負載和電源元件。其通常是由檢測放大型電路、震蕩時鐘電路、電壓脈沖轉換V/W電路及自用的電壓等電路組合而成。

2 軟開關相關技術

目前的電力電子設備發展主要趨勢為輕量化。小型化，且對于裝置效率和電磁的兼容問題要求更高。通常，變壓器、濾波電感及電容在裝置重量和體積中所占比例較大。所以，要達到裝置的小型化、輕量化，就必須想辦法降低他們的體積與重量。由“電路”的相關知識可知，工作效率的提高可以使變壓器繞組間匝數減少，同時還可以使鐵心體積減小，從而讓變壓器往小型化發展。因此高頻化電路是設備輕量化、小型化的有效途徑。然而在提高開關頻率的同時，增加了開關的損耗，使電路運行效率降低，增大了電磁的干擾，可以知道簡單提高電源開關的頻率并不能從根本上解決問題。

軟開關相關技術的出現能夠使這些問題得到解決，其主要利用諧振輔助轉換電流的手段，解決了電路中開關的損耗及噪聲等問題，大幅度提高了開關頻率。

3 高壓軟開關充電電源硬件設計

3.1 主電路的選型

在開關諧振技術中適合于電容脈沖充電的是諧振串聯電路，其輸出結果近似看做恒流源（等臺階充電），其優點為充電的效率較高，且可以保護固有的短路。因為電源的功率過大，全橋電路且高頻變壓器副邊采取整流橋二極管整流。

3.2 電路工作方式與原理

直流（經過市電整流的）電壓經電路而逆變成頻率較高的交流方波電，該種高頻交流方波電經過高頻的變壓器升壓，經過二極管的整流橋進而得到穩定的電流，給電容充電。

設：IGBT開關的頻率為fs， 諧振的頻率為fr。

諧振串聯變換器工作方式以fs的大小主要有三種方式：

（1）第一種方式（fsfs>fr/2） 電流處于連續的工作狀態，實現電流為零切斷。但在開通過程中，同一個橋臂的兩開關有強制換流現象，所以開關的損耗和干擾較大；（3）第三種方式（fr

現對圖3-1負載串聯DC-DC變換器三種工作方式進行分析。

由圖得出，Cr與Lr形成串聯型諧振，同負載相互串聯，經諧振后的電流于負載一端被整流。在輸出端濾波的Cf足夠大，可以認為Cf兩端的電壓為直流無波紋電壓。若簡單進行分析則可忽略諧振電路損耗過小的電阻，輸出電壓V0反射至整流橋輸入端，用VCB表示，若IL為正值，VCB=V0，IL為負，VCB=-V0。

如果開關T加導通，當IL電流為正，電流流過T+，否則，流過D-二極管；

同上，當IL電流為負，若T-導通，流過T+；否則流過D+二極管。所以，圖1（a）有以下四種情況：

1.當IL>0時

T+導通： VAB=+Vd/2，VAC=Vd/2-V0；

D-導通： VAB=-Vd/2，VAC=-Vd/2-V0。

2.當IL<0時

T-導通： ：VAB=-Vd/2，VAC=-Vd/2+V0 ；

D+導通： VAB=+Vd/2，VAC=Vd/2+V0。

諧振槽上的電壓VAC由IL電流方向和哪一開關導通來決定。上面的方程表達的4種情形可由圖1（b）的等效電路表示。要引起高度的重視，采用這一電路要根據不同時間的間隔進行計算。各間隔內，應確定初始狀態條件，且要把VAB和VCB看做同一直流型電壓。

當處于穩定對稱的工作狀態時，兩開關處于相同的狀態，同樣，兩個二極管也處于相同的狀態，所以，只需要對運行的半個周期進行分析即可計算得到整周期運行狀態，這是因為另外半個周期運行的狀態和這前一半周期運行狀態是相互對稱的。

4 結語

本文結合當前開關電源的發展趨勢，在系統學習開關電源原理的基礎上，了解開關電源的主要設計過程及其相關方法；并爭取在電源的設計和制造等工作中加以應用，希望能給同行提供借鑒意義，促進高壓軟開關充電電源硬件設計的良好發展。

參考文獻：

[1]黃剛.開關電源及其功率材料的技術新動向[J].電氣時代，2002（10）.

[2]尚雷.王相慕.新型軟開關高壓脈沖電容恒流充電技術分析[J].強激光與粒子束，2001（02）.