中石化中原油田分公司天然氣處理廠 方傳偉 李占麗

開關電源設計

中石化中原油田分公司天然氣處理廠 方傳偉 李占麗

隨著便攜式電子器件的應用日益廣泛，多功能作為便攜式的電子器件的一項特色也不斷地遇到新的挑戰(zhàn)。開關穩(wěn)壓電源具有集成度高、外圍電路較為簡單、電源轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，在各種電子產(chǎn)品中得到廣泛的應用。本文對開關電源進行了設計。

開關電源；主電路；控制電路

1.引言

開關電源是指通過控制開關晶體管開通和關斷時間的比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關電源被人們譽為十分高效節(jié)能的電源，它代表穩(wěn)壓電源發(fā)展的方向，現(xiàn)已經(jīng)是穩(wěn)壓電源主流產(chǎn)品。開關電源的內(nèi)部重要元器件均運行在高頻開關的狀態(tài)，本身消耗很低的能量，其電源的效率可以達到百分之八十到九十，是普通的線性穩(wěn)壓電源效率的將近兩倍。開關電源也被叫做無工頻的變壓器電源，它利用體積很小高頻的變壓器以實現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)變和電網(wǎng)隔離，不僅可以去掉十分笨重的工頻變壓器，而且可使用體積很小的濾波元件以及散熱器，這就為研究和開發(fā)的高效率、高可靠性、高精度、體積小、重量輕的開關電源打下了堅實的基礎。

2.開關電源的實現(xiàn)方案研究

2.1 開關變換器的拓撲結構

現(xiàn)代直流穩(wěn)壓電源可分為直流穩(wěn)壓開關電源和交流穩(wěn)壓開關電源兩大類，前者可輸出質(zhì)量相對較高的直流電壓；后者可輸出相對質(zhì)量較高的交流電壓。本研究課題的研究范圍屬 于前者的，直流變換器按照輸入與輸出間是否含電氣隔離，可以分成兩類：無電氣隔離的直流變換器稱為不隔離的直流變換器，具有電氣隔離的直流變換器稱為隔離的直流變換器。

不隔離的直流變換器根據(jù)使用的有源功率器件的個數(shù)，可以分為單管、雙管以及四管共三大類。采用單管的直流變換器共有六種，包括降壓式(Buck)、升壓式、Cuk、Zeta、升降壓式和Sepic等。這六類單管式變換器當中，降壓和升壓式是最為基礎的，另外四種則是衍生出來的。雙管式直流的變換器中有雙管式串接的變換器。全橋式直流的變換器是通常用的四管式直流的變換器。隔離直流的變換器同樣可以根據(jù)所用開關的器件個量進行分類。單管的包括正激式和反激式兩類。雙管的有正激、推挽、反激和半橋四種。四管式直流即全橋式直流。隔離直流通常使用變壓器來造成輸入以及輸出間的電氣隔離，變壓器其本身就具有變壓功能，將有利于擴展變換器的使用范圍以及利于完成多路不同的電壓或者多路相同的電壓輸出。

2.2 開關變換器的軟開關的技術

PWM技術已經(jīng)在電力電子電路中得到了日益廣泛的應用，一般說來是指在開關變換的過程中保持開關頻率的恒定，但通過改變開關接通時間的長短，使負載變化時，負載上電壓輸出變化卻不大的方法。但這種開關技術是一種“硬開關”，也就是開關管的通斷控制與其上流過的電流以及器件兩端所加的電壓并無關系，功率開關管的開通、關斷在器件上的電流或電壓不等于零的狀態(tài)下強迫進行，開關損耗很大。特別是現(xiàn)代電力電子技術正向頻率更高的方向發(fā)展，PWM硬開關技術將使得開關損耗成為高頻化發(fā)展的顯著障礙。

高頻軟開關技術大致可以分為以下三大類：

（1）諧振式變換器(串聯(lián)諧振，準諧振，并聯(lián)諧振和多諧振)；

（2）有源鉗位的ZVS單端變換器；

（3）零開關--脈寬調(diào)制變換器(ZVS/ZCS-PWM、PSC FB ZVS-PWM、ZVT/ZCT-PWM變換器)；根據(jù)本研究課題所探討的電源功率大，開關頻率高的特點，選用串聯(lián)諧振變換器等這類諧振變換器和零開關PWM DC/DC全橋變換器以實現(xiàn)軟開關，則較為適合。下面以這兩類中較為典型的移相全橋ZVS-PWM變換器和串聯(lián)的諧振式變換器為例，對這兩類變化器的特點進行綜合比較。

