一種高效率高壓開關(guān)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉銀川，高文雷，陳銀杏，郝保良，崔美娜

(北京真空電子技術(shù)研究所，北京 100015)

直流高壓電源最初采用傳統(tǒng)的工頻交流變壓器經(jīng)升壓、整流濾波的方式獲得直流高壓，存在著電源體積龐大、高壓穩(wěn)定度差、效率低、發(fā)熱嚴(yán)重等缺點(diǎn)，難以滿足現(xiàn)在電子設(shè)備的需求[1-2]。隨著電力電子技術(shù)及開關(guān)器件的發(fā)展，開關(guān)電源由于效率高、體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)在直流高壓電源技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。本文將軟開關(guān)技術(shù)引入到高壓電源的設(shè)計(jì)中，可以進(jìn)一步提高電源的效率。使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了高頻升壓變壓器，并使用PSpice軟件進(jìn)行了電路仿真，制作了原理樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，縮短了設(shè)計(jì)周期，同時(shí)減少了成本。該類高壓電源可以廣泛應(yīng)用在高電壓、低電流器件或設(shè)備中，如行波管、磁控管、激光設(shè)備、靜電除塵器、電子束焊機(jī)等。

1 高壓開關(guān)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證軟開關(guān)技術(shù)在提高高壓開關(guān)電源效率應(yīng)用中的可行性，本文以某型號(hào)小型化行波管陰極供電需求進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。其主要性能指標(biāo)：輸入直流電壓48 V，輸出直流電壓－3.2 kV(±50 V)，輸出等效負(fù)載功率大于250 W，開關(guān)頻率100 kHz。高壓開關(guān)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，主要包括了逆變電路、高頻升壓變壓器、倍壓整流電路以及控制保護(hù)電路。

圖1 高壓開關(guān)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

其中逆變電路選擇了全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用移相控制方法，設(shè)計(jì)控制和驅(qū)動(dòng)電路使其正常工作，設(shè)置死區(qū)時(shí)間避免同一橋臂開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通造成電路短路。高頻升壓變壓器和倍壓整流電路是實(shí)現(xiàn)高電壓的關(guān)鍵部分，設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮高壓絕緣問題。設(shè)計(jì)了取樣電路，將采樣電壓反饋給控制電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。利用開關(guān)管的輸出電容、變壓器漏感和調(diào)整諧振回路中的參數(shù)實(shí)現(xiàn)全橋逆變電路中開關(guān)管的零電壓開關(guān)，減少開關(guān)損耗，提高電源效率。

2 高壓開關(guān)電源主要電路設(shè)計(jì)

2.1 全橋變換電路設(shè)計(jì)

本文選擇了一種零電壓開關(guān)移相全橋變換拓?fù)潆娐?。變換器工作過(guò)程和理論波形在很多文獻(xiàn)中有詳細(xì)介紹，在這不作介紹，可以參考文獻(xiàn)[3-4]。該變換器的主功率電路PSpice仿真電路設(shè)計(jì)如圖2所示。開關(guān)管的輸出電容、串聯(lián)諧振電感LS和變壓器漏感LLK參與諧振過(guò)程，通過(guò)調(diào)節(jié)LS實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)。圖2中Cb是隔直電容，文獻(xiàn)[2]中的變換器工作過(guò)程未考慮隔直電容的存在，但實(shí)際逆變電路輸出波形含有一定的直流分量，因此本文增加隔直電容抑制高頻交流電壓的直流分量，防止變壓器磁芯因直流磁化導(dǎo)致飽和，進(jìn)而避免電路損壞。

圖2 全橋變換電路PSpice仿真設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)開關(guān)管選用IR(International Rectifier)公司的IRF8010(100V/80A)，移相控制電路設(shè)計(jì)選用TI(德州儀器)公司的UCC3895芯片，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)選用TI公司的UCC27714芯片?？紤]到控制芯片PSpice建模的復(fù)雜度，本文在仿真設(shè)計(jì)中，直接使用4個(gè)脈沖信號(hào)源驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，通過(guò)設(shè)置脈沖信號(hào)延時(shí)確定移相角，主要分析輸出電壓、輸出功率是否滿足設(shè)計(jì)需求以及分析器件所承受的應(yīng)力和軟開關(guān)情況，為實(shí)際電路設(shè)計(jì)提供依據(jù)。圖2所示的變壓器磁芯選擇TDK的PC44-HF-100C，PQ3230，具體設(shè)計(jì)在2.2節(jié)中介紹。變壓器次級(jí)繞組分別接倍壓電路，倍壓電路的具體設(shè)計(jì)在2.3節(jié)中介紹。2.4節(jié)中給出了控制電路的設(shè)計(jì)。

