大功率高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)探討

佛山市愛威斯電源有限公司 李展征

大功率高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)探討

佛山市愛威斯電源有限公司 李展征

大功率高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，涉及到的因素很多，應(yīng)該重點(diǎn)考慮電磁學(xué)、微電子技術(shù)等，明確電源設(shè)計(jì)的綜合性特點(diǎn)，確保電源在電力系統(tǒng)中的有效運(yùn)行。大功率的高頻開關(guān)電源，其在設(shè)計(jì)時(shí)，也要注意節(jié)能與環(huán)境，由此才能滿足電力系統(tǒng)及設(shè)備的根本需求。本文主要探討大功率高頻開關(guān)電源的相關(guān)設(shè)計(jì)。

大功率；高頻開關(guān)；電源

大功率高頻開關(guān)電源，也是交互式電源，其在電力系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了高頻化的電能轉(zhuǎn)換，采用不同類型的架構(gòu)方式，準(zhǔn)確的完成電能的轉(zhuǎn)換，滿足用戶端的基本需求。大功率高頻開關(guān)電源在設(shè)計(jì)的過程中，需要結(jié)合其在實(shí)際生活中的應(yīng)用，不僅是電力系統(tǒng)，還包括照明、通訊等領(lǐng)域，保障設(shè)計(jì)的規(guī)范性和有效性。

一、大功率高頻開關(guān)電源原理

1.系統(tǒng)組成

大功率高頻開關(guān)電源系統(tǒng)，具體組成框圖如下圖1，電源系統(tǒng)中，輸入條件是380V、50Hz的電壓，經(jīng)過蒸餾、濾波、H橋功率變換、高頻變壓器、輸出整流、濾波、負(fù)載及蓄電池等環(huán)節(jié)[1]。輸入的三相電壓380V，經(jīng)過H橋功率變換，配合雙極型晶體管，控制好開關(guān)的頻率，保持在20kHz的狀態(tài)，驅(qū)動電路的柵漏間，注重輔助電源、驅(qū)動電路、PWM電路、過壓及欠壓保護(hù)電路等，完成給定、PI調(diào)節(jié)器與輸出限流電路，避免影響大功率高頻開關(guān)電源的應(yīng)用。

2.設(shè)計(jì)原理

大功率高頻開關(guān)電源，屬于一類線性開關(guān)，處于開關(guān)狀態(tài)的電源設(shè)計(jì)，可以把基礎(chǔ)降壓電路作為研究案例，保障開關(guān)電源設(shè)計(jì)的有效性。大功率高頻開關(guān)電源是閉合狀態(tài)，設(shè)計(jì)中，持續(xù)電壓就會在電感器的兩端，發(fā)揮作用，促使電感的電流，表現(xiàn)出直線上升的狀態(tài)，開關(guān)開通后，電能會轉(zhuǎn)換存儲于電感器內(nèi)，達(dá)到開關(guān)電源關(guān)段時(shí)間中，負(fù)載的輸出要求。開關(guān)電源斷開，電感器輸入端的實(shí)際電壓，降低到零，電感的能量，要通過開關(guān)電源中配置的續(xù)流二極管實(shí)現(xiàn)負(fù)載的維持。大功率高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)原理中，可以利用伏秒平衡的方法，表示出電壓、輸入電壓之間的關(guān)聯(lián)性，明確開關(guān)的占空比，經(jīng)過開關(guān)電源的開通過程，明確設(shè)計(jì)的過程。

二、大功率高頻開關(guān)電源特點(diǎn)

大功率高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)，表現(xiàn)出了幾點(diǎn)特征，電氣設(shè)備使用中，容量持續(xù)性的增加，其在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該考慮市場因素的需求，進(jìn)而設(shè)計(jì)出大功率高頻開關(guān)電源。此類電源與傳統(tǒng)的開關(guān)電源進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，能夠降低開關(guān)電源在電網(wǎng)中的影響力度，符合節(jié)能、環(huán)保的要求[2]。開關(guān)電源的設(shè)計(jì)過程中，強(qiáng)調(diào)大功率高頻設(shè)計(jì)，以此來減少開關(guān)電源的體積，能夠根據(jù)實(shí)際的情況，靈活的控制好電源的電感、電容等，合理降低生產(chǎn)的成本，發(fā)揮大功率高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)的優(yōu)勢。

大功率高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)時(shí)，除了自身的特點(diǎn)以外，其在功能上，還表現(xiàn)出了以下幾項(xiàng)特點(diǎn)。分析如：(1)大功率高頻開關(guān)電源，能夠在實(shí)時(shí)的狀態(tài)下，監(jiān)控電源的輸出數(shù)值，包括電壓和電流數(shù)據(jù)；(2)電源設(shè)計(jì)后，要具備掉電記憶保護(hù)的功能特征；(3)電源設(shè)計(jì)中，根據(jù)功能需求，使用RS485通信接口，連接上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)通信，上位機(jī)在大功率高頻開關(guān)電源中，利用上位機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)控電源的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)；(4)自均流功能，促使大功率高頻開關(guān)電源在設(shè)計(jì)中，能夠?qū)嵭泄δ艿臄U(kuò)展，以便滿足現(xiàn)場的功能需求；(5)大功率高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)的功能特征，具備輸出過流、過壓的保護(hù)特征，采用多種方式保護(hù)電路，具備指示燈報(bào)警的功能。

