大功率高频开关电源的设计要点
110V大功率高频开关电源的研制要点
收稿日期:2004-06-10作者简介:高海生(1960-,男,浙江平阳人,华东交通大学教授.文章编号:1005-0523(200405-0001-04110V 大功率高频开关电源的研制高海生1,张前彬2,黄健1(1.华东交通大学,江西南昌,330013;2.解放军93897部队装备处,陕西西安,710077摘要:介绍了新型电力机车110V/80A 大功率高频开关电源的设计方案、核心器件及其应用,给出了电源的实验和仿真结果.关键词:开关电源;电力机车;IPM ;SG 1525中图分类号:T M910.2文献标识码:A0引言我们知道,从SS1131到SS8准高速列车一直使用的是110V 晶闸管相控式直流稳压电源.这种电源大致有这么几点缺陷:1用作396V 和110V 电气隔离的工频变压器,以及平波电抗器的体积很大(占据了电源低柜几乎全部空间,重量也大得惊人(不低于400公斤;2由于平波电抗器的容量有限,经过L -C 滤波后的输出电压仍有较大纹波;3这种开关电源在响应速度、转换效率和稳压精度等方面也很低.理论分析和实践经验表明,电器产品的体积、重量随供电频率的平方根成反比的减小,所以当把频率从50H z 提高到20kH z ,提高400倍,用电设备的体积、重量大体上降至工频设计的5%~10%.这正是开关电源得以实现功率变换而带来明显效益的根本原因[1].可见,研制开发新一代的电力机车大功率高频开关电源是非常有实用价值的.1设计方案1.1主回路的设计主回路的设计采用AC -DC -AC -DC 结构,其设计方案如图1所示.按照标准T B/T 1395-XXXX (代替T B/T 1395-1981,电源的主回路设计参数见表1.第21卷第5期2004年10月华东交通大学学报Journal of East China Jiaotong University V ol.21No.5Oct.,2004表1电源设计参数一览表编号项目技术参数编号项目技术参数1输入电压0.7Un ~1.25Un 6稳压调整率±1.0%2工作频率20kH z7限流精度≤1.0%3转换效率额定>90%8纹波系数 1.0%4输出电压110V ±1.0%9重量45K g 5输出功率8.8kW10尺寸45033503450(mm注:Un 为标准输入电压396V1图1中,逆变器的设计采用的是半控桥式结构,这既能缩减电源的体积和重量,又能降低成本.主回路设计的一个重要内容,就是高频开关器件的选择.本设计优先考虑的是近年来广泛使用的混合集成功率器件IPM (智能功率模块.IPM 这种开关器件,是由高速、低耗的IG BT 模块和优化了的门极驱动和保护电路构成,采用了能连续监测功率器件电流的IG BT 芯片,具有很好的电流和短路保护能力.IPM 模块内部集成有驱动电源欠压、短路、过流、过热等多种保护功能,这些保护的动作信号集中汇集成一个所谓的“错误信号FO ”,送到模块外面供系统监控使用.它的这个特点,使得系统的监控非常方便和有效.关于IPM 的内部结构和原理,本文不作详细介绍,请参阅文献[2].1.2控制回路的设计电源的控制采用的是硬件控制方式,这是基于机车运行环境的特殊性决定的.控制回路的设计如图2所示.它采用PW M 闭环控制模式,其核心器件为PW M 集成控制器SG 1525,该芯片不仅输出两列PW M 脉冲,而且还为控制电路提供一个精度为±1%的+5V 基准电压Uref.电气结构相互并联的输出电压、输出电流和充电电流三部分调节器均采用PI 调节方式,这样既提高了调节的速度又保证了调节的稳定精度.为了保证蓄电池在亏空的情况下,以一有限电流向其充电,避免损坏蓄电池,对充电电流的调节是不可缺少的.电源的保护逻辑主要包括:电源输入过压(Uover 与欠压、IPM 错误信号FO 和风扇故障(FF 等.电源工作初始,首先接通限流电阻(图1中R1对电容器充电,直到检测到输入电压正常(Uok 时,由保护逻辑电路1产生一个软启动信号SS 启动SG 1525,进而驱动IPM 工作;同时还产生信号K 2使主回路接触器K 2闭合,限流电阻被切断,电源进入正常工作.如果系统出现Uover 、FO 或FF 信号,保护逻辑电路2将输出开关信号K 1、关断信号S D 和复位信号,它们分别用来关断开关K 1、封锁SG 1525和三路调节器,这时开关电源工作停止.等到这些保护信号全部消失后,借助手动复位才可实现设备的重启.如果系统出现欠压信号,信号K 2和SS 则发生电平翻转,开关K 2断开,限流电阻接入,开关电源处于待机等候状态.由于IPM 自身错误信号FO 已经包括了过流、过热和短路等信号,所以这里没有必要再考虑这些保护措施.此外,考虑到排风扇在电源散热中的重要作用,这里还增加了排风扇故障保护逻辑,以避免风扇自身故障导致散热不良而引发的设备故障或损坏.控制电路的工作电源选用的是LAM BDA 公司生产的110V/15V 集成功率模块,外加LM7805,便可以得到所需的±15V 和+5V 电压,这样就省掉了额外的工作电源,从而缩减了空间和重量.此外,在主控回路的电气隔离设计上,也充分利用了检测传感器自身的隔离作用.1.3单片机系统的设计单片机系统的设计如图3所示,其核心器件为AT89C51,配以其它外围器件,便构成了一个集检测、显示、报警、存储和通信等多种功能的单片机系统.由于机车用110V 电源为一用一备,而两台电源是装在一台设备柜里的,所以一台设备只设计了一套单片机系统,两台电源共用.该系统要对五个量进行检测,它们是输出电2华东交通大学学报2004年压、输出电流、充电电流、环境温度和电源内部温度.前三个量为模拟量传感器检测,经过信号放大器AD620送入A/D 转换器T LC2543中,T LC2543是一个多通道输入、单通道输出的12位模数转换器件,转换精度较高,与单片机的接口也很简单;温度检测采用单总线数字温度传感器DS18B20.被检测量采用数显方式,总共18块7段数码管中的16块用来组合五种显示,显示精确到小数点后一位,剩下的两块倒接用来显示单位“℃”.两片M AX7219刚好用来驱动16片数码管.被检测量中除了环境温度,其它四个量都设计了报警功能,报警的形式为声光报警.输出电压、输出电流和充电电流本来已经具有自动调节的能力,这里加上报警功能可以再增加一道保护措施,从而提高其安全性能,同时也能让设备的控制更加形象直观.