200KV/10kw高频高压电源设计思路

一．引言

  现在设计开发电源都要求体积小、重量轻、效率高,同时还要考虑电磁兼容性.随着零电流、零电压谐振变换器的出现,为电源向着小型化、高功率密度的发展创造了条件.本文阐述了一种采用零电压谐振变换技术的高频高压开关电源,它具有零电压开通,软关断,开关损耗小,di/dt、 dv/dt小及干扰小等特点.该电源工作频率范围在90~250KHz,最高工作频率达300KHz.高压电源系统采用多台冗余式并联的工作方式,工作方框图见图1.





图1 高压电源系统方框图


二．工作原理

  新型开关电源采用了零电压开关﹑多谐振变换技术,其电路框图如图2所示,高压电源的工作原理为:交流三相50Hz 380V电压经输入电源滤波器﹑整流,防冲滤波后转换成平滑的直流电压,约540V,然后通过以零电压开关多谐振变换器(ZVSMRC)为核心电路的变换桥,将540V的直流电压变为频率为90~250kHz的高频交流电压,经高频变压器升压及高压倍压整流滤波后,获得负载所需的高压直流电-20kV,从高压侧的高精度高压玻璃釉分压器上取出反馈信号与基准电压相比较后送到误差放大器,其输出信号去控制PFM,通过调频调宽来进行稳压.






图2 高压电源原理方框图

  变换桥采用零电压开关多谐振变换全桥电路,如图3所示.





图3 变换桥

  在电路中,主开关管Q1-Q4选用功率MOSFET器件APT8030,D1-D4和C1-C4为开关管两端反向并联二极管和寄生电容器,且C1=C2=C3=C4,L为谐振电感,V0为输出电压,M=V0/Vi,因为变压器的次级存在分布电容C次级,把它折算到初级的电容为C0,且C0=N2*C次级.由于变换器工作在不同的状态,为了便于分析,我们按时域分成四个状态,它们的等效电路及电路中电压﹑电流波形如图4~8所示.




  1．贮能区:t0-t1:
  它的等效电路如图4所示,在该时区域内,Q1、Q3导通,L与C0产生谐振,谐振频率为ω0=1/LC0 ,特征阻抗Z0=L/C0 ,电路以谐振方式将C0换向,但没有向负载传递能量.
    i(t)=[(M+1)UiSinω0t]/Z0,
  2．能量传送区,t1-t2:
  它的等效电路如图5所示.在该区域内,Vi侧向负载传送能量,且i(t)=I(t1)+(1-M)Vi(t-t1)/L
  3．能量转移区,t2-t3:
  它的等效电路如图6所示,在该区域内Q1、Q3截止,C4中的能量传送到C1中,C2 中的能量传到C3,且以谐振方式转移,谐振频率为ω1=1/LC1 ,直到VC2=VC4=0,VC1=VC3=Vi 为止.
  4 ．二极管馈能区,t3-t4:
  它的等效电路如图7所示,在该区域内,D2、D4导通,电感中的能量通过D2、D4向电源Vi馈能,且
    i(t)=I(t3)-(1+M)Vi(t-t3)/L
  5．Q2、Q4导通,电流换向,上述过程重复.





图8 开关电压、电流波形曲线


三．产品设计关键技术

  1)输入电源滤波器将开关电源产生的传导干扰加以抑制,以免污染供电电源,同时它也使电网的干扰进不了电源,有效地抑制了传导干扰,提高设备的电磁兼容性能.另外,输入采用共模滤波,差模滤波,提高功率因数.  
  2)零电压开关多谐振变换和软关断技术,改善了电源主开关的工作状况,减小了主电路中的di/dt和du/dt值,降低了主功率开关管的工作应力,使电源产生的干扰减小,效率大为提高,
  3)工作频率高,90KHz-250 KHz,最高工作频率达300 KHz,大大降低了设备的重量.
    电压传输比:M=Vo/Vi
    特征阻抗:Zo=L/Co  
    谐振频率:ω0=1/LC0 当M为常数,且允许电路中的峰值电流与平均电流的比值(通常称为峰值因数Ki)可大于2时,电路的fcmax/fcmin可不大于2~3,若允许提高电流的峰值因数,工作频率范围还可以压缩.
  进入ZVS状态后,开通损耗为0,电路的损耗(除回路中的电阻损耗及电磁损耗外)只剩下导通时的开关管压降和关断损耗.压降损耗与开关管压降和通流量及电流峰值因数有关.
  4)主电路本身对过载和短路有自保护特性,提高了设备的可靠性.当本电源过载时,Io升高Uo下降;当负载短路时,输出电压自动跌落至0.
  5)高压组件包括高压变压器﹑高频高压硅堆﹑高压倍压贮能和滤波电容及高压分压器,在变压器的设计中,采用了尺寸为EC-70的铁氧体磁心作为高压变压器的铁芯,同时,变压器的漏感可以被有效地利用起来,由于频率较高,考虑到集肤效应,变压器的绕组采用多股膝包线.整流硅堆选用高频高压硅堆,它的反向恢复时间为50ns,所有的高压电容器被封装成一个整体.
  6)倍压整流的同时滤波,有利于降低输出纹波.输出纹波<1×10-4.
  7)用整个高压电源装入灌油的油箱内,既提高了散热效果,又增加高压绝缘强度,提高了电源的可靠性,电源做过高低温试验,作过防霉处理,适应沿海气候工作环境.当环境温度升高到70℃时,由于高压电容组件的漏泄和开关特性变差以及硅堆的结电容增大等原因导致效率会略有下降.
  8)运用多台冗余式并联技术,使输出稳定,可靠性高.

四．结论

  目前,在大功率的电源中,谐振、准谐振、多谐振是高功率高频开关电源的发展方向之一,本电源采用了零电压多谐振变换技术,减小了开关损耗,提高了电源整机效率,降低了散热设计的要求,同时由于工作频率的提高,一些主要元件趋于小型化,并且,它的di/dt和du/dt值很小,电磁辐射干扰小,而且也有利于减轻电源的重量.因而适合要求体积小、重量轻、效率高的场合.