一．引言

  現(xiàn)在設(shè)計開發(fā)電源都要求體積小、重量輕、效率高,同時還要考慮電磁兼容性.隨著零電流、零電壓諧振變換器的出現(xiàn),為電源向著小型化、高功率密度的發(fā)展創(chuàng)造了條件.本文闡述了一種采用零電壓諧振變換技術(shù)的高頻高壓開關(guān)電源,它具有零電壓開通,軟關(guān)斷,開關(guān)損耗小,di/dt、 dv/dt小及干擾小等特點(diǎn).該電源工作頻率范圍在90~250KHz,最高工作頻率達(dá)300KHz.高壓電源系統(tǒng)采用多臺冗余式并聯(lián)的工作方式,工作方框圖見圖1.





圖1 高壓電源系統(tǒng)方框圖


二．工作原理

  新型開關(guān)電源采用了零電壓開關(guān)﹑多諧振變換技術(shù),其電路框圖如圖2所示,高壓電源的工作原理為:交流三相50Hz 380V電壓經(jīng)輸入電源濾波器﹑整流,防沖濾波后轉(zhuǎn)換成平滑的直流電壓,約540V,然后通過以零電壓開關(guān)多諧振變換器(ZVSMRC)為核心電路的變換橋,將540V的直流電壓變?yōu)轭l率為90~250kHz的高頻交流電壓,經(jīng)高頻變壓器升壓及高壓倍壓整流濾波后,獲得負(fù)載所需的高壓直流電-20kV,從高壓側(cè)的高精度高壓玻璃釉分壓器上取出反饋信號與基準(zhǔn)電壓相比較后送到誤差放大器,其輸出信號去控制PFM,通過調(diào)頻調(diào)寬來進(jìn)行穩(wěn)壓.






圖2 高壓電源原理方框圖

  變換橋采用零電壓開關(guān)多諧振變換全橋電路,如圖3所示.





圖3 變換橋

  在電路中,主開關(guān)管Q1-Q4選用功率MOSFET器件APT8030,D1-D4和C1-C4為開關(guān)管兩端反向并聯(lián)二極管和寄生電容器,且C1=C2=C3=C4,L為諧振電感,V0為輸出電壓,M=V0/Vi,因?yàn)樽儔浩鞯拇渭壌嬖诜植茧娙軨次級,把它折算到初級的電容為C0,且C0=N2*C次級.由于變換器工作在不同的狀態(tài),為了便于分析,我們按時域分成四個狀態(tài),它們的等效電路及電路中電壓﹑電流波形如圖4~8所示.




  1．貯能區(qū):t0-t1:
  它的等效電路如圖4所示,在該時區(qū)域內(nèi),Q1、Q3導(dǎo)通,L與C0產(chǎn)生諧振,諧振頻率為ω0=1/LC0 ,特征阻抗Z0=L/C0 ,電路以諧振方式將C0換向,但沒有向負(fù)載傳遞能量.
    i(t)=[(M+1)UiSinω0t]/Z0,
  2．能量傳送區(qū),t1-t2:
  它的等效電路如圖5所示.在該區(qū)域內(nèi),Vi側(cè)向負(fù)載傳送能量,且i(t)=I(t1)+(1-M)Vi(t-t1)/L
  3．能量轉(zhuǎn)移區(qū),t2-t3:
  它的等效電路如圖6所示,在該區(qū)域內(nèi)Q1、Q3截止,C4中的能量傳送到C1中,C2 中的能量傳到C3,且以諧振方式轉(zhuǎn)移,諧振頻率為ω1=1/LC1 ,直到VC2=VC4=0,VC1=VC3=Vi 為止.
  4 ．二極管饋能區(qū),t3-t4:
  它的等效電路如圖7所示,在該區(qū)域內(nèi),D2、D4導(dǎo)通,電感中的能量通過D2、D4向電源Vi饋能,且
    i(t)=I(t3)-(1+M)Vi(t-t3)/L
  5．Q2、Q4導(dǎo)通,電流換向,上述過程重復(fù).





