鐘廷福

摘要：隨著電源技術(shù)的不斷發(fā)展，開關(guān)電源作為一種新型電源設(shè)備得到了各個(gè)領(lǐng)域廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用；但是大部分電源都是一些小功率的比較常用，對(duì)于大功率開關(guān)電源來說還是存在功率不夠、效率低、不穩(wěn)定、體積大和技術(shù)方面的缺陷。本人從事開關(guān)電源的研發(fā)工作20余年，對(duì)于大功率開關(guān)電源積累了豐富的認(rèn)識(shí)和體驗(yàn)?，F(xiàn)對(duì)大功率開關(guān)電源的基本原理的分析，提出了大功率開關(guān)電源的主電路和控制電路的設(shè)計(jì)方案，并完成了一系列開關(guān)電源的硬件電路設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：大功率 高效率 高可靠性 開關(guān)電源

—、開關(guān)電源系統(tǒng)概述

開關(guān)電源核心部分由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成。分別是DC/DC變換器、開關(guān)管驅(qū)動(dòng)器、PWM信號(hào)源、輸出反饋比較放大器。然而該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還應(yīng)有輔助電路，主要為控制電路部分，其功能是產(chǎn)生電路所需的控制脈沖和提供各種保護(hù)。

開關(guān)電源的主電路通過輸入整流濾波、DC/DC變換、輸出整流濾波將交流電壓轉(zhuǎn)換為所需的直流電壓。開關(guān)電源主回路由以下三部分組成：

（一）輸入整流濾波電路。其作用是將交流電通過整流模塊變成具有脈沖的直流電，然后通過濾波電容將其變?yōu)檩^平滑的直流電。

（二）功率開關(guān)電路。其作用是將濾波得到較平滑的直流電變?yōu)楦哳l的方波電壓，再通過高頻變壓器送到輸出端。

（三）輸出濾波回路。其作用是將高頻方波電壓轉(zhuǎn)變成為所需要的直流電壓或者電流。

由于控制電路部分在整個(gè)電源中起到首腦的作用，控制整個(gè)系統(tǒng)工作并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的保護(hù)功能。

二、開關(guān)電源主電路總體設(shè)計(jì)分析

（一）主電路設(shè)計(jì)分析

根據(jù)需要設(shè)計(jì)的大功率開關(guān)電源技術(shù)要求，我已通過選取的方案作了一些驗(yàn)證和比較，如圖l可以看出主電路和控制電路的基本組成。其中，主電路包括輸入整流濾波、高頻逆變和輸出整流濾波三個(gè)部分；虛線框內(nèi)為控制電路，包括監(jiān)控單元、控制和保護(hù)單元、輔助電源和反饋四個(gè)部分。

經(jīng)過分析比較和電路元器件的選擇后作具體的電路設(shè)計(jì)，如圖1所示。該電路主要由三部分構(gòu)成，包括單相逆變橋，另外還包括輸入、輸出整流濾波電路兩部分。

首先是三相交流電的作用。經(jīng)過電源內(nèi)部進(jìn)行EMI濾波后送入全橋整流濾波網(wǎng)絡(luò)，電源主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。它采用了LC濾波，其主要作用是延長(zhǎng)了電流續(xù)流導(dǎo)通時(shí)間，限制了電流峰值，從而達(dá)到提高電源的輸入功率因數(shù)的目的。除此之外。電阻R1和R2的主要作用是針對(duì)電壓而言，平衡串聯(lián)電容上的電壓，通過這一操作處理最終能夠維持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，而且針對(duì)關(guān)機(jī)后的放電問題也具有很好的作用。在系統(tǒng)中還采用了高頻電容與點(diǎn)解電容并聯(lián)的方式，主要目的是濾除高頻諧波。另外采用這種方式也主要是為了彌補(bǔ)了電解電容在高頻特性方面的不足。

為了滿足高壓、高功率的要求。在單相逆變橋電路中選擇使用絕緣柵雙極IGBT晶體管。高頻高壓瓷片電容C7、C8并聯(lián)在兩個(gè)橋臂之間。起到了再一次降低兩個(gè)橋臂之間的尖峰的干擾的作用。諧波電感L2隔直電容C16、C17、C18起到了防止變壓器T2的直流偏磁的作用。為了檢測(cè)原邊電流是否滿足要求，變壓器的原邊需要添加交流互感器。

在輸出整流濾波電路中，選擇全橋整流濾波電路，以滿足高壓的要求。其中，高頻濾波電感L3，電解電容C9、C10、C14和高頻高壓瓷片電容C11、C15是為了濾除高頻諧波成分；共模電感L4，Y電容C12、C13是為了抑制共模分量。電流采樣電阻R3、R4是檢測(cè)負(fù)載電流是否需要通過控制和保護(hù)：輸出隔離二極管D3是為了防止電壓反灌。也是一種保護(hù)措施。