2.3 移相全橋ZVS-PWM變換器與串聯(lián)式諧振變換器相互比較

諧振式變換器包括串聯(lián)諧振式和并聯(lián)式，在諧振的變換器中，諧振元件一直諧振工作，可參與能量變換的全過程。串聯(lián)式諧振的變換器可實現(xiàn)開關管軟開通或者軟關斷，改善開關管的工作條件；這類的基本控制方式是調(diào)頻控制；變換器回路電流近似為正弦波，它的EMI小；但同時存在以下缺點：

（1）開關器件通態(tài)電流或斷態(tài)電壓的應力較大。對于在電壓模式下的諧振開關，開關于零電壓下所進行的開通與關斷所承受的斷態(tài)的峰值電壓可為其輸出電壓值的兩倍還要多，對于電流模式，則通態(tài)的電流峰值可達到輸出電流值的兩倍還多，通態(tài)損耗比較大。

（2）開關的器件工作頻率并不為恒定。采用調(diào)頻的方式控制，當電源或者負載變化，便只能依靠改變開關的器件的運行工作頻率來調(diào)節(jié)相關的輸出的電壓值，使頻率的變化范圍很大，以致對功率變壓器、輸入、輸出濾波器的設計以及優(yōu)化均難以進行，且頻率大范圍變化并不利于與下級變換器的同步。

3.開關電源的主電路設計

3.1 高頻變壓器的設計

開關電源主電路主要是處理電能，也就是功率變換。主電路主要包括輸入濾波電路、高頻變壓器、逆變電路、輸出濾波電路等部分。主電路的設計一般在整個電源設計過程中具有最為重要的地位。

變壓器是開關電源中的核心元器件，許多其他主電路的元器件參數(shù)設計均考慮了變壓器參數(shù)，因此，應首先對變壓器進行設計制造。高頻的變壓器在運行時電壓、電流均不為正弦波，因此，工作的狀況與工頻并不一樣，計算公式也不盡相同。需計算的參數(shù)包括鐵心的尺寸、導體的截面積、各繞組的匝數(shù)及其結構等，它們的基礎參數(shù)是工作電流、電壓和頻率等。

3.2 輸入端整流式濾波電路設計

交流的輸入一般使用包括單相輸入和三相式輸入（包括四線方式和無中線的方式）。對于中大功率的場合，考慮到單相整流電壓相對三相整流電壓要低得多，使DC-DC電路電流變大，功耗也增大，單相整流和三相整流比較而言直流脈動也比較大，因此，采納三相輸入，故本設計中輸入部分使用三相的無中線的控制方式，經(jīng)過功率控制的二極管形成三相的橋式的整流器以輸出脈動的直流波形，并且在整流器的輸出端接上LC濾波網(wǎng)絡，使脈動電流變成平滑的直流。

輸入濾波電容(C1)主要功能是起到濾波以及使得輸出直流電壓變得平滑，并減小脈動作用，故輸入端濾波的電容的挑選是相當關鍵。一般情況下，輸入濾波的電容值根據(jù)控制紋波來估算，也就是為了確保逆變電路供應穩(wěn)定直流電壓，濾波電路時間常數(shù)必須為紋波中基波周期的6倍以上，由此根據(jù)直流輸入電壓、電流推算出輸入濾波電容值。

3.3 輸出整流回路的結構設計

一般而言，輸出整流回路包括兩種，一種為四個二極管組成的單相式全橋整流，另一種是兩個整流二極管組成的單相式全波整流。比較兩者，全波式整流電路的二次繞組具有中心抽頭，結構較為復雜；而全橋式整流相對于全波式整流多采用了兩個二極管，成本較高，若輸出的電流大，那么整流橋上的二極管總通態(tài)損耗也變大，影響了變換器的效率，但是對于波整流電路，二極管所經(jīng)受最大的反向電壓是全橋整流電路值的兩倍。通過以上的考慮，當輸出的電壓較高，且輸出的電流較小時，一般采取全橋整流的方式；而輸出的電壓比較低，且輸出的電流較大時，一般使用全波整流的方式。結合本課題所研究的情況，輸出整流電路選用單相的全橋整流電路。

