【正文】 較大。由于三相整流橋提供的直流電壓較高，工作電流相對(duì)較低，這些損耗還是可以接受的。目前，常用的全橋式變換器有傳統(tǒng)的硬開關(guān)式、諧振式以及移相式，下面分別簡(jiǎn)單介紹一下。 硬開關(guān)式全橋變換器硬開關(guān)PWM電路曾以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便得到廣泛應(yīng)用，開關(guān)管工作在硬開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)器件在高電壓下導(dǎo)通，大電流下關(guān)斷，因此，在開關(guān)瞬間必然有大量損耗。因此，常常加入緩沖電路，如Rc吸收網(wǎng)絡(luò)。它可以限制開通時(shí)的du/dt和關(guān)斷時(shí)的di/dt，使功率器件安全正常運(yùn)行。但是需要注意的是，吸收電路是通過(guò)把器件本身的開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路中而使器件得到保護(hù)的，因此這部分能量最終還是被消耗了，系統(tǒng)總的損耗沒(méi)有減少。并且頻率越高，開關(guān)損耗越大，使系統(tǒng)效率大大降低。另外，開關(guān)器件在高頻下運(yùn)行時(shí)，器件本身的極間電容將成為個(gè)重要參數(shù)。極間電容電壓轉(zhuǎn)換時(shí)的du/dt會(huì)藕合到輸入端，產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，影響電源本身和電網(wǎng)中其他電器設(shè)備的運(yùn)行。此外，電路寄生電容、電感若形成強(qiáng)烈的振蕩也會(huì)影響到設(shè)備的正常運(yùn)行。圖22硬開關(guān)式全橋變換器結(jié)構(gòu) 諧振式全橋變換器硬開關(guān)式電路在頻率不高時(shí)其缺點(diǎn)還不是很突出，隨著頻率的提高，開關(guān)損耗和電磁干擾將變成一個(gè)十分嚴(yán)重的問(wèn)題，為了解決這一問(wèn)題，有人提出了諧振式軟開關(guān)的概念。諧振式軟開關(guān)和硬開關(guān)相比，主要是增加了兩個(gè)附加元件諧振電感和諧振電容。利用諧振電感和諧振電容的諧振作用，使開關(guān)器件在正弦波的零電壓或零電流處開通或關(guān)斷。諧振變換電路有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但其基本組成部分還是通過(guò)開關(guān)器件和諧振元件L、C之間串聯(lián)或并聯(lián)實(shí)現(xiàn)的，再配以適當(dāng)?shù)目刂撇呗詠?lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件的零電壓或零電流動(dòng)作。其基本電路結(jié)構(gòu)如圖23所示。(a) 零電流開關(guān)(b) 零電壓開關(guān)圖23諧振電路的基本結(jié)構(gòu)圖圖23(a)為零電流(ZeroCurrentSwitching)開關(guān)，它是通過(guò)電感Lr和開關(guān)S的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)的。Lr和Cr之間的諧振是靠S的導(dǎo)通來(lái)激勵(lì)的，利用Lr和Cr諧振形成開關(guān)器件導(dǎo)通期間的正弦波電流波形，電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)即將開關(guān)S關(guān)斷。零電流開關(guān)對(duì)于具有存儲(chǔ)效應(yīng)的開關(guān)器件更加有效，如GTR、IGBT。圖23(b)為零電壓(ZeroVoltageSwitching)開關(guān)，它是通過(guò)電感Lr和開關(guān)S的并聯(lián)實(shí)現(xiàn)的。Lr和Cr之間的諧振是靠S的關(guān)斷來(lái)激勵(lì)的，利用Lr和Cr諧振形成開關(guān)器件關(guān)斷期間的正弦波電流波形，電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)即將開關(guān)S導(dǎo)通。只要將圖中22中的硬開關(guān)換成諧振式軟開關(guān)，即為諧振式全橋變換器。采用諧振全橋變換器，電源工作的安全性大為提高。但是，諧振式變換器與負(fù)載關(guān)系很大，對(duì)負(fù)載的變換很敏感，為保持輸出在各種運(yùn)行條件下基本不變，必須采用脈沖頻率調(diào)制(PFM)，因此，高頻變壓器、電感等磁元件要按最低頻率設(shè)計(jì)，不可能做的很小，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)相當(dāng)困難；另外，其控制電路中需要增加電壓頻率轉(zhuǎn)換功能，電路要復(fù)雜許多。