（二）控制電路設(shè)計(jì)分析

在開關(guān)電源的主電路中，主要目的是通過其實(shí)現(xiàn)電能的處理，在此基礎(chǔ)上，利用控制電路進(jìn)行電信號(hào)處理，利用控制電路來進(jìn)行開關(guān)期間工作控制的同時(shí)。還能夠直接決定電源的性能。一般控制電路主要由四部分構(gòu)成。包括調(diào)節(jié)器電路、驅(qū)動(dòng)電路以及保護(hù)電路和PWM控制電路幾部分?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。它集成控制器主要包括電壓型控制器和電流控制器。電壓控制器只有電壓反饋控制，能夠滿足穩(wěn)壓的要求；而電流型控制器還具有電流反饋控制的功能，除了穩(wěn)壓之外，還有以下優(yōu)點(diǎn)：

①負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；②對(duì)濾波電容容量進(jìn)行處理，減小其輸出量；③PWM開關(guān)控制器對(duì)于整個(gè)電路而言，具有很好的均流能力，尤其是針對(duì)多臺(tái)開關(guān)電源并聯(lián)工作的情況：④這一部分還能對(duì)電流有很好的響應(yīng)，但電流值超過預(yù)定值的時(shí)候通過相應(yīng)自動(dòng)關(guān)斷開關(guān)管。

其中，PWM控制電路的主要作用是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，通過這一電路能夠?qū)⒖刂屏磕M信號(hào)轉(zhuǎn)換成為PWM信號(hào)。而且目前的PWM控制電路往往是以集成電路的形式在系統(tǒng)中存在，將PWM比較器、基準(zhǔn)源、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路以及振蕩器等組成部分集成在芯片當(dāng)中。這一組成部分也成為當(dāng)前整個(gè)控制電路的核心所在。

三、反饋電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用TI公司推出的一款uc3879移相PWM控制芯片：在其中引入了移相開關(guān)方式進(jìn)行處理，能夠改變電路驅(qū)動(dòng)脈沖電壓從而實(shí)現(xiàn)全橋變換器的功率問題，這樣能夠極大的提高整個(gè)系統(tǒng)的功能，另外通過這種方式也提高了系統(tǒng)的過流保護(hù)功能。

一般在系統(tǒng)中還需要引入電壓調(diào)節(jié)器。比較常見的電壓調(diào)節(jié)器是uC3879誤差放大器，這一誤差放大器給出了電壓信號(hào)，一般電壓幅值固定為2.5V，輸出電壓最終能夠輸入到誤差放大器的反相端當(dāng)中。這種傳統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)器往往會(huì)對(duì)控制回路造成極大的干擾，因此需要進(jìn)行一定的改進(jìn)和創(chuàng)新。這里采用光電隔離的精密電壓反饋電路。主要由光電耦合器和TL431配合構(gòu)成。

四、保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

保護(hù)電路在整個(gè)電路中主要有兩個(gè)功能。一個(gè)是自身保護(hù)功能，另一個(gè)是負(fù)載保護(hù)功能。當(dāng)整個(gè)電路系統(tǒng)出現(xiàn)問題或者故障的時(shí)候，通過保護(hù)電路能夠使開關(guān)電路停止工作，并且通過電路來給出預(yù)警和警告，這樣能夠保證自身電路不會(huì)受到影響或者破壞，對(duì)于負(fù)載也具有很好的保護(hù)作用。

五、結(jié)論

通過對(duì)大功率開關(guān)電源基本原理的分析，主要分析了開關(guān)電源的主電路設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)、反饋電路設(shè)計(jì)、保護(hù)電路設(shè)計(jì)等：提出了大功率開關(guān)電源的主電路和控制電路的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定了主電路采用雙極性控制全橋絕緣柵雙極IGBT晶體管，控制電路采用電流控制方式TI公司推出的一款UC3879移相PWM控制芯片。

本方案實(shí)際研制出各種應(yīng)用大功率開關(guān)電源，攻破了EMI電磁兼容性、PWM技術(shù)、保護(hù)措施等一系列難關(guān)：成功解決了大功率開關(guān)電源功效底、體積大、重量大、穩(wěn)定性差、性價(jià)比不高等一系列巨大的技術(shù)屏障，顛覆了大功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)概念，實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科跨行業(yè)的技術(shù)融合。它還配套了大型舞臺(tái)音響領(lǐng)域，成功研制出多種應(yīng)用方面的專業(yè)功率放大器大功率電源；成品量產(chǎn)不計(jì)其數(shù)，已銷售國(guó)內(nèi)外幾十個(gè)國(guó)家，返修率極低，得到市場(chǎng)好評(píng)。