按要求,分别为系统设定了输出电压报警上、下限和输出电流、充电电流报警上限.电源内部温度报警也是有必要的,排风扇故障、风口堵塞或其他原因导致电源内部温度升高对设备都是非常有害的,因此根据实际情况设定了一个报警上限(45℃.为了记录下电源工作的历史信息,还特地设计了一个简单的运行状况监控器.它利用24LC64作存储介质,24LC64是双总线C M OS 系列EEPROM ,具有8K 字节的存储容量,能连续擦写1,000,000次以上.设计每秒记录1个数据,用四片24LC64作存储,因此能记录下近10小时的状况信息.设计这个功能是很有用的,它是帮助我们充分掌握设备工作性能的重要途径,也是查找故障、分析原因的有力依据.单片机和微机之间的通信,选用了基于RS232通信协议的M AX202收发器作为通信接口.2电源的稳定性与电磁兼容问题稳定性和电磁兼容性一直是评价高频开关电源性能优劣的重要技术指标,因此在电源的设计中我们做了重点考虑.为解决好这些问题,我们主要采取了如下措施:2.1输出纹波的抑制直流开关电源的纹波频段分布很广,小到几十H z 而大到几十上百MH z.对100H z ~几百kH z 频段的纹波,利用输出回路的L -C 滤波电路便可有效进行抑制.为了提高抑制效果,这里的LC 参数必须选得足够大;但是,LC 参数太大又极易引起几十H z 的低频振荡,所以LC 参数又不能太大.笔者和同事正是通过反复多次的实验,才最终确定了一个合适的LC 参数.100H z 以下的纹波,指的正是这种振荡.要消除它,除了LC 参数要选得合适外,我们还将反馈信号从输出端移到了输出滤波器前级,以避免LC 参数增大所带来相移的增加.针对那些超高频段的纹波(尖峰电压,则在开关器件的集-射集间加电容,在变压器原边和整流桥后面加无感RC 吸收回路进行抑制.2.2高频干扰的抑制在这个电源电路中,引起高频干扰的来源主要是开关管、高频变压器和高频整流二极管.从消除噪声源的角度出发,我们合理设计了开关管的RC D 吸收网络,选用了新型高频变压器和快速恢复二极管.这种高频变压器采用了铍膜合金磁性材料,并具有独特的罐型磁芯结构,它把所有的线圈绕组都用磁芯封在了里面,因此它的漏磁小、屏蔽效果佳.实验证明,即使没有辅助散热,长时期工作它几乎也不发热.图4和图5分别是普通高频变压器和这种新型高频变压器在电源应用中的输出波形对比.从消除噪声传递途径考虑,主要措施是在输入和输出端安装新一代的E MI 滤波器,这是抑制传导干扰的最有效方法.新一代的E MI 滤波器不同于传统滤波器,它由差、共模扼流圈和若干小容量电容构成,能有效消除差、共模干扰.另外,在开关管散热器、快恢复二极管与安装板之间还加了一定厚度的绝缘隔磁材料,减小了这些部位的分布电容,从而也有效抑制了噪声的传递.其它措施,诸如把高频干扰源集中到一层,进行合理的屏蔽、隔离,控制线用屏蔽电缆,合理的接地等等,都通过实验验证了其有效作用.3仿真与实验为了看到设计的效果,本文以电路实际参数,做了输入电压为380V 满负荷运行(输出80A 时的系统瞬态分析的Pspice 仿真,结果如图6所示.同3第5期高海生,等:110V 大功率高频开关电源的研制时,文中还给出了电源在相同工作条件下的实验波形,如图7所示.4结论该电源结构设计合理,控制逻辑严谨可靠,有效克服了老式电源的各种不足,实验证明,它的输出稳定、精度高、纹波小、动态响应速度快,电磁兼容问题也得到了有效解决,各项技术指标均符合要求.该电源主要是为电力机车设计的,当装于机车时,采用双电源主从冷备冗余工作方式,A 、B 两台电源完全相同,并各自具有一套独立的控制系统.这样一来,设备工作的可靠性就大大提高了.当然,该电源在其它领域也有好的推广前景.参考文献:[1]陈鉴富,等.浅论开关电源的新技术与发展趋势[J ].常州技术师范学院学报,2000,(12.[2]深圳同牧机电有限公司网站资料.WWW.IG BT.C OM.C N [3]李健鸣,贺文.110V IP M 高频开关电源的研制[J ].机车电传动,1999,(11.[4]T B/T 1395-XXXX (代替T B/T 1395-1981《直流110V 机车控制电源柜技术条件》,2002.Development of 110V H igh 2pow er 2and 2high 2frequency Switching Pow er SupplyGAO H ai 2sheng 1,ZHANG Q ian 2bin 2,HUANG Jian 1(1.East China Jiaotong University ,Nanchang Jiangxi 330013;2.Equipment Department ,93897Army ,X ian Shanxi 710077,ChinaAbstract :The dissertation states the design project ,the main com ponents and their application of a new 110V/80A High 2power 2and 2high 2frequency S witching P ower Supply for electric locom otive ,and presents the results of the experiment and the emulation.K ey w ords :switching power supply ;electric locom otive ;IPM ;SG 15254华东交通大学学报2004年。
大功率高频软开关电化学电源的设计
大功率高频软开关电化学电源的设计移相全桥软开关谐振参数1引言在电化学行业中，由于其加工对象的特殊性，一般要求电源能够提供低电压、大电流的输出，而且功率要求也很大。
目前主流的电化学电源，主要是相控电源，因其使用工频变压器且开关器件晶闸管为硬开关，所以相控电源体大笨重，效率低，噪音高，动态性能差。
与传统相控电源相比，高频开关电源具有高效节能，重量轻，体积小，动态性能好等显著的优点，这些优点都是建立在其较高的工作频率之上的。
但是在硬开关条件下，开关损耗与开关频率成正比，这阻碍了高频开关电源效率的提高及其进一步高频化。
软开关技术的出现缓解了这一矛盾，但传统的ZVS 移相全桥变换器中开关管的软开关实现范围有限，难以应用于负载变化较大的场合[1]。
