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。
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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。