為了估算串聯(lián)諧振電感Ls的值，將相關(guān)的器件參數(shù)列出：開關(guān)管選用IRF8010，其有效輸出電容COSS為530 pF，變壓器漏感LLK為0.147μH。本文對(duì)文獻(xiàn)[5]中估算串聯(lián)諧振電感的公式與UCC3895芯片設(shè)計(jì)手冊(cè)中的公式進(jìn)行了部分調(diào)整，給出了公式(1)，經(jīng)計(jì)算諧振電感應(yīng)大于0.67μH。

式中：LS為串聯(lián)的諧振電感值；COSS為開關(guān)管有效輸出電容值；VINMAX為最大輸入電壓；IAVE為滿載時(shí)的平均輸入電流。

2.2 高頻升壓變壓器設(shè)計(jì)

變壓器設(shè)計(jì)對(duì)高壓開關(guān)電源的設(shè)計(jì)起著關(guān)鍵作用，其分布參數(shù)非常復(fù)雜，為了更好地使用Pspice軟件仿真全橋變換電路的軟開關(guān)工作狀態(tài)，本文使用Magnetics Designer 4.1軟件設(shè)計(jì)變壓器，生成用于Pspice仿真的模型。Magnetics Designer軟件是美國(guó)Intusoft公司研制開發(fā)的。在10 Hz～5 MHz的變壓器和電感器，該軟件都能給出較好的設(shè)計(jì)方案，并且可以計(jì)算出包括漏感、分布電容、導(dǎo)線電阻、銅損、鐵損、質(zhì)量和溫升在內(nèi)的各種參數(shù)[6]。

本文設(shè)計(jì)的變壓器，輸出功率250 W；輸入電壓48 V，電流5.21 A；輸出電壓800 V，輸出電流0.312 5 A；工作頻率100 kHz，溫升低于50℃，窗口利用系數(shù)小于90%。將以上參數(shù)輸入Magnetics Designer軟件，會(huì)給出參考設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)者可以手動(dòng)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，直到滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，利用軟件可以生成變壓器設(shè)計(jì)總表，交給廠家生產(chǎn)。不同的磁芯和初、次級(jí)匝比設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比見表1。

表1 變壓器設(shè)計(jì)主要參數(shù)

通過(guò)分析表1變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)可知：PQ3230和PQ4040兩種TDK磁芯，匝數(shù)比7∶120、6∶100、5∶84都符合設(shè)計(jì)要求，PQ3230的尺寸比PQ4040的尺寸小，同樣考慮到在實(shí)際電路工作時(shí)的變壓器次級(jí)波形占空比丟失、倍壓電路壓降等因素，因此選擇PQ3230磁芯，匝數(shù)比選擇7∶120。在軟件中可以查看變壓器的分布參數(shù)，這里給出變壓器漏感LLK為0.147 mH。

利用Magnetics Designer軟件生成用于PSpice仿真的模型，其窗口如圖3所示，圖中左邊是原理圖符號(hào)，右邊是可用于PSpice仿真的庫(kù)文件。

圖3 變壓器設(shè)計(jì)窗口

2.3 倍壓電路設(shè)計(jì)

倍壓整流電路和高頻升壓變壓器共同實(shí)現(xiàn)高壓輸出。高壓電源的輸出電壓很高，若直接使用變壓器升壓至幾千到幾十千伏，則需要體積龐大、變壓比很大的變壓器，導(dǎo)致變壓器寄生參數(shù)復(fù)雜，對(duì)高壓開關(guān)電源整體性能影響很大，因此采用小變壓比的變壓器和倍壓電路結(jié)合的設(shè)計(jì)方式更適合高電壓、低電流應(yīng)用場(chǎng)景。倍壓級(jí)數(shù)越多，實(shí)現(xiàn)同樣的輸出電壓，理論上可以減小變壓器的尺寸，但輸出電壓紋波也會(huì)更加嚴(yán)重。雖然增大濾波電容可以有效減少輸出紋波，但同時(shí)也增大了電容體積，不利于電源小型化，也增加了成本，在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮。陰極電壓對(duì)輸出電壓穩(wěn)定度和紋波要求較高，因此在倍壓整流電路中可以采用小容量電容，輸出端再設(shè)計(jì)濾波電路使?jié)M足實(shí)際工程需求。

本文設(shè)計(jì)的行波管高壓電源陰極電壓是－3.2 kV(對(duì)地)，變壓器次級(jí)輸出電壓VS為822 V，設(shè)計(jì)4倍壓電路使輸出電壓達(dá)到－3.2 kV，如圖4所示。第一個(gè)電容C1充電至VS，其他所有電容都充電至2VS。4倍壓電路的輸出電壓Vout加在串聯(lián)的C2和C4兩端?？梢詫⒌刃ж?fù)載電阻接在四倍壓輸出端，獲得4VS的輸出。圖4所示為電阻RL的接法。

從上述分析中可知后三個(gè)電容承受的電壓是1 600 V，因此在選擇電容時(shí)要考慮耐壓，這里選擇0.1μF/2 000 V的電容，二極管選擇了耐壓1 000 V、電流1 A的HS1M型號(hào)，兩個(gè)串聯(lián)使用。在實(shí)際電路測(cè)試中，如果不做良好的散熱處理，二極管D1會(huì)壞掉，導(dǎo)致電路短路。解決辦法是選擇電流容量更大的二極管或者做散熱處理。

