陳濤

（中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北省石家莊市 050081）

1 高效高功率密度電源基本原理

1.1 高效高功率密度電源組成

在我國現有常用的多種DC-DC 變換器技術當中，按照變換器輸出與輸入是否需要高頻變壓器落實電氣隔離工作的區(qū)別，一般可以分為兩類，一種是非隔離式，另一種則是隔離式，但都是DC-DC 變換器[1]。非隔離式常用的拓撲有降壓式、升壓式升降壓等，種類十分繁多[2]。而隔離式常用的拓撲如下：正激式、反激式、雙管正激式、推挽式變換器等。隔離式DC-DC 變換器在輸入和輸出之間存在電氣隔離，與非隔離性變換器相比在安全系數方面有十分明顯的優(yōu)勢。且隔離式變換器具有高頻變壓器，因此能夠選取適當的匝比，在額定負載狀態(tài)下占比空間也能處于合理范圍之內。

高效高功率密度電源通常需要直接從交流電網當中獲得電能，且常規(guī)方式是三相輸入，屬于AC-DC 變換器的類別當中。

1.2 DC-DC變換器拓撲選擇

DC-DC 變換器拓撲的選擇具體可以從兩方面入手落實工作，一種是逆變電路的拓撲，炸這種拓撲中，工作人員應先有針對性的分析逆變電路拓撲中磁芯實際工作狀態(tài)。在這種結構實際利用率的角度研究，就能夠達到合理選擇逆變電路拓撲的目的。以反激式磁芯工作狀態(tài)為例，一般情況下的反激式磁芯工作都位于第一象限，且具有可以被單向磁化的特點，其直流偏磁大，交流分量與之正相反。但主要工作屬于局部磁化曲線，磁芯利用率不高。若以正激式磁芯工作為例，則磁芯的工作也在第一象限當中，同樣具備可以被單向磁化，利用率也不高。

若在高效高功率密度電源當中應用上述兩種拓撲，則就要在變壓器設計過程中特殊磁芯，這種磁芯體積比一般磁芯更大。顯然實際工作的落實會受到磁芯利用率限制，由此可見正激式和反激式兩種拓撲，都更適合在小功率的開關電源當中使用。

另一方面是DC-DC 變換器次級整流拓撲。在開關技術中常用的次級整流拓撲主要有三種，即全波、全橋和倍流整流[3]。

首先是全波整流拓撲，具體如圖1所示。

圖1：全波整流拓撲

在此種拓撲當中，整個全波整流拓撲當中的濾波電感兩端電壓都是“正”。

若高頻變壓器兩端電壓=0，刺激繞阻電壓也同樣是0，次級由于濾波電感的存在，需要經過D1 和D2 產生續(xù)流，在理論上D1 和D2 兩個回路應該呈現對稱狀態(tài)，二極管也會在歸路工作時導通，同樣通過濾波電感的二分之一。在這樣的狀態(tài)下整個拓撲輸出電壓能夠加載濾波電感的兩端，兩端電壓為負，電感就會處于能量釋放的狀態(tài)。顯而易見，整個全波整流拓撲的工作落實，都可以在兩個整流二極管的配合下完成工作。而同時在濾波電感儲能期間，通常僅有一個二極管在導通狀態(tài)下，這樣的優(yōu)勢在于損耗和電壓很低，在低壓輸出大功率開關電源的設計中加入能夠帶來較好效果。

其次是全橋整流拓撲，具體如圖2所示。

從圖2 內容中可以得知，在此種拓撲當中，若高頻變壓器的刺激電壓為正，則二極管D2 處于導通狀態(tài)，D1 處于截止狀態(tài)，同時電感L2 能夠與電容C、電阻R 和二極管D2 共同構成回路，電感L2 則與二極管D2、電容C 和電阻R 共同構成電感連續(xù)回路。

圖2：全橋整流拓撲

倍流整流拓需要兩個整流二極管，同時在濾波電感的儲能期間，僅有一個二極管處于導通狀態(tài)，導通耗損與電壓都不高。工作人員需要注意的是，倍流整流拓撲不必配合中心抽頭高頻變壓器工作，對變壓器的設計等操作來講都十分便利。

1.3 高頻變壓器直流偏磁機理和抑制措施

1.3.1 偏磁機理

在優(yōu)質的高頻變壓器中，通過法拉第電磁感應定律能夠得到如下公式：

常見開關設備的導通飽不同，這就會導致開關速度不一樣，同樣的電路實際傳輸延遲時間也會長短不一。上述因素都是引發(fā)致高頻變壓器伏秒積分不平衡的原因。

1.3.2 抑制措施

在全橋拓撲當中，常見的抑制措施就算是在高頻變壓器的初級繞阻當中串聯(lián)一個電容。在電容特點的輔助下去除高頻變壓器初級繞阻電壓產生的直流分量，保障高頻變壓器的初級繞阻伏秒積分得到平衡，這樣也就能達到抑制直流偏磁現象產生的效果。

1.4 全橋式逆變拓撲控制方式

常見的控制方式有雙極性控制和移項控制兩種。雙極性控制的主要優(yōu)勢在于其統(tǒng)一橋臂的開關管不會出現，當一個開關管關閉。另一個開關管立即導通的現象，因此不會受到同橋臂開關管直通的影響。

