適用于12000瓦以上的開關電源設計方案

鐘廷福

摘要：隨著電源技術的不斷發展，開關電源作為一種新型電源設備得到了各個領域廣泛的認可和應用；但是大部分電源都是一些小功率的比較常用，對于大功率開關電源來說還是存在功率不夠、效率低、不穩定、體積大和技術方面的缺陷。本人從事開關電源的研發工作20余年，對于大功率開關電源積累了豐富的認識和體驗。現對大功率開關電源的基本原理的分析，提出了大功率開關電源的主電路和控制電路的設計方案，并完成了一系列開關電源的硬件電路設計。

關鍵詞：大功率 高效率 高可靠性 開關電源

—、開關電源系統概述

開關電源核心部分由四個基本環節組成。分別是DC/DC變換器、開關管驅動器、PWM信號源、輸出反饋比較放大器。然而該系統設計中還應有輔助電路，主要為控制電路部分，其功能是產生電路所需的控制脈沖和提供各種保護。

開關電源的主電路通過輸入整流濾波、DC/DC變換、輸出整流濾波將交流電壓轉換為所需的直流電壓。開關電源主回路由以下三部分組成：

（一）輸入整流濾波電路。其作用是將交流電通過整流模塊變成具有脈沖的直流電，然后通過濾波電容將其變為較平滑的直流電。

（二）功率開關電路。其作用是將濾波得到較平滑的直流電變為高頻的方波電壓，再通過高頻變壓器送到輸出端。

（三）輸出濾波回路。其作用是將高頻方波電壓轉變成為所需要的直流電壓或者電流。

由于控制電路部分在整個電源中起到首腦的作用，控制整個系統工作并實現相應的保護功能。

二、開關電源主電路總體設計分析

（一）主電路設計分析

根據需要設計的大功率開關電源技術要求，我已通過選取的方案作了一些驗證和比較，如圖l可以看出主電路和控制電路的基本組成。其中，主電路包括輸入整流濾波、高頻逆變和輸出整流濾波三個部分；虛線框內為控制電路，包括監控單元、控制和保護單元、輔助電源和反饋四個部分。

經過分析比較和電路元器件的選擇后作具體的電路設計，如圖1所示。該電路主要由三部分構成，包括單相逆變橋，另外還包括輸入、輸出整流濾波電路兩部分。

首先是三相交流電的作用。經過電源內部進行EMI濾波后送入全橋整流濾波網絡，電源主電路結構如圖2所示。它采用了LC濾波，其主要作用是延長了電流續流導通時間，限制了電流峰值，從而達到提高電源的輸入功率因數的目的。除此之外。電阻R1和R2的主要作用是針對電壓而言，平衡串聯電容上的電壓，通過這一操作處理最終能夠維持整個系統的穩定，而且針對關機后的放電問題也具有很好的作用。在系統中還采用了高頻電容與點解電容并聯的方式，主要目的是濾除高頻諧波。另外采用這種方式也主要是為了彌補了電解電容在高頻特性方面的不足。

為了滿足高壓、高功率的要求。在單相逆變橋電路中選擇使用絕緣柵雙極IGBT晶體管。高頻高壓瓷片電容C7、C8并聯在兩個橋臂之間。起到了再一次降低兩個橋臂之間的尖峰的干擾的作用。諧波電感L2隔直電容C16、C17、C18起到了防止變壓器T2的直流偏磁的作用。為了檢測原邊電流是否滿足要求，變壓器的原邊需要添加交流互感器。

在輸出整流濾波電路中，選擇全橋整流濾波電路，以滿足高壓的要求。其中，高頻濾波電感L3，電解電容C9、C10、C14和高頻高壓瓷片電容C11、C15是為了濾除高頻諧波成分；共模電感L4，Y電容C12、C13是為了抑制共模分量。電流采樣電阻R3、R4是檢測負載電流是否需要通過控制和保護：輸出隔離二極管D3是為了防止電壓反灌。也是一種保護措施。

（二）控制電路設計分析

在開關電源的主電路中，主要目的是通過其實現電能的處理，在此基礎上，利用控制電路進行電信號處理，利用控制電路來進行開關期間工作控制的同時。還能夠直接決定電源的性能。一般控制電路主要由四部分構成。包括調節器電路、驅動電路以及保護電路和PWM控制電路幾部分。控制系統結構圖如圖3所示。它集成控制器主要包括電壓型控制器和電流控制器。電壓控制器只有電壓反饋控制，能夠滿足穩壓的要求；而電流型控制器還具有電流反饋控制的功能，除了穩壓之外，還有以下優點：

①負載動態響應快；②對濾波電容容量進行處理，減小其輸出量；③PWM開關控制器對于整個電路而言，具有很好的均流能力，尤其是針對多臺開關電源并聯工作的情況：④這一部分還能對電流有很好的響應，但電流值超過預定值的時候通過相應自動關斷開關管。

其中，PWM控制電路的主要作用是實現信號的轉換，通過這一電路能夠將控制量模擬信號轉換成為PWM信號。而且目前的PWM控制電路往往是以集成電路的形式在系統中存在，將PWM比較器、基準源、驅動、保護電路以及振蕩器等組成部分集成在芯片當中。這一組成部分也成為當前整個控制電路的核心所在。

三、反饋電路設計

本設計采用TI公司推出的一款uc3879移相PWM控制芯片：在其中引入了移相開關方式進行處理，能夠改變電路驅動脈沖電壓從而實現全橋變換器的功率問題，這樣能夠極大的提高整個系統的功能，另外通過這種方式也提高了系統的過流保護功能。

一般在系統中還需要引入電壓調節器。比較常見的電壓調節器是uC3879誤差放大器，這一誤差放大器給出了電壓信號，一般電壓幅值固定為2.5V，輸出電壓最終能夠輸入到誤差放大器的反相端當中。這種傳統的電壓調節器往往會對控制回路造成極大的干擾，因此需要進行一定的改進和創新。這里采用光電隔離的精密電壓反饋電路。主要由光電耦合器和TL431配合構成。

四、保護電路的設計

保護電路在整個電路中主要有兩個功能。一個是自身保護功能，另一個是負載保護功能。當整個電路系統出現問題或者故障的時候，通過保護電路能夠使開關電路停止工作，并且通過電路來給出預警和警告，這樣能夠保證自身電路不會受到影響或者破壞，對于負載也具有很好的保護作用。

五、結論

通過對大功率開關電源基本原理的分析，主要分析了開關電源的主電路設計、控制電路設計、反饋電路設計、保護電路設計等：提出了大功率開關電源的主電路和控制電路的設計方案。根據設計要求，確定了主電路采用雙極性控制全橋絕緣柵雙極IGBT晶體管，控制電路采用電流控制方式TI公司推出的一款UC3879移相PWM控制芯片。

本方案實際研制出各種應用大功率開關電源，攻破了EMI電磁兼容性、PWM技術、保護措施等一系列難關：成功解決了大功率開關電源功效底、體積大、重量大、穩定性差、性價比不高等一系列巨大的技術屏障，顛覆了大功率開關電源的設計概念，實現了多學科跨行業的技術融合。它還配套了大型舞臺音響領域，成功研制出多種應用方面的專業功率放大器大功率電源；成品量產不計其數，已銷售國內外幾十個國家，返修率極低，得到市場好評。