干货全桥移向零电压高频大功率开关电源设计-电源网

目前大功率开关电源在工业控制以及公共领域中的应用，已经越来越广泛，高频率的大功率电源市场规模逐渐扩大，新产品的研发速度也日渐加快。此前我们曾经为大家分享过几个大功率电源的设计方案，在今天的文章中，我们将会为大家分享一种全桥移向零电压高频大功率开关电源的设计和实验结果，希望能够对各位工程师的设计工作有所帮助。

在本文所分享的该种大功率开关电源设计方案中，这种全桥移向零电压高频大功率电源装置，其装置系统主要由三相整流滤波电路、高频逆变电路、高频变压器、高频整流滤波电路、PWM控制电路、稳压稳流控制电路及故障保护电路组成，其具体组成情况如下图图1所示。当该种大功率开关电源工作时，电网三相电源输入，经整流、滤波电路加至绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的逆变电路，由主电路转换成脉宽可调的高频交流（约20kHz），再经高频变压器降压、肖特基二极管整流转换成适于工作需求的低压直流。

图1 电源装置系统组成图

在本方案中，我们所设计的高频逆变电路采用全桥移相零电压开关主电路，同时也采用了软开关技术，以此来实现大功率低损耗高频逆变。在电源系统中，高频开关管采用大功率IGBT模块，以提高电源可靠性，高频整流管采用肖特基整流模块以提高电源的效率。控制单元输出的控制信号可以对主电路输出做出迅速响应，从而不但给出优良的动、静态输出特性，而且能对各种输入电压的波动予以补偿，并能对各种原因造成的故障做出迅速的保护响应。

在这种全桥移向零电压高频大功率电源的方案设计中，我们结合市场需要和设计要求，为该种电源系统的提供了六种主要功能，分别是：电源系统按输出的电流或电压偏差分别自动进行PI稳流或稳压调节；在该电源装置中，设置了过流、过热和缺水等保护措施，且具有声光电三维报警方式。通过面板上的电压、电流表（输出电压、输出电流）可分别监测系统的输出状态；系统具有稳压及稳流两种工作模式，以此系统的稳定运行。用户可根据工艺需要进行选择；系统具有软启动功能，其给定值由小逐渐增大，软启动时间约为5s。系统为远控方式，其操作简单，方便用户掌握。

输入整流桥及平波滤波器

在本方案中，我们所设计的该种大功率电源系统输出为3000A/16V，其前端采用三相整流桥输入，因此，该系统中的三相整流桥及LC滤波电路设计如下图图2所示。图2所展示的电路系统中，负载R为开关变换器的等效电阻。考虑理想情况，Li为无穷大，id为一平滑直流。通过对三相整流桥电路工作原理分析，考虑电网波动及保留一倍裕量，可选定二极管的额定参数为150A/1200V。

图2 三相整流桥及LC滤波器电路

在该种大功率电源的LC滤波器电路系统中，平波滤波器的主要功能是平滑整流电压和提高功率因数。在本方案设计中工程师需结合自身经验，选择一个性能和成本的折中点。这里采用把电感放在直流侧的安置方式。与把电感放在交流侧的安置方法相比，无论是在结构复杂程度上还是成本上，都要低的多。而且理论上这种结构可以达到的最大输入功率因数为0.955，完全能满足该系统的要求。

高频变压器

高频变压器的设计是本次大功率电源方案设计过程中的重点环节，为了能够实现大功率转换，我们所设计的高频变压器系统采用四个变压器并联的方式，且每个变压器的磁芯采用一个环形磁芯。并联的四个变压器的原边输入电压相等且为逆变器输入的电压，副边输出并联。通过计算，取变压器原边的匝数为21匝，副边为1匝；考虑绕制工艺、散热、损耗等因素的影响，原边采用USTC0.1×1050的多股丝包线，副边则采用TMY240×6或TMY250×5的铜排。

IGBT及隔直电容

从我们所设计的该种全桥移向零电压高频大功率电源的电路设计中可以得出，在该电源系统中，IGBT的工作平均电流为母线平均电流的一半。因此，流过IGBT的平均电流及承受的最大反向电压可通过下式为：

在这里出于对电源系统尖峰电压电流影响的考虑，我们需要对最大反向电压的值保留一定的裕量，因此，在本方案中最终确定IGBT的容量为300A/1200V。隔直电容在电源系统中的作用是防止变压器发生偏磁现象。

试验结果

依据上文中所提供的全桥移向零电压高频大功率开关电源电路图，我们设计制作了一台样机，并利用该样机进行了实验。实验波形由泰克TDS5034示波器记录，如图3—图5所示。下图中，图3为同一桥臂上两个开关管的驱动脉冲波形，其开关频率为20kHz。图4为输入电压为220V时，样机的工作波形中，1通道为变压器原边电压，2通道为IGBT驱动脉冲，3通道为变压器副边肖特基反向压降，4通道为变压器原边电流。下图图5为样机满载时的工作波形，1通道为变压器原边电压，2通道为样机直流输出电压。本文最后的表1列出了样机的各项技术指标，及与预定目标的比较。

图3 IGBT的驱动脉冲波形