移項控制則是有產生同橋臂開關管直通風險的可能，需要工作人員注意設置好死區(qū)時間，這樣才能保障后續(xù)工作落實的安全。

2 高效高功率密度電源回饋電路原理

2.1 高效高功率密度電源回饋電路意義

對于高效高功率密度電源來講，其應用范圍廣，且發(fā)展前景也較好，但其應用形式差異很大，這就導致涉及到的應用領域不同。若以電源設計人員的方向為出發(fā)點進行思考，具體工作中有部分技術存在共性，這些往往屬于基礎性技術，同時也比較關鍵，能夠影響產品后續(xù)使用的可靠程度。因此在評估電源設計方案時，工作人員有必要設計通體方案，這一方案僅作為基礎性共性技術方案評估依據即可，避免在后續(xù)應用過程中產生問題。

2.2 高效高功率密度電源回饋電路拓撲選擇

只需要將高頻變壓器初級繞阻傳遞到次級繞組的能量再轉移到開關電源的位置就能夠將原本已經消耗的能量再回饋給電源輸出位置。由此可見，電路的元件損耗功率主要就是電路當中各原件在運行過程中產生的自身損耗，導致其從交流電網當中得到的功率降低。

高效高功率密度電源的回饋電路當中，高頻變壓器本質上屬于升壓變壓器，在設計時，工作人員需要注意，次級整流二極管的電壓應力是主要思考方向，因此次級整流拓撲可以確認為全橋式。

2.3 高效高功率密度電源回饋電路分析

高效高功率密度電源的回饋電路當中，直流電源一般都是三相整流濾波的形式，根據其原理可以得知，這種電路除了自身元件和運行過程中產生的損耗之外，基本不會消耗其他能量。因此直流電源能夠為高效高功率密度電源回饋電路提供的能量只等于其元件的損耗，需要注意，直流電源應具備為系統(tǒng)提供額外能量的能力，這種能量最終會再回饋到電源自身。所以只需要直流電源本身的儲能電容量大，則直流電源就能夠在運行過程中將對直流母線的電壓帶來的沖擊想到最低。

3 高效高功率密度電源設計

3.1 結構設計

常見的高效高功率密度電源結構設計方案也有三種。

（1）單功率單元單控制方案，這種方案的特點就是一個控制器僅控制一個功率單元，優(yōu)勢在于高頻變壓器的復變均流特性很好，但在大容量高頻變壓器的設計和制作過程中需要面臨的工作難度較大。

（2）多功率單元并聯(lián)單控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)中多個功率單元共用一個控制系統(tǒng)，其中每個功率單元都有同樣的硬件電路，有點在于控制器成本低，需要工作人員注意的是若全功率輸出電源，則個功率單元之間并不均流。

（3）多功率單元多控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)中的各個功率單元的控制系統(tǒng)都相對獨立，能夠解決各功率單元并聯(lián)均流相關的問題，能夠進行模塊化生產。但需要工作人員注意整體控制工作的落實難度很大，基本不能實現同步控制。

3.2 主電路方案

高效高功率密度電源的主電路方案有兩方面內容，一方面是輸入整流方案，這種電路能夠將市電整流成為直流電，并且供給逆變電路，其中包含二極管整流以及晶閘管整流兩種技術。需要注意的是此種設備使用復雜程度很高，也會產生較多高次諧波，因此一般工作人員會選擇應用二極管整流的方式落實相關工作。

另一方面是DC-DC 方案，上文中已經提到，直流變換器能夠細分為帶隔離和不帶隔離相中變壓器，逆變拓撲結構中與包括正激、反激、推挽和半球等多重結構。一旦高效高功率密度電源開關的實際電壓與電流相同，則輸出功率就能夠與開關管數量呈現正相關。

當下全橋直流變換器在很多大功率電源設計當中應用效率都比較高，若直流變換器當中不存在電氣隔離，則能夠利用改變占空比的方式調整輸出電壓，而具有隔離變壓器的直流變換器本身就有電氣隔離的能力，電源利用率也很高。

3.3 輸出整流

高效高功率密度電源輸出整流部分可以IGBT 的設計方案為例，該案例當中隨用的主接觸器規(guī)格為200A/690V，進線電流則是1-2 倍的安全裕量，其中熔斷器的電流為150A，三項整流橋的輸出電壓熟461-564V，輸出電流為118-114A，峰值為124-152A。為保障整個輸出電壓的平穩(wěn)程度，該案例中工作人員使用的是耐壓值為400V 的電解電容，且針對設計需求還將兩個電容串聯(lián)使用。

3.4 逆變

依舊以IGBT 的設計方案為例，就是前端整流器輸出電壓，工作人員為IGBT 的正向電壓留有2-3 倍的安全裕量，而IGBT 本身的額定電壓是1026-1539V。為方便設計，工作人員將負載電壓定為1200V，則逆變輸出基波電流則是144A。

3.5 濾波技術

濾波技術屬于電源電磁兼容設計當中至關重要的環(huán)節(jié)，其性能與電氣設備能否正常運行息息相關。在一般情況下工作人員會根據電壓電流的紋波，選擇相應的濾波器參數。

3.6 PSPICE仿真技術

PSPICE 主要針對的是計算機系列當中的電路原理分析，能夠廣泛應用到電路分析和優(yōu)化設計的工作當中。近幾年也被電源設計師應用到自動化電子設計，和電路性能仿真等工作當中，能夠基本取代電路以及相關實驗當中的器件，屬于通用模擬程序當中應用比較廣泛的軟件。

4 結束語

綜上所述，高效高密度功率電源的相關研究始終在落實過程中，由于此種技術的發(fā)展前景較好，且在我國各行業(yè)發(fā)展過程中已經實現了普及，因此相關工作人員有必要注意提高研究工作的落實效率，盡可能提高相應技術的應用效率，為相關技術的發(fā)展和完善提供持續(xù)推動力。