全桥移相大功率开关电源的设计(4)

ＤＣ／Ｄｃ变换属于开关电源中实现功率变换的部分。现代开关电源分为直流开关电源和交流开关电源两类，前者输出质量较高的直流电；后者输出质量较高的交流电。本课题研究属于直流变换器的范畴１１３ｊ。

表２．２ＰｗＭ开关电源拓扑的比较

Ｔａｂ．２—２ｃｏｍｐａｒｉｎｇｏｆＰＷＭｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｔｏｐ０１０９ｙ

电路拓扑

Ｂｕｃｋ

ＢＯＯｓｔ功率范围／Ｗｏ￣ｌＯＯＯｏ￣１５０

Ｏ～１５０

０一１５０

Ｏ～１５０

１００～１０００

１００～５００

４００～２０００Ｖｉｎ（ｄｃ）Ⅳ５—４０５￣４０５—４０５—５００５—５００５０￣１０００５０一１０００５０—１０００输入、出隔离无无无有有有有有典型效率（％）７０８０８０７８８０７５７５７３相对成本１．０１．Ｏ１．Ｏ１．４１．２２．Ｏ２．２２．５Ｂｕｃｋ．Ｂｏｏｓｔ正激式电路反激式电路推挽式电路半桥电路全桥电路

分析上表可知，在需要大功率的场合，众多ＤＣ．ＤＣ变换器拓扑中，首选全桥变换９

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器。因为在功率丌关管电压和电流额定相同时，变换器的输出功率通常随开关管数量增加而增大，故全桥变换器的输出功率最大。全桥变换器由四个功率开关管构成，主变压器只需要一个原边绕组，通过『Ｆ、反向的电压得到正反向磁通，变压器铁芯和绕组得到最佳利用，使效率和功率密度得到提高。

本课题所研制的变换器要求输出功率为３Ｋｗ，同时具有很强的带载能力，属于大功率电源。后级ＤＣ／ＤＣ变换的输入电压为单相ＰＦＣ升压后稳定的直流电压，电压较高（大约为４００Ｖ），对开关器件的电压应力要求较高，因此选用全桥式电路较为合适，变压器磁芯和绕组能够得到最佳的利用，使效率、功率密度得到提高；另一方面，功率开关在较安全的情况下运行，一般情况下，最大的反向电压不会超过输入整流滤波电路的输出电压。但是全桥变换需要的功率器件比较多，在开关导通的回路上，至少有两个管压降，因此功率损耗也就比较大。由于前级ＡＰＦｃ输出直流电压很高，这些损耗还是可以接受的。

目前常用的全桥式变换器有传统的硬开关式、谐振式及移相式，其中软开关移相式近年来受到人们普遍的关注，它综合了ＰｗＭ控制技术与软开关的优点，在大范围内实现恒频控制，而在功率器件换流瞬间，它利用变压器的漏感和功率半导体器件的结电容的谐振来实现零电压开关换流…Ｊ。因此本课题要开发的电源的后级ＤＣ／ＤＣ变换就采用移相全桥变换器的拓扑结构。本文在第三章将对此详细加以介绍。

２．４辅助功能部分

１．辅助电源

辅助电源电路的功能是为控制电路供电。辅助电源的类型很多，既可以采用串联线性调整型电源，也可以采用小功率开关电源。在本系统中，将采用集成芯片７８１５构成稳压电源为控制电路供电，具有稳定的１５Ｖ输出。

外加电源的电路图如图２．５所示。

交流罾交流输入２２０Ｙ２

ｏ—－———－———－＿一】１．ｊ泌、划＊Ｔ｜‘三，Ｉ．．．．．．一

一．．．．．．．．．．Ｊ’ｒ兰＋１

Ｃ３Ｃ４ＶＣｌ三Ｃ２Ｔ８１５

图２－５外加电源电路图

Ｆｉｇ．２－５ａｐｐｌｉｅｄｐｏｗｅｒｃｉｒｃｕｉｔ

２．保护电路

保护电路是控制电路中的一个重要组成部分，为了提高电源的可靠性必须不断的完善保护电路的功能。当前电源的保护电路的主要保护功能有：过压保护、过流保护、欠压保护和过热保护，其中过压、过流保护是为了保护外界负载和电源两者而设置的，而欠压和过热保护是为了电源本身而设置的。