三、大功率高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)

大功率高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面，分別是：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、硬件電路和軟件電路，具體分析如下。

1.拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是大功率高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，大功率高頻開關(guān)電源的功率拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)了高頻逆變，完成整個(gè)開關(guān)電源的能量轉(zhuǎn)換，屬于比較核心的單元。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是影響大功率高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)的重點(diǎn)要素，要按照電源設(shè)計(jì)的實(shí)際需求，準(zhǔn)確的選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制整個(gè)開關(guān)電源的系統(tǒng)。大功率高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，注重功率輸出數(shù)據(jù)、電壓范圍，包括輸入和輸出、斬波電流等，實(shí)行綜合的分析，重點(diǎn)把控好輸出功率與輸入功率，確定出可用的電壓比，以此來滿足大功率高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。

2.硬件電路

首先是大功率高頻開關(guān)電源硬件電路設(shè)計(jì)中的整體結(jié)構(gòu)，因?yàn)橛布娐肥情_關(guān)電源設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)，所以其直接關(guān)系到電源的效率與性能。整體結(jié)構(gòu)中，取消以往的硬件模擬電路，在設(shè)計(jì)的過程中，按照輸入保護(hù)、濾波、高頻逆變的要求，規(guī)范整體結(jié)構(gòu)中的模塊，利用橫向開關(guān)分析，明確整流級別、輸出整流級以及中間逆變級，在縱向開關(guān)電源的作用下，設(shè)計(jì)驅(qū)動級、控制級與功率級。大功率高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，應(yīng)該簡化電路設(shè)計(jì)，將電路以及驅(qū)動電路，集成到PWM控制器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)電路簡化，提高電路自身的抗干擾能力，以便提高電源應(yīng)用的靈活性，PWM控制上，開關(guān)電源設(shè)計(jì)后，將其改為數(shù)字化集成芯片，提高主控器的控制作用。

然后是功率級電路設(shè)計(jì)，分為輸入整流模塊和共模電感。整流模塊負(fù)責(zé)開關(guān)電源與電網(wǎng)的連接，實(shí)現(xiàn)交流到直流的變化，抑制雷電在電力系統(tǒng)中的浪涌沖擊。共模電感在開關(guān)電源中，起到保護(hù)作用，利用共模電感，消除寄生效應(yīng)，還能排除高頻對地電流的干擾。

最后是智能控制電路在開關(guān)電源中的設(shè)計(jì)，其為開關(guān)電源的最高端，完成環(huán)路控制、系統(tǒng)保護(hù)等，目的是確保開關(guān)電源設(shè)計(jì)和運(yùn)用的準(zhǔn)確性[3]。環(huán)路控制是智能控制電路在大功率高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的核心，相應(yīng)電源應(yīng)用的速度，提供智能調(diào)節(jié)的作用，能夠?qū)崿F(xiàn)大量數(shù)據(jù)的運(yùn)算，保障電路的運(yùn)行安全，尤其是過壓保護(hù)、過溫保護(hù)、過流保護(hù)等，完善大功率高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方式。

3.軟件電路

大功率高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)的軟件電路，合理選擇我控制器，明確電源設(shè)計(jì)的編程環(huán)境和語言，編寫核心控制器的程序。軟件電路設(shè)計(jì)時(shí)，按照由下向上或者由上向下的順序，設(shè)計(jì)出可用的軟件電路，提高大功率高頻開關(guān)電源的效率，選擇模塊化的設(shè)計(jì)方法，細(xì)化軟件電路中的模塊，規(guī)劃出物理、驅(qū)動、處理與應(yīng)用層次，保障系統(tǒng)具備移植性與易讀性，利用開關(guān)即可設(shè)置大功率高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，選擇相應(yīng)的模式。軟件電路在大功率高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，與硬件相互配合，充分發(fā)揮軟件電路的作用，進(jìn)而提高大功率高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)中軟件電路的工作水平，保證軟件電路在開關(guān)電源設(shè)計(jì)的有效性，避免軟件電路出現(xiàn)工作負(fù)擔(dān)。

四、結(jié)束語

大功率高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，明確電源結(jié)構(gòu)的實(shí)際設(shè)計(jì)，遵循邏輯控制的原則，改進(jìn)大功率高頻開關(guān)中的各種不足，保障電源輸出的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)還要解決電磁兼容的問題，保證開關(guān)電源的各項(xiàng)設(shè)計(jì)，均能符合技術(shù)指標(biāo)，促使大功率高頻開關(guān)電源，具有獨(dú)立的控制體系，以便提高電源設(shè)計(jì)的可靠性及穩(wěn)定性。

[1]李展征．大功率高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J]．電子技術(shù)與軟件工程,2016,(21):118．

[2]高海生,張前彬,黃?。?10V大功率高頻開關(guān)電源的研制[J]．華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2004,(05):1-4．

[3]鄭武．高頻大功率開關(guān)電源電磁兼容設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2014,(06):26-30．

李展征（1978—），男，廣東順德人，大學(xué)本科，現(xiàn)供職于佛山市愛威斯電源有限公司，研究方向：電源設(shè)計(jì)。