SCR谐振逆变在低压大电流开关电源中的应用

牛淑芳，马 跃，邓玉福，刘宏军

（1.沈阳师范大学 物理科学与技术学院，沈阳 110034；2.天津海运职业学院 航海技术系，天津 300350）

0 引 言

开关电源是一种通过功率变换来实现各种用电设备电能需求的装置。高频开关电源与传统的线性电源相比，具有稳定性强、体积小、质量轻、效率高等优点，因而在医疗、航空、通信、电焊机、激光加工等方面都有非常广泛的应用［1］。

1 低压开关电源的原理及结构

开关电源的原理框图如图1所示。由图看出电源主回路包括：输入整流滤波、高频逆变、输出整流滤波以及控制电路4个部分，工作原理是：市网电经过输入整流滤波后得到约300V的脉动直流电；当该直流电通过逆变电路后，在变压器次级获得高频交流电压［4］，再经过二次整流滤波后，最后得到用电设备需要的直流电压。

图1 开关电源原理框图

2 电源结构中的主要电路

2.1 输入整流滤波电路

输入整流电路采用的是全桥整流，由于整流后电压脉动比较大，因而整流之后采用LC滤波电路来减小电压的脉动值，其中滤波电容采用4只1 000μF电解电容并联［3］。

2.2 逆变主电路

2.2.1 主电路工作原理

逆变电路中采用的开关器件是高频可控硅，触发信号由TL494组成的脉冲振荡控制电路提供。

根据可控硅工作原理［5］：只有当可控硅阴阳两极施加正向电压，同时在门极加上正向触发脉冲信号时，可控硅才能导通，但SCR导通后门极就会失去控制作用。为保证可控硅关断，笔者采用的换流方式是：在变压器原边串入一个谐振电容，与变压器的原边共同组成LC震荡电路，通过利用震荡电流方向的周期性变化来实现可控硅的阳极换流，电路结构如图2。

工作原理［6］：储能电感L1对谐振电容C3充电同时，在可控硅的阴阳两极加以正向电压，这时当门极给以正向的触发信号时可控硅导通，而谐振电容C3通过SCR与变压器的原边就构成震荡回路。在震荡电路前半个周期，谐振电容C3释放能量，震荡电流正向通过可控硅，此时流过变压器中的电流方向为自下而上；在震荡电路后半个周期，震荡电流反向流过可控硅SCR，导致SCR中的正向电流逐渐减小为0，剩余的电流则通过内部并联的反向二极管继续流动并将能量储存在C3中，这时加在二极管上的管压降反向加在可控硅阳极上，强迫可控硅关断。当一个周期完成时，在变压器上就产生了一个交流电压。图3是可控硅正常工作下阴阳极间电压波形。

图2 SCR谐振式逆变电路

图3 正常工作状态下SCR阴阳极电压波形

在图3中t0～t1段代表LC振荡电流流过可控硅的时间，t1～t2段代表反向振荡电流通过续流二极管的时间，则t0～t2段就是可控硅的导通时间Ton，t2～t3是可控硅的截止时间Toff；U1代表可控硅反向尖峰电压，U2是在一个周期结束时SCR的阴极和阳极之间加的最大反向电压，该电压会随着输入电压的升高而升高，因而如果开关管工作在低频开关状态，将会给开关管的耐压值造成很大的威胁。相反，若开关管的频率太高，变压器感抗将增加，又会影响变压器的转换效率［7］。图4是SCR逆变电路在不同频率下输出电压的仿真波形。由图4可以看出，选择合适的开关频率对于提高电源的性能将会有很大的影响［8］。谐振电容C3的取值以及变压器的初级感量是影响电源工作频率的关键。

图4 不同频率下输出电压的仿真波形

2.2.2 高频变压器

变压器［9］是开关电源设计中的一个关键器件，直接影响整个电源的性能。在对变压器的匝数比进行设计时，一般要求在输入电压最低的情况下能够实现设计电源要求电压的输出，因而变压器匝数比不能设置的太大，但实际应用中为了提高变压器的利用效率，会在满足输出电压的情况下尽量增大匝数比。

