【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)簡單、控制方便得到廣泛應用，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。它可以限制開通時的du/dt和關(guān)斷時的di/dt，使功率器件安全正常運行。但是需要注意的是，吸收電路是通過把器件本身的開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路中而使器件得到保護的，因此這部分能量最終還是被消耗了，系統(tǒng)總的損耗沒有減少。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)器件在高頻下運行時，器件本身的極間電容將成為個重要參數(shù)。極間電容電壓轉(zhuǎn)換時的du/dt會藕合到輸入端，產(chǎn)生較強的電磁干擾，影響電源本身和電網(wǎng)中其他電器設備的運行。此外，電路寄生電容、電感若形成強烈的振蕩也會影響到設備的正常運行。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其缺點還不是很突出，隨著頻率的提高，開關(guān)損耗和電磁干擾將變成一個十分嚴重的問題，為了解決這一問題，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撲結(jié)構(gòu)，但其基本組成部分還是通過開關(guān)器件和諧振元件L、C之間串聯(lián)或并聯(lián)實現(xiàn)的，再配以適當?shù)目刂撇呗詠韺崿F(xiàn)開關(guān)器件的零電壓或零電流動作。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)，它是通過電感Lr和開關(guān)S的串聯(lián)實現(xiàn)的。Lr和Cr之間的諧振是靠S的導通來激勵的，利用Lr和Cr諧振形成開關(guān)器件導通期間的正弦波電流波形，電流過零點時即將開關(guān)S關(guān)斷。零電流開關(guān)對于具有存儲效應的開關(guān)器件更加有效，如GTR、IGBT。圖23(b)為零電壓(ZeroVoltageSwitching)開關(guān)，它是通過電感Lr和開關(guān)S的并聯(lián)實現(xiàn)的。Lr和Cr之間的諧振是靠S的關(guān)斷來激勵的，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，電壓過零點時即將開關(guān)S導通。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，諧振式變換器與負載關(guān)系很大，對負載的變換很敏感，為保持輸出在各種運行條件下基本不變，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計，不可能做的很小，實現(xiàn)最優(yōu)設計相當困難；另外，其控制電路中需要增加電壓頻率轉(zhuǎn)換功能，電路要復雜許多。所以，80 年代后期，許多專家進一步研究開發(fā)能實現(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，形成了ZCS或ZVS PWM變換技術(shù)。 移相式全橋變換器近年來，移相控制全橋變換器由于具有恒頻軟開關(guān)運行、移相控制實現(xiàn)方便、電流和電壓應力小、巧妙利用寄生元件等一系列突出優(yōu)點，它是指保持每個開關(guān)管的導通時間不變，同一橋臂兩只管子相位相差180度。對全橋變換器來說，只有對角線上兩只開關(guān)管同時導通時，變換器才輸出功率，所以可通過調(diào)節(jié)對角線上的兩只開關(guān)管導通重合角的寬度來實現(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、功率半導體器件的結(jié)電容或外加的附加電感電容的諧振來實現(xiàn)零電壓或零電流的開關(guān)換流。本文根據(jù)實際技術(shù)要求開發(fā)的開關(guān)電源的主電路，應該采用移相式全橋變換器的拓撲結(jié)構(gòu)。 控制電路的實現(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?shù)尿?qū)動脈沖，才能有效的工作。如果控制電路不完善，主電路設計得再好也無法發(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、軟啟動電路、保護電路、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、保護電路以及軟啟動電路等提供的控制信號產(chǎn)生出所需的脈沖信號，然后該脈沖信號經(jīng)過觸發(fā)電路的放大后去驅(qū)動開關(guān)元件，使開關(guān)管導通或關(guān)斷。圖24電源控制電路框圖電壓反饋控制電路通過檢測電壓的大小，對輸出電壓進行采樣，然后將采樣電壓和參考電壓相比較得出誤差信號，反饋控制電路將誤差信號進行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，進而調(diào)節(jié)輸出脈沖的脈寬達到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的?？刂齐娐份敵龅腜WM信號，電平幅值和功率能力均不足以驅(qū)動大功率開關(guān)元件，因此選擇合適的驅(qū)動電路是必須的。驅(qū)動電路是將控制電路輸出PWM脈沖信號經(jīng)過電隔離后進行功率放大和電壓調(diào)整再去驅(qū)動大功率開關(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)過程，直接影響到損耗，所以，應該合理設計驅(qū)動電路，實現(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形成非常大的電容充電電流，疊加在負載電流上，它不僅使開關(guān)管的負擔過重而可能損壞，而且，由于持續(xù)時間長，往往會引起過流保護電路發(fā)生誤動作。