一種高效率高壓開關電源設計與實現

劉銀川，高文雷，陳銀杏，郝保良，崔美娜

(北京真空電子技術研究所，北京 100015)

直流高壓電源最初采用傳統的工頻交流變壓器經升壓、整流濾波的方式獲得直流高壓，存在著電源體積龐大、高壓穩定度差、效率低、發熱嚴重等缺點，難以滿足現在電子設備的需求[1-2]。隨著電力電子技術及開關器件的發展，開關電源由于效率高、體積小、可靠性高等優點在直流高壓電源技術中得到了廣泛應用。本文將軟開關技術引入到高壓電源的設計中，可以進一步提高電源的效率。使用計算機輔助設計，設計了高頻升壓變壓器，并使用PSpice軟件進行了電路仿真，制作了原理樣機進行驗證，縮短了設計周期，同時減少了成本。該類高壓電源可以廣泛應用在高電壓、低電流器件或設備中，如行波管、磁控管、激光設備、靜電除塵器、電子束焊機等。

1 高壓開關電源系統設計

為了驗證軟開關技術在提高高壓開關電源效率應用中的可行性，本文以某型號小型化行波管陰極供電需求進行電路設計。其主要性能指標：輸入直流電壓48 V，輸出直流電壓－3.2 kV(±50 V)，輸出等效負載功率大于250 W，開關頻率100 kHz。高壓開關電源系統設計框圖如圖1所示，主要包括了逆變電路、高頻升壓變壓器、倍壓整流電路以及控制保護電路。

圖1 高壓開關電源系統設計框圖

其中逆變電路選擇了全橋拓撲結構，采用移相控制方法，設計控制和驅動電路使其正常工作，設置死區時間避免同一橋臂開關管同時導通造成電路短路。高頻升壓變壓器和倍壓整流電路是實現高電壓的關鍵部分，設計時需充分考慮高壓絕緣問題。設計了取樣電路，將采樣電壓反饋給控制電路實現穩壓。利用開關管的輸出電容、變壓器漏感和調整諧振回路中的參數實現全橋逆變電路中開關管的零電壓開關，減少開關損耗，提高電源效率。

2 高壓開關電源主要電路設計

2.1 全橋變換電路設計

本文選擇了一種零電壓開關移相全橋變換拓撲電路。變換器工作過程和理論波形在很多文獻中有詳細介紹，在這不作介紹，可以參考文獻[3-4]。該變換器的主功率電路PSpice仿真電路設計如圖2所示。開關管的輸出電容、串聯諧振電感LS和變壓器漏感LLK參與諧振過程，通過調節LS實現開關管的零電壓開關。圖2中Cb是隔直電容，文獻[2]中的變換器工作過程未考慮隔直電容的存在，但實際逆變電路輸出波形含有一定的直流分量，因此本文增加隔直電容抑制高頻交流電壓的直流分量，防止變壓器磁芯因直流磁化導致飽和，進而避免電路損壞。

圖2 全橋變換電路PSpice仿真設計

本設計開關管選用IR(International Rectifier)公司的IRF8010(100V/80A)，移相控制電路設計選用TI(德州儀器)公司的UCC3895芯片，驅動電路設計選用TI公司的UCC27714芯片。考慮到控制芯片PSpice建模的復雜度，本文在仿真設計中，直接使用4個脈沖信號源驅動開關管，通過設置脈沖信號延時確定移相角，主要分析輸出電壓、輸出功率是否滿足設計需求以及分析器件所承受的應力和軟開關情況，為實際電路設計提供依據。圖2所示的變壓器磁芯選擇TDK的PC44-HF-100C，PQ3230，具體設計在2.2節中介紹。變壓器次級繞組分別接倍壓電路，倍壓電路的具體設計在2.3節中介紹。2.4節中給出了控制電路的設計。

