低电压大电流软开关电源的设计

们的热损耗不同,而且可以大大简化变压器的制作工序。

下面以两个变压器组为例(图6所示),说明二极管之间的均流。

图6 多个变压器的连接示意图

uin为正时，u1与u3为正，二极管D1与D3导通，D2与D4截止，此时可以得出:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

当二极管的管压降uD1与uD3不等时,由公式(3)、(4)、(5)、(6)可以得出,两个变压器原边的电压uA与uB也不等,二极管管压降高的变压器原边的电压就高,反之亦然。由公式(1)、(2)得: U1=U3即流过二极管D1与D3的电流始终相等,实现自动均流。可见,变压器的这种连接方式,是靠调整单个变压器原边的电压来实现输出整流二极管的自动均流。

多个变压器的这种连接方式,不仅可以使得输出整流二极管实现自动均流,还可以使得变压器的设计模块化,简化变压器的制作工艺,降低了损耗。与一只单个变压器相比,多个变压器的这种连接方式,减小了变压器的变比,增强了变压器原副边的磁耦合性,减小了漏感(实际测量8个变压器原边串联后的漏感为6uH)，减小了占空比的丢失。图7为满载时变压器初级电压波形VP和次级电压波形VS,从图中可以看到占空比丢失不多(大约为5%),使得系统的性能显著提高。

图7 变压器初级和次级电压波形图

6 　控制电路的设计

由于在本电源中使用的开关元件的过载承受能力有限,必须对输出电流进行限制,因此,控制电路采用电压电流双环结构(内环为电流环,外环为电压环),调节器均为PID。图8为控制电路的原理框图。加入电流内环后,不仅可以对输出电流加以限制,并且可以提高输出的动态响应,有利于减小输出电压的纹波。

图 8 为控制电路的原理框图

在实际的控制电路中采用了稳压、稳流自动转换方式。图9为稳压稳流自动转换电路。其工作原理是:稳流工作时,电压环饱和,电压环输出大于电流给定,从而电压环不起作用,只有电流环工作;在稳压工作时,电压环退饱和,电流给定大于电压环的输出,电流给定运算放大器饱和,电流给定不起作用,电压环及电流环同时工作,此时的控制器为双环结构。这种控制方式使得输出电压、输出电流均限制在给定范围内,具体的工作方式由给定电压、给定电流及负载三者决定。

图9 为稳压稳流自动转换电路

由于本电源的容量为60kW,为了提高效率、减小体积、提高可靠性,因此,采用软开关技术。高频全桥逆变器的控制方式为移相FB-ZVS控制方式,它利用变压器的漏感及管子的寄生电容谐振来实现ZVS。控制芯片采用Unitrode公司生产的UC3875N。通过移相控制,超前桥臂在全负载范围内实现了零电压软开关,滞后桥臂在75%以上的负载范围内实现了零电压软开关。图2为滞后桥臂IGBT的驱动电压和集射极电压波形,可以看出实现

了零电压开通。

7 　总结

该电源装置中,使用移相全桥软开关技术,使得功率器件实现零电压软开关,减小了开关损耗及开关噪声,提高了效率;设计并使用了一种新颖的高频功率变压器,通过调整单个变压器的原边电压使输出整流二极管实现自动均流;设计并使用了容性功率母排,减小了系统中的振荡,减小了功率母排的发热。控制电路中采用了稳压稳流自动转换方案,实现了输出稳压稳流的自动切换,提高了电源的可靠性及输出的动态响应,减小了输出电压的纹波。实验取得了令人满意的结果,其中功率因数可达0.92,满载效率为 87%,输出电压纹波小于25mV。不仅如此,各项指标都达到甚至超过了用户要求,而且通过了有关部门的技术鉴定,现已批量投入生产。

参考文献:

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3 Enrique J Dede. On the design of a high current power supply for superconducting magnet A. 27th Annual IEEE, PESC’96Record.C.2003.1:894 2897.

4 杨旭,王兆安. 移相全桥型零电压软开关电路谐振过程的研究J. 电力电子技术 ,2003, 3 :36239.■