所以，80 年代后期，許多專家進(jìn)一步研究開發(fā)能實(shí)現(xiàn)恒頻控制的軟開關(guān)技術(shù)，兼有諧振變換器和PWM變換器的特點(diǎn)，形成了ZCS或ZVS PWM變換技術(shù)。 移相式全橋變換器近年來(lái)，移相控制全橋變換器由于具有恒頻軟開關(guān)運(yùn)行、移相控制實(shí)現(xiàn)方便、電流和電壓應(yīng)力小、巧妙利用寄生元件等一系列突出優(yōu)點(diǎn)，它是指保持每個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間不變，同一橋臂兩只管子相位相差180度。對(duì)全橋變換器來(lái)說(shuō)，只有對(duì)角線上兩只開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，變換器才輸出功率，所以可通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)角線上的兩只開關(guān)管導(dǎo)通重合角的寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制，而在功率器件環(huán)流期間，它又利用變壓器的漏感、功率半導(dǎo)體器件的結(jié)電容或外加的附加電感電容的諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)零電壓或零電流的開關(guān)換流。本文根據(jù)實(shí)際技術(shù)要求開發(fā)的開關(guān)電源的主電路，應(yīng)該采用移相式全橋變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 控制電路的實(shí)現(xiàn)控制電路是開關(guān)電源系統(tǒng)的另一重要部分。DCDC變換器需要控制電路提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)脈沖，才能有效的工作。如果控制電路不完善，主電路設(shè)計(jì)得再好也無(wú)法發(fā)揮其自身的功能，例如:如果控制電路輸出的觸發(fā)信號(hào)不穩(wěn)定，或者出現(xiàn)誤觸發(fā)，有可能引起開關(guān)橋的直通，導(dǎo)致短路，從而損壞開關(guān)元件。根據(jù)電路功能的分工可將控制電路分為幾大部分:脈沖產(chǎn)生電路、觸發(fā)電路、電壓反饋控制電路、軟啟動(dòng)電路、保護(hù)電路、輔助電源電路等，具體控制電路如圖24所示。從圖24可以看出，脈沖產(chǎn)生電路是控制電路的核心。脈沖產(chǎn)生電路根據(jù)電壓反饋控制電路、保護(hù)電路以及軟啟動(dòng)電路等提供的控制信號(hào)產(chǎn)生出所需的脈沖信號(hào)，然后該脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)觸發(fā)電路的放大后去驅(qū)動(dòng)開關(guān)元件，使開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷。圖24電源控制電路框圖電壓反饋控制電路通過(guò)檢測(cè)電壓的大小，對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，然后將采樣電壓和參考電壓相比較得出誤差信號(hào)，反饋控制電路將誤差信號(hào)進(jìn)行PI處理后得到一控制電壓。最后，反饋控制電路將該控制電壓送給脈沖產(chǎn)生電路，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出脈沖的脈寬達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的?？刂齐娐份敵龅腜WM信號(hào)，電平幅值和功率能力均不足以驅(qū)動(dòng)大功率開關(guān)元件，因此選擇合適的驅(qū)動(dòng)電路是必須的。驅(qū)動(dòng)電路是將控制電路輸出PWM脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)電隔離后進(jìn)行功率放大和電壓調(diào)整再去驅(qū)動(dòng)大功率開關(guān)管，由于所提供的脈沖幅度以及波形關(guān)系到開關(guān)管的開關(guān)過(guò)程，直接影響到損耗，所以，應(yīng)該合理設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的最佳開通與關(guān)斷。電源的輸出濾波電容較大，輸出電壓的突然建立將會(huì)形成非常大的電容充電電流，疊加在負(fù)載電流上，它不僅使開關(guān)管的負(fù)擔(dān)過(guò)重而可能損壞，而且，由于持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，往往會(huì)引起過(guò)流保護(hù)電路發(fā)生誤動(dòng)作。