高压软开关充电电源硬件设计

赵强

摘 要：对任何的电设备来说，电源都是不可缺少的。开关充电电源替代了传统意义上笨重工频的变压电源，缩小了电源自身体积。电源控制的电子设备处于开启状态，提高整机的效率。本文主要对电源开关工作原理进行了介绍，接着对软开关技术进行了分析，最后探讨了软开关充电电源硬件设计。

关键词：开关电源；软开关；硬件设计

0 引言

开关电源是一项电子化技术，其使用功率转换器实现电能间的转换，转换后的电能用来满足各方面用电的需要。其较线型电源重量更轻、体积更小、效率更高，在计算机、电视机、自动化控制设备、通信设备等各领域得到广泛的应用。

1 开关电源基本工作原理

开关电源有许多种形式，尤其是以调制型脉冲的宽度（PWM）最盛行，目前以该种形式开关电源的工作原理进行介绍。

主回路指由电网把能量传给负载的一种回路，其他回路则被称为控制类回路。

电网的交流电经滤波整流电路的输入，进而获得直流高波纹电压，此后经过变换功率电路，转换成满足要求的波脉动电压，再经整流形成连续直流低波纹电压。

控制类回路在将开关高压T动脉冲提高的同时，要实现电压稳定输出的控制，此外还要保护负载和电源元件。其通常是由检测放大型电路、震荡时钟电路、电压脉冲转换V/W电路及自用的电压等电路组合而成。

2 软开关相关技术

目前的电力电子设备发展主要趋势为轻量化。小型化，且对于装置效率和电磁的兼容问题要求更高。通常，变压器、滤波电感及电容在装置重量和体积中所占比例较大。所以，要达到装置的小型化、轻量化，就必须想办法降低他们的体积与重量。由“电路”的相关知识可知，工作效率的提高可以使变压器绕组间匝数减少，同时还可以使铁心体积减小，从而让变压器往小型化发展。因此高频化电路是设备轻量化、小型化的有效途径。然而在提高开关频率的同时，增加了开关的损耗，使电路运行效率降低，增大了电磁的干扰，可以知道简单提高电源开关的频率并不能从根本上解决问题。

软开关相关技术的出现能够使这些问题得到解决，其主要利用谐振辅助转换电流的手段，解决了电路中开关的损耗及噪声等问题，大幅度提高了开关频率。

3 高压软开关充电电源硬件设计

3.1 主电路的选型

在开关谐振技术中适合于电容脉冲充电的是谐振串联电路，其输出结果近似看做恒流源（等台阶充电），其优点为充电的效率较高，且可以保护固有的短路。因为电源的功率过大，全桥电路且高频变压器副边采取整流桥二极管整流。

3.2 电路工作方式与原理

直流（经过市电整流的）电压经电路而逆变成频率较高的交流方波电，该种高频交流方波电经过高频的变压器升压，经过二极管的整流桥进而得到稳定的电流，给电容充电。

设：IGBT开关的频率为fs， 谐振的频率为fr。

谐振串联变换器工作方式以fs的大小主要有三种方式：

（1）第一种方式（fsfs>fr/2） 电流处于连续的工作状态，实现电流为零切断。但在开通过程中，同一个桥臂的两开关有强制换流现象，所以开关的损耗和干扰较大；（3）第三种方式（fr

现对图3-1负载串联DC-DC变换器三种工作方式进行分析。

由图得出，Cr与Lr形成串联型谐振，同负载相互串联，经谐振后的电流于负载一端被整流。在输出端滤波的Cf足够大，可以认为Cf两端的电压为直流无波纹电压。若简单进行分析则可忽略谐振电路损耗过小的电阻，输出电压V0反射至整流桥输入端，用VCB表示，若IL为正值，VCB=V0，IL为负，VCB=-V0。

如果开关T加导通，当IL电流为正，电流流过T+，否则，流过D-二极管；

同上，当IL电流为负，若T-导通，流过T+；否则流过D+二极管。所以，图1（a）有以下四种情况：

1.当IL>0时

T+导通： VAB=+Vd/2，VAC=Vd/2-V0；

D-导通： VAB=-Vd/2，VAC=-Vd/2-V0。

2.当IL<0时

T-导通： ：VAB=-Vd/2，VAC=-Vd/2+V0 ；

D+导通： VAB=+Vd/2，VAC=Vd/2+V0。

谐振槽上的电压VAC由IL电流方向和哪一开关导通来决定。上面的方程表达的4种情形可由图1（b）的等效电路表示。要引起高度的重视，采用这一电路要根据不同时间的间隔进行计算。各间隔内，应确定初始状态条件，且要把VAB和VCB看做同一直流型电压。

当处于稳定对称的工作状态时，两开关处于相同的状态，同样，两个二极管也处于相同的状态，所以，只需要对运行的半个周期进行分析即可计算得到整周期运行状态，这是因为另外半个周期运行的状态和这前一半周期运行状态是相互对称的。

4 结语

本文结合当前开关电源的发展趋势，在系统学习开关电源原理的基础上，了解开关电源的主要设计过程及其相关方法；并争取在电源的设计和制造等工作中加以应用，希望能给同行提供借鉴意义，促进高压软开关充电电源硬件设计的良好发展。

参考文献：

[1]黄刚.开关电源及其功率材料的技术新动向[J].电气时代，2002（10）.

[2]尚雷.王相慕.新型软开关高压脉冲电容恒流充电技术分析[J].强激光与粒子束，2001（02）.