基于直流48 V转直流650 V电源设计要点探究

管梁

摘 要：直流48 V转直流650 V电源的主要设计功能是在特殊情况下，市电供电系统三相380 V发生输入故障时或三相PFC整流电路发生故障时，该电源的高品质输出650 V作为后级高压模块逆变环节的备用输入（高压逆变模块输入为650 V），从而保证整套远程供电电源系统的运行可靠性以及连续性。因此，本文围绕直流48 V转直流650 V电源设计要点进行探究。

关键词：直流48 V;直流650 V;电源;设计要点

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）01-070-04

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.031

直流48 V转直流650 V电源是一种将直流开关电源输入48 V或电池电压输入48 V，经过直流滤波、高频逆变、电气隔离、副边二次整流以及輸出滤波环节，变换为高品质输出650 V直流电源。原理如图1所示。

1 直流48V—直流650V电源总体设计思路

任何工作的开展都需要有着明确的思路，为实现双电源的切换，本研究采用的电源系统置于岸基电能转换机柜中，并设有岸基蓄电池机柜;岸基电能转换机柜与岸基蓄电池机柜在A、B两岸分别各置一个，从而保证A、B两岸远程供电电源系统电能备用，确保远程供电电源系统的运行高可靠性，具体安置分布如图2所示。

其中，直流48 V转直流650 V电源采用DC/DC升压变换以及整机控制的总体设计方案，其主要功能电路包括开关电源48 VDC输入与蓄电池组48 V输入切换电路、DC/DC升压变换模块（6模块并联）、650 V输出滤波切换电路以及监控系统，如图3所示。

2 开关电源48 VDC输入与蓄电池组48 V输入切换原理

以往在进行双电源设计时，一般以人工方式来进行，也就是在主电源出现故障之后，采取人工的方式，将电源从主电源向备电源切换，此时备电源成为负载的供电电源。这样就能减少故障带来的影响，使得直流电源设备可以更加可靠地运行。但是在切换时会出现负载短暂中断的问题，从而对设备运行的安全可靠性带来影响。因此手动切换主要用于负载供电在切换时间要就不高的情况下使用。而针对本电源系统的特殊应用场合以及供电要求，提出一种在线双电源切换方式，如图4所示。该方式应用二极管的单向导电性实现双电源系统的在线切换，从而保证电源的连续性供电要求。

工作原理：正常使用情况下，直流接触器S1、S2均为常闭状态，48 V开关电源输入与48 V电池组输入都分别串接二极管D1、D2。当48 V开关电源与48 V电池组双电源输入同时存在下，由于二极管的单向导电性，双电源输入系统中，优先使用电压高者作为输入电源;当48 V开关电源发生故障时，接触器S1断开，系统由48 V电池组提供能量，且由于48 V电池组一直与输入端保持着电气连接，当48 V开关电源掉电后，48 V电池组能实现在线切换电能，保证了系统的供电连续性。

串接二极管主要作用为：整机电源备用电池组在正常使用情况下存在电池浮充状态，电池电压会高过额定输入电压48 V的情况，为了避免48 V电池组过压、倒灌能量损坏客户开关电源，串接二极管D1防止类似事故发生;第二，为了避免客户开关电源在使用过程中对整机电源备用电池组进行充电操作，串接二极管D2防止充电电流形成[1]。

3 DC/DC升压变换设计要点

DC/DC升压变换部分是直流48 V转直流650 V电源系统的核心部分，由6个DC/DC升压变换模块并联组成，如图5所示。

3.1 DC/DC升压变换模块——主电路

3.1.1 主电路拓扑结构分析

主电路作为DC/DC升压变换模块之一，在实际设计中，本研究的DC/DC升压变换模块主电路采用全桥软开关拓扑结构，变换器为电压源型;DC/DC升压变换模块后端输出采用“多重变压器+全桥整流输出串联”，如图6所示，属于副边整流电路，具有电压高和电流大的特点，因此需要采取全桥整流式电路，将变压器副边的中央抽头组合后形成了双母线电压，二次侧每组变压器稳压输出325 V，由两组副边整流、滤波串联实现高压650 V直流输出。

3.1.2 DC/DC升压变换模块的拓扑结构与基本主电路架构的差别梳理

而在此基础上，本DC/DC升压变换模块额定功率设计为2 kW，最大输出功率为2.5 kW。通过实际经验来看，因此此类电压有着较大的升压比，相较于普通的全桥架构中的升压比要大很多，所以本设计的电路为拓扑电路，相较于常见的主电路，在结构上存在以下差别：第一，在主电路中采用了常规的移相全桥软开关变换器，而副边整流电路的电压高和电流大，加上采用的是双母线电压，而副边整流电路中应用了两组全桥整流式的电路，且将其串流后，就能为整流二极管选型提供便利，使得二极管在电气特性上得以提升;第二，在高频变压器中不用增加谐振电感，加上此电路属于单电压环控制，此时就需要外加一个隔直电容。超前臂的开关关断时，由于原边电流几乎就是恒流电路，所以这一电路的能量十分充足，这样就能为即将运行的MOS结电容放电，从而易于实现ZVS谐振电感是用来帮助实现滞后桥臂的零电压开关，为MOS管的零电压开关提供足够的能量。为了对滞后桥臂零电压开关进行优化，必须满足下式：，其中lout_0.3代表负载30%时的输出电流。

