一種變壓器串并聯的開關電源的研制

呂學紅

（太原理工大學輕紡美院實驗中心，山西 晉中030600）

0 引 言

開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷時間比例，來保持電源穩定電壓的輸出。開關電源的成本隨著輸出功率的增加而增長。開關電源技術發展方向是高性能碳化硅功率半導體器件、高頻磁技術、新型電容器、功率因數校正、AC－DC開關變換技術、高頻開關電源的電磁兼容研究、開關電源的設計、測試技術、低電壓、大電流的開關電源的開發［1］。開關電源產品廣泛應用于工業自動化控制、軍工設備、科研設備、LED照明、工業設備、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫療設備、半導體制冷制熱、空氣凈化器、電子冰箱、液晶顯示器、LED燈具、通訊設備、視聽設備、安防、數碼產品和儀器等領域。而變壓器串并聯技術在開關電源的應用，主要是提高大容量開關電源的總體性能。

1 變壓器串并聯的幾種形式

電源變壓器的串并聯規則與其他電子元件的串并聯規則一樣，兩個或多個變壓器串聯一般要求電源變壓器功率滿足要求，電壓不符合要求。然而當電壓滿足給定要求，變壓器功率不滿足給定要求時，可以選擇兩個或多個變壓器并聯。電源變壓器是由電感線圈組成的。不論是電源變壓器初級串聯還是電源變壓器輸出的次級串聯都可以按照電感器的運算規則。下面介紹四種變壓器的串并聯形式。

（1）電源變壓器的初級串聯

變壓器的匝數比N是變壓器的初級匝數與次級匝數之比。設兩個初級為360 V，次級為12 V的變壓器，根據上面匝數比的定義，得到N為30，假設將兩個變壓器的初級串聯，則在單個次級上輸出的電壓為15 V以下。兩個或多個變壓器初級串聯使用，一般是在單個變壓器的次級電壓成倍高于用電器電源使用情況下。這種情況，以單個變壓器的功率要求為前提，而次級輸出電壓不一定相同。

（2）電源變壓器的次級串聯

在次級輸出電壓不滿足條件，而單個功率滿足條件前提下，可以選擇兩個或者多個電源變壓器的次級串聯，設兩個初級為360 V，次級為20 V的變壓器，如果要實現負載供給電壓為36 V，將兩個變壓器的次級串聯起來可以達到要求，在保證單個變壓器功率的前提下不同的次級輸出也可以將其次級串聯應用。

（3）變壓器的初級并聯

在我們日常生活中經常使用變壓器的初級并聯，變壓器初級并聯的例子：彩電中的遙控變壓器和主變壓器兩個。

（4）變壓器的次級并聯

變壓器的次級并聯是在單個變壓器次級輸出電壓相同，而單個功率不能滿足要求的前提下選擇的方法，具體是將多個變壓器的次級電流線性組合，來達到負載功率所要求的大小。

2 開關電源控制電路設計

開關電源的性能優劣關鍵在于控制電路的設計，下面重點介紹電源的控制與主電路設計。

圖1 開關電源的基本結構框圖

如圖1所示，開關電源由輸入電路、變換器、輸出電路、控制電路四個部分組成。將輸入交流電源轉化為直流輸入電源這一功能是輸入電路完成的。變換電路主要功能是對帶有功率的電源波形進行斬波調制和輸出。它含開關電路、輸出隔離電路等，是開關電源變換的主通道。向驅動電路提供調制后的矩形脈沖，達到調節輸出電壓的目的是控制電路完成的功能。輸出電路主要是將輸出電壓整流成脈沖直流，并將脈沖直流平滑成低紋波直流電壓。輸出整流技術主要包括半波、全波、恒功率、倍流、同步等整流方式［2］。

2．1 主電路的拓撲選擇

開關電源的類型很多，從輸入到輸出有無隔離角度，開關電源主電路分為隔離式與非隔離式兩大類型。非隔離式電路是輸入端與輸出端電氣相通，沒有隔離。隔離式是指輸入端與輸出端電氣不相通，通過脈沖變壓器的磁耦方式傳遞能量，輸入輸出完全隔離。電路拓撲選擇所考慮的問題包括：（1）輸入電路不總是比輸出電壓高或低時，就不能選擇buck變換器或非隔離反激式變換器；（2）輸出電壓與輸入電壓比在5倍以上，選擇用變壓器；（3）要隔離就要用變壓器；（4）EMI的要求很高，建議不要用輸入電流不連續的電路拓撲；（5）同步整流不管負載大小如何，都可以選用變換器工作于電流連續模式；（6）輸出電流很大時，選用電壓控制模式比電流控制模式好。目前常見的是以橋式為基礎的大容量開關電源的主電路拓撲結構，下面按照橋式和半橋式進行分析。

