高压直流开关电源的设计与实验研究

摘要：设计了高压直流开关电源，主电路采用两级结构，前级为具有软开关的有源功率因数校正(APFC)电路，能够降低谐波含量，提高功率因数，降低开关管损耗。后级采用在初级加箝位二极管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，提高了控制精度及开关电源性能。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。
关键词：开关电源；有源功率因数校正；箝位二极管

1 引言
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。

2 主电路的设计
2．1 有源功率因数校正电路
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。

2．1．1 APFC软开关电路
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。
2．1．2 APFC软开关谐振参数的选取
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：
di／dt=ILmax／(3tVDR) (1)
式中：ILmax为最大电感电流。
L1的表达式为：
L1=Uo／(di／dt) (2)
式中：Uo为APFC输出电压。
实际选取L1=5μH。
2．2 ZVS移相全桥变换器
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。