高压直流开关电源的设计与实验研究

摘要：设计了高压直流开关电源，主电路采用两级结构，前级为具有软开关的有源功率因数校正（APFC）电路，能够降低谐波含量，提高功率因数，降低开关管损耗。后级采用在初级加箝位二极管的改进型零电压开关（ZVS）移相全桥变换器，有效抑制了次级整流桥输出振荡和电压尖峰，减少了损耗及输出纹波。对控制系统进行合理设计，提高了控制精度及开关电源性能。最后研制厂一台2.4 kW实验样机，通过实验验证了电源系统设计的可行性。

关键词：开关电源；有源功率因数校正；箝位二极管

在国内，低压通信电源较成熟，高压开关电源尚处于研究阶段。一般大功率直流开关电源输入多采用220 V交流电网，为降低对电网的谐波污染，提高输入端功率因数，一般要经过PFC级整流，然后将PFC级输出电压送入DC/DC级进行变换。但高压直流开关电源输出电压较大，会对DC/DC级产生较大影响。

此处研制的高压直流开关电源采用两级变换装置，前级220 V交流经过不控整流和APFC得到380 V稳定直流；后级选择在初级加箝位二极管的改进型ZVS移相全桥变换器，经过变压器变压和隔离，采用全桥不控整流和LC滤波，最终得到精密的240 V直流输出。设计了控制系统，选择合理的参数提高开关电源性能，并通过实验验证了设计的可行性和有效性。

2 主电路的设计

2.1 有源功率因数校正电路

APFC采用全控开关器件构成的开关电路对输入电流波形进行控制，使输入电流成为与电源电压同相的正弦波，功率因数高达0.995,从而彻底解决了整流电路的谐波污染和功率因数低的问题。此处采用软开关单相APFC,其主电路如图1所示。

2.1.1 APFC软开关电路

图1中，为了让主开关管VQ实现ZVS,引入了辅助开关管VQx,在每一次VQ需要进行状态转换前，先导通VQx,使辅助电路谐振，为VQ创造软开关条件。VQ完成状态转换后，尽快关断VQx,使辅助电路停止谐振，电路重新以常规PWM方式运行。

2.1.2 APFC软开关谐振参数的选取

软开关APFC电路中一个重要参数就是谐振电感L1.L1可由二极管VDR的反向恢复时间tVDR来估算，取谐振电感电流iL1上升时间tr=3tVD R,则最大电流上升率可确定为：

di/dt=ILmax/（3tVDR） （1）

式中：ILmax为最大电感电流。

L1的表达式为：

L1=Uo/（di/dt） （2）

式中：Uo为APFC输出电压。

实际选取L1=5μH.

2.2 ZVS移相全桥变换器

ZVS移相全桥变换器充分利用主电路寄生参数，如开关器件的寄生电容、变压器漏感和线路电感等来实现软开关。DC/DC级选用初级加箝位二极管的改进型ZVS全桥变换器，如图2所示。变换器在一个开关周期有18种开关模态，其工作波形如图3所示。

2.2.1 移相全桥ZVS的实现

开关管零电压关断的原因是由于存在结电容，导致两端电压不能突变。零电压开通则需要足够的能量给将要开通的开关管结电容放电，给关断的开关管结电容充电，同时还要抽走变压器初级绕组中寄生电容CTR中的电荷。对于超前桥臂，该能量由谐振电感Lr和折算到初级的滤波电感Lf串联共同提供，Lf很大，所以容易实现ZVS.而对于滞后桥臂，由于此时变压器次级被短路，能量仅由Lr提供，所以滞后桥臂实现ZVS较困难。特别是负载很轻时，Lr中的能量不够完成结电容的充放电转换，滞后桥臂就不能实现ZVS.为满足滞后桥臂的ZVS,必须使Lr取值较大。

2.2.2 次级占空比丢失问题

次级占空比Ds小于初级占空比Dp,其差值即为次级占空比丢失，即Dlose=Dp-Ds.占空比丢失原因是初级电流ip由正向（或负向）变化到负向（或正向），负载电流需要一段时间，即为图3中的[t3~t6]和[t12~t15].在这段时间内，虽然初级有电压，但ip不足以提供负载电流，次级整流管全部导通，变压器初、次级短路，负载处于续流阶段，整流输出为零。这样次级就丢失了[t3~t6]和[t12~t15]这两段时间的方波电压，它与开关周期Ts的比值即为Dloss,Dloss=（t3,6+t12,15）/Ts=2t3,6/Ts,其中t3,6=Lr[ILf（t3）-ILf（t6）/K]/Uin,则可得：

Dloss=2Lr[ILf（t3）-ILf（t6）/K]/（UinTs） （3）

由式（3）可知，Dloss与Lr和iLf成正比，与Uin和变压器变比K成反比。因此，Lr的值需权衡取值，既要在尽可能宽的范围内保证软开关，又不能太大，以免造成较大的占空比丢失。

2.2.3 谐振电感的选取

滞后桥臂要实现ZVS,Lr必须满足：

式中：I为滞后开关管关断时ip的大小；Coss为开关管在Uin时的输出电容。

选择在1/3负载以上实现滞后桥臂软开关，要求输出滤波电感电流的最大脉动量△ILf为最大输出电流的20%,则：

I=（Io/3+△ILf/2）/K=4.09 A （5）

由式（4）可求出Lr>19μH,实际选择20μH.

