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高压直流开关电源的设计与实验研究

  (APFC)电路,能够降低谐波含量,提高功率因数,降低开关管损耗。后级采用在初级加的改进型零电压开关(ZVS)移相全桥变换器,有效抑制了次级整流桥输出振荡和电压尖峰,减少了损耗及输出纹波。对控制系统进行合理设计,提高了控制精度及性能。最后研制厂一台2.4 kW实验样机,通过实验验证了电源系统设计的可行性。

  在国内,低压通信电源较成熟,高压开关电源尚处于研究阶段。一般大功率直流开关电源输入多采用220 V交流电网,为降低对电网的谐波污染,提高输入端功率因数,一般要经过PFC级整流,然后将PFC级输出电压送入DC/DC级进行变换。但高压直流开关电源输出电压较大,会对DC/DC级产生较大影响。

  此处研制的高压直流开关电源采用两级变换装置,前级220 V交流经过不控整流和APFC得到380 V稳定直流;后级选择在初级加箝位二极管的改进型ZVS移相全桥变换器,经过变压器变压和隔离,采用全桥不控整流和LC滤波,最终得到精密的240 V直流输出。设计了控制系统,选择合理的参数提高开关电源性能,并通过实验验证了设计的可行性和有效性。

  APFC采用全控开关器件构成的开关电路对输入电流波形进行控制,使输入电流成为与电源电压同相的正弦波,功率因数高达0.995,从而彻底解决了整流电路的谐波污染和功率因数低的问题。此处采用软开关单相APFC,其主电路如图1所示。

  图1中,为了让主开关管VQ实现ZVS,引入了辅助开关管VQx,在每一次VQ需要进行状态转换前,先导通VQx,使辅助电路谐振,为VQ创造软开关条件。VQ完成状态转换后,尽快关断VQx,使辅助电路停止谐振,电路重新以常规PWM方式运行。

  软开关APFC电路中一个重要参数就是谐振电感L1。L1可由二极管VDR的反向恢复时间tVDR来估算,取谐振电感电流iL1上升时间tr=3tVD R,则最大电流上升率可确定为:

  ZVS移相全桥变换器充分利用主电路寄生参数,如开关器件的寄生电容、变压器漏感和线路电感等来实现软开关。DC/DC级选用初级加箝位二极管的改进型ZVS全桥变换器,如图2所示。变换器在一个开关周期有18种开关模态,其工作波形如图3所示。


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