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[摘 要]直流开关电源是各种电源中应用范围最广泛和市场最大的一种，包括AC/DC和DC/DC两种经过几十年的发展，开关电源己经处于电源技术研究的核心地位。目前，开关电源主要以小型、轻量和高效的特点广泛应用于几乎所有的电子设备中，是当今电子产品不可或缺的电源方式。正是因为其拥小型化、轻便化、高功率密度的等特点，在大功率电源应用场合注定也是开关电源的一个重要应用领域，有很多开关电源开始用在大功率的电镀电源领域中。
[关键词]大功率高频 开关电源 同步整流器 研究设计
中图分类号：TM461 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）22-0052-02
1、开关电源研究概述
开关电源，就是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压或者电流的电源，其主要用于需要输出电压较低而电流较大的场合中。在20世纪60年代以前，众多电力电子装置和电气控制设备的工作直流电源都采用线性电源。线性调节器式的稳压电源存在着诸多的缺点。开关电源作为取代线性电源的替代品，能够很好地解决以上缺点，因此，在60年代以后，开关电源开始大规模取代线性电源称为电源研究的重点。如今，开关电源取代线性电源已有四五十年历史，最早出现的拓扑结构是与线性电源相似主电路拓扑的串联型开关电源，其功率晶体管工作在开关状态。随着控制技术的发展，出现了PWM开关电源，其开关频率提高到了20KHz，效率也从30%-40%线性电源的提高到了65%-70%，可大幅度节约能源。
2、电源主电路原理分析与设计
2.1 大功率开关电源同步整流器主电路结构框图
根据项目的需要，本设计中的电路基本结构主要由两个部分组成：输入一次AC-DC三相整流部分和带有变压器隔离的输出二次DC-DC整流部分。其中，变压器隔离的二次DC-DC整流结构主要包括高频逆变器、高频隔离变压器、同步整流以及输出滤波四个主要部分。其拓扑结构框图如图1所示。
该拓扑结构的功率流动为单向，即从三相交流端AC流向直流端DC。在该拓扑结构中，变压器部分使用的是高频变压器，用以实现电压比调整和高低压侧的电气隔离。相比于工频输出的变压器，高频变压器具有体积较小、噪音低的特点。相应地，与传统工频整流电源相比，高频开关电源具有高效节能，重量轻，体积小，动态性能好，适应性更强，谐波含量低等显著优点。
2.2 大功率高频开关电源同步整流器工作原理
2.2.1 电源主电路图确定
根据以上电路结构的分析讨论，确定出本文所设计的大功率开关电源同步整流器的主电路图，如图1所示，电路的两个主要部分，AC-DC变换器和DC-DC变换器分别词用的是全桥逆变结构和全桥同步整流结构。由于二次整流部分变压器初级侧采用的是移相控制方式，所以该整流器又被称为移相全桥软开关同步整流器。在大功率电路中，移相全桥软开关变换器的应用非常广泛。
2.2.2 电路控制方式与三种基本运行状态分析
电路的AC-DC输入侧三相整流为不可控的三相整流桥，这部分的作用是输出逆变所需高压直流电，电路较为简单，本文在其运行方式上将不做讲解。以下只分析前级逆变、高频变压器和后级同步整流三个部分即DC-DC关键部分的控制方式、工作原理和运行状况。
对于全桥变换器，其控制方式一般有两种。双极性控制方式和移相控制方式。双极性控制方式的开关管S1和S4、S2和S3同时开通和关断，其开通时间不超过半个开关周期，开通角度小于180°。移相控制方式每个桥臂的开关管互补导通，两个桥臂的导通之间相差一个移相角。应用不同的控制方式，全桥变换器工作情况有很大的差别，双极性控制方式是全桥变换电路最基本的控制方式，它工作在硬开关状态，开关管的电流和电压尖峰很高，需要很大的安全工作区，且开关管的损耗较大，限制了开关频率的提高；而一向控制方式的拓扑结构简洁，具有多方面的优点，是中、大功率应用场合的理想控制方式，从实现关管的软开关角度来说，移相控制方式有更多的优越性。
移相控制方式需要利用开关管的结电容和高频变压器的漏电感作为谐振元件。漏电感储存的能量对功率开关管的两端并联的输出电容多放电来使开关管两端的电压降到零，使电路的四个开关管依次在零电压下开通，在缓冲电容的作用下零电压关断，从而有效降低电路的开关损耗和开关噪声，减少了器件开关过程中产生的电磁干扰。电路中开关频率保持不变，可以有效减小电压电流应力，从而减小变换器的体积和重量。
在变压器次级侧引入同步整流技术并使用同步整流全桥拓扑结构的DC-DC变换器结构如图3所示。
2.2.3 含软开关技术及死区的电路工作过程及其模式分析
该移相全桥变换器工作于硬开关方式。由于在续流状态中，开关管状态变换的时刻的电流非常大，在这种硬开关的工作方式下将会产生很大的功率损耗。移相控制软开关PWM变换的零电压实现方法是给四个IGBT分别并联合适的电容如图所示，利用变压器的漏感、寄生电容、以及并联电容等谐振元件实现零电压开关。如图4所示。VD1-VD4为开关管S1-S2的内部反并二极管，C1-C4为开关管S1-S4的寄生电容和外接电容，Ls为谐振电感，其包含变压器的漏感和外接谐振电感。
总之，随着电力电子技术的发展与不断进步以及能源节约型社会的大背景下，在低压大电流的大功率电源应用领域，人们越来越关注电力电子系统的效率问题。然而目前市场上应于大功率场合的电源将不能满足当前的绿色和高效的发展需要。本文目的在于设计一款效率更高、运行更安全、体積更小的大功率开关电源。
参考文献
[1] 朱君鸿.大功率高频开关电源同步整流器研究与设计[D].广东工业大学，2014.
