SCR諧振逆變?cè)诘蛪捍箅娏鏖_關(guān)電源中的應(yīng)用

牛淑芳，馬 躍，鄧玉福，劉宏軍

（1.沈陽師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，沈陽 110034；2.天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院 航海技術(shù)系，天津 300350）

0 引 言

開關(guān)電源是一種通過功率變換來實(shí)現(xiàn)各種用電設(shè)備電能需求的裝置。高頻開關(guān)電源與傳統(tǒng)的線性電源相比，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、體積小、質(zhì)量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而在醫(yī)療、航空、通信、電焊機(jī)、激光加工等方面都有非常廣泛的應(yīng)用［1］。

1 低壓開關(guān)電源的原理及結(jié)構(gòu)

開關(guān)電源的原理框圖如圖1所示。由圖看出電源主回路包括：輸入整流濾波、高頻逆變、輸出整流濾波以及控制電路4個(gè)部分，工作原理是：市網(wǎng)電經(jīng)過輸入整流濾波后得到約300V的脈動(dòng)直流電；當(dāng)該直流電通過逆變電路后，在變壓器次級(jí)獲得高頻交流電壓［4］，再經(jīng)過二次整流濾波后，最后得到用電設(shè)備需要的直流電壓。

圖1 開關(guān)電源原理框圖

2 電源結(jié)構(gòu)中的主要電路

2.1 輸入整流濾波電路

輸入整流電路采用的是全橋整流，由于整流后電壓脈動(dòng)比較大，因而整流之后采用LC濾波電路來減小電壓的脈動(dòng)值，其中濾波電容采用4只1 000μF電解電容并聯(lián)［3］。

2.2 逆變主電路

2.2.1 主電路工作原理

逆變電路中采用的開關(guān)器件是高頻可控硅，觸發(fā)信號(hào)由TL494組成的脈沖振蕩控制電路提供。

根據(jù)可控硅工作原理［5］：只有當(dāng)可控硅陰陽兩極施加正向電壓，同時(shí)在門極加上正向觸發(fā)脈沖信號(hào)時(shí)，可控硅才能導(dǎo)通，但SCR導(dǎo)通后門極就會(huì)失去控制作用。為保證可控硅關(guān)斷，筆者采用的換流方式是：在變壓器原邊串入一個(gè)諧振電容，與變壓器的原邊共同組成LC震蕩電路，通過利用震蕩電流方向的周期性變化來實(shí)現(xiàn)可控硅的陽極換流，電路結(jié)構(gòu)如圖2。

工作原理［6］：儲(chǔ)能電感L1對(duì)諧振電容C3充電同時(shí)，在可控硅的陰陽兩極加以正向電壓，這時(shí)當(dāng)門極給以正向的觸發(fā)信號(hào)時(shí)可控硅導(dǎo)通，而諧振電容C3通過SCR與變壓器的原邊就構(gòu)成震蕩回路。在震蕩電路前半個(gè)周期，諧振電容C3釋放能量，震蕩電流正向通過可控硅，此時(shí)流過變壓器中的電流方向?yàn)樽韵露希辉谡鹗庪娐泛蟀雮€(gè)周期，震蕩電流反向流過可控硅SCR，導(dǎo)致SCR中的正向電流逐漸減小為0，剩余的電流則通過內(nèi)部并聯(lián)的反向二極管繼續(xù)流動(dòng)并將能量?jī)?chǔ)存在C3中，這時(shí)加在二極管上的管壓降反向加在可控硅陽極上，強(qiáng)迫可控硅關(guān)斷。當(dāng)一個(gè)周期完成時(shí)，在變壓器上就產(chǎn)生了一個(gè)交流電壓。圖3是可控硅正常工作下陰陽極間電壓波形。

圖2 SCR諧振式逆變電路

圖3 正常工作狀態(tài)下SCR陰陽極電壓波形

在圖3中t0～t1段代表LC振蕩電流流過可控硅的時(shí)間，t1～t2段代表反向振蕩電流通過續(xù)流二極管的時(shí)間，則t0～t2段就是可控硅的導(dǎo)通時(shí)間Ton，t2～t3是可控硅的截止時(shí)間Toff；U1代表可控硅反向尖峰電壓，U2是在一個(gè)周期結(jié)束時(shí)SCR的陰極和陽極之間加的最大反向電壓，該電壓會(huì)隨著輸入電壓的升高而升高，因而如果開關(guān)管工作在低頻開關(guān)狀態(tài)，將會(huì)給開關(guān)管的耐壓值造成很大的威脅。相反，若開關(guān)管的頻率太高，變壓器感抗將增加，又會(huì)影響變壓器的轉(zhuǎn)換效率［7］。圖4是SCR逆變電路在不同頻率下輸出電壓的仿真波形。由圖4可以看出，選擇合適的開關(guān)頻率對(duì)于提高電源的性能將會(huì)有很大的影響［8］。諧振電容C3的取值以及變壓器的初級(jí)感量是影響電源工作頻率的關(guān)鍵。

圖4 不同頻率下輸出電壓的仿真波形

2.2.2 高頻變壓器

變壓器［9］是開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵器件，直接影響整個(gè)電源的性能。在對(duì)變壓器的匝數(shù)比進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一般要求在輸入電壓最低的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)電源要求電壓的輸出，因而變壓器匝數(shù)比不能設(shè)置的太大，但實(shí)際應(yīng)用中為了提高變壓器的利用效率，會(huì)在滿足輸出電壓的情況下盡量增大匝數(shù)比。