2．1．1 半橋式電路

半橋式電路如圖2所示。當S1和S2輪流導通時，通過兩種方式產生滿足條件的交變電流，進而在二次側產生滿足條件的交變脈動電流，經過全波整流轉換為直流信號，再經電感和電容濾波，送給負載。這個電路也相當于降壓式拓補結構。

2．2．2 全橋型變換器

圖2 半橋型變換器的電路圖

全橋型變化電路如圖3所示。當S1、S3和S2、S4兩兩輪流導通時，通過兩種途徑產生交變電流，則在二次側產生交變的脈動電流，經過全波整流轉換為直流信號，再經電感和電容濾波，送給負載。這個電路也相當于降壓式拓補結構［3］。

圖3 全橋式變換電路

橋式變化器包括四個功率晶體管。與半橋對比，功率晶體管及驅動裝置個數增加一倍，從而使成本較高，但是可用在功率要求大的場合。橋式電路線路是主變壓器僅需要一個原邊繞組，通過電壓的正負得到磁通的正反相，副邊有一個中心抽頭繞組，它采用全波整流輸出。這樣可以充分利用變壓器的鐵心和繞組，從而提高效率、功率密度。變壓器有相當多的組合方式，比如有逆變變壓器的原邊并聯，副邊各自整流后并聯、逆變變壓器原邊串聯副邊各自整流后并聯等組合方式。對于變壓器組合方式，存在一個功率分配，即均流問題。圖4這種變壓器的組合滿足設計要求。

圖4 全橋串并聯結構

圖4電路中，因為每一組橋的開關管電流容量只要滿足總容量的二分之一。所以實際上管子的數量并沒有增加，但是這種方式工作的可靠性提高了一倍。

2．2 變壓器設計

橋式變換器的變壓器的設計關鍵是保證兩個半周期都用同一個原邊繞組，從而提高磁心和繞組的使用率。原邊繞組匝數多些，電感量大些，達到減少磁化電流的目的。本設計中整個電源模塊得的輸出最大功率約為6 kW，變壓器傳輸的功率為3 kW，開關工作在70 kHz的頻率，選用鐵氧體鐵心材料為EE65，PC40，則BS＝0．5 T，實際工作選取最大工作磁度為0．15 T，鐵心截面積為5．32 cm2。根據已知條件和公式，可以求得變壓器副邊電壓幅值和匝數比。

3 開關電源設計的干擾問題

干擾一般是由高次諧波產生的，抗干擾主要是抑制高次諧波，抑制的方法一般有三種：（1）采用無源濾波器；（2）采用有源濾波器；（3）簡化電路，主要是靠減少元件數量，降低成本又在規定的電磁干擾EMI值范圍之內的方法。又可分為：①輸入電壓接向串聯電容，利用電容電壓與輸入電壓之差來控制二極管導通，控制電容的充、放電時間，從而使輸入電流的導通角擴大。②輸入兩種交流電壓電路中，增加電容量。③諧振型開關電源采用正弦波諧振方式，電磁干擾噪聲比PWM式小，開關損耗小。其產生的附加問題，可用軟開發技術和有源箝位技術解決。它是抑制高次諧波與諧波有機結合的方式，是發展的趨勢。

4 結束語

這種拓撲結構為其他大容量開關電源的開發提供了依據。電源變壓器在串并聯的時候要注意變壓器的同名端。不同次級輸出，如果采取并聯方式，盡量是穩定后進行。并聯電壓取變壓器輸出中最低的電壓值。然而次級串聯既可以串聯，又可以選擇在穩定后再串聯。電源電路的共地是必須考慮的問題。

［1］ 趙 濤，黃曉莉．高功率因素軟開關三相AC／DC變換器［J］．電子技術學報，2002，17（6）：59－61．

［2］ 張占三，蔡宜蘭．開關電源的原理與設計［M］．北京：電子工業出版社，1998．

［3］ 南余榮，鐘德剛，吳志剛，等．大容量開關電源的設計［J］．現代電子技術，2003，26（19）：52－54．