[2] 张朋朋.大功率高频开关电源变压器的优化设计[D].西南交通大学，2009.
[关键词]大功率高频 开关电源 同步整流器 研究设计
中图分类号：TM461 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）22-0052-02
1、开关电源研究概述
开关电源，就是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压或者电流的电源，其主要用于需要输出电压较低而电流较大的场合中。在20世纪60年代以前，众多电力电子装置和电气控制设备的工作直流电源都采用线性电源。线性调节器式的稳压电源存在着诸多的缺点。开关电源作为取代线性电源的替代品，能够很好地解决以上缺点，因此，在60年代以后，开关电源开始大规模取代线性电源称为电源研究的重点。如今，开关电源取代线性电源已有四五十年历史，最早出现的拓扑结构是与线性电源相似主电路拓扑的串联型开关电源，其功率晶体管工作在开关状态。随着控制技术的发展，出现了PWM开关电源，其开关频率提高到了20KHz，效率也从30%-40%线性电源的提高到了65%-70%，可大幅度节约能源。
2、电源主电路原理分析与设计
2.1 大功率开关电源同步整流器主电路结构框图
根据项目的需要，本设计中的电路基本结构主要由两个部分组成：输入一次AC-DC三相整流部分和带有变压器隔离的输出二次DC-DC整流部分。其中，变压器隔离的二次DC-DC整流结构主要包括高频逆变器、高频隔离变压器、同步整流以及输出滤波四个主要部分。其拓扑结构框图如图1所示。
该拓扑结构的功率流动为单向，即从三相交流端AC流向直流端DC。在该拓扑结构中，变压器部分使用的是高频变压器，用以实现电压比调整和高低压侧的电气隔离。相比于工频输出的变压器，高频变压器具有体积较小、噪音低的特点。相应地，与传统工频整流电源相比，高频开关电源具有高效节能，重量轻，体积小，动态性能好，适应性更强，谐波含量低等显著优点。
2.2 大功率高频开关电源同步整流器工作原理
2.2.1 电源主电路图确定
根据以上电路结构的分析讨论，确定出本文所设计的大功率开关电源同步整流器的主电路图，如图1所示，电路的两个主要部分，AC-DC变换器和DC-DC变换器分别词用的是全桥逆变结构和全桥同步整流结构。由于二次整流部分变压器初级侧采用的是移相控制方式，所以该整流器又被称为移相全桥软开关同步整流器。在大功率电路中，移相全桥软开关变换器的应用非常广泛。
2.2.2 电路控制方式与三种基本运行状态分析
电路的AC-DC输入侧三相整流为不可控的三相整流桥，这部分的作用是输出逆变所需高压直流电，电路较为简单，本文在其运行方式上将不做讲解。以下只分析前级逆变、高频变压器和后级同步整流三个部分即DC-DC关键部分的控制方式、工作原理和运行状况。
对于全桥变换器，其控制方式一般有两种。双极性控制方式和移相控制方式。双极性控制方式的开关管S1和S4、S2和S3同时开通和关断，其开通时间不超过半个开关周期，开通角度小于180°。移相控制方式每个桥臂的开关管互补导通，两个桥臂的导通之间相差一个移相角。应用不同的控制方式，全桥变换器工作情况有很大的差别，双极性控制方式是全桥变换电路最基本的控制方式，它工作在硬开关状态，开关管的电流和电压尖峰很高，需要很大的安全工作区，且开关管的损耗较大，限制了开关频率的提高；而一向控制方式的拓扑结构简洁，具有多方面的优点，是中、大功率应用场合的理想控制方式，从实现关管的软开关角度来说，移相控制方式有更多的优越性。
移相控制方式需要利用开关管的结电容和高频变压器的漏电感作为谐振元件。漏电感储存的能量对功率开关管的两端并联的输出电容多放电来使开关管两端的电压降到零，使电路的四个开关管依次在零电压下开通，在缓冲电容的作用下零电压关断，从而有效降低电路的开关损耗和开关噪声，减少了器件开关过程中产生的电磁干扰。电路中开关频率保持不变，可以有效减小电压电流应力，从而减小变换器的体积和重量。
在变压器次级侧引入同步整流技术并使用同步整流全桥拓扑结构的DC-DC变换器结构如图3所示。
2.2.3 含软开关技术及死区的电路工作过程及其模式分析
该移相全桥变换器工作于硬开关方式。由于在续流状态中，开关管状态变换的时刻的电流非常大，在这种硬开关的工作方式下将会产生很大的功率损耗。移相控制软开关PWM变换的零电压实现方法是给四个IGBT分别并联合适的电容如图所示，利用变压器的漏感、寄生电容、以及并联电容等谐振元件实现零电压开关。如图4所示。VD1-VD4为开关管S1-S2的内部反并二极管，C1-C4为开关管S1-S4的寄生电容和外接电容，Ls为谐振电感，其包含变压器的漏感和外接谐振电感。
总之，随着电力电子技术的发展与不断进步以及能源节约型社会的大背景下，在低压大电流的大功率电源应用领域，人们越来越关注电力电子系统的效率问题。然而目前市场上应于大功率场合的电源将不能满足当前的绿色和高效的发展需要。本文目的在于设计一款效率更高、运行更安全、体積更小的大功率开关电源。
参考文献
[1] 朱君鸿.大功率高频开关电源同步整流器研究与设计[D].广东工业大学，2014.
[2] 张朋朋.大功率高频开关电源变压器的优化设计[D].西南交通大学，2009.