軟開關高壓開關電源設計方法分析

李志超

摘要：設計軟開關高壓開關電源能夠提高電源轉換效率和可靠性，提高輸出功率，滿足不同負載條件下對于電源的要求。基于此，本文通過對開關電源、充電電源的簡單介紹，提出了軟開關高壓開關電源設計方法。以期通過對開關電源的設計，提高電源負載能力，提高電源性能，滿足更大范圍工作情境的應用。

關鍵詞：軟開關;高壓開關;電源設計;設計方法

引言：軟開關是指使用軟開關技術的過程，將電路中的電流、電壓首先降為0，之后緩慢升高電流、電壓，使之達到斷態值，從而開關損耗顯著降低，接近于0。該技術的優勢在于，可使開關過程中的損耗大幅度降低，并可實現功率變換器件的高頻化。如果軟開關技術能夠真正得到應用，可以在較寬電壓環境下形成串聯諧振充電拓撲，實現恒流工作會大幅度提高電路的抗短路能力。為實現該目的，需設計一種配套的軟開關高壓開關電源。

一、開關電源

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。當圖中顯示的有關參數，如Uin、Lr、Cr、fs等處于恒定狀態，且全部設定為軟開關狀態時，充電電流同樣能夠保持恒定。與此同時，電容器的電壓會呈現出線性上升的趨勢（但在電路實際運行狀態下，電源電壓Uin卻并不是永恒不變的，而是必定出現變化）。不僅如此，由于變壓器的漏感和存在分布電容的特性，導致高壓整流二極管中也會出現寄生電容值。總體而言，該電路盡管表面成功應用了軟開關技術，但實際上，充電電流根本無法保持恒定，需進行進一步調整。

二、充電電源

若將電路設計為開環控制狀態，則高頻升壓變壓器以及高壓整流二極管的分布電容在運行期間的相關參數變化情況便不可能被忽視，需基于等效電容加以描述。按此設想，實際串聯諧振電路應符合等效電路的表示方式。其中，與電源串聯的電容與另一個電容、阻抗源件之間同樣為串聯關系，但另一個電容與阻抗源件之間則為并聯關系。采用此種設計之后，當電路電流為0時，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，實際電路經此設計，實際上已經成為串并聯諧振電路。按此思路，可保證電壓達到最大充電電容對應參數時，充電電流也同時達到足夠大的區間，以實現高壓軟開關技術的運用。

三、軟開關高壓開關電源設計方法

（一）軟開關技術

在軟開關高壓開關電源設計中，軟開關技術是技術基礎，可以有效解決由于匝比增加，寄生參數對于電路運行影響的風險，及由于產生過高損耗造成器件損壞的風險。使用軟開關技術是利用漏電感和寄生電容參與諧振電路，實現關斷零電流并開通零電壓，將寄生參數不良影響降到最低。在電路中應用軟開關技術，和高壓變壓器產生諧振作用，降低負面影響。

（二）高頻電源變換器的選擇

高頻高壓開關電源使用逆變器可分為硬開關和軟開關，其中軟開關的優勢更為明顯，其具有高頻、損耗小特點，能夠滿足恒流源特性。根據場景和參數的要求，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[2]。軟開關技術可以將寄生電容以及有害電感整合到一起，形成正弦波，讓電源轉換率得到提高。而硬開關技術抑制瞬時短路過流能力較為薄弱，且損耗較大，無法適應應用場景。因此選擇軟開關變換器。串并聯諧振變換器可以輸出高于或者低于輸入電壓的電壓，負載范圍相對較大，串并聯諧振電路給逆變電路提供零電壓的開通條件，減少開關的損耗。在一個開關周期內存在兩個元件以及三個分段諧振，電路具備串聯和并聯的諧振變換器，讓開關管關斷損耗達到減小，及零電壓開通。電路中元件電壓應力小，且負載范圍大，開關頻率變化相對較小，負載較小時電流也小，滿足不同負載條件的要求。

（三）主電路諧振回路

高頻高壓逆變電路通過同時采取調頻混合以及直流調功兩種技術，實現控制逆變電路，有效控制電壓的大小。通過開關頻率跟蹤諧振頻率調整負載電壓。逆變器可以轉變直流為方波電壓，實現負載電壓以及變壓器保持諧振，負載兩端電壓達到最大值。高壓逆變電路本質上是兩個正反充電過程，正向充電過程是電源向電容進行充電，此時為正弦電流，且電容電荷保持最大值，充電電流保持0，將觸發信號關閉，電容放電后仍為正弦電流，此時回路電流為0。高壓逆變器具有強大的抗干擾能力，由于信號傳輸線路距離較長，強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。當等效信號源內阻較等效干擾源阻抗大時，干擾得到顯著減小。在電路中使用觸發高電平器件，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。注意觸發電路元件避免交叉，可以減少部分干擾，保證觸發電路保持較遠距離。盡量將磁力線以及PCB平面保持平行，讓電感遠離觸發板，將引線控制在最短，并盡量互相咬合，從而減少干擾強度，讓電路抗干擾性能得到顯著提高。