3.1.3 设计说明与注意事项

在本设计中，通过实际制作后发现，高频变压器经测试显示是：原边漏感能有效的满足谐振电感的需要，因此本设计中不用新增谐振电感，但是在本设计中，面对不同于基本型移相全桥软开关变换器电路，所以需要重点解决在低压、大电流输入情况下DC/DC升压变换模块的杂散电感与杂散电容对其高频逆变运行的影响。

3.2 DC/DC升压变换模块——控制电路

控制电路的主要任务是完成逆变电路的闭环控制，通过对反馈和给定两种信号对比和控制运算后，发出控制脉冲，控制逆变电路的功率器件开关，从而实现有源滤波、稳压等功能。具体的做法如下：首先电源取电电路从一次电路后端取电，变换为各种电压后为所有的控制电路供电;其次，再对电路的各种参数进行检测，检测后得到电流和电压等参数向控制、保护、均流电路反馈;最后，驱动电路把控制电路发出的控制脉冲经功率放大后驱动开关器件。

3.3 DC/DC升压变换模块——主要关键技术

3.3.1 软开关技术

开关元件在电路中的电压和电流很高时，需要通过门极实现对其的开通或开断控制，如图7所示。其中，開关时电压和电流发生重叠，容易出现开关损耗，同时电压与电流变化速度较快，且波形过冲较为明显，从而使得开关出现噪音。此类开关过程属于硬开关技术。在这一环节中形成损耗与噪音较大。其中开关损耗与开关频率正相关，电路效率也会下降，而开关噪音将导致电路中的电磁干扰问题较为突出，进入对电子设备正常运行带来影响，尤其是周边的电子设备的影响十分明显。

因此，在本设计过程中，以原有开关电路为基础，新增电感和电容较小的谐振元件，并形成了辅助换流网络，开关过程的前后进行谐振，这样在开关开通之前，电压已经下降到0，也可以在关断之前把电流下降到0，从而将噪音和损耗有效降低，从而形成软开关电路，如图8所示。

3.3.2 自主均流技术

当前，电源系统的硬件势必朝着结构模块化的方向发展，常见的做法就是采用分布式电源系统，而并非传统的集中式电源系统，这主要是因为其具有的优点较多，如输出功率可扩展，提高系统的灵活性;同时，每个单元开关频率也能得到提升，这样在使得功率密度得以提升的同时，有效降低电源体积与重量，可方便实现冗余设计，提高产品的可靠性，易于维护等诸多优点。

在电源模块并联时，不同的模块之间应采取均流措施，才能确保电源系统的功率得到提升，进而确保不同模块之间的电流应力与热应力得到均匀分配，从而有效防止一台或多台电源运行在电流极限值（限流）状态。这主要是因为每个模块虽然并联，但是在运行时的各自特性不可能相同，当外特性较好时，也就是电压调整率较小时，此类模块的负载更大，有时甚至可能过载，而当一些模块的外特性较差时，就会出现轻载，有的甚至基本上是空载运行。而这势必导致负载较大模块的热应力更大，可靠性就会大大下降。因此需要采取相关均流技术而加以控制。因此，本系统采用最大电流均流法，原理如图9所示[2]。

4 输出滤波与输出双电源切换

4.1 输出滤波

输出滤波电路初步方案采用定制高性能、大功率军用EMC滤波器，其优异的插入损耗参数以及阻抗匹配所获得的对高频噪声最大反射系数，能有效确保所有的干扰信号被滤波器吸收而不传递，从而保证了整机良好的电磁兼容特性。

4.2 输出双电源切换

本直流48 V转直流650 V电源的主要设计功能是在特殊情况下，市电供电系统三相380 V发生输入故障时或三相PFC整流电路发生故障时，该电源的高品质输出650 V作为后级高压模块逆变环节的备用输入（高压逆变模块输入为650 V，由三相PFC整流部分提供），从而保证整套远程供电电源系统的运行可靠性以及连续性。

因此，为了保证直流48 V转直流650 V电源与三相PFC输出直流电源的双电源切换，在直流48 V转直流650 V电源输出电路中利用二极管的单向导电性，串接二极管，并设定三相PFC电路输出电压高于650 V，从而保证该双电源供电系统的优先级别。

由于三相PFC输出电压高于直流48V转直流650 V电源电压，且存在串接二极管，所以正常使用情况下二极管反向截止，高压逆变模块输入优先采用三相PFC输出供电;当三相380 V发生输入故障时或三相PFC整流电路发生故障时，由直流48 V转直流650 V电源作为备用输入提供能量，原理如图10所示[3]。

5 结语

综上所述，文章主要就开关电源48 VDC输入与蓄电池组48 V输入切换电路的设计要点进行了分析，提出了DC/DC升压变换设计要点，以及如何实现输出滤波与输出双电源切换，以促进直流48 V转直流650 V电源设计水平的提升。

参考文献

[1] 张东，王一军.一种两级式隔离型双向DC/DC变换器的分析与设计[J].电源学报，2016，14（03）：75-82.

[2] 王同俊，陈刚.直流远供技术应用探讨[J].通信与信息技术，2013（02）：60-63.

[3] 邢瑞云.-48V通信电源设计概论[J].山西焦煤科技，2005（06）：3-5.