高功率密度大功率電源關鍵技術研究

陳雙喜

摘 要：本文根據電源研發的指標要求，基于大功率開關電源的實現方案，研究了高功率密度大功率電源的關鍵技術，主要內容包括主電路拓撲結構、方案設計、整流濾波技術、仿真技術等。

關鍵詞：高功率密度;大功率;電源;關鍵技術

中圖分類號： TL503.5 ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號： 1673-1069（2017）01-176-2

0 ?引言

經過長期的發展，電源技術已經非常成熟，包括軟開關技術、組裝技術、整流技術、智能化控制技術等，電源技術的未來發展方向為智能化、高頻化、綠色化、高功率密度以及高可靠性等。

對于電源工程師來說，高功率密度是主要的追求目標，提高開關的頻率、減小變壓器和濾波電感電容的體積是研發重點，要想達到這個目標，高頻變壓器的磁芯要使用高導磁率、高飽和磁感應強度、低損耗以及良好穩定性的鐵磁材料，現在市場上小功率開關電源的功率密度較高，例如，最大輸出功率600W的軟開關DC/DC產品的功率密度為120W/in3[1]，大功率開關電源工頻隔離產品的功率密度小于0.1W/cm3，相對于小功率開關電源，大功率開關電源的功率密度有較大的提升空間。

1 ?開關電源的方案設計

1.1 結構方案

如果是一個閉環數字控制直流電源系統，一般包括功率變換、檢測反饋和控制驅動三部分。（如圖1所示）大功率開關電源常用的結構方案有三種：分別是單功率單元單控制方案、多功率單元井聯單控制系統方案和多功率單元多控制系統方案。其中單功率單元單控制方案下，一個控制器控制一個功率單元，其優點是高頻變壓器副邊具有較好的均流特性，其缺點是對元器件的性能要求較高，大容量高頻變壓器的設計和制作比較困難;多功率單元井聯單控制系統中多個功率單元共用控制系統，每個功率單元具有相同的硬件電路，[2]其優點是控制器成本相對較低，但是如果全功率輸出電源，各個功率單元不均流;多功率單元多控制系統中每個功率單元具有獨立的控制系統，解決了各功率單元并聯均流的問題，可以進行模塊化生產，但是控制相對較復雜，不易進行同步控制。[3]

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圖1

1.2 主電路方案

1.2.1 ?輸入整流方案

輸入整流電路將市電整流為直流電，供給逆變電路，包括二極管整流技術和晶閘管整流技術。二極管整流設備比較簡單，產生的高次諧波較少，晶閘管整流可以調節整流輸出電壓，但設備較復雜，可靠性不高，產生的高次諧波較多。從設計應用背景的角度，采用較多的是二極管整流方式。

1.2.2 ?DC/DC方案

直流變換器分為不帶隔離變壓器和帶隔離變壓器，逆變拓撲結構包括正激、反激、推挽、半球等結構。如果功率開關的電壓和電流相同，輸出功率與開關管的數量成正比。全橋直流變換器廣泛應用于大功率場合，[4]如果直流變換器沒有電氣隔離，可以通過改變占空比來改變輸出電壓，有隔離變壓器的直流變換器具有電氣隔離作用，電源的利用率較高。輸出高頻整流有半波、全流和全橋三種，其中全波整流應用于低壓場合。本文采用的是全橋有電氣隔離的全波整流輸出DC/DC變換器。

2 ?開關電源的參數設計

功率電路的基本參數為：P=200kW;電網波動10%;輸入電壓342-418V（AC），輸出電壓80V（DC），電流2500A，整機效率90%。采用的是四路相同功率單元并聯輸出，單路的輸出功率為60kW。

2.1 輸出整流部分

主接觸器的規格為100A/690V，進線電流為1-2倍的安全裕量;熔斷器的電流為150A;三相整流橋的輸出電壓為461-564V，三相整流輸出電流為118-144A，輸出電流的峰值為124-152A，直流輸出電阻為4歐，三相整流橋的進線電流為101-124A。三相整流電路的額定電壓取1600V，額定電流取300A。

