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1、第12卷第1期军 械 工 程 学 院 学 报Vol.12No.12000年3月JournalofOrdnanceEngineeringCollegeMar.2000一种大功率开关电源的设计及效能分析••孟亚峰 黄考利 王民全 曾令涛 李戍(军械工程学院训练部 •导弹工程系,石家庄 050003)摘要:在实验研究的基础上,提出一种采用IGBT器件的高效大功率开关电源的设计方法,着重分析了系统主回路中影响效率的各主要因素以及应采取的对策,实验证明可使效率达90%以上。关键词:开关电源;效率;IGBT中图分类号:TM91017文献标识码:A学科分类代码:470140文章编号:1008-2956(2
2、000)01-0020-05大功率开关电源,其核心的功率器件通常为双极型功率晶体管和MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。但是随着对小型、质轻、高频、高效和低噪音的要求,双极型功率晶体管和MOSFET已不能完全满足开关电源的新需求。双极型功率晶体管虽可满足高耐压、大电流的要求,但其开关速度不尽人意,并且由于它是电流控制型器件,还需要较大的驱动功率。而MOSFET尽管具有很快的开关速度和电压控制能力,但其通态电阻较大,难以满足高压大电流的要求。新型的复合器件———绝缘栅双极晶体管(IGBT)集双极型功率晶体管和MOSFET的优点于一体,具有电压控制、输入阻抗高、驱动功率小、控制电路简单
3、、开关损耗小、通断速度快、工作频率高、元件容量大等优点,很适合做大功率开关电源变换器中的功率开关器件。由于大功率电源输出功率大,所以在设计中特别注重减小损耗,提高效率。本文以提高效率为主线,通过实验研究提出了一种高效大功率开关电源的设计方法,着重分析了系统主回路中影响效率的主要因素及提高效率的对策,使其最大输出电压180V,输出电流50A,效率可达90%以上。1 电路基本原理与结构该系统基本电路如图1所示,系统采用了二次DC变换方案,由三相桥式二极管整流器,将交流电变为直流电,经单相半桥式逆变电路将直流电变为频率较高的交流方波,高频交流方波经高频脉冲变压器耦合到次级,通过高频二次整流后输出所
4、需直流电压。另外,系统还有锁相环(PLL)电路和IGBT驱动保护电路。系统采用单相电压型半桥式逆变电路的基本原理如图2(a)所示,其工作原理是当电容C1、C2相对逆变频率足够大时,则电容上的电压基本上维持不变。若负载为纯电阻,G1和G2分别接通T0/2时间,则可获得如图2(b)所示的输出波形。由波形可知,输出电压波形是方波,其幅值为Ud/2,输出电压的有效值为T10222Ud2UdUa=dt=T0∫042瞬时值表达式为∞2Udua=∑sinnωtn=1,3,5,⋯nπ收稿日期:1999-10-06孟亚峰:男1970年生 硕士研究生 讲师©1995-2007TsinghuaTongfangOp
5、ticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第1期 孟亚峰等:一种大功率开关电源的设计及效能分析 21其中ω=2πf为输出电压的角频率。当n=1时,其基波分量的有效值为2UdU1==0145Ud2π为保证电路正常工作,G1和G2管不能同时导通,否则将出现直流侧短路的现象,即所谓的逆变颠覆问题。改变G1和G2的激励信号的频率,则输出电压的频率也随之改变。当负载为纯电感时,若G1管在T0/2时关断(激励信号消失),由于电感中的电流不能突然改变方向,此时即使G2管加上激励信号,负载电流ia也必须通过D2管流通,直到ia=0时
6、,G2管才导通,负载电流开始反向。同理不难看出,G2管关断时,负载电流先要通过D1管流通,直到ia=0时,G1管才导通。对纯电感负载,G1和G2的导通时间均为T0/4。对于感性负载随着负载的功率因数从0变到1,G1和G2的导通时间从T0/4变到T0/2.纯电感时的负载电流峰值(iam)为©1995-2007TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.2 军械工程学院学报 22000Udiam=8f0L2 影响效率的因素分析由于开关器件IGBT不是理想的开关
7、,在导通期间其饱和压降不为零,截止期间存在漏电流,这是系统产生损耗的主要原因。通过实验分析,影响效率的因素,主要为:211 开关损耗开关器件G1、G2并非理想开关,在开关过程中,其电流Ic、电压Vce都存在上升时间Tr和下降时间Tf,如图3所示。开关损耗可由下式确定:1trtfECK=UCia(ton)+ia(toff)6TT212 导通损耗与截止损耗开关器件IGBT导通期间,其导通损耗Pc为2Pc=AIme
