经典方案 一种软开关大功率电源的设计分享

在最近几年的大功率电源新产品研发过程中，采用软开关技术的新产品开始逐渐受到各大厂商的欢迎，采用该种技术的大功率电源能够有效提升工作效率，同时还可以大幅度的减少无功损耗。在今天的经典方案分享中，我们将会为大家分享一种采用了软开关技术的大功率电源的设计方案，下面就让我们一起来看看吧。

在本方案中，我们所设计的这种采用ZVT软开关技术的大功率电源，输出电压从0～12V、电流从0～5000A连续可调，满载输出功率为60kW。由于采用了ZVT软开关等技术，同时采用了较好的散热结构。

主电路的拓扑结构

在本方案中，我们所设计的这一大功率电源产品具有典型的大型输出功率，因此，该电源产品的高频逆变部分主要采用以IGBT为功率开关器件的全桥拓扑结构，整个主电路系统的设计如下图图1所示。这种主电路的系统设计主要包括工频三相交流电输入、二极管整流桥、EMI滤波器、滤波电感电容、高频全桥逆变器、高频变压器、输出整流环节、输出LC滤波器等。隔直电容Cb是用来平衡变压器伏秒值，防止偏磁问题的产生。

除此之外，在这一方案的主电路拓扑结构设计过程中，由于考虑到效率的问题，谐振电感LS只利用了变压器本身的漏感。因为如果该电感太大，将会导致过高的关断电压尖峰，这对开关管极为不利，同时也会增大关断损耗。另一方面，还会造成严重的占空比丢失，引起开关器件的电流峰值增高，使得系统的性能降低。

图1 软开关大功率电源主电路原理图

零电压软开关

在在已经了解这一大功率开关电源的主电路运行原理设计后，接下来我们再来看一下在该系统中如何实现零电压软开关设计。在该系统中，高频全桥逆变器的控制方式为移相FB2ZVS控制方式，控制芯片方面，我们采用的是UC3875N。超前桥臂在全负载范围内实现了零电压软开关，滞后桥臂在75%以上负载范围内实现了零电压软开关。

下图中，图2所展示的是滞后桥臂IGBT的驱动电压和集射极电压波形，从图2中可以比较明显的看出实现了零电压开通。开关频率选择20kHz，这样设计一方面可以减小IGBT的关断损耗，另一方面又可以兼顾高频化，使功率变压器及输出滤波环节的体积减小。

图2 IGBT驱动电压和集射极电压波形图

容性功率母排设计

在依据图1所展示的主电路拓扑结构基础上，我们设计了一台试验样机，样机的滤波电容C5与IGBT模块之间的连接母排为普通的功率母排。在测试过程中发现一个严重问题：IGBT上的电压及流过IGBT的电流均发生了高频震荡，下图中，图3所展示的是满功率时采集的变压器初级的电压、电流波形图。原因是并联在IGBT模块上的突波吸收电容与功率母排的寄生电感发生了高频谐振。满载运行一小时后，实测样机的功率母排的温升为38℃，电容C5的温升为24℃。

在了解了这一实验情况的产生原因后，为了能够有效消除谐振及减小功率母排、滤波电容的温升，最终我们选择采用容性功率母排来完成设计。下图中，图4为采用容性功率母排后满功率时采集的变压器初级的电压、电流波形图。从图中可以看出，谐振基本消除，满载运行一小时后，无感功率母排的温升为11℃，电容C5的温升为10℃。

图3 使用普通功率母排时变压器初级电压、电流波形

图4 使用容性功率母排后变压器初级电压和电流波形

变压器串并联设计

在这一采用了ZVT软开关技术的大功率电源设计过程中，变压器的串并联设计是其中非常重要的一环，直接关系到损耗值的高低和均流效果。为了进一步减小损耗，输出整流二极管采用多只大电流（400A）、耐高电压（80V）的肖特基二极管并联使用。而且每个变压器的次级输出采用了全波整流方式。这样，每一次导通期间只有一组二极管流过电流。同时，次级整流二极管配上了RC吸收网络，以抑止由变压器漏感和肖特基二极管本体电容引起的寄生震荡。这些措施都最大限度地减小了电源的输出损耗，有利于效率的提高。

在本方案中，为了克服传统肖特基二极管并联的缺点，同时能够为实现输出整流二极管的自动均流，并降低损耗，我们特别设计了一种新颖的高频功率变压器。这种变压器是由8个相同的小变压器构成，变比均为4∶1，它们的初级串联，而次级则采用并联结构。该变压器采用初级自冷和次级水冷相结合的冷却方式，这样考虑主要在于它们的热损耗不同，而且可以大大简化变压器的制作工序。

图5 多个变压器的连接示意图

结合图5所提供的连接示意图以及图1所提供的电路拓扑结构，我们可以看到，在该系统中采用多个变压器的这种连接方式，不仅可以使得输出整流二极管实现自动均流，还可以使得变压器的设计模块化，简化变压器的制作工艺，降低了损耗。与一只单个变压器相比，多个变压器的这种连接方式，减小了变压器的变比，增强了变压器原副边的磁耦合性，减小了漏感（实际测量8个变压器原边串联后的漏感为6μH），减小了占空比的丢失。下图中，图6为满载时变压器初级电压波形VP和次级电压波形VS，从图中可以看到占空比丢失不多（大约为5%），使得系统的性能显著提高。

图6 变压器初级和次级电压波形图

控制电路的设计

在完成了对这一软开关大功率电源的变压器设计后，接下来的工作就是完成对这一电源方案的控制电路设计。由于在这一电源设计方案中，我们所使用的开关元件的过载承受能力有限，所以就必须对输出电流进行限制，以保障系统的安全运行。因此，控制电路采用电压电流双环结构，其内环为电流环，外环为电压环，调节器均为PID。下图图7为控制电路的原理框图。加入电流内环后，不仅可以对输出电流加以限制，并且可以提高输出的动态响应，有利于减小输出电压的纹波。

图7 控制电路的原理框图

图8 稳压稳流自动转换电路

通过图8所提供的控制电路原理框图，我们可以看到，在实际的控制电路中，这种电路采用了稳压、稳流自动转换方式。上图中，图8为稳压稳流自动转换电路。其工作原理是：当这一大功率开关电源实现稳流工作时，电压环饱和，电压环输出大于电流给定，从而电压环不起作用，只有电流环工作。在这一电源模块实现稳压工作时，电压环退饱和，电流给定大于电压环的输出，电流给定运算放大器饱和，电流给定不起作用，电压环及电流环同时工作，此时的控制器为双环结构。这种控制方式使得输出电压、输出电流均限制在给定范围内，具体的工作方式由给定电压、给定电流及负载三者决定。

由于本方案中我们所设计的ZVT软开关大功率电源的容量为60kW，为了进一步提高效率、减小体积、提高可靠性，因此，本方案中采用的高频全桥逆变器的控制方式为移相FB2ZVS控制方式，该控制方式利用变压器的漏感及管子的寄生电容谐振来实现ZVS。控制芯片采用Unitrode公司生产的UC3875N。通过移相控制，超前桥臂在全负载范围内实现了零电压软开关，滞后桥臂在75%以上的负载范围内实现了零电压软开关。