圖4 倍壓整流電路PSpice仿真

2.4 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路原理圖設(shè)計(jì)由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、反饋電路組成。如圖5所示，控制電路產(chǎn)生的控制信號(hào)輸入驅(qū)動(dòng)電路，產(chǎn)生可以驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的脈沖電壓信號(hào)。通過(guò)調(diào)整滑動(dòng)變阻器將輸出電壓取樣為－2.5 V的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)反相器送入控制芯片內(nèi)部的誤差放大器EAN端口，控制芯片根據(jù)反饋的電壓信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制，將實(shí)際輸出電壓與誤差放大器基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，再利用芯片內(nèi)部PWM比較器調(diào)整脈沖信號(hào)之間的移相角實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定。

圖5 控制電路原理圖設(shè)計(jì)

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 PSpice建模及仿真

在PSpice軟件中搭建如圖2所示的電路模型進(jìn)行仿真，為了觀察超前橋臂Q1、Q2的零電壓開關(guān)情況，圖6給出了開關(guān)管Q1、Q3的源極和漏極之間的電壓(VDS)以及驅(qū)動(dòng)電壓。觀察圖6的上半部分，在Q1的驅(qū)動(dòng)電壓降為零后，源漏極電壓VDS才開始上升，實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷；下半部分Q3的驅(qū)動(dòng)電壓波形變?yōu)楦唠娖街?，其VDS已經(jīng)降為零了，實(shí)現(xiàn)了零電壓開通。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果的正確，搭建了實(shí)際電路，并進(jìn)行了測(cè)試。圖7是搭建的測(cè)試平臺(tái)，使用的儀器如下：直流電源型號(hào)Faith FTP020-600-8-F、LODESTAR LP3005D，示波器型號(hào)RIGOL DS2102A，萬(wàn)用表型號(hào)FLUKE 17B+。

初次繞制諧振電感值為0.88μH，測(cè)得電源滿載效率93%，經(jīng)過(guò)對(duì)電感參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，滿載(等效負(fù)載電阻R=40.06 kΩ)時(shí)進(jìn)行測(cè)試，其中：電感LS為1.6μH，輸入電壓47.97 V，輸入電流5.622 A，輸入功率269.7 W，輸出電壓3 211 V。經(jīng)計(jì)算，輸出功率為257.377 W，效率為95.4%。

圖6 超前橋臂零電壓開關(guān)

圖7 搭建的測(cè)試平臺(tái)

圖8給出了超前橋臂的開關(guān)管Q1驅(qū)動(dòng)電壓VGS、漏源極電壓VDS。示波器通道1波形是驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形(10 V/格)，通道2是開關(guān)管漏源極電壓波形(20 V/格)。水平時(shí)間軸是500 ns/格。根據(jù)所選開關(guān)管數(shù)據(jù)手冊(cè)和實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)低于6 V時(shí)開關(guān)管關(guān)斷，高于6 V時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通。從圖中可以看到開關(guān)管很好地實(shí)現(xiàn)了零電壓的關(guān)斷和開通。

圖8 開關(guān)管Q1驅(qū)動(dòng)電壓和漏源極電壓實(shí)驗(yàn)波形

為了了解該電源在100%負(fù)載到50%負(fù)載時(shí)的效率情況，在等效負(fù)載電阻R等于 40.06、49.60、70.10、100.00和199.10 kΩ時(shí)，分別測(cè)試電源效率。圖9給出了相同輸入電壓、不同輸出功率的效率曲線。從圖中可以看到在100%負(fù)載到50%負(fù)載時(shí)的效率大于94%，實(shí)現(xiàn)了很寬負(fù)載范圍內(nèi)高效率，但需要指出的是輕載狀態(tài)效率不足80%。

圖9 相同輸入電壓、不同輸出功率的效率曲線

4 結(jié)論

本文將軟開關(guān)技術(shù)引入高壓電源的設(shè)計(jì)中，選擇了一種零電壓開關(guān)移相全橋變換拓?fù)潆娐罚O(shè)計(jì)了一種高效率高壓開關(guān)電源。重點(diǎn)介紹了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在電路設(shè)計(jì)中的作用，方便了變壓器選型和電路參數(shù)的調(diào)整，縮短了設(shè)計(jì)周期。為了驗(yàn)證零電壓開關(guān)的效果，最后制作了原理樣機(jī)，實(shí)測(cè)主功率電路在滿載時(shí)效率達(dá)到了95.4%。仿真和實(shí)際電路驗(yàn)證了軟開關(guān)技術(shù)在提高高壓電源效率方案的可行性，為應(yīng)用在高電壓低電流器件的開關(guān)電源設(shè)計(jì)和研制提供了一種思路和方法。