若為了避免由此引起的誤動作而將保護電路搞得非常遲鈍，這將會增加過流保護的不安全性。輸出電壓在合閘時容易出現(xiàn)過沖，這種過沖，合閘時可能發(fā)生，在關(guān)閉電源時也可能產(chǎn)生，只要達到足夠的幅度將會給負載造成損害，而且，反復的大電流沖擊對電容器本身也不利，同時還會引起干擾，因此，開關(guān)電源必須具備輸出電源軟啟動的功能。軟啟動電路在電源合閘和重新啟動時提供一個逐漸上升的電壓信號給脈沖產(chǎn)生電路，從而使控制電路的輸出脈沖有一個逐漸建立的過程。保護電路是控制電路的一個重要組成部分，為了提高電源的可靠性必須不斷完善保護電路的功能。當前開關(guān)電源電路的主要保護功能有:過流保護、過壓保護、欠壓保護、溫度保護。過流保護和過壓保護是為了保護負載和電源兩者而設置的，而欠壓保護和溫度保護是為了電源本身而設置的。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)電源的一組負載。選取輔助電源電路形式時，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。因為本文實驗要求輸出電壓為220V。橋式整流電路適用于輸出電壓較高的場合，還可以使變壓器結(jié)構(gòu)簡單，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濾波也可采用兩級濾波。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LC濾波電路，當要求輸出紋波很小時，也可以采用兩級LC濾波電路。第3章 開關(guān)電源主電路的設計開關(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)電源的要求對主電路各部分進行性能分析并計算各項參數(shù)，根據(jù)計算所得的數(shù)據(jù)結(jié)果選擇各元器件，設計出各個獨立模塊，最后組裝成開關(guān)電源的主電路。 開關(guān)電源的設計要求本文設計的大功率直流開關(guān)電源主要應用于電力系統(tǒng)的高頻開關(guān)電源，確定技術(shù)指標如下:1. 輸入電壓: 380V20%2. 電網(wǎng)頻率: 50Hz10%3. 功率因數(shù): 4. 輸入過壓告警: 437V5V5. 輸入欠壓告警: 320V5V6. 輸出標稱電壓: 220VDC7. 輸出電壓范圍: 176286VDC8. 輸出紋波電壓: 10mV9. 輸出額定電流: 5A10. 輸出過壓保護: 325V5V11. 輸出欠壓保護: 195V5V12. 便于生產(chǎn)和維護在本課題研究的過程中，主要對大功率開關(guān)直流電源的工作原理、電路的拓撲結(jié)構(gòu)和運行模式進行了深入研究，并結(jié)合系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，確定系統(tǒng)主電路的拓撲，設計出主電路，即分別設計出濾波、整流、DCDC變換器、軟啟動和保護控制等部分。下面就對電源主電路的設計進行詳細說明。 主電路組成框圖根據(jù)需要設計大功率開關(guān)電源的技術(shù)要求，本文進行了方案的驗證與比較，設計如圖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電路、控制和保護單元、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 拓撲，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。具體設計主電路如圖32所示，包括三個部分:(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)部對電網(wǎng)的干擾，同時又能減小其他用電設備通過電網(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通時間，限制電流峰值，可以提高電源的輸入功率因數(shù)。濾波電容采用四個電解電容，兩個串聯(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，檢測原邊電流作保護用。 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計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)整流橋的實際電壓等級，我們選擇整流橋的耐壓為1200V(2) 整流橋的額定電流因為電源的輸入功率隨效率變化，所以應取電源效率最差時的數(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，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決定于輸出保持時間和直流輸入電壓的紋波電壓的大小，而且要在計算流入電容器的紋波電流是否完全達到電容器的容許值的基礎上進行設計。E為電網(wǎng)電壓最低時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。簡易公式E= 380(1－20%)= 410V通過直流輸入電路的平均電流，為:===計算單相全波整流電路濾波電容的經(jīng)驗公式為: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)計算結(jié)果，在實際電路中，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