為了保證輸出電壓的平直，一般電解電容的耐壓值為400V，為了滿足耐壓的需要，兩個電容要進行串聯，電容量減為一增。為滿足電容量的要求，選擇3300UF/450V電解電容兩兩串聯后半聯作為濾波電容，限流電抗設定為2mH/200A。

2.2 逆變部分

IGBT承受的正向電壓即為前端整流器的輸出電壓，留有2-3倍的安全裕量，IGBT的額定電壓為1026-1539V，負載電壓取1200V，逆變輸出基波電流為144A，最大電流為180.49A。

3 ?開關電源關鍵技術

3.1 濾波技術

濾波器設計是電磁兼容設計的重要環節，濾波器的性能決定著電器設備是否正常運行，一般根據電壓電流的紋波要求來選擇濾波器參數。濾波技術下可以選擇性地傳輸信號，濾波器可以減少開關器件的電應力，抑制輸入端的脈動電壓和輸出紋波。

根據處理信號的不同，濾波器可以分為數字和模擬兩種，根據應用的器件不同可以分為有源和無源兩種。有源濾波器是可以進行動態濾波，補充功率。本文研究的開關電源采用的是無源濾波技術。

在電路中，陰極和陽極各有三個二極管，陽極所接入的交流電壓值最高，陰極接入的交流電壓值最低，不論哪種情況下共陽極和共陰極組都有一個二極管是導通的。整流輸出波形為六個波頭，如果沒有二極管導通，則電容供電，電壓逐漸下降，二極管組成的三相整流電路將交流電轉換，濾波后為直流電壓，供給逆變電路。[5]

3.2 PSPICE仿真技術

PSPICE主要進行計算機系列的電路原理分析，廣泛應用于電路分析以及優化設計領域，可以進行自動化電子設計，完成電路性能仿真、參數分析、優化設計等功能，可以取代電路和電路實驗中的器件，是通用電路模擬程序中應用較廣泛的軟件。

通過仿真可以研究整流橋后加電容濾波、整流橋后加LC濾波、整流橋前加電感整流橋后加電容三種情況，不同的濾波，可以產生不同的電流變化，Lc濾波也會對電源輸出紋波以及功率因數產生影響，前級和后級LC濾波會產生不同的作用。不同電感時電源功率因數變化如表1所示。

表1

[電感＼&0.2×3＼&0.3×3＼&0.4×3＼&0.5×3＼&0.6×3＼&THD

功率因數＼&59.90%

0.857823＼&45.20%

0.911020＼&38.85%

0.932031＼&34.07%

0.946566＼&30.22%

0.957190＼&]

通過仿真可以看出，單個電容濾波時，各相電流的畸變較大，功率因數低，輸出電壓的波動較大;三相整流輸出加上LC濾波后，電流的波動較小，功率提高，輸出電壓的波動減小。如果電感在整流橋之前加入，電感會增大，功率因數會提高，電感如果為1.8mH，則比LC濾波的功率因數要大;整流橋前進線電路加電感，如果整流橋發生短路，電抗會阻礙電流的突變，為進行系統檢測爭取了時間，整流橋后加電感，三個電感的體積大于相同電感量的電感，成本較高。

總之，三相整流后濾波對功率因數的影響較大，但對電壓紋波的影響較小，全波整流后對功率因數的影響較小，主要吸收的是全波整流電壓中的高頻部分，從而致使負載電壓產生較小的波動。

參 考 文 獻

[1] C.R.Swartz.新型功率系統級封裝隔離轉換器—設定行業尺寸—功率密度和系統設計靈活性[J].Design Ideas，2013.

[2] 張欣.一種輔助電流可控的移相全橋零電壓開關變換器[J].電工技術學報，2014.

[3] 李宏.全橋移相大功率開關電源的設計[D].江南大學，2015.

[4] 陳武，等.DC/DC多模塊串并聯組合系統控制策略[J].電工技術學報，2013.

[5] 李曉帆，等.大功率低電壓大電流開關電源輸出電路研究[J].船電技術，2014.