為了估算串聯諧振電感Ls的值，將相關的器件參數列出：開關管選用IRF8010，其有效輸出電容COSS為530 pF，變壓器漏感LLK為0.147μH。本文對文獻[5]中估算串聯諧振電感的公式與UCC3895芯片設計手冊中的公式進行了部分調整，給出了公式(1)，經計算諧振電感應大于0.67μH。

式中：LS為串聯的諧振電感值；COSS為開關管有效輸出電容值；VINMAX為最大輸入電壓；IAVE為滿載時的平均輸入電流。

2.2 高頻升壓變壓器設計

變壓器設計對高壓開關電源的設計起著關鍵作用，其分布參數非常復雜，為了更好地使用Pspice軟件仿真全橋變換電路的軟開關工作狀態，本文使用Magnetics Designer 4.1軟件設計變壓器，生成用于Pspice仿真的模型。Magnetics Designer軟件是美國Intusoft公司研制開發的。在10 Hz～5 MHz的變壓器和電感器，該軟件都能給出較好的設計方案，并且可以計算出包括漏感、分布電容、導線電阻、銅損、鐵損、質量和溫升在內的各種參數[6]。

本文設計的變壓器，輸出功率250 W；輸入電壓48 V，電流5.21 A；輸出電壓800 V，輸出電流0.312 5 A；工作頻率100 kHz，溫升低于50℃，窗口利用系數小于90%。將以上參數輸入Magnetics Designer軟件，會給出參考設計方案，設計者可以手動調整設計參數，直到滿足設計目標，利用軟件可以生成變壓器設計總表，交給廠家生產。不同的磁芯和初、次級匝比設計結果對比見表1。

表1 變壓器設計主要參數

通過分析表1變壓器設計參數可知：PQ3230和PQ4040兩種TDK磁芯，匝數比7∶120、6∶100、5∶84都符合設計要求，PQ3230的尺寸比PQ4040的尺寸小，同樣考慮到在實際電路工作時的變壓器次級波形占空比丟失、倍壓電路壓降等因素，因此選擇PQ3230磁芯，匝數比選擇7∶120。在軟件中可以查看變壓器的分布參數，這里給出變壓器漏感LLK為0.147 mH。

利用Magnetics Designer軟件生成用于PSpice仿真的模型，其窗口如圖3所示，圖中左邊是原理圖符號，右邊是可用于PSpice仿真的庫文件。

圖3 變壓器設計窗口

2.3 倍壓電路設計

倍壓整流電路和高頻升壓變壓器共同實現高壓輸出。高壓電源的輸出電壓很高，若直接使用變壓器升壓至幾千到幾十千伏，則需要體積龐大、變壓比很大的變壓器，導致變壓器寄生參數復雜，對高壓開關電源整體性能影響很大，因此采用小變壓比的變壓器和倍壓電路結合的設計方式更適合高電壓、低電流應用場景。倍壓級數越多，實現同樣的輸出電壓，理論上可以減小變壓器的尺寸，但輸出電壓紋波也會更加嚴重。雖然增大濾波電容可以有效減少輸出紋波，但同時也增大了電容體積，不利于電源小型化，也增加了成本，在設計時需要綜合考慮。陰極電壓對輸出電壓穩定度和紋波要求較高，因此在倍壓整流電路中可以采用小容量電容，輸出端再設計濾波電路使滿足實際工程需求。

本文設計的行波管高壓電源陰極電壓是－3.2 kV(對地)，變壓器次級輸出電壓VS為822 V，設計4倍壓電路使輸出電壓達到－3.2 kV，如圖4所示。第一個電容C1充電至VS，其他所有電容都充電至2VS。4倍壓電路的輸出電壓Vout加在串聯的C2和C4兩端。可以將等效負載電阻接在四倍壓輸出端，獲得4VS的輸出。圖4所示為電阻RL的接法。