2.2.4 次级整流桥输出寄生振荡的抑制

ZVS移相全桥变换器输出整流二极管都未工作在软开关状态，存在反向恢复的过程。在输出整流二极管换流时，Lr（包括变压器漏感）和整流桥二极管的结电容及变压器寄生电容之间会发生谐振，使整流桥输出产生寄生振荡和电压尖峰。此处通过初级加箝位二极管来解决这一突出问题。为详细说明箝位二极管的抑制作用，针对图3中t∈[t7,t8]这一模态进行分析：在t7时刻，由于Lr与CVDR1和CVDR4谐振工作，使得两者的电压上升至Uin/K,此时uBC上升至Uin,C点电位变为零，箝位管VDVQ2导通，将uBC箝位在Uin,则CVDR1和CVDR4的电压被箝位在Uin /K,防止其电压继续上升，从而消除了整流桥的振荡尖峰和二极管反向恢复造成的损耗。此时，iLr=-I4,ip=iLr+iVDVQ2.到t8时刻，iVD VQ2线性下降至零，VDVQ2自然关断，模态结束。

2.2.5 变压器初级直流分量的抑制

实际电路中，开关管的开关速度或导通压降不同或开关管的驱动信号不一致时，功率转换电路便工作在不平衡状态。此时磁通变化幅度不相同，工作区域将偏向一个象限，引起磁芯单向饱和并产生过大的ip,从而导致开关管的损坏，最终使变换器不能正常工作。为了让全桥变换电路更可靠的工作，抑制变压器初级电压的直流分量采用变压器初级串接隔直电容Cb.Cb和输出滤波电感折算到初级的电感值形成串联谐振网络，谐振频率表达式如下：

折算到变压器初级的滤波电感值LLf=K2Lf.为了尽可能让Cb充放电呈线性化，fT必须远小于变换器的开关频率fs,取fr=0.1fs,由式（6），LLf=K2Lf及fr=0.1fs可求得Cb=1.2μF,实际取两个1μF/400 V的云母电容并联。

3 控制系统的设计

3.1 APFC控制方案

APFC控制采用平均电流法，系统框图见图4.采用电流、电压双闭环控制，电流环使输入电流更接近正弦波，电压环使APFC输出电压稳定。

此处通过APFC控制器UCC3818实现双环控制，其输出的PWM脉冲可直接驱动开关管。双环调节器如图5所示。

通过计算电压、电流环增益和穿越频率即可确定相应PI参数，实际设计参数为：Ru=56 kΩ，Cu1=3.3μF,Cu2=0.3μF,Ri=16 kΩ，Ci1 =Ci2=1.1 nF.

3.2 ZVS全桥变换器控制方案

DC/DC级采用单电压环控制模式，并在电压环基础上加上了限流环，正常情况下限流环不工作，只由电压环控制输出电压，一旦输出电流超过限流值，就由限流环工作，通过减小输出电压将输出电流稳定在限流值上。该控制通过UCC3895芯片实现，控制系统框图如图6所示。

选择超前-滞后补偿网络实现控制，与一般滞后补偿网络相比，该网络增加了微分环节，提高了控制系统的动态性能。具体环节如图7所示。

补偿网络的传递函数Gc（s）={（1+sR2C1）[1+s（R1+R3）C3]}/{[sR1（C1+C2）][1+sR2C1C2/（C1+C2）]（1+sR3C3）}.

对ZVS移相全桥变换器进行小信号建模并采用零极点补偿法对参数进行设计，实际所选参数为：R1=91 kΩ，R2=4.8 kΩ，R3=2 kΩ，C1= 0.1μF,C2=0.02μF,C3=1μF.

4 实验结果

为验证高压直流开关电源主电路结构和控制方案的可行性，研制了一台2.4 kW的实验样机。主要电路参数：APFC部分为交流220 V输入，输出直流电压380 V:ZVS全桥变换器部分，输出直流电压240 V,输出电流10 A,主功率开关管VQ1~VQ4为IXFX48N60P（48 A/600 V）；输出整流二极管VDR1~VDR4为DSEI30-10A,箝位二极管VDs1和VDs2为DSEI30-06A,变压器初次级匝比为1.06,输出滤波电感Lf=300μH,输出滤波电容值Cf=56μFx8,开关频率fs=80 kHz.

图8a为APFC主开关管在1/3负载时波形，其实现了软开关。图8b为APFC输出电压突加半载时的波形，由图可知，其性能较好。由1/3负载下所测波形可知，超前、滞后桥臂实现了ZVS.由（半载）变压器次级及整流桥输出电压波形可知，不加箝位二极管电压尖峰超过正常值两倍以上，添加箝位二极管后电压尖峰几乎被消除，解决了整流桥输出寄生振荡问题。可见，DC/DC级控制系统设计较合理，超前，滞后补偿环节提高了系统的动态性能。

5 结论

研制了两级结构高压直流开关电源，前级采用单相有源软开关PFC,提高功率因数，合理设计谐振参数可实现软开关，降低开关损耗。控制部分采用PI调节器，具有较好性能。后级选择在初级加箝位二极管的改进型ZVS全桥变换器，实验结果证明该电路结构能够有效抑制次级整流桥输出振荡和电压尖峰，减少损耗。该方法简单，实用性较强。控制系统进行方案选择，PID参数合理设计，提高了高压直流开关电源的动、静态性能。