高功率密度大功率电源关键技术研究

陈双喜

摘 要：本文根据电源研发的指标要求，基于大功率开关电源的实现方案，研究了高功率密度大功率电源的关键技术，主要内容包括主电路拓扑结构、方案设计、整流滤波技术、仿真技术等。

关键词：高功率密度;大功率;电源;关键技术

中图分类号： TL503.5             文献标识码： A            文章编号： 1673-1069（2017）01-176-2

0  引言

经过长期的发展，电源技术已经非常成熟，包括软开关技术、组装技术、整流技术、智能化控制技术等，电源技术的未来发展方向为智能化、高频化、绿色化、高功率密度以及高可靠性等。

对于电源工程师来说，高功率密度是主要的追求目标，提高开关的频率、减小变压器和滤波电感电容的体积是研发重点，要想达到这个目标，高频变压器的磁芯要使用高导磁率、高饱和磁感应强度、低损耗以及良好稳定性的铁磁材料，现在市场上小功率开关电源的功率密度较高，例如，最大输出功率600W的软开关DC/DC产品的功率密度为120W/in3[1]，大功率开关电源工频隔离产品的功率密度小于0.1W/cm3，相对于小功率开关电源，大功率开关电源的功率密度有较大的提升空间。

1  开关电源的方案设计

1.1 结构方案

如果是一个闭环数字控制直流电源系统，一般包括功率变换、检测反馈和控制驱动三部分。（如图1所示）大功率开关电源常用的结构方案有三种：分别是单功率单元单控制方案、多功率单元井联单控制系统方案和多功率单元多控制系统方案。其中单功率单元单控制方案下，一个控制器控制一个功率单元，其优点是高频变压器副边具有较好的均流特性，其缺点是对元器件的性能要求较高，大容量高频变压器的设计和制作比较困难;多功率单元井联单控制系统中多个功率单元共用控制系统，每个功率单元具有相同的硬件电路，[2]其优点是控制器成本相对较低，但是如果全功率输出电源，各个功率单元不均流;多功率单元多控制系统中每个功率单元具有独立的控制系统，解决了各功率单元并联均流的问题，可以进行模块化生产，但是控制相对较复杂，不易进行同步控制。[3]

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图1

1.2 主电路方案

1.2.1  输入整流方案

输入整流电路将市电整流为直流电，供给逆变电路，包括二极管整流技术和晶闸管整流技术。二极管整流设备比较简单，产生的高次谐波较少，晶闸管整流可以调节整流输出电压，但设备较复杂，可靠性不高，产生的高次谐波较多。从设计应用背景的角度，采用较多的是二极管整流方式。

1.2.2  DC/DC方案

直流变换器分为不带隔离变压器和带隔离变压器，逆变拓扑结构包括正激、反激、推挽、半球等结构。如果功率开关的电压和电流相同，输出功率与开关管的数量成正比。全桥直流变换器广泛应用于大功率场合，[4]如果直流变换器没有电气隔离，可以通过改变占空比来改变输出电压，有隔离变压器的直流变换器具有电气隔离作用，电源的利用率较高。输出高频整流有半波、全流和全桥三种，其中全波整流应用于低压场合。本文采用的是全桥有电气隔离的全波整流输出DC/DC变换器。

2  开关电源的参数设计

功率电路的基本参数为：P=200kW;电网波动10%;输入电压342-418V（AC），输出电压80V（DC），电流2500A，整机效率90%。采用的是四路相同功率单元并联输出，单路的输出功率为60kW。

2.1 输出整流部分

主接触器的规格为100A/690V，进线电流为1-2倍的安全裕量;熔断器的电流为150A;三相整流桥的输出电压为461-564V，三相整流输出电流为118-144A，输出电流的峰值为124-152A，直流输出电阻为4欧，三相整流桥的进线电流为101-124A。三相整流电路的额定电压取1600V，额定电流取300A。