圖8 開關(guān)電壓、電流波形曲線


三．產(chǎn)品設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

  1)輸入電源濾波器將開關(guān)電源產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾加以抑制,以免污染供電電源,同時它也使電網(wǎng)的干擾進(jìn)不了電源,有效地抑制了傳導(dǎo)干擾,提高設(shè)備的電磁兼容性能.另外,輸入采用共模濾波,差模濾波,提高功率因數(shù).  
  2)零電壓開關(guān)多諧振變換和軟關(guān)斷技術(shù),改善了電源主開關(guān)的工作狀況,減小了主電路中的di/dt和du/dt值,降低了主功率開關(guān)管的工作應(yīng)力,使電源產(chǎn)生的干擾減小,效率大為提高,
  3)工作頻率高,90KHz-250 KHz,最高工作頻率達(dá)300 KHz,大大降低了設(shè)備的重量.
    電壓傳輸比:M=Vo/Vi
    特征阻抗:Zo=L/Co  
    諧振頻率:ω0=1/LC0 當(dāng)M為常數(shù),且允許電路中的峰值電流與平均電流的比值(通常稱為峰值因數(shù)Ki)可大于2時,電路的fcmax/fcmin可不大于2~3,若允許提高電流的峰值因數(shù),工作頻率范圍還可以壓縮.
  進(jìn)入ZVS狀態(tài)后,開通損耗為0,電路的損耗(除回路中的電阻損耗及電磁損耗外)只剩下導(dǎo)通時的開關(guān)管壓降和關(guān)斷損耗.壓降損耗與開關(guān)管壓降和通流量及電流峰值因數(shù)有關(guān).
  4)主電路本身對過載和短路有自保護(hù)特性,提高了設(shè)備的可靠性.當(dāng)本電源過載時,Io升高Uo下降;當(dāng)負(fù)載短路時,輸出電壓自動跌落至0.
  5)高壓組件包括高壓變壓器﹑高頻高壓硅堆﹑高壓倍壓貯能和濾波電容及高壓分壓器,在變壓器的設(shè)計中,采用了尺寸為EC-70的鐵氧體磁心作為高壓變壓器的鐵芯,同時,變壓器的漏感可以被有效地利用起來,由于頻率較高,考慮到集膚效應(yīng),變壓器的繞組采用多股膝包線.整流硅堆選用高頻高壓硅堆,它的反向恢復(fù)時間為50ns,所有的高壓電容器被封裝成一個整體.
  6)倍壓整流的同時濾波,有利于降低輸出紋波.輸出紋波<1×10-4.
  7)用整個高壓電源裝入灌油的油箱內(nèi),既提高了散熱效果,又增加高壓絕緣強(qiáng)度,提高了電源的可靠性,電源做過高低溫試驗(yàn),作過防霉處理,適應(yīng)沿海氣候工作環(huán)境.當(dāng)環(huán)境溫度升高到70℃時,由于高壓電容組件的漏泄和開關(guān)特性變差以及硅堆的結(jié)電容增大等原因?qū)е滦蕰杂邢陆?
  8)運(yùn)用多臺冗余式并聯(lián)技術(shù),使輸出穩(wěn)定,可靠性高.

四．結(jié)論

  目前,在大功率的電源中,諧振、準(zhǔn)諧振、多諧振是高功率高頻開關(guān)電源的發(fā)展方向之一,本電源采用了零電壓多諧振變換技術(shù),減小了開關(guān)損耗,提高了電源整機(jī)效率,降低了散熱設(shè)計的要求,同時由于工作頻率的提高,一些主要元件趨于小型化,并且,它的di/dt和du/dt值很小,電磁輻射干擾小,而且也有利于減輕電源的重量.因而適合要求體積小、重量輕、效率高的場合.