本文中所设计的高频开关电化学电源，额定输出功率为30kW，电压0~15V、电流0~2000A 连续可调。
该设计采用了ZVS技术，且通过系统的方法对谐振参数进行了精确计算，并在实验中逐步优化。
因此该电源显著拓宽了功率开关管的ZVS实现范围，而且效率高，工作稳定，各项指标都满足了设计要求。
2主电路拓扑的设计全桥变换器中，高压开关管两端的暂态尖峰电压被其体二极管箝位于输入电压，耐压要求较低，宜于获得大功率输出[2]。
因此，本设计选择全桥式电路作为基本拓扑，开关管选用绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）。
高频开关电源的众多优势，归根结底是由其高频化衍生而来的。
但是，功率开关管的开关损耗制约了高频开关电源工作频率的进一步提高，因此软开关技术应运而生。
目前应用较为普遍的软开关技术是零电压开关（zero voltage switch，ZVS）技术，该技术中超前桥臂和滞后桥臂均实现ZVS。
相比于零电压零电流（zero voltage and zero current switch, ZVZCS）技术和零电流（zero current switch，ZCS）技术，ZVS移相全桥逆变器结构简单，控制、驱动电路易于设计和调试，且ZVS移相全桥逆变器可以直接利用变压器漏感作为谐振电感[3]。
高频开关电源的设计
目录1绪论 (1)1.1高频开关电源概述 (1)1.2意义及其发展趋势 (2)2高频开关电源的工作原理 (3)2.1高频开关电源的基本原理 (3)2.2高频开关变换器 (5)2.2.1单端反激型开关电源变换器 (5)2.2.2多端式变换器 (6)2.3控制电路 (8)3高频开关电源主电路的设计 (9)3.1P W M开关变换器的设计 (9)3.2变换器工作原理 (10)3.3变换器中的开关元件及其驱动电路 (11)3.3.1开关器件 (11)3.3.2M O S F E T的驱动 (11)3.4高频变压器的设计 (13)3.4.1概述 (13)3.4.2变压器的设计步骤 (13)3.4.3变压器电磁干扰的抑制 (15)3.5整流滤波电路 (15)3.5.1整流电路 (15)3.5.2滤波电路 (16)4总结 (19)参考文献 (20)1 绪论1.1高频开关电源概述八十年代,国高频开关电源只在个人计算机、电视机等若干设备上得到应用。
由于开关电源在重量、体积、用铜用铁及能耗等方面都比线性电源和相控电源有显著减少,而且对整机多相指标有良好影响,因此它的应用得到了推广。
近年来许多领域,例如电力系统、邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等都越来越多应用开关电源,取得了显著效益。
究其原因,是新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件(简称五新)不断地出现并应用到开关电源的缘故。
五新使开关电源更上一层搂,达到了频率高、效率高、功率密度高、功率因数高、可靠性高(简称五高)。
有了五高,开关电源就有更强的竞争实力,应用也更为扩大,反过来又遇到更多问题和更实际的要求。
这些问题和要求可归纳为以下五个方面:(l)能否全面贯彻电磁兼容各项标准?(2)能否大规模稳定生产或快捷单件特殊生产?(3)能否组建大容量电源?(4)电气额定值能否更高(如功率因数)或更低(如输出电压)?(5)能否使外形更加小型化、外形适应使用场所要求?这五个问题是开关电源能否在更广泛领域应用的关键,是五个挑战。
大功率高频开关电源变压器的优化设计
国内图书分类号：TM433西南交通大学研究生学位论文大功率高频开关电源变压器的优化设计年级二OO六级姓名张朋朋申请学位级别工学硕士专业物理电子学指导教师刘庆想教授二OO九年五月Classified Index:TM433Southwest Jiaotong UniversityMaster Degree ThesisOPTIMUM DESIGN OF HIGH-POWER HIGH-FREQUENCY SWITCHING POWER SUPPLYTRANSFORMERGrade: 2006Candidate: Zhang PengPengAcademic Degree Applied for: Master DegreeSpeciality: Physical ElectronicsSupervisor: Liu QingxiangMay.2009西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。
本学位论文属于1．保密□，在年解密后适用本授权书；2．不保密□，使用本授权书。
（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导老师签名：日期：日期：西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本学位论文的主要创新点如下：采用三维有限元技术计算了高频变压器中的分布参数，提出一种根据充电电流波形测量分布电容的方法。
学位论文作者签名：日期：摘要随着电源技术的不断发展，高频化和高功率密度化已成为开关电源系统的研究方向和发展趋势。
电力高频开关电源的设计与分析
电力高频开关电源的设计与分析作者：时东阳来源：《消费电子》2021年第10期在当前的社会环境中，信息技术的发展速度十分迅猛，这也使得各种各样的电子设备得到了广泛的普及应用，而无论何种电子设备，其都需要稳定的电源提供支持。
而线性电源就属于一种常用的电源，然而，线性电源自身所具备的缺点也十分明显，其内部输入电压的有效范围相对较窄，输出的电压也必须要低于输入电压，并且其整体体积相对较大，在某些特殊场合当中无法达到基本的使用需求。
而开关转换器则是通过开关管，对基本的开合状态进行更加全面的控制，使得电能的各种形态能够更好地适用于开关当中，确保输入电压能够稳定控制在一定范围当中，同时，在开关电源进行正常工作的过程中，也可以采用高频的DC/DC转换器，使得开关电源转换器能够具备高频化特征，这就形成了高频开关电源。
（一）标准化以及模块化开关电源设备的标准化转变，使得开关电源的应用范围更加广泛，这也进一步突出了开关电源标准化发展的重要作用。