为了保证输出电压的平直，一般电解电容的耐压值为400V，为了满足耐压的需要，两个电容要进行串联，电容量减为一增。为满足电容量的要求，选择3300UF/450V电解电容两两串联后半联作为滤波电容，限流电抗设定为2mH/200A。

2.2 逆变部分

IGBT承受的正向电压即为前端整流器的输出电压，留有2-3倍的安全裕量，IGBT的额定电压为1026-1539V，负载电压取1200V，逆变输出基波电流为144A，最大电流为180.49A。

3  开关电源关键技术

3.1 滤波技术

滤波器设计是电磁兼容设计的重要环节，滤波器的性能决定着电器设备是否正常运行，一般根据电压电流的纹波要求来选择滤波器参数。滤波技术下可以选择性地传输信号，滤波器可以减少开关器件的电应力，抑制输入端的脉动电压和输出纹波。

根据处理信号的不同，滤波器可以分为数字和模拟两种，根据应用的器件不同可以分为有源和无源两种。有源滤波器是可以进行动态滤波，补充功率。本文研究的开关电源采用的是无源滤波技术。

在电路中，阴极和阳极各有三个二极管，阳极所接入的交流电压值最高，阴极接入的交流电压值最低，不论哪种情况下共阳极和共阴极组都有一个二极管是导通的。整流输出波形为六个波头，如果没有二极管导通，则电容供电，电压逐渐下降，二极管组成的三相整流电路将交流电转换，滤波后为直流电压，供给逆变电路。[5]

3.2 PSPICE仿真技术

PSPICE主要进行计算机系列的电路原理分析，广泛应用于电路分析以及优化设计领域，可以进行自动化电子设计，完成电路性能仿真、参数分析、优化设计等功能，可以取代电路和电路实验中的器件，是通用电路模拟程序中应用较广泛的软件。

通过仿真可以研究整流桥后加电容滤波、整流桥后加LC滤波、整流桥前加电感整流桥后加电容三种情况，不同的滤波，可以产生不同的电流变化，Lc滤波也会对电源输出纹波以及功率因数产生影响，前级和后级LC滤波会产生不同的作用。不同电感时电源功率因数变化如表1所示。

表1

[电感＼&0.2×3＼&0.3×3＼&0.4×3＼&0.5×3＼&0.6×3＼&THD

功率因数＼&59.90%

0.857823＼&45.20%

0.911020＼&38.85%

0.932031＼&34.07%

0.946566＼&30.22%

0.957190＼&]

通过仿真可以看出，单个电容滤波时，各相电流的畸变较大，功率因数低，输出电压的波动较大;三相整流输出加上LC滤波后，电流的波动较小，功率提高，输出电压的波动减小。如果电感在整流桥之前加入，电感会增大，功率因数会提高，电感如果为1.8mH，则比LC滤波的功率因数要大;整流桥前进线电路加电感，如果整流桥发生短路，电抗会阻碍电流的突变，为进行系统检测争取了时间，整流桥后加电感，三个电感的体积大于相同电感量的电感，成本较高。

总之，三相整流后滤波对功率因数的影响较大，但对电压纹波的影响较小，全波整流后对功率因数的影响较小，主要吸收的是全波整流电压中的高频部分，从而致使负载电压产生较小的波动。

参 考 文 献

[1] C.R.Swartz.新型功率系统级封装隔离转换器—设定行业尺寸—功率密度和系统设计灵活性[J].Design Ideas，2013.

[2] 张欣.一种辅助电流可控的移相全桥零电压开关变换器[J].电工技术学报，2014.

[3] 李宏.全桥移相大功率开关电源的设计[D].江南大学，2015.

[4] 陈武，等.DC/DC多模块串并联组合系统控制策略[J].电工技术学报，2013.

[5] 李晓帆，等.大功率低电压大电流开关电源输出电路研究[J].船电技术，2014.