高壓軟開關(guān)充電電源硬件設(shè)計

趙強

摘 要：對任何的電設(shè)備來說，電源都是不可缺少的。開關(guān)充電電源替代了傳統(tǒng)意義上笨重工頻的變壓電源，縮小了電源自身體積。電源控制的電子設(shè)備處于開啟狀態(tài)，提高整機的效率。本文主要對電源開關(guān)工作原理進行了介紹，接著對軟開關(guān)技術(shù)進行了分析，最后探討了軟開關(guān)充電電源硬件設(shè)計。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；軟開關(guān)；硬件設(shè)計

0 引言

開關(guān)電源是一項電子化技術(shù)，其使用功率轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)電能間的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電能用來滿足各方面用電的需要。其較線型電源重量更輕、體積更小、效率更高，在計算機、電視機、自動化控制設(shè)備、通信設(shè)備等各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

1 開關(guān)電源基本工作原理

開關(guān)電源有許多種形式，尤其是以調(diào)制型脈沖的寬度（PWM）最盛行，目前以該種形式開關(guān)電源的工作原理進行介紹。

主回路指由電網(wǎng)把能量傳給負(fù)載的一種回路，其他回路則被稱為控制類回路。

電網(wǎng)的交流電經(jīng)濾波整流電路的輸入，進而獲得直流高波紋電壓，此后經(jīng)過變換功率電路，轉(zhuǎn)換成滿足要求的波脈動電壓，再經(jīng)整流形成連續(xù)直流低波紋電壓。

控制類回路在將開關(guān)高壓T動脈沖提高的同時，要實現(xiàn)電壓穩(wěn)定輸出的控制，此外還要保護負(fù)載和電源元件。其通常是由檢測放大型電路、震蕩時鐘電路、電壓脈沖轉(zhuǎn)換V/W電路及自用的電壓等電路組合而成。

2 軟開關(guān)相關(guān)技術(shù)

目前的電力電子設(shè)備發(fā)展主要趨勢為輕量化。小型化，且對于裝置效率和電磁的兼容問題要求更高。通常，變壓器、濾波電感及電容在裝置重量和體積中所占比例較大。所以，要達到裝置的小型化、輕量化，就必須想辦法降低他們的體積與重量。由“電路”的相關(guān)知識可知，工作效率的提高可以使變壓器繞組間匝數(shù)減少，同時還可以使鐵心體積減小，從而讓變壓器往小型化發(fā)展。因此高頻化電路是設(shè)備輕量化、小型化的有效途徑。然而在提高開關(guān)頻率的同時，增加了開關(guān)的損耗，使電路運行效率降低，增大了電磁的干擾，可以知道簡單提高電源開關(guān)的頻率并不能從根本上解決問題。

軟開關(guān)相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)能夠使這些問題得到解決，其主要利用諧振輔助轉(zhuǎn)換電流的手段，解決了電路中開關(guān)的損耗及噪聲等問題，大幅度提高了開關(guān)頻率。

3 高壓軟開關(guān)充電電源硬件設(shè)計

3.1 主電路的選型

在開關(guān)諧振技術(shù)中適合于電容脈沖充電的是諧振串聯(lián)電路，其輸出結(jié)果近似看做恒流源（等臺階充電），其優(yōu)點為充電的效率較高，且可以保護固有的短路。因為電源的功率過大，全橋電路且高頻變壓器副邊采取整流橋二極管整流。

3.2 電路工作方式與原理

直流（經(jīng)過市電整流的）電壓經(jīng)電路而逆變成頻率較高的交流方波電，該種高頻交流方波電經(jīng)過高頻的變壓器升壓，經(jīng)過二極管的整流橋進而得到穩(wěn)定的電流，給電容充電。

設(shè)：IGBT開關(guān)的頻率為fs， 諧振的頻率為fr。

諧振串聯(lián)變換器工作方式以fs的大小主要有三種方式：

（1）第一種方式（fsfs>fr/2） 電流處于連續(xù)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)電流為零切斷。但在開通過程中，同一個橋臂的兩開關(guān)有強制換流現(xiàn)象，所以開關(guān)的損耗和干擾較大；（3）第三種方式（fr

現(xiàn)對圖3-1負(fù)載串聯(lián)DC-DC變換器三種工作方式進行分析。

由圖得出，Cr與Lr形成串聯(lián)型諧振，同負(fù)載相互串聯(lián)，經(jīng)諧振后的電流于負(fù)載一端被整流。在輸出端濾波的Cf足夠大，可以認(rèn)為Cf兩端的電壓為直流無波紋電壓。若簡單進行分析則可忽略諧振電路損耗過小的電阻，輸出電壓V0反射至整流橋輸入端，用VCB表示，若IL為正值，VCB=V0，IL為負(fù)，VCB=-V0。

如果開關(guān)T加導(dǎo)通，當(dāng)IL電流為正，電流流過T+，否則，流過D-二極管；

同上，當(dāng)IL電流為負(fù)，若T-導(dǎo)通，流過T+；否則流過D+二極管。所以，圖1（a）有以下四種情況：

1.當(dāng)IL>0時

T+導(dǎo)通： VAB=+Vd/2，VAC=Vd/2-V0；

D-導(dǎo)通： VAB=-Vd/2，VAC=-Vd/2-V0。

2.當(dāng)IL<0時

T-導(dǎo)通： ：VAB=-Vd/2，VAC=-Vd/2+V0 ；

D+導(dǎo)通： VAB=+Vd/2，VAC=Vd/2+V0。

諧振槽上的電壓VAC由IL電流方向和哪一開關(guān)導(dǎo)通來決定。上面的方程表達的4種情形可由圖1（b）的等效電路表示。要引起高度的重視，采用這一電路要根據(jù)不同時間的間隔進行計算。各間隔內(nèi)，應(yīng)確定初始狀態(tài)條件，且要把VAB和VCB看做同一直流型電壓。

當(dāng)處于穩(wěn)定對稱的工作狀態(tài)時，兩開關(guān)處于相同的狀態(tài)，同樣，兩個二極管也處于相同的狀態(tài)，所以，只需要對運行的半個周期進行分析即可計算得到整周期運行狀態(tài)，這是因為另外半個周期運行的狀態(tài)和這前一半周期運行狀態(tài)是相互對稱的。

4 結(jié)語

本文結(jié)合當(dāng)前開關(guān)電源的發(fā)展趨勢，在系統(tǒng)學(xué)習(xí)開關(guān)電源原理的基礎(chǔ)上，了解開關(guān)電源的主要設(shè)計過程及其相關(guān)方法；并爭取在電源的設(shè)計和制造等工作中加以應(yīng)用，希望能給同行提供借鑒意義，促進高壓軟開關(guān)充電電源硬件設(shè)計的良好發(fā)展。

參考文獻：

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