牛淑芳，馬 躍，鄧玉福，劉宏軍

（1.沈陽師范大學 物理科學與技術學院，沈陽 110034；2.天津海運職業(yè)學院 航海技術系，天津 300350）

0 引 言

開關電源是一種通過功率變換來實現各種用電設備電能需求的裝置。高頻開關電源與傳統的線性電源相比，具有穩(wěn)定性強、體積小、質量輕、效率高等優(yōu)點，因而在醫(yī)療、航空、通信、電焊機、激光加工等方面都有非常廣泛的應用［1］。

1 低壓開關電源的原理及結構

開關電源的原理框圖如圖1所示。由圖看出電源主回路包括：輸入整流濾波、高頻逆變、輸出整流濾波以及控制電路4個部分，工作原理是：市網電經過輸入整流濾波后得到約300V的脈動直流電；當該直流電通過逆變電路后，在變壓器次級獲得高頻交流電壓［4］，再經過二次整流濾波后，最后得到用電設備需要的直流電壓。

圖1 開關電源原理框圖

2 電源結構中的主要電路

2.1 輸入整流濾波電路

輸入整流電路采用的是全橋整流，由于整流后電壓脈動比較大，因而整流之后采用LC濾波電路來減小電壓的脈動值，其中濾波電容采用4只1 000μF電解電容并聯［3］。

2.2 逆變主電路

2.2.1 主電路工作原理

逆變電路中采用的開關器件是高頻可控硅，觸發(fā)信號由TL494組成的脈沖振蕩控制電路提供。

根據可控硅工作原理［5］：只有當可控硅陰陽兩極施加正向電壓，同時在門極加上正向觸發(fā)脈沖信號時，可控硅才能導通，但SCR導通后門極就會失去控制作用。為保證可控硅關斷，筆者采用的換流方式是：在變壓器原邊串入一個諧振電容，與變壓器的原邊共同組成LC震蕩電路，通過利用震蕩電流方向的周期性變化來實現可控硅的陽極換流，電路結構如圖2。

工作原理［6］：儲能電感L1對諧振電容C3充電同時，在可控硅的陰陽兩極加以正向電壓，這時當門極給以正向的觸發(fā)信號時可控硅導通，而諧振電容C3通過SCR與變壓器的原邊就構成震蕩回路。在震蕩電路前半個周期，諧振電容C3釋放能量，震蕩電流正向通過可控硅，此時流過變壓器中的電流方向為自下而上；在震蕩電路后半個周期，震蕩電流反向流過可控硅SCR，導致SCR中的正向電流逐漸減小為0，剩余的電流則通過內部并聯的反向二極管繼續(xù)流動并將能量儲存在C3中，這時加在二極管上的管壓降反向加在可控硅陽極上，強迫可控硅關斷。當一個周期完成時，在變壓器上就產生了一個交流電壓。圖3是可控硅正常工作下陰陽極間電壓波形。

圖2 SCR諧振式逆變電路

圖3 正常工作狀態(tài)下SCR陰陽極電壓波形

在圖3中t0～t1段代表LC振蕩電流流過可控硅的時間，t1～t2段代表反向振蕩電流通過續(xù)流二極管的時間，則t0～t2段就是可控硅的導通時間Ton，t2～t3是可控硅的截止時間Toff；U1代表可控硅反向尖峰電壓，U2是在一個周期結束時SCR的陰極和陽極之間加的最大反向電壓，該電壓會隨著輸入電壓的升高而升高，因而如果開關管工作在低頻開關狀態(tài)，將會給開關管的耐壓值造成很大的威脅。相反，若開關管的頻率太高，變壓器感抗將增加，又會影響變壓器的轉換效率［7］。圖4是SCR逆變電路在不同頻率下輸出電壓的仿真波形。由圖4可以看出，選擇合適的開關頻率對于提高電源的性能將會有很大的影響［8］。諧振電容C3的取值以及變壓器的初級感量是影響電源工作頻率的關鍵。

圖4 不同頻率下輸出電壓的仿真波形

2.2.2 高頻變壓器

變壓器［9］是開關電源設計中的一個關鍵器件，直接影響整個電源的性能。在對變壓器的匝數比進行設計時，一般要求在輸入電壓最低的情況下能夠實現設計電源要求電壓的輸出，因而變壓器匝數比不能設置的太大，但實際應用中為了提高變壓器的利用效率，會在滿足輸出電壓的情況下盡量增大匝數比。

