高壓直流開關(guān)電源的設(shè)計與實驗研究

摘要：設(shè)計了高壓直流開關(guān)電源，主電路采用兩級結(jié)構(gòu)，前級為具有軟開關(guān)的有源功率因數(shù)校正(APFC)電路，能夠降低諧波含量，提高功率因數(shù)，降低開關(guān)管損耗。后級采用在初級加箝位二極管的改進型零電壓開關(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(tǒng)進行合理設(shè)計，提高了控制精度及開關(guān)電源性能。最后研制廠一臺2．4 kW實驗樣機，通過實驗驗證了電源系統(tǒng)設(shè)計的可行性。
關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；有源功率因數(shù)校正；箝位二極管

1 引言
在國內(nèi)，低壓通信電源較成熟，高壓開關(guān)電源尚處于研究階段。一般大功率直流開關(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(shù)，一般要經(jīng)過PFC級整流，然后將PFC級輸出電壓送入DC／DC級進行變換。但高壓直流開關(guān)電源輸出電壓較大，會對DC／DC級產(chǎn)生較大影響。
此處研制的高壓直流開關(guān)電源采用兩級變換裝置，前級220 V交流經(jīng)過不控整流和APFC得到380 V穩(wěn)定直流；后級選擇在初級加箝位二極管的改進型ZVS移相全橋變換器，經(jīng)過變壓器變壓和隔離，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(shè)計了控制系統(tǒng)，選擇合理的參數(shù)提高開關(guān)電源性能，并通過實驗驗證了設(shè)計的可行性和有效性。

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

2．1．1 APFC軟開關(guān)電路
圖1中，為了讓主開關(guān)管VQ實現(xiàn)ZVS，引入了輔助開關(guān)管VQx，在每一次VQ需要進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換前，先導(dǎo)通VQx，使輔助電路諧振，為VQ創(chuàng)造軟開關(guān)條件。VQ完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換后，盡快關(guān)斷VQx，使輔助電路停止諧振，電路重新以常規(guī)PWM方式運行。
2．1．2 APFC軟開關(guān)諧振參數(shù)的選取
軟開關(guān)APFC電路中一個重要參數(shù)就是諧振電感L1。L1可由二極管VDR的反向恢復(fù)時間tVDR來估算，取諧振電感電流iL1上升時間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(dá)式為：
L1=Uo／(di／dt) (2)
式中：Uo為APFC輸出電壓。
實際選取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(shù)，如開關(guān)器件的寄生電容、變壓器漏感和線路電感等來實現(xiàn)軟開關(guān)。DC／DC級選用初級加箝位二極管的改進型ZVS全橋變換器，如圖2所示。變換器在一個開關(guān)周期有18種開關(guān)模態(tài)，其工作波形如圖3所示。