变压器的副边电压U2为

式中：U0是电源的输出电压；VD是指高频［10］整流二极管导通压降；Vf表示输出滤波电感和变压器绕组的总压降。副边匝数为［3］

由n＝U1／U2即可求得变压器的初级匝数，通常在实验中还需要对理论值作适当调整。由于本文设计的变压器与开关管的导通时间有密切的联系，因而在设计变压器时还需要认真考虑初次级感量及漏感。

2.3 输出整流滤波电路

2.3.1 整流滤波电路

常用的整流电路有：半波整流、全桥整流及带有中心抽头的全波整流电路［4］。对于半波整流而言，只有在加正向电压时二极管才能够导通，因而会损失掉一半的能量，导致电源效率变低。

带有中心抽头的全波整流电路与全桥整流电路相比，少用了2只整流二极管，因而管子损耗较小，输出电压纹波值也较小。缺点是管子承受的电压降比较大，且变压器的次级绕组是全桥电路的2倍，制作复杂、线圈损耗大，相比而言本文选用了全桥整流。

为了减小管子承受的电压降，选用反向恢复时间快的高频二极管，并采用多只管子并联的连接方式［3］。

2.3.2 吸收电路

在开关管开通关断的过程中，变压器中存在的漏感［11］会产生感应电动势，当这部分电压与原电压进行叠加后，会对管子的耐压值构成影响，因而常在二极管及开关管的两端分别并联RC吸收回路来减小其影响。

图5 全桥整流电路

3 电源设计的验证

3.1 仿真验证

对上述设计的电源进行MATLAB Simulink仿真验证，仿真电路如图6所示。仿真参数设置为：触发脉冲信号的工作频率f＝10kHz；谐振电容C3＝1μF；负载电阻RL＝3Ω；输出滤波电容Cf＝2 200 μF；输入端电压为200V的直流电；变压器副边电压U2＝65V。

图6 电源仿真原理图

图7是仿真示波器Scope1的波形图，由上到下3个通道分别表示流过可控硅的电流波形、可控硅阴阳极间的电压波形以及触发信号波形。

图8a分别表示变压器次级电压波形和初级电压波形。图8b图是仿真示波器Scope3的波形图，表示输出负载电压波形。

3.2 实验验证

在仿真参数的基础上进行实验验证，当输入电压Uin＝190V时，测得电源输出端电压为60V，因而说明采用SCR谐振式逆变电路能够实现1 200 W／20A的输出。图9是在上述实验条件下测得的可控硅脉冲波形和阴阳极间电压波形。

图7 可控硅电流与电压仿真波形

图8 关键点电压波形

图10给出相同条件下不同负载的输出功率与电源效率关系曲线，由负载为3Ω的曲线图可以看出：当输出功率高于450W时，电源的工作效率保持在80% 以上；而在输出功率小于450W时，随着输入电压的增加，电源效率增加较快，这说明在升压的最初时间内，通过开关管的电流太低而无法将其内部吸收电容储存的能量完全释放而引起的损耗导致的［12］。通过对不同负载在电源效率达到80%以上时输出功率的比较，可以得出：采用可控硅谐振逆变实现低压大电流［13－14］开关电源设计时，负载越轻，开关管越能在较短的时间内实现零开关，减小开关损耗，说明变压器的次级接入轻负载时更有利于功率转换。

图9 可控硅阴阳极电压实测波形

图10 不同负载下输出功率与电源效率曲线

4 结 论

通过采用固定频率的方式，对单端谐振式逆变电路进行仿真和实验验证，结果表明采用可控硅谐振逆变电路能够实现低压大电流的输出，且实验结果与仿真结果基本吻合。在实验测试中带载1 200W时，连续工作30min，各电源器件均能正常工作，满足电源设计的要求［7，15］。电源的主要技术指标：输入电压为220V（AC）／50Hz；输出电压：60V（DC）；最大输出电流为20A；电源效率在82%以上；纹波系数0.45%。

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