若為了避免由此引起的誤動(dòng)作而將保護(hù)電路搞得非常遲鈍，這將會(huì)增加過(guò)流保護(hù)的不安全性。輸出電壓在合閘時(shí)容易出現(xiàn)過(guò)沖，這種過(guò)沖，合閘時(shí)可能發(fā)生，在關(guān)閉電源時(shí)也可能產(chǎn)生，只要達(dá)到足夠的幅度將會(huì)給負(fù)載造成損害，而且，反復(fù)的大電流沖擊對(duì)電容器本身也不利，同時(shí)還會(huì)引起干擾，因此，開關(guān)電源必須具備輸出電源軟啟動(dòng)的功能。軟啟動(dòng)電路在電源合閘和重新啟動(dòng)時(shí)提供一個(gè)逐漸上升的電壓信號(hào)給脈沖產(chǎn)生電路，從而使控制電路的輸出脈沖有一個(gè)逐漸建立的過(guò)程。保護(hù)電路是控制電路的一個(gè)重要組成部分，為了提高電源的可靠性必須不斷完善保護(hù)電路的功能。當(dāng)前開關(guān)電源電路的主要保護(hù)功能有:過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、溫度保護(hù)。過(guò)流保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)是為了保護(hù)負(fù)載和電源兩者而設(shè)置的，而欠壓保護(hù)和溫度保護(hù)是為了電源本身而設(shè)置的。輔助電源電路的功能是為控制電路供電。輔助電源的類型有很多種，既可以采用串聯(lián)線性調(diào)整型電源，也可以采用開關(guān)電源。輔助電源也可以通過(guò)高頻變壓器獲得輸出后反饋提供，輔助電源本身作為開關(guān)電源的一組負(fù)載。選取輔助電源電路形式時(shí)，只要該電源能滿足控制電路的要求即可。 整流濾波回路的選擇整流濾波回路是開關(guān)電源的重要組成部分，它可以提高電壓、電流的穩(wěn)定度，減小干擾。開關(guān)電源中分別存在輸入和輸出整流濾波回路。 輸入整流濾波回路本課題研究的電源額定工作狀態(tài)的技術(shù)要求為:輸出電壓220V，輸出電流5A，屬于大功率電源。為了保持三相交流電源的對(duì)稱性和減小電源的輸入濾波電容等原因，大功率電源一般采用三相電源作為供電電源。因此，本文試驗(yàn)用電源電路采用三相橋式整流，電感和電容組成輸入整流濾波回路。 輸出整流濾波回路在大功率電源中，常用的輸出整流電路有橋式整流電路和全波整流電路。因?yàn)楸疚膶?shí)驗(yàn)要求輸出電壓為220V。橋式整流電路適用于輸出電壓較高的場(chǎng)合，還可以使變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低整流管的電壓定額，所以我們采用橋式整流電路作為輸出整流電路。輸出濾波電路一般可采用一級(jí)濾波也可采用兩級(jí)濾波。輸出濾波電路的作用是濾除二次側(cè)整流電路輸出的脈動(dòng)直流中的交流成分，得到平滑的直流輸出。在開關(guān)電源中通常采用一級(jí)LC濾波電路，當(dāng)要求輸出紋波很小時(shí)，也可以采用兩級(jí)LC濾波電路。第3章 開關(guān)電源主電路的設(shè)計(jì)開關(guān)電源最重要的兩部分就是主電路和控制電路。本章將根據(jù)大功率直流開關(guān)電源的要求對(duì)主電路各部分進(jìn)行性能分析并計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)，根據(jù)計(jì)算所得的數(shù)據(jù)結(jié)果選擇各元器件，設(shè)計(jì)出各個(gè)獨(dú)立模塊，最后組裝成開關(guān)電源的主電路。 開關(guān)電源的設(shè)計(jì)要求本文設(shè)計(jì)的大功率直流開關(guān)電源主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)的高頻開關(guān)電源，確定技術(shù)指標(biāo)如下:1. 輸入電壓: 380V20%2. 電網(wǎng)頻率: 50Hz10%3. 功率因數(shù): 4. 輸入過(guò)壓告警: 437V5V5. 輸入欠壓告警: 320V5V6. 輸出標(biāo)稱電壓: 220VDC7. 輸出電壓范圍: 176286VDC8. 輸出紋波電壓: 10mV9. 輸出額定電流: 5A10. 輸出過(guò)壓保護(hù): 325V5V11. 輸出欠壓保護(hù): 195V5V12. 便于生產(chǎn)和維護(hù)在本課題研究的過(guò)程中，主要對(duì)大功率開關(guān)直流電源的工作原理、電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式進(jìn)行了深入研究，并結(jié)合系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，確定系統(tǒng)主電路的拓?fù)洌O(shè)計(jì)出主電路，即分別設(shè)計(jì)出濾波、整流、DCDC變換器、軟啟動(dòng)和保護(hù)控制等部分。