适用于12000瓦以上的开关电源设计方案

钟廷福

摘要：随着电源技术的不断发展，开关电源作为一种新型电源设备得到了各个领域广泛的认可和应用；但是大部分电源都是一些小功率的比较常用，对于大功率开关电源来说还是存在功率不够、效率低、不稳定、体积大和技术方面的缺陷。本人从事开关电源的研发工作20余年，对于大功率开关电源积累了丰富的认识和体验。现对大功率开关电源的基本原理的分析，提出了大功率开关电源的主电路和控制电路的设计方案，并完成了一系列开关电源的硬件电路设计。

关键词：大功率 高效率 高可靠性 开关电源

—、开关电源系统概述

开关电源核心部分由四个基本环节组成。分别是DC/DC变换器、开关管驱动器、PWM信号源、输出反馈比较放大器。然而该系统设计中还应有辅助电路，主要为控制电路部分，其功能是产生电路所需的控制脉冲和提供各种保护。

开关电源的主电路通过输入整流滤波、DC/DC变换、输出整流滤波将交流电压转换为所需的直流电压。开关电源主回路由以下三部分组成：

（一）输入整流滤波电路。其作用是将交流电通过整流模块变成具有脉冲的直流电，然后通过滤波电容将其变为较平滑的直流电。

（二）功率开关电路。其作用是将滤波得到较平滑的直流电变为高频的方波电压，再通过高频变压器送到输出端。

（三）输出滤波回路。其作用是将高频方波电压转变成为所需要的直流电压或者电流。

由于控制电路部分在整个电源中起到首脑的作用，控制整个系统工作并实现相应的保护功能。

二、开关电源主电路总体设计分析

（一）主电路设计分析

根据需要设计的大功率开关电源技术要求，我已通过选取的方案作了一些验证和比较，如图l可以看出主电路和控制电路的基本组成。其中，主电路包括输入整流滤波、高频逆变和输出整流滤波三个部分；虚线框内为控制电路，包括监控单元、控制和保护单元、辅助电源和反馈四个部分。

经过分析比较和电路元器件的选择后作具体的电路设计，如图1所示。该电路主要由三部分构成，包括单相逆变桥，另外还包括输入、输出整流滤波电路两部分。

首先是三相交流电的作用。经过电源内部进行EMI滤波后送入全桥整流滤波网络，电源主电路结构如图2所示。它采用了LC滤波，其主要作用是延长了电流续流导通时间，限制了电流峰值，从而达到提高电源的输入功率因数的目的。除此之外。電阻R1和R2的主要作用是针对电压而言，平衡串联电容上的电压，通过这一操作处理最终能够维持整个系统的稳定，而且针对关机后的放电问题也具有很好的作用。在系统中还采用了高频电容与点解电容并联的方式，主要目的是滤除高频谐波。另外采用这种方式也主要是为了弥补了电解电容在高频特性方面的不足。

为了满足高压、高功率的要求。在单相逆变桥电路中选择使用绝缘栅双极IGBT晶体管。高频高压瓷片电容C7、C8并联在两个桥臂之间。起到了再一次降低两个桥臂之间的尖峰的干扰的作用。谐波电感L2隔直电容C16、C17、C18起到了防止变压器T2的直流偏磁的作用。为了检测原边电流是否满足要求，变压器的原边需要添加交流互感器。

在输出整流滤波电路中，选择全桥整流滤波电路，以满足高压的要求。其中，高频滤波电感L3，电解电容C9、C10、C14和高频高压瓷片电容C11、C15是为了滤除高频谐波成分；共模电感L4，Y电容C12、C13是为了抑制共模分量。电流采样电阻R3、R4是检测负载电流是否需要通过控制和保护：输出隔离二极管D3是为了防止电压反灌。也是一种保护措施。

（二）控制电路设计分析

在开关电源的主电路中，主要目的是通过其实现电能的处理，在此基础上，利用控制电路进行电信号处理，利用控制电路来进行开关期间工作控制的同时。还能够直接决定电源的性能。一般控制电路主要由四部分构成。包括调节器电路、驱动电路以及保护电路和PWM控制电路几部分。控制系统结构图如图3所示。它集成控制器主要包括电压型控制器和电流控制器。电压控制器只有电压反馈控制，能够满足稳压的要求；而电流型控制器还具有电流反馈控制的功能，除了稳压之外，还有以下优点：

①负载动态响应快；②对滤波电容容量进行处理，减小其输出量；③PWM开关控制器对于整个电路而言，具有很好的均流能力，尤其是针对多台开关电源并联工作的情况：④这一部分还能对电流有很好的响应，但电流值超过预定值的时候通过相应自动关断开关管。

其中，PWM控制电路的主要作用是实现信号的转换，通过这一电路能够将控制量模拟信号转换成为PWM信号。而且目前的PWM控制电路往往是以集成电路的形式在系统中存在，将PWM比较器、基准源、驱动、保护电路以及振荡器等组成部分集成在芯片当中。这一组成部分也成为当前整个控制电路的核心所在。

三、反馈电路设计

本设计采用TI公司推出的一款uc3879移相PWM控制芯片：在其中引入了移相开关方式进行处理，能够改变电路驱动脉冲电压从而实现全桥变换器的功率问题，这样能够极大的提高整个系统的功能，另外通过这种方式也提高了系统的过流保护功能。

一般在系统中还需要引入电压调节器。比较常见的电压调节器是uC3879误差放大器，这一误差放大器给出了电压信号，一般电压幅值固定为2.5V，输出电压最终能够输入到误差放大器的反相端当中。这种传统的电压调节器往往会对控制回路造成极大的干扰，因此需要进行一定的改进和创新。这里采用光电隔离的精密电压反馈电路。主要由光电耦合器和TL431配合构成。

四、保护电路的设计

保护电路在整个电路中主要有两个功能。一个是自身保护功能，另一个是负载保护功能。当整个电路系统出现问题或者故障的时候，通过保护电路能够使开关电路停止工作，并且通过电路来给出预警和警告，这样能够保证自身电路不会受到影响或者破坏，对于负载也具有很好的保护作用。

五、结论

通过对大功率开关电源基本原理的分析，主要分析了开关电源的主电路设计、控制电路设计、反馈电路设计、保护电路设计等：提出了大功率开关电源的主电路和控制电路的设计方案。根据设计要求，确定了主电路采用双极性控制全桥绝缘栅双极IGBT晶体管，控制电路采用电流控制方式TI公司推出的一款UC3879移相PWM控制芯片。

本方案实际研制出各种应用大功率开关电源，攻破了EMI电磁兼容性、PWM技术、保护措施等一系列难关：成功解决了大功率开关电源功效底、体积大、重量大、稳定性差、性价比不高等一系列巨大的技术屏障，颠覆了大功率开关电源的设计概念，实现了多学科跨行业的技术融合。它还配套了大型舞台音响领域，成功研制出多种应用方面的专业功率放大器大功率电源；成品量产不计其数，已销售国内外几十个国家，返修率极低，得到市场好评。