大功率直流开关电源设计

大功率直流开关电源设计
前言
开关电源的发展及国外现状
随着通信用开关电源技术的广泛应用和不断深入，实际工作中人们对开关电源提出了更高的要求，提出了应用技术的高频化、硬件结构的模块化、软件控制的数字化、产品性能的绿色化、新一代电源的技术含量大大提高，使之更加可靠、稳定、高效、小型、安全。

在高频化方面，为提高开关频率并克服一般的PWM和准谐振、多谐振变换器的缺点，又开发了相移脉宽调制零电压开关谐振变换器，这种电路克服了PWM方式硬开关造成的较大的开关损耗的缺点，又实现了恒频工作，克服了准谐振和多谐振变换器工作频率变化及电压、电流幅度大的缺点。

采用这种工作原理，大大减小了开关管的损耗，不但提高了效率也提高了工作频率，减小了体积，更重要的是降低了变换电路对分布参数的敏感性，拓宽了开关器件的安全工作区，在一定程度上降低了对器件的要求，从而显著提高了开关电源的可靠性。

1. 开关电源主电路的设计
开关电源最重要的两部分就是主电路和控制电路。

本章将根据大功率直流开关电源的要求对主电路各部分进行性能分析并计算各项参数，根据计算所得的数据结果选择各元器件，设计出各个独立模块，最后组装成开关电源的主电路。

1.1 开关电源的设计要求
在本课题研究的过程中，主要对大功率开关直流电源的工作原理、电路的拓扑结构和运行模式进行了深入研究，并结合系统的技术参数，确定系统主电路的拓扑，设计出主电路，即分别设计出滤波、整流、DC-DC变换器、软启动和保护控制等部分。

下面就对电源主电路的设计进行详细说明。

1.2 主电路组成框图
根据需要设计大功率开关电源的技术要求，本文进行了方案的验证与比较，设计如图2-1所示的软开关直流开关电源的主电路框图。

虚线以上是主电路，主电路主要分为输入整流滤波、逆变开关电路、逆变变压器和输出整流滤波；虚线以下为控制回路，控制回路主要包括信息检测电路、控制和保护单元、监控单元和辅助电源。

本电源采用ZVZCS- PWM 拓扑，原边加箝位二极管，三相交流输入整流后，加LC滤波，以提高输入功率因数，主功率管选用IGBT，控制电路采用UC3875移相控制专用集成芯片，电流电压双闭环控制。

具体设计主电路如图2-2所示，包括三个部分:(1) 输入整流滤波电路；(2) 单相逆变桥；(3) 输出整流滤波电路.
图2-1 直流开关电源的主电路框图
1.2.1 输入整流滤波电路
三相交流电经电源内部EMI滤波后，加到整流滤波模块。

EMI 滤波器的作用是滤除功率管开关产生的电压电流尖峰和毛刺，减小电源内部对电网的干扰，同时又能减小其他用电设备通过电网传向电源的干扰。

滤波电路采用LC 滤波，电感的作用是拓开电流导通时间，限制电流峰值，可以提高电源的输入功率因数。

滤波电容采用四个电解电容，两个串联后并联使用，满足三相整流后的高压要求。

电阻R1、R2是平衡串联电容上的电压，高频电容与电解电容并联使用，滤除高频谐波，弥补电解电容高频特性差的缺陷。

U V W
图2-2 电源主电路结构
1.2.2 单相逆变桥
单相逆变桥采用IGBT，以满足高压、高功率的要求。

无感电
容(C7、C8)并联在两桥臂之间，降低两桥臂之间电压尖峰的干扰，谐波电感L r ，隔直电容15C 、16C 、17C 防止变压器的直流偏磁，原边箝位二极管减轻副边振荡，主变压器起到原、副边的隔离、耦合作用，原、副边各一副绕组，以满足副边采用全桥整流的要求，原边加交流互感器，检测原边电流作保护用。

1.2.3 输出整流滤波电路
采用全桥整流满足高压的要求，高频滤波电感L f ，电解电容(E5、E6、E7)，高频电容(18C ，21C )滤除高频谐波分量，共模电感(2L )，Y 电容(19C 、20C )，抑制共模分量，电流采样电阻3R ～R 5，输出二极管D14，防止电池电流反灌。

2. 控制电路的设计
2.1 PWM 集成控制器的基本原理
PWM 集成控制器通常分为电压型控制器和电流型控制器两种。

电压型控制器只有电压反馈控制，可满足稳定电压的要求，电流型控制器增加了电流反馈控制，除了稳定输出电压外，还有以下优点:
1. 当流过开关管的电流达到给定值时，开关自动关断；
2. 自动消除工频输入电压经整流后的纹波电压，并开关电源输出端3OOHz 以下的纹波电压很低，因此可减小输出滤波电容的容量；
3. 多台开关电源并联工作时，PWM 开关控制器具有内在的均流能力；
4. 具有更快的负载动态响应:
常用的脉宽调制(PWM)型集成控制器的几个部分组成。

基准电压和采样反馈信号通过误差放大器比较放大后，输出的差值信号和锯齿波(或三角波)比较，从而改变输出脉冲的宽度，以实现稳压。

有些控制器仅有一个输出端，而多数控制器都设有用触发器
和“与”门电路组成的相位分离器，用它来将单-脉冲变换成交替变化的二路脉冲输出，用于供驱动推挽和桥式变换器中的功率开关管，此时变换器的工作频率等于控制器内部锯齿波振荡器振荡频率的一半。

当然也可将控制器的两路输出并联起来去驱动单端变换器或串联调整型开关稳压电源中的功率开关管，此时开关稳压电源的工作频率就等于控制器内部锯齿波振荡器的频率。

6. 总结与展望
近年来，随着电力电子技术飞速的发展，一些直流用电设备对直流电源系统的要求越来越高，不但输出电流大，而且对电压纹波、稳压精度、过载能力、效率等指标要求也很高，因此，研究大容量、高性能直流电源系统是很有必要的。

通过对高频开关电源基本理论的研究，对开关变换器各种拓扑结构的分析论证，期望设计出一种实用于电力系统直流操作电源的高频开关电源整流模块，以替代现在使用的相控整流电源，为电力系统提供一种重量更轻、体积更小、效率更高、安全性更好的一种整流模块。

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