而实现开关电源标准化发展的关键就在于整合不同用户所提出的基本需求，并针对性地制定出相应的要求内容，以此为基础来对研制生产环节加以规范，同时，标准化还能够更好地协调科研、生产以及使用三者之间的具体关系，确保开关电源系统自身具备更加科学合理的指标性能。
而电力高频开关电源的模块化。
主要就是将部分具备着特殊功能的电路进行集成处理，实现最佳的性能，提升整体资源利用率，而在当前的社会环境中，整体集成度也呈现出一种不断提升的状态，而将电力高频开关电源当中一些特殊功能有效集成在一起，能够强化其总体性能，在便于群众使用的同时，提高应用系统自身的稳定性。
（二）数字化以及智能化电力高频开关电源设备的数字化发展，就是将现代化的数字信号应用到其中，以此来代替传统的模拟信号，从而更好地完成一些制定功能。
而在当前嵌入式的发展模式当中。
可以明显看出开关电源数字控制以及模拟控制这两种现代化技术，其必然会在未来的发展进程中处于一种长期共存的状态，这也进一步突出了数字化发展的重要性。
高频开关电源的设计
高频开关电源的设计摘要从90年代开始，开关电源逐步得到广泛的应用。
开关电源的核心是DC-DC变换器。
影响开关电源的主要因素是其拓扑结构、开关频率、控制方式及关键元器件，如开关管、储能电感或脉冲变压器等。
本文首先介绍了本次设计的高频开关电源的现实意义和需要达到的目标要求，并介绍了主电路和控制电路的设计，采用了理论分析和实际硬件实验相结合的研究方法。
该系统以MOSFET作为功率开关器件，构成全桥开关变换器，整个电源由输入电路、主逆变器、输出滤波电路、辅助电源等部分组成。
系统主电路逆变部分采用了脉宽调制技术(PWM),PWM信号由集成控制器UC3875产生，从输出端实时采样电压、电流反馈信号，以控制输出电压和电流的变化。
实现了功率开关管的零电压开通和近似零电压关断，设计出高效率(达90%)、高可靠性、低电磁干扰的高频开关整流模块(48V/20A)。
关键词：高频开关电源；相移脉宽调制；零电压开关；DC-DC变换AbstractSince the nineteen's of last century, switch power has been used worldwide step by step. The core of switch power is DC-DC converter. The main factors that afect the performance of switch power is its topology, switch frequency,control mode and its key device units such as the switch tube, energy-storage inductor and pulse transformer.This paper introduces the practical significance of the high frequency switching power supply designed by us, and introduces the corresponding railway standards of the People'sRepublic of China. The main circuit and the control circuit are introduced in this paper, the research method includes the theory analysis and the practical experiments.The full-bridge converter is made up of four MOSFET. The system consists of the AC input stage, main inverter, output low-pass filter, auxiliary power supply etc. The theory of PWM is used in the system, and single of PWM is offered by controller UC3875.The feedback voltage and current achieved from output is used to control the change of the output. The Zero-Voltage Switching on and approximate Zero-Voltage Switching of the power devices are realized. High frequency switching rectifier module (48V/20A) has been designed with high efficiency (90%), high reliability and low EMI.Key words：High frequency switching power, Phase-Shifting PWM ZVS,Zero Voltage Switching,DC-DC Conversion高频开关电源的构成及其基本原理高频开关电源是将交流输入(单相或三相)电压变成所需要的直流电压的装置。
3kW高功率因数高频开关电源的设计
取 CF = 0. 1μF, RF = 2. 1 kΩ。 (2) 死区时间的研究 。为了防止同一桥臂 的两个开关管同时导通 ,同时给开关管提供软开 关时间 ,两个开关管的驱动信号之间应设置一死 区时 间 。在 A 2B 死 区 设 置 脚 DELAY SET A 2B ( P IN15 ) 和 C2D 死 区 设 置 脚 DELAY SET C2D ( P IN7 )与信号地之间并联不同的电阻和电容 ,即 可设置不同的死区时间 。本文采用 UC3875 芯片 在死区设置脚与信号地之间并联一电阻 RAB和一 电容 CAB可设置死区时间的方法 。其公式如下 :
电感电流出现最大峰值时的占空比为
D = Udc - U in (m in) = 500 - 2 ×198 = 0. 44
U dc
500
计算所需要的升压电感值为
L1
=
U in m in D
fSΔIL
=
2 20
×198 ×103
×0. ×4.
44≈ 76
1.
