50A/220V全负载范围软开关电站操作电源功率模块设计探讨

1.概述

发电厂及变电站大容量直流系统组屏时充电模块多采用10A或20A高频模块，而在大容量系统中这样用会造成模块数量众多，组屏面数增加，故障点增多。所以，急需研制一种大容量的电源功率模块来解决这些问题。基于此而研发了一种50A/220V全负载范围软开关电站操作电源功率模块，该模块具有以下技术特点：

⑴采用全桥变换电路拓扑，输出功率大；
⑵移相软开关技术，实现ZVS＋ZCS-PWM，开关损耗小、效率高，附加元件少；
⑶特殊技术使软开关条件与负载大小无关（全范围软开关）、减小环流和占空比丢失；
⑷模块并联互备份、先进均流技术，可靠均流、热拔插；
⑸采用先进功率器件，提高效率、可靠性、降低成本；
⑹高频开关工作，低噪声，小体积；
⑺采用高频输出整流技术，减小损耗；
⑻采用高频损耗低、居里点高的磁性材料，降低铁损；
⑼采用无源功率因数校正（PFC）技术，以提高功率因数；
⑽采用EMI电路，减小差模共模干扰，改善EMI环境；
⑾采用专用控制集成芯片，电路实现简洁。

2. 相关技术背景简介

2.1无源功率因数校正与输入EMI

电源功率因数（PF）为： ⑴

即谐波因数（失真因数）γ与相移因数的乘积。
对现代功率变换电路，；但谐波严重时，如不采取措施，则γ=0.5～0.8。
PFC分无源型、有源型。无源PFC实际上在输入整流后，采用LC滤波电路来抑制电流谐波。而且，通过增大电感、减小电容可提高输入功率因数。当电感为无穷大时，三相电路的谐波因数γ≈0.955。实际上，电感足够大，即可满足PF要求。图2为三相无源PFC的PF值与电感标幺值的关系曲线。
如：当 时，PF≈γ≈0.94,。

由于，从PFC要求的角度，电容可以很小。因此，只要电容的取值满足直流纹波的要求即可。

仿真和以前产品实验也说明，满足项目要求的PF≧0.92，具有较小电感L的无源PFC技术就可以满足。 设计时应采用特殊的整流技术、滤波电感和电容。

电源输入的非线性引起的主要是低频谐波干扰。高频电磁干扰是开关电源EMI的另一类主要形式。它指150kHz—30MHz的高频传导干扰。分两类：

差模干扰：高频器件开关引起的输入线之间的干扰；
共模干扰：即功率器件、变压器与机壳地之间的漏电流引起的输入线与机壳地之间的干扰。
电源中采用了差模共模EMI网络，滤除电源高频干扰。其典型结构如图2所示

图2 单相和三相三线制电路的差模共模EMI网络典型结构

另外，在功率器件、变压器与机壳地之间采用法拉地屏蔽器、主功率变换采用软开关技术及优化输入电感滤波网络设计，也可以显著增强电源的抗高频干扰性能。

2.2 移相全桥软开关DC/DC变换

2.2.1 基本全桥PWM变换器及其控制

全桥变换器适用于中大功率应用。图3是基本电路结构和控制策略。

(a) (b)

图3 全桥PWM DC/DC变换器基本电路结构和控制策略

(a) 基本电路结构, (b) 控制策略

2.2.2 基本移相控制ZVS-PWM DC/DC全桥变换器原理简述

全桥变换器的软开关技术，对降低损耗和提高频率具有很好的实用价值。移相控制零电压开关PWM变换器利用变压器的漏感或原边串联电感和功率管的寄生电容或外接电容实现零电压开关。电路结构及主要波形如图4所示。

(a) (b)
图4 全桥移相ZVS-PWM变换器电路结构(a)及控制策略(b)

其中，LR、C可以是漏感、寄生电容

该电路的特点：功率大、频率高、效率高（软开关）、定频控制、附加元件少、专用芯片、实现方便。
ZVS的电流转换过程表示在图5中。电流的方向用实心箭头表示在图中。

(a) 初始状态（功率传送期） ( b) 工作波形

(c)右臂换流（ZVS关） (d)钳位续流期（ZVS开） (e)左臂换流（ZVS关） (f) 功率传送期（ZVS开）

图5 FB-ZVS-PWM软开关过程分析

2.2.3　控制方法

⑴采用专用芯片，主要控制的设计内容如下：
①移相PWM脉冲形成电路芯片：UC3879；
②ZVS条件、电流+电压双环控制，适当调节，如PI；
③检测、隔离、反馈、参考信号、调节；
④驱动电路；
⑤同步、频率比较、外部控制接口；
⑥保护告警、指示；
⑦辅助电源。

⑵芯片简介
芯片UC3879的框图如图6所示。

图6 UC3879方框图

该芯片有以下特点：
①独立可编程开通延时、零延时；?
②电压、电流控制模式均可；
③高频化：实用的开关频率可达300kHz ，误差放大器带宽达10MHz ；
④四个图腾柱结构，输出驱动电流达100mA ；
⑤时钟同步信号输入/输出方便；
⑥快速保护功能，含欠压锁定、过流保护等；
⑦可方便实现移相、定频、软开关变换器中的诸多功能。

2.2.4 软开关的实现条件

由于谐振电容（结电容+分布电容）能量为⑵
谐振电感（漏感+外加电感）能量为 　　　　　　　　　　⑶

为