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0 引言 高頻開關(guān)電源以其重量輕,、體積小、高效節(jié)能,、輸出紋波小,、容量大等優(yōu)點(diǎn),，在通訊和低電壓行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用,，且逐步在電力系統(tǒng)中得到應(yīng)用,。尤其隨著電信業(yè)的迅猛發(fā)展，電信網(wǎng)絡(luò)總體規(guī)模不斷擴(kuò)大,，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜先進(jìn),，作為通訊支撐系統(tǒng)的通訊用基礎(chǔ)電源系統(tǒng)，市場需求逐年增加,，其動(dòng)力之源的重要性也日益突出,。龐大的電信網(wǎng)絡(luò)高效、安全,、有序的正常運(yùn)行,，對(duì)通信電源系統(tǒng)的品質(zhì)提出了越來越嚴(yán)格的要求，推動(dòng)了通信電源向著高效率,、高頻化,、模塊化、數(shù)字化方向發(fā)展,。近年來,，由于軟開關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，已逐步應(yīng)用在開關(guān)電源中,，尤其在中大功率的全橋變換器中應(yīng)用最為廣泛,，這使電源轉(zhuǎn)換效率得到提高。由于傳統(tǒng)模擬控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，一經(jīng)設(shè)計(jì)完成其控制策略就不能改變等缺點(diǎn)的存在,，數(shù)字式控制方式得到發(fā)展。并隨著開關(guān)電源在通訊,，監(jiān)控等功能上的擴(kuò)展,，數(shù)字電源已逐步取代傳統(tǒng)模擬電源。 1 系統(tǒng)框圖 圖1為軟開關(guān)全橋變換開關(guān)電源拓?fù)?。虛線框以內(nèi)為控制電路,，虛線框以上為主電路。主電路主要包括輸入整流濾波,、功率因數(shù)校正,，全橋變換電路、高頻變壓器,、輸出濾波電路,。控制電路主要由采樣電路,、控制和保護(hù)單元,、監(jiān)控單元等組成,，并為了保證控制電路及相關(guān)電路正常工作還必須包括輔助電源。
本電源采用ZVS—PWM拓?fù)?，單?20V交流輸入,，經(jīng)過PFC模塊后為直流400V，主功率管采用MOSFET管,，控制部分由DSP控制電路,，電壓電流雙閉環(huán)控制。輸出采用全波整流并進(jìn)行無源LC濾波,。 2 主電路設(shè)計(jì) 針對(duì)48V／20A的通訊高頻開關(guān)電源,，其主電路采用移相式全橋變換器拓?fù)洹Ｒ葡嗳珮蜍涢_關(guān)控制器具有恒頻軟開關(guān)運(yùn)行,、移相控制實(shí)現(xiàn)方便,、電流和電壓應(yīng)力小、巧妙應(yīng)用寄生電容等優(yōu)點(diǎn),。移相控制作為全橋變換器特有的一種控制方式,，是指保持每個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間不變，同一橋臂的開關(guān)管的相位互差180°,。然而對(duì)于全橋變換器來說,，當(dāng)只有對(duì)角的開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)主變壓器才輸出功率。所以可以通過調(diào)節(jié)對(duì)角的兩個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通重疊角的寬度來進(jìn)行穩(wěn)壓控制,，而在功率器件環(huán)流期間,，它又利用變壓器的漏感以及功率半導(dǎo)體器件的結(jié)電容或者外加的附加電感電容的諧振來實(shí)現(xiàn)功率管的零電壓或者零電流換流。 1)有源PFC設(shè)計(jì) 有源功率因數(shù)校正技術(shù)的基本思想是在整流電路與濾波電容之間加入DC／DC變換,，通過適當(dāng)控制使輸入電流的波形自動(dòng)跟隨輸入電壓的波形,，使輸入阻抗呈純阻性，即通過控制開關(guān)元件,，切換濾波電感和濾波電容充放電能量實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的提高,。本設(shè)計(jì)中采用的是平均電流控制Boost功率因數(shù)校正電路，PFC控制芯片采用NCP1653,。該P(yáng)FC控制芯片的主要工作原理是同時(shí)控制輸入電流與輸出電壓,，而電流控制回路的命令是由整流后的線電壓所決定，所以可以使轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗呈現(xiàn)電阻性,。
具體系統(tǒng)原理圖如圖2所示,。 2)全橋變換器設(shè)計(jì) 全橋變換器電路如圖3所示。該拓?fù)渲蠱OS管采用IRFB20N50,，流過的最大電流為20A,，最大電壓為500V。