3 mH
取 L1 = 1. 3 mH。 2. 5 功率因数校正开关管的选择
2 电路设计
2. 1 EM I滤波器 EM I滤波器基本结构如图 2所示 ,它由 C1 ～
C4 和 L组 成 。其 中 L表 示 绕 在 同 一 铁 芯 上 的 共
图 1 总体结构框图
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采用 EE65 铁氧体磁芯 ,原边 21 匝 , 副边 1
匝 ,用多根直径 0. 45 mm 高强度漆包线并绕 (原
一种高频大功率吸收式开关设计
2016 NO.01SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION动力与电气工程41科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 在雷达收发等电子系统中大功率的高频开关电路作为控制器件,实现微波信号的通、断或转换,其中基于PIN二极管的微带型开关电路,因具有耐功率高、响应快、体积小、重量轻等优点而得到广泛应用。
该文设计的8～12GHz高频大功率吸收式开关具有承受连续波大功率、高隔离度以及低插入损耗的特点,具有推广应用价值。
1 高频大功率开关设计1.1 高频大功率开关电路性能优化设计由于8～12GHz开关,大功率、低插损、吸收式的设计要求。
该设计首次采用单臂三节全并联结构,最后一节加50Ω和电感到地,使其在关断状态时为吸收态,而不是全反射。
首次采用三线键合工艺和微带线T型结设计,根据上述条件进行优化仿真键合线长度和弧度、T型结尺寸。
试验结果证明三根并行的金丝键合互连比单根或者两根键合线能更好地降低串联电感,其效果更加接近平直简短的单根引线;微带线不连续处采用T型结设计,使之对信号传输的影响大幅降低,使微波控制电路的高频性能更加优良,相对带宽更宽。
这样的电路插入损耗小,驻波系数小可提供相对较高的隔离度。
建立起电路模型如图1所示。
依据上述条件,对此电路模型进行优化设计,最终仿真结果如图2所示。
1.2 高频大功率开关散热设计和封装结构优化高频大功率开关的一个难点就是大功率下的散热和封装耐功率、耐干扰等设计。
首次采用钼铜金属基板高温焊料烧结工艺。
选用全并联结构,可以保证所有的二极管管芯都能直接接地,把芯片用高温焊料烧结在基板上,然后把基板烧结在金属封装的腔体内,二极管直接和金属烧结一起,芯片背面直接接地散热,具有散热快的优点,通过热设计优化确定金属基板尺寸和盒体腔体结构,保证了散热的需求,从而能承受较大的功率。
在高频大功率时,盒体的腔体结构可能产生谐振和泄漏,使电路高频插损急剧变差,电磁兼容能力减小等。
新型模块式高频高压大功率开关电源的设计
新型模块式高频高压大功率开关电源的设计1、问题的引出 1.1 电力电子技术的发展在电力电子技术中，开关电源占有重要地位，而现代电力电子技术的繁荣与开关电源（特别是高频开关电源）的发展紧密联系在一起，则高频化是现代电力电子技术焦点之一。
但现代高频开关电源技术的进步得力于新理论、新技术、新器件、新材料的支持。
其应用空间迅速扩展，除了计算机、电机变频控制、电悍、电镀、电感加热、超声波加工（清洗）等所用的变流设备在原有基础上升级换代外，荧光灯和新型电光源的镇流器，现代办公设备、通讯装置、运载工具、移动军事装置、航空、航天、航海装置等，都开始将注意力转向以高频变换为代表的现代电力电子技术，许多新的应用领域中其热点也陆续发展并选中高频开关电源(DC/AC)。
1.2 市场的需要在上述这些应用领域中很重要的是要求高可靠的高频高压大功率的开关电源。
根据现代电力电子技术关于高频电源电路应集成化、智能化及模块化的又一特点，纵观目前市场，由于国内在此方面起步较晚，因而具备这一特点的高可靠高频大功率开关电源还处于开发研制(包括国外厂商在内)之中，即使有,也只是AC_DC 或DC_DC 的±48v、±24v等常用通讯用的开关电源。
面对这新的桃战和机遇，我们采用了日本联美兰达（NEMIC- LAMBDA）公司产的PF1000A-360 型AC/DC 功率变换模块和IPM-4M 型全桥式DC/AC 高频大功率变换模块并将其前后级相连又与高频大功率脉冲变压器T 等一起组合而成新型模块式高频(22-25)KHZ 高压(100V-120V)大功率（1000W）开关电源, 并作为信号源(或称超声波发生器)与换能器匹配组合成高声高强度超声波管道清洗机。
值此，该新型高频高压大功率开关电源设计方案作一分析介绍。
tips:感谢大家的阅读，本文由我司收集整编。
仅供参阅！。
DSP的大功率开关电源的设计方案
1 .电源的总体方案
本文所设计的开关电源的基本组成原理框图，主要由功率主电路、DSP控制回路以及其它辅助电路组成。
开关电源的主要优点在“高频”上。通常滤波电感、电容和变压器在电源装置的体积和重量中占很大比例。从“电路”和“电机学”的有关知识可知，提高开关频率可以减小滤波器的参数，并使变压器小型化，从而有效地降低电源装置的体积和重量。以带有铁芯的变压器为例，分析如下：
DSP的大功率开关电源的设计方案
引 言:
信息时代离不开电子设备，随着电子技术的高速发展，电子设备的种类与日俱增，与人们的工作、生活的关系也日益密切。任何电子设备又都离不开可靠的供电电源，它们对电源供电质量的要求也越来越高。
目前，开关电源开关电源以具有小型、轻量和高效的特点而被广泛应用于电子设备中，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源。与之相应，在微电子技术发展的带动下，DSPDSP芯片的发展日新月异，因此基于DSP芯片的开关电源拥有着广阔的前景，也是开关电源今后的发展趋势。
图1 系统组成框图
设铁芯中的磁通按正弦规律变化，即φ= φMsinωt，则：
电流采样的原理与电压采样类似，只是在电路中要通过电流传感器将电流信号转换为电压信号，然后再进行采集。
高频大功率开关电源结构的热设计
高频大功率开关电源结构的热设计摘要：随着大功率开关电源功率密度的不断提高，合理的热设计是保证电源可靠工作的前提条件。
目前，开关电源的热设计主要根据设计者的实际经验，部分经验公式也只是适用于某些特定情况，不具有普遍性。
因此，如果没有准确把握电源结构的热设计原则，仅以热电偶、红外测温等热控手段进行保护，难免存在电源局部过热的故障隐患。
通过电源结构热设计方法，给出风机和散热片的详细设计方案，通过热场模拟分析进行电源结构的设计。
