基于BUCK調(diào)壓的小功率高壓電源

　　研究主要內(nèi)容包括BUCK電路的分析設(shè)計(jì)、半橋逆變電路分析設(shè)計(jì)、倍壓電路的設(shè)計(jì)，控制電路的設(shè)計(jì)，并利用PSPICE軟件進(jìn)行相應(yīng)各部分的仿真和參數(shù)優(yōu)化。

　　本研究實(shí)現(xiàn)的主要性能是：給定輸入電壓是交流220V，要求輸出電壓在范圍0~15KV內(nèi)大范圍可調(diào)，功率為15W，輸出紋波要小于1%。

　　引言

　　高壓電源一般是指輸出電壓在五千伏特以上的電源，一般高壓電源的輸出電壓可達(dá)幾萬(wàn)伏，甚至高達(dá)幾十萬(wàn)伏特或更高。高壓電源廣泛應(yīng)用于材料改性，金屬冶煉，環(huán)境保護(hù)，大功率激光和微波等應(yīng)用領(lǐng)域。傳統(tǒng)高壓電源采用工頻電源和LC諧振方式，雖然電路簡(jiǎn)單，但其體積和重量大，低頻工作狀態(tài)以及紋波、穩(wěn)定性均不能令人滿意，隨著電力電子的發(fā)展，高頻高壓電源成為發(fā)展的趨勢(shì)。

　　隨著新的電子元器件、新的電磁材料、新的電源變換技術(shù)、新的控制理論及新的專業(yè)軟件的不斷涌現(xiàn)，并不斷地被應(yīng)用于開關(guān)電源，使得開關(guān)電源的性能不斷提高，特點(diǎn)不斷更新，出現(xiàn)了如頻率高、效率高、功率密度高、可靠性高等新特性。

　　20世紀(jì)70年代世界電源史上發(fā)生了一場(chǎng)革命，即20Hz的開關(guān)頻率結(jié)合脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)在電源領(lǐng)域的應(yīng)用。到目前為止，電源的頻率已經(jīng)達(dá)到數(shù)百 Hz，應(yīng)用先進(jìn)的準(zhǔn)諧振技術(shù)甚至可以達(dá)到兆Hz水平。提高振蕩器輸出頻率可降低高壓變壓器、電抗器、平滑電容器、高壓電容器等電子器件基本性能要求和結(jié)構(gòu)體積，進(jìn)而縮小高壓電源體積。高頻化使高壓電源體積大幅度的減小，輕巧便攜，實(shí)用性和使用方便性明顯得到改善。

　　近幾年，隨著電子電力技術(shù)的發(fā)展，新一代功率器件，如MOSFET，IGBT等應(yīng)用，高頻逆變技術(shù)的逐步成熟，出現(xiàn)了高壓開關(guān)直流電源，同線性電源相比較高頻開關(guān)電源的突出特點(diǎn)是：效率高、體積小、重量輕、反應(yīng)快、儲(chǔ)能少、設(shè)計(jì)、制造周期短。由于它的優(yōu)越特性，現(xiàn)在已逐漸取代了傳統(tǒng)的高壓線性直流電源。

　　伴隨著高新技術(shù)的逐步應(yīng)用，新的技術(shù)問題也隨之出現(xiàn)，主要表現(xiàn)在高頻化可以提高電源性能，減少變壓器的體積和紋波系數(shù)。但由于高頻高壓變壓器是高頻高壓并存，出現(xiàn)了新的技術(shù)難點(diǎn)：

　?、俑哳l高壓變壓器體積減小，頻率升高，分布容抗變小，絕緣問題異常突出;

　　②大的電壓變化比使變壓器的非線性嚴(yán)重化，漏感和分布電容都增加，使其必須與逆變開關(guān)隔離，否則尖峰脈沖會(huì)影響到逆變電路的正常工作，甚至?xí)舸┕β势骷?

　　③高頻化導(dǎo)致變壓器的趨膚效應(yīng)增強(qiáng)，使變壓器效率降低。

　　鑒于上述情況，高頻高壓變壓器如何設(shè)計(jì)是目前研究的一個(gè)難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題。

　　研究主要內(nèi)容包括BUCK電路的分析設(shè)計(jì)、半橋逆變電路分析設(shè)計(jì)、倍壓電路的設(shè)計(jì)，以及系統(tǒng)仿真研究。該電路包括輸入整流濾波電路、BUCK預(yù)穩(wěn)壓電路、半橋逆變電路、倍壓電路和輸出整流濾波電路。輸入的交流電源經(jīng)整流濾波電路變?yōu)橹绷鳎ㄟ^BUCK預(yù)穩(wěn)壓電路將電壓穩(wěn)定，再經(jīng)過半橋逆變電路將直流電壓變?yōu)榻涣麟妷海缓笸ㄟ^一個(gè)倍壓電路將電壓升高，最后整流濾波輸出穩(wěn)定高壓。