3.4 功率開關器件的選型設計

目前，在高頻開關電源中使用最為廣泛的功率開關器件是MOSFET和IGBT，在功率轉(zhuǎn)換的應用中，MOSFET的導通損耗與開關損耗之比約為3:1,而相比之下的IGBT的導通損耗與開關損耗之比約為1:4。MOSFET較高的導通損耗是由較高的RDS(on)引起，而IGBT較高的開關損耗是由關斷時電流拖尾所導致的。相比較而言IGBT的開關速度是低于功率MOSFET的，目前開關速度最快的IGBT的開關頻率可以達到150kHz（IR公司的開關頻率可高達150kHz的WARP系列400～600V IGBT），而MOSFET的所能達到開關頻率則比IGBT高出許多，且在開關頻率很高的時候，IGBT的開關損耗比MOSFET要大，故本課題研究采用MOSFET作為逆變電路的功率開關器件。

通常，若主電路工作在硬開關條件下，功率開關管的額定電壓常常要求大于直流母線電壓兩倍。而本電路工作在零電壓開關的條件下，功率開關管額定電壓可以適當降低一些，因此可選為600V。

3.5 附加諧振電感設計

通過研究移相全橋ZVS-PWM變換器可看出，開關的過程中，輸出濾波電感是參與串聯(lián)諧振的，它的能量很大，已可滿足開關管的并聯(lián)電容器進行充放電的需要，因此超前臂較易實現(xiàn)ZVS；但滯后臂于開關的過程中，變壓器副邊為短路，僅剩下變壓器的原邊漏感的能量可參與諧振，并不能快速完成其并聯(lián)電容器充放電的過程，滯后橋臂達到ZVS相對較為困難。故為了促進滯后橋臂達到ZV S，我們可另外增設附加的電感量，從而為并聯(lián)電容器充放電提供足夠多的磁能。

4.開關電源控制電路設計

4.1 開關電源控制電路設計

開關電源的主電路主要任務是處理電能，而控制電路的主要任務是處理電信號，它控制著主電路中各個開關器件的工作，控制電路的設計質(zhì)量對電源的性能甚為重要。一般由驅(qū)動電路，PWM控制電路，調(diào)節(jié)器電路及保護電路組成。

其中，PWM控制電路的作用是將于一定范圍內(nèi)不斷變化的控制量模擬信號轉(zhuǎn)換為PWM信號，通常集成的PWM控制器可將誤差電壓放大器（EA），振蕩器，PWM比較器，基準源，驅(qū)動，保護電路等常用開關電源控制電路集成在同一個芯片中，組成功能完整的集成電路，成為控制電路的核心。

4.2 移相PWM控制芯片UC-3879特性

這里UC-3879的系列IC是指UC-3875的改進產(chǎn)品，它是一個含軟開關的功能的PWM式驅(qū)動器，采用移相開關方式調(diào)節(jié)半橋電路的驅(qū)動式脈沖的電壓，同時控制了全橋式變換器的功率管，使固定的頻率的脈寬調(diào)制器和諧振零電壓的開關結合以具有相對高性能。此芯片除了可在電壓模式工作，同時可工作在電流模式，并且具有快速的過流保護功能。UC3879可以獨立編程以控制時間延遲，在每只輸出級開關管導通之前提供足夠的死區(qū)時間，為每個諧振開關區(qū)間里實現(xiàn)ZVS留有余地。

4.3 驅(qū)動電路設計

驅(qū)動電路是主電路與控制電路的接口，同開關電源的可靠性，效率等性能關系密切。驅(qū)動電路對快速性有較高要求，能提供一定的驅(qū)動功率，并具有較高的抗干擾和隔離噪聲的能力。通常MOSFET的驅(qū)動電路包括以下三類：

1)使用光耦合器作為電氣隔離的驅(qū)動電路，它由電氣隔離及放大電路兩部分構成，可以獲得很好的驅(qū)動波形，但由于受到光耦響應時間限制，當開關頻率較高時，驅(qū)動延時顯著(為微秒級)，并且需要獨立的驅(qū)動電源。

2)使用集成驅(qū)動芯片(比如IR2110)的驅(qū)動電路，根據(jù)自舉原理，驅(qū)動高壓側(cè)和低壓側(cè)的兩元件時，并不需獨立電源，驅(qū)動延時較小(納秒級)，適用的開關頻率高，驅(qū)動波形理想。但是當MOSFET并聯(lián)時，該電路驅(qū)動能力顯得不足，需要增加放大電路。