３．软启动电路

考虑到：（１）由于在Ｂｏｏｓｔ电路中，输出电压总是高于输入电压。在电压启动时，

１０

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第二章全桥移相人功率开关电源的方案的确定

输出电压为零。输入电压通过电感Ｌ向输出端传递能量，电感Ｌ两端在较长时间内承受『Ｅ电压，会导致很大的电流尖峰，导致电路中器件的过流损坏。（２）电源的输出滤波电容较大，输出电压的突然建立将会形成非常大的电容充电电流，叠加在负载电流上，不仅可能使过流保护电路产生误动作，也可能会造成开关管的过流损坏。如果为了避免因此引起的误动作而将保护电路的保护动作延迟，这样将会降低过流保护的安全性和有效性

【２ｌ】

ｏ

因此电源必须具备软启动环节来避免上述两种情况产生的电流过冲的问题。

２．５本章小结

通过以上部分的分析介绍，我们已经基本确立了本系统设计的大体方案：

１．总体结构上采用两级ＰＦＣ技术；

２．前级ＰＦＣ采用Ｂｏｏｓｔ升压型平均电流控制方式的ＡＰＦＣ技术；

３．后级ＤＣ／ＤＣ变换采用移相全桥软开关技术；４．最后介绍了系统的辅助部分的设计思路。

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第三章

３．１功率因数的定义有源功率因数校正的原理与设计

根据电工学的基本理论，功率因数（ＰＦ）是指交流输入有功功率（Ｐ）与输入视在功率（Ｓ）的比值【’４１。所以功率因数可以定义为输入电流失真系数（ｙ）与相移因数（ｃｏｓｍ）的乘积。肝：冬：掣：乒ｃ神：舯ｓ①ｓ；、（３－１）‘

ＵＩｌｒ。Ｉ哪

式子中：乃表示输入基波电流有效值

表示输入电流有效值砌Ｊ

』Ⅲ“ｙ＝≥表示输入电流失真系数

可见功率因数（ＰＦ）由电流失真系数（，，）和基波电压、基波电流相移因数（ｃｏｓ①）决定。ｃｏｓ①低，则表示用电电器设备的无功功率大，设备利用率低，导线、变压器绕组损耗大。同时，７值低，则表示输入电流谐波分量大，将造成输入电流波形畸变，对电网造成污染，严重时，对三相四线制供电，还会造成中线电位偏移，致使用电电器设备损坏。

由于常规整流装置常使用非线性器件（如可控硅、二极管），整流器件的导通角小于１８００，从而产生大量谐波电流成份，而谐波电流成份不做功，只有基波电流成份做功。所以相移因数（ｃｏｓ①）和电流失真系数（厂）相比，输入电流失真系数（ｙ）对供电线路功率因数（ＰＦ）的影响更大

我国于１９９４年也颁布了《电能质量公用电网谐波》标准（ＧＢ／Ｔ１４５４９．９３）。

艘：冬：萼掣：丢×ｃｏｓ矽叩。ｓ矽ｓｊ（３．２）、１

ｙｌＩｒ。ｌｍｓ

传统的功率因数概念是假定输入电流无谐波电流（即，ｌ＿‰或，，＝１）的条件下得到的，这样功率因数的定义就变成了阡＝ｃｏｓ①。

３．２谐波电流的危害及改进措施ｎ５１

３．２．１谐波电流对电网的危害

谐波电流对电网的危害表现在：

１．谐波电流流过线路阻抗，造成谐波电压下降，使电网的正弦波电压产生畸变；２．谐波电流会使线路和配电变压器过热，严重时会损坏电器设备；

３．谐波电流会引起电网ＬＣ谐振；

４．高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过流、过热，甚至爆炸；

５．在三相四线制中，中性线流过三相高次谐波电流（三倍的３次谐波电流），是中性线过电流；

６．谐波电流使交流输入端功率因数下降，结果是发电、配电及变电设备的功耗加大，效率降低。

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