　　主電路設(shè)計(jì)

　　1)主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖1)

　　這里主要介紹了一種基于BUCK調(diào)壓的小功率高壓電源。該電源能實(shí)現(xiàn)零電流軟開關(guān) (ZCS)，并能方便的調(diào)節(jié)輸出電壓，因?yàn)槔昧烁哳l變壓器的寄生參數(shù)，從而避免了尖峰電壓和電流。該電源的另一個(gè)特點(diǎn)是利用倍壓電路代替了傳統(tǒng)的二極管整流電路，減小了高頻變壓器的變比和寄生參數(shù);尤其是主電路的控制采用了Buck電路和逆變電路的聯(lián)合策略，即采用Buck可十分方便、靈活地進(jìn)行電壓調(diào)節(jié);采用定頻定寬的逆變電路可利用高頻變壓器的寄生參數(shù)實(shí)現(xiàn)諧振軟開關(guān)。

　　此外，由于該電源無(wú)需利用調(diào)節(jié)逆變電路的占空比來(lái)調(diào)節(jié)電壓，因而可充分利用高頻變壓器的磁性;而且由于其控制電路采用了基于DSP的實(shí)時(shí)數(shù)字PI調(diào)解器，因而實(shí)現(xiàn)了電路的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性。

　　2) BUCK電路的設(shè)計(jì)

　　(1)BUCK電路工作原理，圖2。

　　當(dāng)開關(guān)S閉合后，輸入電壓 完全加在二極管D的兩端，上正下負(fù)，二極管被反偏截止。由于此時(shí)電容C的初始電壓為零(Vc=Vo 輸出電壓為零)，電容電壓不能突變，所以輸入電壓完全加在電感L之上，形成經(jīng)開關(guān)S、電感L、電容C和電阻R構(gòu)成的回路建立起初始電流。隨著開關(guān)閉合時(shí)間的增加，電感電流逐漸增大，這個(gè)電感電流中的一部分供給電阻R成為輸出電流，另一部分對(duì)電容充電使電容兩端的電壓逐步上升。由于電容電壓從零開始建立，在開關(guān)S閉合期間電感電流的增量相對(duì)較大，而輸出給R的負(fù)載電流與電容電壓成正比，故開始階段電容的充電電流最大，電容電壓上升得最快。

　　當(dāng)開關(guān)S斷開后，由于電感電流不能突變，失去外加激勵(lì)趨于下降的電感電流在電感L兩端產(chǎn)生感應(yīng)左正右負(fù)的感應(yīng)電勢(shì)，這一感應(yīng)電勢(shì)將克服電容器電壓使二極管D承受正偏導(dǎo)通，形成L→C、R→D→L的續(xù)流回路。

　　開關(guān)閉合時(shí)電感電流增加，開關(guān)斷開時(shí)電感電流下降，電容的充、放電電流在一個(gè)周期內(nèi)的平均值等于零，即：在電容充電電流大于零。

　　(2)主開關(guān)管及續(xù)流二極管的選擇

　　VDMOS管為電壓控制器件，驅(qū)動(dòng)容易，沒有二次擊穿現(xiàn)象，熱穩(wěn)定性好，安全工作區(qū)(SOA)大，開關(guān)速度快，開關(guān)損耗小，就目前VDMOS管的制造水平，在高頻中小功率范圍，尤其在高電壓小電流或低電壓大電流應(yīng)用場(chǎng)合，VDMOS管具有很高的性能價(jià)格比，值得優(yōu)先選用。本設(shè)計(jì)Ui

　　=300V，ILM=1A，功率開關(guān)屬于高電壓小電流工作，實(shí)際選用的功率場(chǎng)效應(yīng)管型號(hào)是IRF840，其主要參數(shù)如下：

　　最大反壓VDSVDS：500V

　　連續(xù)工作電流ID：8A

　　峰值電流IDM：32A

　　導(dǎo)通電阻Ron：<0.85Ω

　　開通時(shí)間ton：lOns

　　關(guān)斷時(shí)間toff：9ns

　　續(xù)流二極管的正向額定電流必須大于最大負(fù)載電流，耐壓必須大于輸入電壓，且留有余量，此外，另一個(gè)根重要的考慮是為減因漏感和引線電感產(chǎn)生的尖峰電壓，續(xù)流二極管宜采用反向恢復(fù)時(shí)間短，具有軟恢復(fù)特性的肖特基二極管(SBD)，實(shí)際采用的型號(hào)是FR307，其反向電壓為700V，正向額定電流為3A。