變壓器的副邊電壓U2為

式中：U0是電源的輸出電壓；VD是指高頻［10］整流二極管導(dǎo)通壓降；Vf表示輸出濾波電感和變壓器繞組的總壓降。副邊匝數(shù)為［3］

由n＝U1／U2即可求得變壓器的初級(jí)匝數(shù)，通常在實(shí)驗(yàn)中還需要對(duì)理論值作適當(dāng)調(diào)整。由于本文設(shè)計(jì)的變壓器與開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間有密切的聯(lián)系，因而在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)還需要認(rèn)真考慮初次級(jí)感量及漏感。

2.3 輸出整流濾波電路

2.3.1 整流濾波電路

常用的整流電路有：半波整流、全橋整流及帶有中心抽頭的全波整流電路［4］。對(duì)于半波整流而言，只有在加正向電壓時(shí)二極管才能夠?qū)?，因而?huì)損失掉一半的能量，導(dǎo)致電源效率變低。

帶有中心抽頭的全波整流電路與全橋整流電路相比，少用了2只整流二極管，因而管子損耗較小，輸出電壓紋波值也較小。缺點(diǎn)是管子承受的電壓降比較大，且變壓器的次級(jí)繞組是全橋電路的2倍，制作復(fù)雜、線圈損耗大，相比而言本文選用了全橋整流。

為了減小管子承受的電壓降，選用反向恢復(fù)時(shí)間快的高頻二極管，并采用多只管子并聯(lián)的連接方式［3］。

2.3.2 吸收電路

在開關(guān)管開通關(guān)斷的過程中，變壓器中存在的漏感［11］會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)這部分電壓與原電壓進(jìn)行疊加后，會(huì)對(duì)管子的耐壓值構(gòu)成影響，因而常在二極管及開關(guān)管的兩端分別并聯(lián)RC吸收回路來減小其影響。

圖5 全橋整流電路

3 電源設(shè)計(jì)的驗(yàn)證

3.1 仿真驗(yàn)證

對(duì)上述設(shè)計(jì)的電源進(jìn)行MATLAB Simulink仿真驗(yàn)證，仿真電路如圖6所示。仿真參數(shù)設(shè)置為：觸發(fā)脈沖信號(hào)的工作頻率f＝10kHz；諧振電容C3＝1μF；負(fù)載電阻RL＝3Ω；輸出濾波電容Cf＝2 200 μF；輸入端電壓為200V的直流電；變壓器副邊電壓U2＝65V。

圖6 電源仿真原理圖

圖7是仿真示波器Scope1的波形圖，由上到下3個(gè)通道分別表示流過可控硅的電流波形、可控硅陰陽極間的電壓波形以及觸發(fā)信號(hào)波形。

圖8a分別表示變壓器次級(jí)電壓波形和初級(jí)電壓波形。圖8b圖是仿真示波器Scope3的波形圖，表示輸出負(fù)載電壓波形。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在仿真參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)輸入電壓Uin＝190V時(shí)，測(cè)得電源輸出端電壓為60V，因而說明采用SCR諧振式逆變電路能夠?qū)崿F(xiàn)1 200 W／20A的輸出。圖9是在上述實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)得的可控硅脈沖波形和陰陽極間電壓波形。

圖7 可控硅電流與電壓仿真波形

圖8 關(guān)鍵點(diǎn)電壓波形

圖10給出相同條件下不同負(fù)載的輸出功率與電源效率關(guān)系曲線，由負(fù)載為3Ω的曲線圖可以看出：當(dāng)輸出功率高于450W時(shí)，電源的工作效率保持在80% 以上；而在輸出功率小于450W時(shí)，隨著輸入電壓的增加，電源效率增加較快，這說明在升壓的最初時(shí)間內(nèi)，通過開關(guān)管的電流太低而無法將其內(nèi)部吸收電容儲(chǔ)存的能量完全釋放而引起的損耗導(dǎo)致的［12］。通過對(duì)不同負(fù)載在電源效率達(dá)到80%以上時(shí)輸出功率的比較，可以得出：采用可控硅諧振逆變實(shí)現(xiàn)低壓大電流［13－14］開關(guān)電源設(shè)計(jì)時(shí)，負(fù)載越輕，開關(guān)管越能在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)零開關(guān)，減小開關(guān)損耗，說明變壓器的次級(jí)接入輕負(fù)載時(shí)更有利于功率轉(zhuǎn)換。

圖9 可控硅陰陽極電壓實(shí)測(cè)波形

圖10 不同負(fù)載下輸出功率與電源效率曲線

4 結(jié) 論

通過采用固定頻率的方式，對(duì)單端諧振式逆變電路進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明采用可控硅諧振逆變電路能夠?qū)崿F(xiàn)低壓大電流的輸出，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中帶載1 200W時(shí)，連續(xù)工作30min，各電源器件均能正常工作，滿足電源設(shè)計(jì)的要求［7，15］。電源的主要技術(shù)指標(biāo)：輸入電壓為220V（AC）／50Hz；輸出電壓：60V（DC）；最大輸出電流為20A；電源效率在82%以上；紋波系數(shù)0.45%。

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