3)使用脈沖變壓器的驅(qū)動電路，它的電路結構簡單而可靠，并不需獨立驅(qū)動電源，延時小（為納秒級），適用的開關頻率很高。本設計依據(jù)自身的特點，采用脈沖變壓器來組成驅(qū)動電路，電路的結構簡單，延時較小（經(jīng)實驗測定本電源驅(qū)動電路延時小于50ns）,可靠性較高。

4.4 電源容量擴充的途徑

自八十年代，伴隨高頻電源技術及新型功率器件的快速發(fā)展，大容量高頻開關電源的研究和開發(fā)逐漸成為當今電力電子學的主要研究方向，并且派生了多個新研究方向。我們從電路的角度來考慮開關電源的容量擴充，將容量擴充技術分為二大類：

第一種，通過器件的串、并聯(lián)增大電源工作電壓或工作電流，以實現(xiàn)擴容的目的；

第二種，通過將多臺單個電源并聯(lián)，實現(xiàn)擴容和冗余設計的目標。

對于前者，器件的串、并聯(lián)的方式中，需要特別處理串聯(lián)式器件均壓問題以及并聯(lián)器件均流問題，考慮到器件的制造工藝以及參數(shù)離散性，限制器件相互之間的串并聯(lián)的數(shù)目，同時串、并聯(lián)的數(shù)量越多，那么裝置可靠性將會越差。

對于后者，多臺電源并聯(lián)的技術是基于器件的并聯(lián)技術進行大容量的可行方式，借助可靠電源并聯(lián)技術，在單機的容量合適的情況下，可簡單通過并聯(lián)的運行方式得到非常大容量的裝置，每臺單機僅為裝置的一個整理單元或一個相關的模塊。大功率電源系統(tǒng)是由若干個較小的模塊化電源形成的。在空間上，各個模塊接近于負載，供電的質(zhì)量高，采用調(diào)整并聯(lián)模塊數(shù)量以符合有差異的功率負載，設計較為靈活，每個模塊可承受較小的電應力，開關頻率將達兆赫級，從而提高系統(tǒng)的功率的密度。另外，模塊化的電源系統(tǒng)突破了僅僅只有單個電源的功率限制，用戶可如同搭建積木一般，按照電源功率進行最佳的組合，當某一個模塊發(fā)生了故障，可熱換掉此模塊，這時其他的模塊會均擔此故障模塊負載，并不影響整體系統(tǒng)工作，以提升系統(tǒng)安全，且方便維護，節(jié)省了投資。

4.5 開關電源電磁兼容的設計

隨著電子電路不斷向高密度高集成化的方向發(fā)展，我們對電源產(chǎn)品的要求越來越高。體積小、高效能、重量輕、高可靠性的“綠色電源”已不可避免地成為下一代電源產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。功率密度急劇增大將導致電源內(nèi)部電磁環(huán)境日益復雜，由此產(chǎn)生的電磁干擾對電源及其周圍的電子設備正常工作都產(chǎn)生威脅。同時隨著國際電磁兼容法規(guī)變得日益嚴格，國內(nèi)已經(jīng)以新的3C認證取代了CCIB和CCEE認證，對開關電源在電磁兼容方面的要求更加詳細、更加嚴格。目前，如何降低以致消除開關電源的EMI問題已成為全球開關電源設計師和電磁兼容設計師密切關注的問題。

電磁兼容(EMC)是說在十分有限的時間、空間和有限的頻譜范圍內(nèi)不同的電氣設備共同存在但卻不會造成各個電氣設備的性能下降，包括電磁敏感(EMS)和電磁干擾(EMI)這樣兩個方面。EMS是指電氣設備抵御電磁的干擾方面的能力，EMI則指的是電氣設備向周圍環(huán)境發(fā)出噪聲。某一臺具有十分良好的電磁兼容的性能設備，將會既不會遭到周圍的電磁噪聲的影響，同時對周圍的環(huán)境也不會形成較大的電磁干擾。

[l]劉軍.開關電源的應用與發(fā)展[J].大眾用電,2002(12):16-17.

[2]丁道宏.國內(nèi)外開關電源發(fā)展展望[J].電氣時代,2000(10):14-15.

方傳偉（1976—），男，河南潢川人，大學?？?，助理工程師，現(xiàn)供職于中石化中原油田分公司天然氣處理廠，研究方向：電子電氣。

李占麗（1979—），女，河南淇縣人，大學本科，技術主辦，現(xiàn)供職于中石化中原油田分公司天然氣處理廠，研究方向：裝置設備管理。