关键词：开关；电源；热设计随着电力电子设备的小型化发展趋势，开关电源的功率密度不断提高，电源的可靠性面临着严峻的挑战。
如果电源结构设计不当的话，运行时有可能因为温度过高、机械振动、电磁干扰等造成故障。
因此，电源结构设计的好坏直接影响到电源系统能否长时间稳定工作。
由于开关电源的大部分损耗都转化为热量，电源的散热效果与电源的结构设计密切相关。
如果电源结构设计不当，那么开关器件所产生的热量将不能及时排出，开关器件的失效率将随着温度升高而大幅增大，严重时还会因温度过高而烧毁开关器件，直接影响到电源的寿命和可靠性。
一、高频开关电源的热设计1、损耗分析。
大功率高频开关电源交流输入为三相380V，直流输出为15V/2kA，主电路包括输入整流、高频逆变以及输出整流三个部分。
其中输入整流采用三相整流桥；高频逆变采用移相全桥逆变电路，且选用大电流、低饱和压降的IGBT；输出整流采用全波不可控整流电路，且输出整流二极管选用反向恢复时间短、功耗低的肖特基二极管。
由于输出电流比较大，且为了提高功率密度，高频变压器和输出整流器采用并联的设计方案，如图。
（1）输入整流器损耗。
由于电源的输入电压为交流380V，整流滤波后的输出电压最大值约为540V，故输入端三相整流桥可选用6RI100G-160，其损耗PR可以根据该型号器件手册上的功耗-电流曲线图读出，结果为PR=250W。
（2）逆变电路损耗。
逆变电路的功率开关器件实际是由IGBT和续流二极管组成。
大功率电镀高频开关电源的设计分析
大功率电镀高频开关电源的设计分析1 电镀行业对电镀电源的技术要求电镀行业的重大关键设备是电镀电源，其性能的优劣直接影响到电镀产品工艺质量的好坏；同时，电镀行业最主要的能量消耗是电源，因此高品质的电源是电镀业节能增效的决定性因素，对电网的绿色化也有重要影响。
在电气性能方面，电镀电源属于低压大电流设备，要求操作简便、能承受输入端的突变和输出端短路，以及操作过程过载的冲击。
还由于电源设备工作在酸碱、潮湿等恶劣环境下，对电镀电源的稳定性、可靠性、抗干扰性、耐腐蚀性等要求也显得更为重要。
这些，都是设计电镀电源必须考虑的重要因素。
高频开关电源与传统工频整流电源相比，具有高效节能约20%~30%、省材约80%~90%、功率密度大（输出1A电流传统电源需要制造材料0.5kg~1kg，而开关式电源只需要0.06kg~0.12kg），而且动态特性和控制调节特性好，制造过程占地少、加工量少等特点[1]。
电镀电源要求输出功率大（通常输出电流要2000A以上），电镀行业推广应用开关式电源对节能、节省资源都是有显著效果的措施。
2 电镀电源的主电路结构电镀电源在满足其电气技术要求的条件下，应该尽量采用结构简单、稳定可靠的技术方案。
而高频开关电源要获得大功率输出，也要从电路结构设计的各方面都要采取相应的措施，来保证大功率输出的要求。
因此，其工作电源直接选用380V的三相交流电源。
经过三相桥式整流，滤波，作为开关电源的输入电源。
由于要求输出大功率，主回路功率变换器要采用桥式电路才能实现。
因为桥式电路使得高频变压器只需要一个原边绕组，通过正向、反向的电压，得到正向、反向的磁通，变压器铁芯和绕组利用最佳，效率、功率密度都较高；另外，功率开关承受的最大反压可以不超过电源电压；利用四个反接在功率开关两端的体二极管，无须设置能量恢复绕组，变压器的反激能量就可以恢复利用[2]。
所以功率变换器选择桥式电路结构。
主电路结构。
图中L C改为斜体，电容改为平行线3 使用软开关变换器方案的必要性在功率变换器使用桥式电路结构的条件下，根据开关器件的开关状态，通常可以将开关型功率变换器分为两大类：硬开关变换器和软开关变换器。
1000W大功率开关电源设计方案
1000W大功率开关电源设计第1章开关电源的基本原理开关电源中的功率调整管工作在开关状态，具有功耗小、效率高、稳压围宽、温升低、体积小等突出优点，在通信设备、数控装置、仪器仪表、视频音响、家用电器等电子电路中得到广泛应用。
1.1 开关电源的组成与工作原理1.1.1 开关电源的工作原理开关电源的工作原理可以用图1-1进行说明。
图中输入的直流不稳定电压U经开关S加至输入端，S为受控开关，是一个受脉冲控制的开关调i整管。
开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压U变成i矩形脉冲电压。
这个脉冲电压经过滤波电路进行平滑滤波就可得到稳定的直流输出电压U。
o（a）原理电路O O Ot（b）波形图图1-1开关电源工作原理定义脉冲占空比如下：Tt D on = （1-1） 式中，T 表示开关S 的开关重复周期：on t 表示开关S 在一个开关周期中的导通时间。
开关电源直流输出电压o U 与输入电压i U 之间具有如下关系：D U U i o = （1-2）由上面两式可以看出：（1）若开关周期T 一定，改变开光S 的导通时间on t ，即可改变脉冲占空比D ，达到调节输出电压的目的，这种保持T 不变而只改变on t 来实现占空比调节的方式，称为脉冲宽度调节（ＰＷＭ）。
由于ＰＷＭ式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，因此ＰＷＭ式开关电源用的较多。
（2）若保持on t 不变，利用改变开关频率Tf 1=来实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压o U 稳压的方式，称为脉冲频率调制（ＰＦＭ）。
由于开关频率不固定，所以ＰＦＭ方式的输出滤波电路的设计不易实现最优化。
（3）既改变on t ，有改变T ，从而实现脉冲占空比的调节的稳压方式，称为脉冲调频调宽方式。
在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节方式均有应用。
1.1.2 开关电源的构成开关电源由以下四个基本环节组成（如图1-2）：（1）DC/DC 变换器：用以进行功率变换，是开关电源的核心部分。
3kW高功率因数高频开关电源的设计
什么是高频开关电源？高频开关电源由以下几个部分组成：一、主电路从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：1、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。