（四）高頻變壓器

變壓器設計有重要作用，由于參數復雜，使用Pspice軟件模擬軟開關工作狀態。設定輸入電壓48V，輸出電壓800V，功率250W，輸入電流5.21A，輸出電流0.3125A。輸入參數后給出設計方案，利用軟件生成設計表，由廠家負責生產。出于對倍壓電路壓降、變壓器占空比丟失的影響，采取匝數比7：120，觀察變壓器參數。

（五）倍壓電路

通過利用倍壓整流電路以及高頻變壓，達到了輸出高壓條件，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要求嚴格。選擇變壓比小、小體積的變壓器，并結合倍壓電路進行設計，能夠適應電流低但電壓高的場景。在提高倍壓級數后，可以進行同樣的電壓輸出，在一定程度上減少變壓器的體積。擴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，也造成建設成本的增加。在設計上需要綜合考量。陰極端電壓對于紋波要求以及電壓穩定度要求更高，因此倍壓整流電路中選擇容量較小的電容，設計濾波電路充分滿足工程的需求。

（六）控制電路

控制電路主要結構為驅動、控制以及反饋電路，由控制電路實現信號的管控，及時傳遞向驅動電路，從而產生脈沖電壓信號驅動開關管。通過對變阻器進行調整，反相器將電壓信號輸入至PWM芯片，通過信號反饋完成閉環控制，對比輸出電壓和誤差，使用PWM比較器調整信號，以保障穩定輸出電壓[3]。驅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、基準電源等，能夠對過電流進行控制。使用SG3525芯片通過四路脈沖輸出，實現延時控制功能，并完成相位調制。當控制芯片端輸出電壓超過1V時，經過觸發器，誤差放大器電平改變，引發相位調制，形成相位差。延遲電路將電路波形延遲，達到相位控制的目的，從而達到零電壓開關的功能。

（七）仿真分析

圍繞上文開展的高頻高壓開關電源設計進行電路仿真分析，結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行模擬，同時需保證電感值設置合理，因此仿真設置50kHz的串聯諧振頻率。通過仿真得到的數據進行分析不難發發現，在開關頻率變化影響下，諧振電流回路對應存在的諧振頻率具體數值為50kHz，這一參數的確定說明開關頻率帶來的影響較為深遠，在諧振回路電流方面有著直觀體現。通過適度將開關頻率增大能夠發現，其具體值與諧振頻率相等時存在最大諧振電流，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頻率的直接影響，這種影響會最終導致其提升至250A，相較于最初的40A差別加大，同時起始階段震蕩峰值在增加的開關頻率影響下也不斷提升，具體值遠遠高出穩定值，電流穩定存在于多個周期后。進一步可以可以發現，穩定后的諧振電流基本不發生變化。進一步開展高頻高壓開關電源設計仿真還能夠發現，串并聯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電源的頻率控制。按照諧振頻率的具體值控制開關頻率，通過仿真可發現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于3倍諧振頻率的開關頻率時，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。結合近年來的相關研究不難發現，諧振頻率如達到開關頻率基數倍，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論相同，因此上述仿真的價值得到證明。

結論：綜上所述，為適應不同工作場景，設計軟開關高壓開關電源，選擇串并聯諧振軟開關對變壓器的電容以及電感進行處理，進而讓電源轉換率得到提高。并充分利用計算機軟件進行電路設計，調整電路參數，提高電源設計的可行性。經過對電源設計的仿真分析，軟開關技術的應用顯著提高了電源效率，提高電源適應負載范圍，讓電源的應用范圍得到進一步擴大。

參考文獻：

[1]馮君璞，洪俊杰，江梓丹.開繞組電機伺服控制中開關電源的設計與應用[J].電氣傳動，2021，51（17）：23-27.

[2]劉亞輝.基于輸入串聯反激變換的超寬輸入電源設計[J].煤炭技術，2021，40（08）：190-192.

[3]汶濤，諸文智，張超，等.基于ZVS設計的開關電源傳導干擾抑制效能研究[J].電力電子技術，2021，55（07）：15-18.