從上述分析中可知后三個電容承受的電壓是1 600 V，因此在選擇電容時要考慮耐壓，這里選擇0.1μF/2 000 V的電容，二極管選擇了耐壓1 000 V、電流1 A的HS1M型號，兩個串聯使用。在實際電路測試中，如果不做良好的散熱處理，二極管D1會壞掉，導致電路短路。解決辦法是選擇電流容量更大的二極管或者做散熱處理。

圖4 倍壓整流電路PSpice仿真

2.4 控制電路設計

控制電路原理圖設計由控制電路、驅動電路、反饋電路組成。如圖5所示，控制電路產生的控制信號輸入驅動電路，產生可以驅動開關管的脈沖電壓信號。通過調整滑動變阻器將輸出電壓取樣為－2.5 V的電壓信號，經過反相器送入控制芯片內部的誤差放大器EAN端口，控制芯片根據反饋的電壓信號進行閉環控制，將實際輸出電壓與誤差放大器基準電壓進行比較，再利用芯片內部PWM比較器調整脈沖信號之間的移相角實現輸出電壓穩定。

圖5 控制電路原理圖設計

3 仿真與實驗結果分析

3.1 PSpice建模及仿真

在PSpice軟件中搭建如圖2所示的電路模型進行仿真，為了觀察超前橋臂Q1、Q2的零電壓開關情況，圖6給出了開關管Q1、Q3的源極和漏極之間的電壓(VDS)以及驅動電壓。觀察圖6的上半部分，在Q1的驅動電壓降為零后，源漏極電壓VDS才開始上升，實現了零電壓關斷；下半部分Q3的驅動電壓波形變為高電平之前，其VDS已經降為零了，實現了零電壓開通。

3.2 實驗結果及分析

為了驗證設計與仿真結果的正確，搭建了實際電路，并進行了測試。圖7是搭建的測試平臺，使用的儀器如下：直流電源型號Faith FTP020-600-8-F、LODESTAR LP3005D，示波器型號RIGOL DS2102A，萬用表型號FLUKE 17B+。

初次繞制諧振電感值為0.88μH，測得電源滿載效率93%，經過對電感參數進行調整，滿載(等效負載電阻R=40.06 kΩ)時進行測試，其中：電感LS為1.6μH，輸入電壓47.97 V，輸入電流5.622 A，輸入功率269.7 W，輸出電壓3 211 V。經計算，輸出功率為257.377 W，效率為95.4%。

圖6 超前橋臂零電壓開關

圖7 搭建的測試平臺

圖8給出了超前橋臂的開關管Q1驅動電壓VGS、漏源極電壓VDS。示波器通道1波形是驅動信號波形(10 V/格)，通道2是開關管漏源極電壓波形(20 V/格)。水平時間軸是500 ns/格。根據所選開關管數據手冊和實際電路實驗，驅動信號低于6 V時開關管關斷，高于6 V時，開關管導通。從圖中可以看到開關管很好地實現了零電壓的關斷和開通。

圖8 開關管Q1驅動電壓和漏源極電壓實驗波形

為了了解該電源在100%負載到50%負載時的效率情況，在等效負載電阻R等于 40.06、49.60、70.10、100.00和199.10 kΩ時，分別測試電源效率。圖9給出了相同輸入電壓、不同輸出功率的效率曲線。從圖中可以看到在100%負載到50%負載時的效率大于94%，實現了很寬負載范圍內高效率，但需要指出的是輕載狀態效率不足80%。

圖9 相同輸入電壓、不同輸出功率的效率曲線

4 結論

本文將軟開關技術引入高壓電源的設計中，選擇了一種零電壓開關移相全橋變換拓撲電路，設計了一種高效率高壓開關電源。重點介紹了計算機輔助設計在電路設計中的作用，方便了變壓器選型和電路參數的調整，縮短了設計周期。為了驗證零電壓開關的效果，最后制作了原理樣機，實測主功率電路在滿載時效率達到了95.4%。仿真和實際電路驗證了軟開關技術在提高高壓電源效率方案的可行性，為應用在高電壓低電流器件的開關電源設計和研制提供了一種思路和方法。