2、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。
3、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越校4、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。
二、控制电路一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。
三、检测电路除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据。
四、辅助电源提供所有单一电路的不同要求电源。
开关控制稳压原理开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关K接通时，输入电源E通过开关K和滤波电路提供给负载RL，在整个开关接通期间，电源E向负载提供能量；当开关K断开时，输入电源E便中断了能量的提供。
可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。
图中，由电感L、电容C2和二极管D组成的电路，就具有这种功能。
电感L用以储存能量，在开关断开时，储存在电感L中的能量通过二极管D释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量，因二极管D使负载电流连续不断，所以称为续流二极管。
在AB间的电压平均值EAB可用下式表示：式中TON为开关每次接通的时间，T为开关通断的工作周期（即开关接通时间TON和关断时间TOFF之和）。
由式可知，改变开关接通时间和工作周期的比例，AB间电压的平均值也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整TON和T的比例便能使输出电压V0维持不变。
大功率高频开关电源的设计要点
大功率高频开关电源的设计要点发表时间：2017-11-03T15:16:53.567Z 来源：《基层建设》2017年第19期作者：史川伟1 许伟2[导读] 摘要：大功率高频开关电源，也是交互式电源，其在电力系统中，实现了高频化的电能转换，采用不同类型的架构方式，准确的完成电能的转换，满足用户端的基本需求。
1身份证号码：37082919870618xxxx 山东省济南市 2501012身份证号码：37110219871108xxxx 山东省济南市 250101摘要：大功率高频开关电源，也是交互式电源，其在电力系统中，实现了高频化的电能转换，采用不同类型的架构方式，准确的完成电能的转换，满足用户端的基本需求。
在大功率高频开关电源的设计中，涉及到的因素很多，应该重点考虑电磁学、微电子技术等，明确电源设计的综合性特点，确保电源在电力系统中的有效运行。
另外，在设计大功率的高频开关电源时，也应该注意节能与环保，由此才能满足电力系统及设备的根本需求。
基于此，本文对大功率高频开关电源的设计要点进行了详细的分析与探究。
关键词：大功率；高频开关；电源；设计1、大功率高频开关电源的特点、电路原理及设计原理1.1 开关电源特点随着电气设备容量持续增大，为满足实际应用需求，市场上逐渐出现更多的大功率高频开关电源，同时与传统开关电源相比，还可以有效降低对电网的影响，更符合节能环保发展理念。
另外，开关电源的高频化设计，可以进一步减小其体积大小，并可根据实际需求来灵活控制电容、电感容量，将生产成本控制到最低。
因此，在对大功率高频开关电源进行设计时，需要充分发挥出其所具有的优点，便于更好的满足实际发展需求。
1.2 电路原理电路原理:交流输入电压经过三相桥式普通二极管整流电路滤波后，得到较高直流电压；后经4只IGBT进行“高频逆变”，将高压直流逆变成约18KHz的高频交流；经高频变压器变换到次级，再通过肖特基二极管进行单相全波整流滤波，得到需要的输出电压。
一种应用软开关技术的大功率开关电源的设计
一种应用软开关技术的大功率开关电源的设计摘要：开关电源随着输出功率的提升无疑会导致开关管所承受的电压或电流增加，如果仅仅使用普通的脉宽调制技术，那么将会导致开关管的开关损耗大幅度的增加。
在硬开关环境下，传统开关器件的电磁干扰与开关损耗也较大，而软开关的出现就有效解决了这一问题。
软开关技术的发展，使开关损耗以及开关噪音都大大减少，电路的效率也有了很大的提高。
基于此，文章就一种应用软开关技术的大功率开关电源的设计进行分析。
关键词：软开关技术；大功率开关电源；设计方法1 软开关技术的工作原理软开关是以硬开关为基础的，是对传统硬开关的继承与改善。
和硬开关不同，软开关增加了一些谐振器件，包括小电感、电容等。
新增加的谐振器件构成了辅助换流网络，开关的条件也因此得到了很大的改善。
硬开关不仅会造成开关损耗，还会产生噪音，但随着开关条件的改善，这一问题也得到了妥善解决。
在软开关技术的支持下，开关损耗以及开关噪音都大大减少，电路的效率也因此有了很大的提高。
软开关主要包括两个方面，一是软开通，二是软关断。
软开通开关又可以称之为零电压开关，而软开断开关就是零电流开关，在运行过程中，一般先将电压下降到零，再将电流提升至通态值，这是理想的软开通过程。
理想的软开关过程是不会产生开关损耗与开关噪音的，符合低碳、节能、环保的要求。
2 软开关技术的分类2.1 谐振变换器谐振变换器的实质是负载谐振变换器，最早被提出来是在上世纪七十年代。
在标准脉宽调制变换器上附加谐振网络就会得到谐振变换器。
根据谐振元件的不同谐振方式，可以将谐振变换器分为串联皆振和并联谐振两大类变换器。
它的工作原理就是通过负载的谐振与谐振网络，调整经过开关元件的电压或电流，成为正弦波形，使开关元件在电流过零开通，在电压过零时关断，从而实现软开关的过程。
2.2 准谐振变换器和多谐振变换器上世纪八十年代初期，李泽元教授在美国的UPEC和众多研究人员一起研究提出了谐振开关。
大功率开关电源的设计
大功率开关电源的设计
大功率开关电源的设计需要注意以下几点：
1. 选择合适的开关管和反向恢复二极管，以保证功率和效率的要求。
2. 选择合适的输出滤波电容和电感，以降低输出纹波和EMI干扰，提高稳定性。
3. 控制开关管的开关频率和占空比，以实现稳定的输出电压和电流。
4. 加入过温保护和过载保护电路，以确保电源的安全性和稳定性。
5. 对于高功率开关电源，需要特别注意散热设计，选择合适的散热器和散热材料，以保证电源的长期稳定运行。
