高頻軟開關(guān)通訊電源電路的設(shè)計

劉 偉

(揚州大學 能源與動力學院， 江蘇 揚州 225127)

0 引 言

開關(guān)電源是電力電子的一個分支，是電力電子實驗教學的重要內(nèi)容[1-4]。軟開關(guān)技術(shù)克服了硬開關(guān)電路中的一些缺點，如功率器件開關(guān)過程中同時出現(xiàn)功率器件電壓或電流應(yīng)力大、開關(guān)損耗大[5-6]。軟開關(guān)技術(shù)在雙管正激電路中也有很多應(yīng)用[7-10]，但大多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，甚至要加輔助開關(guān)管，增加了控制的復(fù)雜性。本次設(shè)計的軟開關(guān)雙正激變換器，具有結(jié)構(gòu)簡單，不需要另加輔助開關(guān)管，同時具有高頻、高效、高功率密度的特點。

1 工作原理

1.1 主電路描述

雙正激高頻軟開關(guān)電源主電路如圖1所示，是一種應(yīng)用能量恢復(fù)緩沖電路的軟開關(guān)正激變換器開關(guān)電源。M1、M2為主開關(guān)管，D7為整流二級管，D8為續(xù)流二極管，M1、M2、D1、D4、變壓器及變壓器副邊的整流和濾波電路構(gòu)成雙正激變換器，變壓器原副邊匝比為K=N1/N2。C3、D5、D6、C4、D9、D10構(gòu)成緩沖電路，緩沖電路主要利用諧振原理實現(xiàn)功率管軟開關(guān)(C3>C1、C3>C4、C1=C2)。

初始狀態(tài)時電容C3、C4都己經(jīng)充電，C3的電壓為U1，左邊極性為正；C4電壓為-Ut2，右邊極性為正，Ut2為變壓器副邊電壓。一個開關(guān)周期中，變換器有6個開關(guān)模態(tài)，工作原理波形圖如圖2所示。

圖1 雙正激高頻軟開關(guān)電源的主電路

圖2 電路工作原理波形圖

1.2 工作模態(tài)

1.2.1開關(guān)模態(tài)0[t0,t1]

t0時刻，開通開關(guān)管M1和M2，由于漏感作用，為零電流導(dǎo)通。原邊電路上諧振電容C3與諧振電感L2通過開關(guān)M2、二極管D5諧振，有：

(1)

把初始條件UC3(t0)=U1代入方程解得：

(2)

1.2.2開關(guān)模態(tài)1[t1,t2]

t1時刻，電容C3的電壓己經(jīng)充到-U1，電容C4也已經(jīng)充電到變壓器副邊電壓與負載電壓的差值Ut2-Uo，由于漏感較小，因此認為兩者電壓都基本不變，二極管D8上的電流己經(jīng)減少到零，停止續(xù)流，負載電流完全由變壓器副邊電流提供。在[t1,t2]時間段，變壓器向副邊傳輸能量，勵磁電流im線性增加：

(3)

Lm為勵磁電感。副邊二極管D7保持導(dǎo)通狀態(tài)，二極管D8處在截止狀態(tài)，停止續(xù)流。

1.2.3開關(guān)模態(tài)2[t2,t3]

t2時刻，開關(guān)管M1和M2關(guān)斷。由于此時C3上的電壓為-U1，右邊極性為正，開關(guān)管M1和M2結(jié)電容上的電壓很小，是零電壓關(guān)斷(ZVS)。變壓器T和電感L1放電，變壓器原邊電流It1通過C3、D6、變壓器T續(xù)流，使存儲在變壓器漏感中的能量復(fù)位，即對C3反向充電，則有：

(4)

L=L1+LT,LT為變壓器初級線圈的電感。將初始條件為：UC3=-U1。代入解得：

(5)

1.2.4開關(guān)模態(tài)3[t3,t4]

1.2.5開關(guān)模態(tài)4[t4,t5]

t4時刻，緩沖電容電壓UC3充電到U1，緩沖電容C4的電壓反向充電到-Ut2。由于D6的反向阻斷作用，以及D1、D4的箝位作用，C3上的電壓不變。

1.2.6開關(guān)模態(tài)5[t5,t6]

存儲于變壓器中的能量通過續(xù)流二極管D1、D4復(fù)位，而不流過緩沖電容C3和二極管D6。當原邊繞組的能量全部返回到輸入端時，電流下降到零，原邊繞組上的電壓也瞬時變?yōu)榱悖缓驧1和M2結(jié)電容對輸入端放電，直到M1和M2結(jié)電容上的電壓之和等于U1。副邊電容C4電壓保持不變。當存儲于變壓器中的能量被完全復(fù)位，此模式開始并保持，直到開關(guān)M1和M2開通，此時又開了一個新的開關(guān)周期。

