高壓直流開關電源的設計與實驗研究

摘要：設計了高壓直流開關電源，主電路采用兩級結構，前級為具有軟開關的有源功率因數(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(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)進行合理設計，提高了控制精度及開關電源性能。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)設計的可行性。
關鍵詞：開關電源；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，高壓開關電源尚處于研究階段。一般大功率直流開關電源輸入多采用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。設計了控制系統(tǒng)，選擇合理的參數(shù)提高開關電源性能，并通過實驗驗證了設計的可行性和有效性。

2 主電路的設計
2．1 有源功率因數(shù)校正電路
APFC采用全控開關器件構成的開關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。此處采用軟開關單相APFC，其主電路如圖1所示。

2．1．1 APFC軟開關電路
圖1中，為了讓主開關管VQ實現(xiàn)ZVS，引入了輔助開關管VQx，在每一次VQ需要進行狀態(tài)轉換前，先導通VQx，使輔助電路諧振，為VQ創(chuàng)造軟開關條件。VQ完成狀態(tài)轉換后，盡快關斷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軟開關諧振參數(shù)的選取
軟開關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。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。變換器在一個開關周期有18種開關模態(tài)，其工作波形如圖3所示。