总之，在设计大功率开关电源时，需要综合考虑功率、效率、稳定性、安全性和可靠性等多方面因素，做出合理的选择和优化。
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大功率高频开关电源的设计要点
摘要开关电源设计需要综合分析电力电子、电磁学、微电子技术、热力学等多门学科，具有较强的综合性。
同时电源为电力设备正常运行的核心，尤其是现在资源需求与环保节能理念下，需要在原有基础上，对开关电源设计方法进行更为深入的研究。
本文重点分析了大功率高频开关电源设计要点。
【关键词】大功率高频开关电源系统设计
开关电源即交互式电源，为高频化电能转换装置，可以利用不同形似架构，将一个准电压转换成用户端需要的电压或电流。
大功率高频开关电源现在已经被广泛的应用到军工设备、LED照明、通讯设备、科研设备、电力设备等领域，具有功耗小、效率高的优点。
在对其进行设计时，需要结合其运行原理，确定系统各环节设计要点，对各节点功能进行优化。
1 大功率高频开关电源
1.1 开关电源特点
电气设备容量持续增大，为满足实际应用需求，市场上逐渐出现更多的大功率高频开关电源，同时与传统开关电源相比，还可以有效降低对电网的影响，更符合节能环保发展
理念。
另外，开关电源的高频化设计，可以进一步减小其体积大小，并可根据实际需求来灵活控制电容、电感容量，将生产成本控制到最低。
因此，在对大功率高频开关电源进行设计时，需要充分发挥出其所具有的优点，便于更好的满足实际发展需求。
1.2 开关电源原理
基于线性开关，开关电源开关管工作处于开关状态，将基础降压电路作为例子进行分析，确定开关电源工作过程与所处状态。
如图1所示，当开关处于闭合状态时，持续电压将会对电感LO两端产生作用，电感电流将呈直线上升趋势，可用公式表达：iL（on）=（Vin-V out）ton/L。
当开关处于开通状态时，电能将被存储在电感中，来满足关断时间内对负载的输出需求，其中存储能量可用公式表示：Estored=1/2Lo （I2pk-I2min）。
开关断开后，电感Lo输入端电压会降为零，电感上能量需要通过续流二极管D维持负载，整个区间内电感电流可以用公式描述：iL（off）=（V out-VD）toff/L。
通过伏秒平衡来表示输出电压与输入电压关系：V out=D?Vin，其中D表示开关占空比，取值ton/T。
在开关电源再次开通后，结束整个运行过程。
2 大功率高频开关电源设计要点
2.1 拓扑结构选择
开关电源功率拓扑主要负责DC/DC高频逆变的实现，
是整个开关电源能量转换的核心单元。
其作为影响开关电源设计效果的关键因素，需要基于实际需求进行合理选择与有效控制，包括对输出功率大小、输入电压范围、输出电压范围、斩波电流等进行综合分析，尤其是要重点控制好输出功率与输入输出电压比。
2.2 硬件电路设计
2.2.1 整体结构
硬件电路作为开关电源的基础部分，决定了电源运行可靠性与效率。
以往在对此方面设计时，会选择用纯硬件模拟电路实现。
设计时主要针对输入保护与滤波、高频逆变、输出整流、控制电路、驱动电路等模块进行分析。
首先需要确定开关电源整体结构，通过横向开关电源分为输入整流级别、中间逆变级、输出整流级三部分；通过纵向开关电源则可分为控制级、驱动级、功率级。
开关电源传统结构，将控制电路和驱动电路被集成到PWM控制器上，对电路设计进行了有效简化，强化了电路抗干扰能力。
为提高电源灵活性，可以将数字化集成芯片代替传统PWM控制芯片作为主控制器，构成数字式开关电源控制，如图2。
2.2.2 功率级电路设计
功率级电路主要包括输入滤波、输入整流、浪涌抑制、有源功率因数校正、输出整流、逆变电路以及输出保护等几个部分。
在对此部分进行设计时，应遵循从总体到分部的原
则。
将开关电源看做为一个单输入单输出网络，然后确定开关电源系统参数，并完成各模块设计。
（1）输入整流模块。
其可以与电网进行连接，主要负责将交流电网变换成直流电能，为电能的输入级，具有较高的可靠性，可以承受雷电引起的浪涌冲击影响。
（2）共模电感。
逆变电路转换器均会产生高频对地电流，并产生不同寄生效应，为避免对系统运行产生影响，需要通过共模电感来消除。
可以选择用二阶共模滤波器，利用公式计算出转折频率：fc=fsw×10Aπ/40，其中Aπ为24dB，fsw表示工作频率，由此可得出在工作频率时可以得到24dB 衰减时转折频率。
电感值公式：L=RLζ/πfc，其中阻尼系数ζ取值0.707。
同时，需要结合实际需求，对电感量数值进行调整，并将阻尼控制在允许范围内。
2.2.3 智能控制电路设计
控制电路作为开关电源硬件结构的最顶层，主要负责环路控制、系统保护、状态显示、信息通讯等。
其中，环路控制为控制电路的核心功能，决定了输出电压的准确性，同时及时响应速度与智能调节要求，需要对大量数据进行处理和运算，包括了输入给定、输出反馈和AD转换等部分。
电路保护功能对提高电源运行安全性和可靠性具有重要意义，包括过流保护、过温保护、过压保护、欠压保护等几个方面。
状态显示必须要具有实时性，通过DSP控制器实现，由AD
对多种输入状态采样后，DSP的SPI直接传输给显示单元。
2.3 软件电路设计
重点做好核心控制器的选择，确定系统编程环境与编程语言，例如C语言具有较强的可读性和移植性，代码效率高。
数字式开关电源需要利用核心控制器程序进行编写，可分为自顶向下程序设计与自底向上程序设计两种，可根据实际需求选择。
为提高开关电源程序阅读性与移植性，可以利用模块化进行设计，即对每个模块进行细分，将基于硬件底层驱动代码封装成多个小模块。
设计后整个程序主要包括应用层、处理层、驱动层与物理层四部分，系统程序具有更好的易读性与移植性。
其中，通过两位拨码开关来对电源运行状态进行设置，高位表示离线或在线模式，低位表示恒流或恒压模式。
3 结束语
对大功率高频开关电源设计进行分析，需要基于开关电源所具有的特点，结合其运行原理，以满足实际运行需求为目的，做好硬件和软件部分电路设计，提高系统程序稳定性和可靠性。
参考文献
[1]宋志勇.移相全桥大功率高频开关电源的研究与设计
[D].湖北工业大学，2014.
[2]陈小敏.大功率高频开关电源的设计与实现[D].华中
科技大学，2007.
作者简介
李展征（1978-），男，广东省佛山市顺德区人。
大学本科学历。
现为佛山市爱威斯电源有限公司电子助理工程师。
主要研究方向为电源设计。
作者单位
佛山市爱威斯电源有限公司广东省佛山市528000。