下面就對(duì)電源主電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。 主電路組成框圖根據(jù)需要設(shè)計(jì)大功率開關(guān)電源的技術(shù)要求，本文進(jìn)行了方案的驗(yàn)證與比較，設(shè)計(jì)如圖31所示的軟開關(guān)直流開關(guān)電源的主電路框圖。虛線以上是主電路，主電路主要分為輸入整流濾波、逆變開關(guān)電路、逆變變壓器和輸出整流濾波；虛線以下為控制回路，控制回路主要包括信息檢測(cè)電路、控制和保護(hù)單元、監(jiān)控單元和輔助電源。圖31 直流開關(guān)電源的主電路框圖本電源采用ZVZCS PWM 拓?fù)?，原邊加箝位二極管，三相交流輸入整流后，加LC濾波，以提高輸入功率因數(shù)，主功率管選用IGBT，控制電路采用UC3875移相控制專用集成芯片，電流電壓雙閉環(huán)控制。具體設(shè)計(jì)主電路如圖32所示，包括三個(gè)部分:(1) 輸入整流濾波電路；(2) 單相逆變橋；(3) 輸出整流濾波電路. 輸入整流濾波電路三相交流電經(jīng)電源內(nèi)部EMI濾波后，加到整流濾波模塊。EMI濾波器的作用是濾除功率管開關(guān)產(chǎn)生的電壓電流尖峰和毛刺，減小電源內(nèi)部對(duì)電網(wǎng)的干擾，同時(shí)又能減小其他用電設(shè)備通過(guò)電網(wǎng)傳向電源的干擾。濾波電路采用LC 濾波，電感的作用是拓開電流導(dǎo)通時(shí)間，限制電流峰值，可以提高電源的輸入功率因數(shù)。濾波電容采用四個(gè)電解電容，兩個(gè)串聯(lián)后并聯(lián)使用，滿足三相整流后的高壓要求。電阻RR2是平衡串聯(lián)電容上的電壓，高頻電容與電解電容并聯(lián)使用，濾除高頻諧波，彌補(bǔ)電解電容高頻特性差的缺陷。圖32 電源主電路結(jié)構(gòu) 單相逆變橋單相逆變橋采用IGBT，以滿足高壓、高功率的要求。無(wú)感電容(CC8)并聯(lián)在兩橋臂之間，降低兩橋臂之間電壓尖峰的干擾，諧波電感，隔直電容、防止變壓器的直流偏磁，原邊箝位二極管減輕副邊振蕩，主變壓器起到原、副邊的隔離、耦合作用，原、副邊各一副繞組，以滿足副邊采用全橋整流的要求，原邊加交流互感器，檢測(cè)原邊電流作保護(hù)用。 輸出整流濾波電路采用全橋整流滿足高壓的要求，高頻濾波電感，電解電容(EEE7)，高頻電容(，)濾除高頻諧波分量，共模電感()，Y電容(、)，抑制共模分量，電流采樣電阻～，輸出二極管D14，防止電池電流反灌。 輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)該電源的輸入整流濾波電路同一般大功率PWM型開關(guān)電源的輸入整流濾波電路相似。主要包括兩部分組成:整流橋和輸入濾波電路。 整流橋工作頻率為50Hz，輸入為三相交流電壓380V，采用三相整流橋。(1) 整流橋的耐壓:考慮最大輸入電壓==380=456V整流二極管的峰值電壓為=380(1＋20%)=640V取50%的裕量 640(1+50%)=960V根據(jù)整流橋的實(shí)際電壓等級(jí)，我們選擇整流橋的耐壓為1200V(2) 整流橋的額定電流因?yàn)殡娫吹妮斎牍β孰S效率變化，所以應(yīng)取電源效率最差時(shí)的數(shù)值。在此，我們按一般開關(guān)電源的效率取值，取效率為80%電源的輸入功率:P= =2205/=1375W因最大輸入電流是在交流輸入電壓下限時(shí)，所以，=380V80%=304V,最大輸入線電流: ===取整流橋的額定電流為10A 。 輸入整流電容輸入電容器Cm決定于輸出保持時(shí)間和直流輸入電壓的紋波電壓的大小，而且要在計(jì)算流入電容器的紋波電流是否完全達(dá)到電容器的容許值的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。E為電網(wǎng)電壓最低時(shí)輸入三相橋式整流電路的輸出平均電壓:E==Ea其中Ea為交流輸入線電壓。簡(jiǎn)易公式E= 380(1－20%)= 410V通過(guò)直流輸入電路的平均電流，為:===計(jì)算單相全波整流電路濾波電容的經(jīng)驗(yàn)公式為:Cm=400～600由于三相全波整流電路的基波頻率為單向電路的3倍，因此計(jì)算三相電路濾波電路的公式為:Cm=133～200所以，Cm= 200= 670uF根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在實(shí)際電路中，我們選用1O00 uF/4OOV 的電解電容4只兩兩串聯(lián)后再并聯(lián)組成濾波電容組。 輸入濾波電感