　　(3)仿真波形圖

　　BUCK電路如圖3所示，電路采用串聯(lián)開關(guān)降壓式結(jié)構(gòu)，其中Q為功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET。ton期間，控制信號(hào)使Q導(dǎo)通，電流增大，電感儲(chǔ)能;toff期間，Q關(guān)斷，電感電流經(jīng)續(xù)流二極管D向負(fù)載釋放能量。對(duì)BUCK部分進(jìn)行仿真，得到如下波形：

　　如圖4所示，Buck電路的輸出電壓保持在140V左右，電感電流呈現(xiàn)脈動(dòng)形狀，在開關(guān)閉合時(shí)電感電流增加，開關(guān)斷開時(shí)電感電流下降。開關(guān)頻率為100kHz,占空比為45%。

　　(1)半橋逆變電路工作原理半橋逆變電路原理圖如圖5所示，它有兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由一個(gè)可控器件和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個(gè)電容的聯(lián)結(jié)點(diǎn)便成為直流電源的中點(diǎn)。負(fù)載聯(lián)接在直流電源中點(diǎn)和兩個(gè)橋臂聯(lián)結(jié)點(diǎn)之間。

　　設(shè)開關(guān)器件V1和V2 的柵極信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二者互補(bǔ)。當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，其工作波形如圖6所示。輸出電壓uo 為矩形波，其幅值為Um=Ud/2。輸出電流io 波形隨負(fù)載情況而異。設(shè)t2時(shí)刻以前V1為通態(tài)，V2為斷態(tài)。t2時(shí)刻給V1 關(guān)斷信號(hào)，給V2開通信號(hào)，則V1 關(guān)斷，但感性負(fù)載中的電流io不能立即改變方向，于是VD2導(dǎo)通續(xù)流。當(dāng)t3時(shí)刻t0降為零時(shí)，VD2截止，V2開通，io 開始反向。同樣，在t4時(shí)刻給V2關(guān)斷信號(hào)，給V2開通信號(hào)后，V2關(guān)斷，VD1先導(dǎo)通續(xù)流，t5時(shí)刻V1 才開通。各段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通器件的名稱標(biāo)于圖6的下部。

　　當(dāng)V1或V2 為通態(tài)時(shí)，負(fù)載電流和電壓同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量;而當(dāng)VD1或VD2 為通態(tài)時(shí)，負(fù)載電流和電壓反向，負(fù)載電感中貯藏的能量向直流側(cè)反饋，即負(fù)載電感將其吸收的無(wú)功能量反饋回直流側(cè)。反饋回的能量暫時(shí)儲(chǔ)存在直流側(cè)電容器中。直流側(cè)電容器起緩沖這種無(wú)功能量的作用。因?yàn)槎O管VD1、 VD2 是負(fù)載向直流側(cè)反饋能量的通道，故稱為反饋二極管;又因?yàn)閂D1和VD2 起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，因此又稱為續(xù)流二極管。

　　當(dāng)可控器件是不具有門極可關(guān)斷能力的晶閘管時(shí)，必須附加強(qiáng)迫換流電路才能正常工作。

　　半橋逆變電路的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，使用器件少。其缺點(diǎn)是輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud /2，且直流側(cè)需要兩個(gè)電容器串聯(lián)，工作時(shí)還要控制兩個(gè)電容器電壓的均衡。因此，半橋逆變電路常用于幾KW以下的小功率逆變電源。

　　(2)開關(guān)器件的選取

　　在調(diào)壓及逆變電路中，開關(guān)器件起著核心的作用。開關(guān)器件有很多種，如按功率等級(jí)來(lái)分類，有微功率器件、小功率器件、大功率器件等等：按制造材料分類有鍺管、硅管等;按導(dǎo)電機(jī)理分類有雙極型器件、單極型器件、混合型器件等;按控制方式來(lái)分類，可分為不可控器件、半可控器件和全可控器件三類器件：不可控器件包括整流二極管、快速恢復(fù)二極管、肖特基二極管等：半可控器件包括普通晶閘管、高頻晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管等;全可控器件包括功率晶體管(BJT)、功率場(chǎng)效應(yīng)管功率場(chǎng)效應(yīng)管(Power MOSFET)，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、

靜電感應(yīng)晶體管(SIT)、