3)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示,。PWM輸出與驅(qū)動(dòng)芯片之間采用安華高公司生產(chǎn)的高速光藕HCPL一0710,，它的速度可達(dá)到15M,。驅(qū)動(dòng)芯片采用國際整流器公司的IR2181，該芯片具有速度快,，驅(qū)動(dòng)電壓高等特點(diǎn),，特別適用于驅(qū)動(dòng)MOSFET、IGBT等器件,。 4)主變壓器的選擇 高頻變壓器是DC／DC變換器的核心元件,，其作用有三點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)換,、電壓變換和輸入輸出之間的隔離,。變壓器設(shè)計(jì)的好壞不僅影響變壓器本身的發(fā)熱和效率，同時(shí)也影響到開關(guān)電源的技術(shù)性能和可靠性,。同時(shí),，許多其他主電路元件的參數(shù)設(shè)計(jì)都依賴于變壓器的參數(shù)。因此,，在主電路拓?fù)浯_定以后首先應(yīng)該進(jìn)行的是變壓器的設(shè)計(jì),。其設(shè)計(jì)步驟為：a、變壓器匝比的計(jì)算,；b,、變壓器磁芯的選擇；c,、繞組匝數(shù)的計(jì)算,；d、繞組導(dǎo)線規(guī)格的計(jì)算,。 (1)匝比的計(jì)算 設(shè)定K為變壓器原副邊匝比,，Udc(min)為輸入電壓的最小值，Dmax為副邊最大占空比,，Uo為輸出直流電壓,，UD為輸出整流二極管的通態(tài)壓降，ULf為輸出濾波電感Lf上的直流壓降,?？紤]到移相控制方案存在副邊占空比丟失現(xiàn)象，選擇副邊最大占空比為0．85,，Uin(min)為PFC輸出電壓的最小值380V,，假設(shè)輸出整流二極管通態(tài)壓降為1．5V，輸出濾波電感上的直流壓降為0．5V,，則可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式 所以實(shí)際中取K=7 (2)磁芯的計(jì)算 在計(jì)算好匝比以后,，可以根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式求解，Ae為磁芯磁路截面積,；Ac為磁芯窗口面積,；PT為變壓器傳輸功率,；fs為開關(guān)頻率；△B為磁芯材料所允許的最大磁通密度的變化范圍,；dc為變壓器繞組導(dǎo)線的電流密度,；kc為繞組在磁芯窗口中的填充因數(shù)。并且我們將本設(shè)計(jì)中電源的參數(shù)代入求之得 根據(jù)以上的計(jì)算并根據(jù)鐵氧體磁芯生產(chǎn)產(chǎn)家提供的技術(shù)手冊(cè),，我們可以選擇PQ50／50磁芯,，可以滿足要求。 其中Ap=14．2024cm4≥2．4cm4 (3)匝數(shù)的計(jì)算 選取好磁芯后,，先計(jì)算副邊繞組匝數(shù),。 選定N2=4，根據(jù)匝比我們可以選定N1=28,。 (4)導(dǎo)線規(guī)格的選擇 根據(jù)所計(jì)算的原副邊電流值,，并考慮集膚效應(yīng)，采用電流密度為4A／mm2的導(dǎo)線,，可以計(jì)算得出所需導(dǎo)線的截面積為0．89mm2的,，因此可以采用銅導(dǎo)線來進(jìn)行繞制，通過分析計(jì)算可以得出,，我們采用φ0．4銅線8股并繞28圈作為初級(jí)繞組,，因副邊有兩組繞組，所以通過它的電流有效值為0．632Io=12．64,，所以其繞組截面積為3．16mm2,，所以采用φ0．4銅線26股并繞4圈作為次級(jí)繞組。 5)諧振電感設(shè)計(jì) 諧振電感用來實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的零電壓開關(guān),，為開關(guān)管的零電壓開關(guān)提供足夠的能量,。為實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的零電壓開關(guān)，必須滿足 其中Lr是諧振電感,，I是滯后橋臂開關(guān)管關(guān)斷時(shí)原邊電流的大小,，CDS是開關(guān)管漏源極電容，Udc是母線直流電壓,。 其中諧振電感值按0．7倍滿載以上實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)設(shè)計(jì),，取負(fù)載電流為2A(取滿載電流的10％)時(shí)濾波電感的電流臨界連續(xù)，即式中的脈動(dòng)量為4A,。開關(guān)管IRFB20N50的漏源極電容為85pF,。所以將上述結(jié)果代入經(jīng)驗(yàn)公式可以得到
(1)輸出電感的選擇 電感將決定在輸出側(cè)紋波電流的大小，且它的值與紋波電流的大小有關(guān),。電感值是以輸入側(cè)的交流電流峰值所決定的,。而交流側(cè)的峰值電流是出現(xiàn)在電壓為最小值時(shí)，根據(jù)一般的經(jīng)驗(yàn)考慮電感上的紋波電流取交流側(cè)峰值電流的20％，所以,。根據(jù)下述經(jīng)驗(yàn)公式可以得到電感L,。 電感電流出現(xiàn)最大峰值時(shí)的占空比為
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