高壓直流開(kāi)關(guān)電源的設計與實(shí)驗研究

摘要：設計了高壓直流開(kāi)關(guān)電源，主電路采用兩級結構，前級為具有軟開(kāi)關(guān)的有源功率因數校正(APFC)電路，能夠降低諧波含量，提高功率因數，降低開(kāi)關(guān)管損耗。后級采用在初級加箝位二極管的改進(jìn)型零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)移相全橋變換器，有效抑制了次級整流橋輸出振蕩和電壓尖峰，減少了損耗及輸出紋波。對控制系統進(jìn)行合理設計，提高了控制精度及開(kāi)關(guān)電源性能。最后研制廠(chǎng)一臺2．4 kW實(shí)驗樣機，通過(guò)實(shí)驗驗證了電源系統設計的可行性。
關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源；有源功率因數校正；箝位二極管

1 引言
在國內，低壓通信電源較成熟，高壓開(kāi)關(guān)電源尚處于研究階段。一般大功率直流開(kāi)關(guān)電源輸入多采用220 V交流電網(wǎng)，為降低對電網(wǎng)的諧波污染，提高輸入端功率因數，一般要經(jīng)過(guò)PFC級整流，然后將PFC級輸出電壓送入DC／DC級進(jìn)行變換。但高壓直流開(kāi)關(guān)電源輸出電壓較大，會(huì )對DC／DC級產(chǎn)生較大影響。
此處研制的高壓直流開(kāi)關(guān)電源采用兩級變換裝置，前級220 V交流經(jīng)過(guò)不控整流和APFC得到380 V穩定直流；后級選擇在初級加箝位二極管的改進(jìn)型ZVS移相全橋變換器，經(jīng)過(guò)變壓器變壓和隔離，采用全橋不控整流和LC濾波，最終得到精密的240 V直流輸出。設計了控制系統，選擇合理的參數提高開(kāi)關(guān)電源性能，并通過(guò)實(shí)驗驗證了設計的可行性和有效性。

2 主電路的設計
2．1 有源功率因數校正電路
APFC采用全控開(kāi)關(guān)器件構成的開(kāi)關(guān)電路對輸入電流波形進(jìn)行控制，使輸入電流成為與電源電壓同相的正弦波，功率因數高達0．995，從而徹底解決了整流電路的諧波污染和功率因數低的問(wèn)題。此處采用軟開(kāi)關(guān)單相APFC，其主電路如圖1所示。

2．1．1 APFC軟開(kāi)關(guān)電路
圖1中，為了讓主開(kāi)關(guān)管VQ實(shí)現ZVS，引入了輔助開(kāi)關(guān)管VQx，在每一次VQ需要進(jìn)行狀態(tài)轉換前，先導通VQx，使輔助電路諧振，為VQ創(chuàng )造軟開(kāi)關(guān)條件。VQ完成狀態(tài)轉換后，盡快關(guān)斷VQx，使輔助電路停止諧振，電路重新以常規PWM方式運行。
2．1．2 APFC軟開(kāi)關(guān)諧振參數的選取
軟開(kāi)關(guān)APFC電路中一個(gè)重要參數就是諧振電感L1。L1可由二極管VDR的反向恢復時(shí)間tVDR來(lái)估算，取諧振電感電流iL1上升時(shí)間tr=3tVD R，則最大電流上升率可確定為：
di／dt=ILmax／(3tVDR) (1)
式中：ILmax為最大電感電流。
L1的表達式為：
L1=Uo／(di／dt) (2)
式中：Uo為APFC輸出電壓。
實(shí)際選取L1=5μH。
2．2 ZVS移相全橋變換器
ZVS移相全橋變換器充分利用主電路寄生參數，如開(kāi)關(guān)器件的寄生電容、變壓器漏感和線(xiàn)路電感等來(lái)實(shí)現軟開(kāi)關(guān)。DC／DC級選用初級加箝位二極管的改進(jìn)型ZVS全橋變換器，如圖2所示。變換器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期有18種開(kāi)關(guān)模態(tài)，其工作波形如圖3所示。