2 主電路參數(shù)設(shè)計[11-14]

雙正激高頻軟開關(guān)電源電路由輸入整流濾波電路、控制電路、驅(qū)動電路及雙正激軟開關(guān)主電路等四部分組成，其中控制電路采用TL494來實現(xiàn)。雙正激軟開關(guān)電源的設(shè)計技術(shù)指標如下：輸入交流電壓220 V±20%；交流電壓頻率50 Hz；輸出直流電壓24 V；輸出電流20 A；額定開關(guān)頻率50 kHz；效率>90%。

2.1 最大導(dǎo)通時間的確定

選擇開關(guān)周期T=1/fs=1/50 kHz=20 μs；初選D=0.4，則有TON=20 μs×0.4=8 μs。

2.2 輸入濾波電容的設(shè)計

為了保證整流濾波后的直流電壓最小值U1 min符合要求，每個周期中Cin所提供的能量約為:

(6)

則輸入濾波電容容量為:

(7)

實際工作時，此電容選擇大一些，有利于減小輸入端電流紋波。所以選取1 000 μF。

2.3 主功率變壓器和濾波電路參數(shù)的設(shè)計[15]

變壓器次級最低電壓U2 min應(yīng)為：

(8)

式中:UO為輸出直流電壓最大值;ULmax為濾波電感兩端電壓;UF為整流二極管正向電壓。

則變壓器原副邊變比:

K=U1 min/U2 min=211/67.75=3.11

(9)

選用磁芯EE40的主功率變壓器 ，次級繞組匝數(shù)15匝，初級繞組匝數(shù)50匝。

輸出濾波電感可按下式計算：

90 μH

(10)

輸出濾波電容的計算公式：

(11)

此電容選得大些，有利于減小輸出電壓紋波，最終此電容選用兩個容量為220 μF/50 V的電解電容并聯(lián)使用。

2.4 功率管及輸出整流二極管吸收電容的選擇

功率管的吸收電容的主要功能為功率管的耐壓保護和抑制噪聲，根據(jù)實用電源手冊，通常使用47～4 700 pF/(1～3 kV)的CBB薄膜電容器，結(jié)合ORCAD仿真和具體實驗，選擇容量為2 200 pF的電容器作為功率管的吸收電容器。

根據(jù)實用電源手冊，輸出整流二極管的緩沖電容器通常使用330～4700pF/(1～3 kV)的CBB薄膜電容器，本課題結(jié)合ORCAD仿真和具體實驗，選擇容量為1 000pF的電容器作為輸出整流二極管的緩沖電容器。

2.5 諧振回路電感和電容的設(shè)計

根據(jù)具體經(jīng)驗，高頻軟開關(guān)電源的諧振回路的諧振周期一般小于1/10個開關(guān)電源周期，即:

(12)

本課題結(jié)合ORCAD仿真和具體實驗，選擇容量為6nF的電容器作諧振回路的電容器，選擇容量為6 μH的電感作諧振回路的電感器。

2.6 主功率管和功率二極管的選擇

主功率管在截止期間承受的電壓與輸入電壓相同，而輸入電壓最大值低于373V，并且考慮到主功率變壓器原邊的電流較小，因而選用IRF450作為雙管正激式軟開關(guān)電源的主功率管。變壓器原邊功率二極管D1、D2、D7、D8、Dr、Dp采用MUR1550，變壓器副邊功率二極管D3、D4、D5、D6采用MBR3050。

3 實驗結(jié)果

主要波形圖如圖3～6所示。實驗波形與原理波形基本相一致，表明了電源電路設(shè)計的正確性并實現(xiàn)了電路的軟開關(guān)功能；與原理波形比較，實驗電路波形存在電流尖峰和電壓尖峰，這是因為原理分析中忽略了電路寄生電感、寄生電容、元器件阻抗對電路的影

圖3 TL494輸出脈沖波形圖4 主功率管漏源電壓波形

響，而實際電路中寄生電感、寄生電容、元器件阻抗總是存在的； 電路最大輸出功率500 W，在額定輸出時效率達到93%，在負載從輕載到額定負載及輸入電壓變化范圍內(nèi)工作穩(wěn)定，達到設(shè)計指標要求。

圖5 主功率管漏極電流波形圖6 D7電壓波形

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