變壓器的副邊電壓U2為

式中：U0是電源的輸出電壓；VD是指高頻［10］整流二極管導通壓降；Vf表示輸出濾波電感和變壓器繞組的總壓降。副邊匝數為［3］

由n＝U1／U2即可求得變壓器的初級匝數，通常在實驗中還需要對理論值作適當調整。由于本文設計的變壓器與開關管的導通時間有密切的聯系，因而在設計變壓器時還需要認真考慮初次級感量及漏感。

2.3 輸出整流濾波電路

2.3.1 整流濾波電路

常用的整流電路有：半波整流、全橋整流及帶有中心抽頭的全波整流電路［4］。對于半波整流而言，只有在加正向電壓時二極管才能夠導通，因而會損失掉一半的能量，導致電源效率變低。

帶有中心抽頭的全波整流電路與全橋整流電路相比，少用了2只整流二極管，因而管子損耗較小，輸出電壓紋波值也較小。缺點是管子承受的電壓降比較大，且變壓器的次級繞組是全橋電路的2倍，制作復雜、線圈損耗大，相比而言本文選用了全橋整流。

為了減小管子承受的電壓降，選用反向恢復時間快的高頻二極管，并采用多只管子并聯的連接方式［3］。

2.3.2 吸收電路

在開關管開通關斷的過程中，變壓器中存在的漏感［11］會產生感應電動勢，當這部分電壓與原電壓進行疊加后，會對管子的耐壓值構成影響，因而常在二極管及開關管的兩端分別并聯RC吸收回路來減小其影響。

圖5 全橋整流電路

3 電源設計的驗證

3.1 仿真驗證

對上述設計的電源進行MATLAB Simulink仿真驗證，仿真電路如圖6所示。仿真參數設置為：觸發(fā)脈沖信號的工作頻率f＝10kHz；諧振電容C3＝1μF；負載電阻RL＝3Ω；輸出濾波電容Cf＝2 200 μF；輸入端電壓為200V的直流電；變壓器副邊電壓U2＝65V。

圖6 電源仿真原理圖

圖7是仿真示波器Scope1的波形圖，由上到下3個通道分別表示流過可控硅的電流波形、可控硅陰陽極間的電壓波形以及觸發(fā)信號波形。

圖8a分別表示變壓器次級電壓波形和初級電壓波形。圖8b圖是仿真示波器Scope3的波形圖，表示輸出負載電壓波形。

3.2 實驗驗證

在仿真參數的基礎上進行實驗驗證，當輸入電壓Uin＝190V時，測得電源輸出端電壓為60V，因而說明采用SCR諧振式逆變電路能夠實現1 200 W／20A的輸出。圖9是在上述實驗條件下測得的可控硅脈沖波形和陰陽極間電壓波形。

圖7 可控硅電流與電壓仿真波形

圖8 關鍵點電壓波形

圖10給出相同條件下不同負載的輸出功率與電源效率關系曲線，由負載為3Ω的曲線圖可以看出：當輸出功率高于450W時，電源的工作效率保持在80% 以上；而在輸出功率小于450W時，隨著輸入電壓的增加，電源效率增加較快，這說明在升壓的最初時間內，通過開關管的電流太低而無法將其內部吸收電容儲存的能量完全釋放而引起的損耗導致的［12］。通過對不同負載在電源效率達到80%以上時輸出功率的比較，可以得出：采用可控硅諧振逆變實現低壓大電流［13－14］開關電源設計時，負載越輕，開關管越能在較短的時間內實現零開關，減小開關損耗，說明變壓器的次級接入輕負載時更有利于功率轉換。

圖9 可控硅陰陽極電壓實測波形

圖10 不同負載下輸出功率與電源效率曲線

4 結 論

通過采用固定頻率的方式，對單端諧振式逆變電路進行仿真和實驗驗證，結果表明采用可控硅諧振逆變電路能夠實現低壓大電流的輸出，且實驗結果與仿真結果基本吻合。在實驗測試中帶載1 200W時，連續(xù)工作30min，各電源器件均能正常工作，滿足電源設計的要求［7，15］。電源的主要技術指標：輸入電壓為220V（AC）／50Hz；輸出電壓：60V（DC）；最大輸出電流為20A；電源效率在82%以上；紋波系數0.45%。

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