揭秘：低压大电流开关电源的设计过程

低压大电流直流开关电源电磁兼容设计研究来源：| 作者：鲁莉，邹云屏| 发布时间：2010-01-11 16:20:06 | 浏览：153次【字体：大中小】摘要:文章提出了一种符合1}C要求的低压大电流直流开关电源的设计方法。

该方法运用12脉波整流器和zv sRRTM技术来减少卞电路的dU ldt( dildt)和电磁干扰。

另外，针对设备特性，在系统设计、PCB板布线、高频变压器上艺和结构设计等方而采用了一些必要的电磁兼容措施。

电磁兼容实验验证了这些方法的有效性。

关键词:12脉冲整流器;ZVS PWM控制;电力电子;电磁兼容设计0引言随着电力电了技术的发展，开关电源被广泛地应用于计算机及其外围设备、通信、自动控制、家用电器等各个领域。

但由于开关电源工作过程中LBT等开关元件的高频通断会产生很大的dU ldt( di /dt)，形成很强的电磁干扰(ELVI I)，其频率可从儿1}I Z直到数十MH;严重超出电磁兼容(EUI C)标准要求的极限值。

如何降低开关电源的ELVI I成为一个函待解决的热点问题。

本文论述一台10 kW低压大电流直流开关电源在研制过程中，从拓扑到工艺引入多种方法改善了装置的电磁兼容性，以满足客户要求。

10 kW开关电源的干扰源分析10}直流开关电源工作在高频、低压、大电流开关状态，并以占空比来控制输出电压值，其工作频率为20 1dI z。

产生电磁干扰最根本的原因，就是其在工作过程中电源线路内、IU ldt, di /dt很大，它们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源。

整流滤波使用的大电容充电放电、开关管高频工作时的电压切换、输出整流二极管的反向恢复电流都是这类干扰源。

它们通过电源线以共模或差模方式向外传导，同时还向周围空问车nPI射，形成噪声。

2主电路拓扑结构分析本电源的输入为:380 V /50 H;对应输出为28V/350人是一个低压大电流的设备。

针对这样的功率电源，采用了2级变换器。

低压大电流的开关电源设计方案1 引言在电镀行业里，一般要求工作电源的输出电压较低,而电流很大。

电源的功率要求也比较高,一般都是几千瓦到几十千瓦。

目前,如此大功率的电镀电源一般都采用晶闸管相控整流方式。

其缺点是体积大、效率低、噪音高、功率因数低、输出纹波大、动态响应慢、稳定性差等。

本文介绍的电镀用开关电源,输出电压从0～12V、电流从0～5000A连续可调,满载输出功率为60kW。

由于采用了ZVT软开关等技术,同时采用了较好的散热结构,该电源的各项指标都满足了用户的要求,现已小批量投入生产。

2 主电路的拓扑结构鉴于如此大功率的输出,高频逆变部分采用以IGBT为功率开关器件的全桥拓扑结构,整个主电路如图1所示,包括:工频三相交流电输入、二极管整流桥、EMI滤波器、滤波电感电容、高频全桥逆变器、高频变压器、输出整流环节、输出LC滤波器等。

隔直电容Cb是用来平衡变压器伏秒值,防止偏磁的。

考虑到效率的问题,谐振电感Ls只利用了变压器本身的漏感。

因为如果该电感太大,将会导致过高的关断电压尖峰，这对开关管极为不利，同时也会增大关断损耗。

另一方面,还会造成严重的占空比丢失,引起开关器件的电流峰值增高,使得系统的性能降低。

3 零电压软开关高频全桥逆变器的控制方式为移相FB-ZVS控制方式,控制芯片采用Unitrode公司生产的UC3875N。

超前桥臂在全负载范围内实现了零电压软开关,滞后桥臂在75%以上负载范围内实现了零电压软开关。

图2为滞后桥臂IGBT的驱动电压和集射极电压波形,可以看出实现了零电压开通。

开关频率选择20kHz,这样设计一方面可以减小IGBT的关断损耗,另一方面又可以兼顾高频化，使功率变压器及输出滤波环节的体积减小。

图2 IGBT驱动电压和集射极电压波形图4 容性功率母排在最初的实验样机中,滤波电容C5与IGBT模块之间的连接母排为普通的功率母排。

在实验中发现IGB上的电压及流过IGBT的电流均发生了高频震荡,图3为满功率时采集的变压器初级的电压、电流波形图。

开关电源设计方案1. 导言开关电源是一种将交流电转换为直流电的电源设备。

它具有高转换效率、小体积、轻重量等特点，被广泛应用于电子设备中。

本文将介绍开关电源的基本工作原理、设计流程以及几个常见的开关电源设计方案。

2. 开关电源的工作原理开关电源的工作原理包括输入滤波、整流、能量存储、调节和输出等步骤。

以下是一个典型的开关电源的工作原理图：开关电源工作原理图开关电源工作原理图1.输入滤波：交流电通过电源的输入端，首先经过输入滤波电路。

该电路使用电容和电感元件，去除交流电中的高频噪声和干扰，使得电源输入的电流更加稳定。

2.整流：经过滤波的交流电信号，经过整流桥或整流管，被转换为一个较高的直流电压。

整流桥通常由4个二极管组成，它们交替导通，使得输入交流电的正半周和负半周都能够被转换为正向的直流电。

3.能量存储：整流后的直流电压通过电容器进行存储。

电容器的作用是储存电荷以平滑输出电压，防止输出电压的波动。

4.调节：开关电源通常具有可调节输出电压的功能。

这是通过调整开关管的导通和截止时间来实现的。

调节电路通常由一片PWM控制芯片和电路反馈元件（如电感、变压器等）组成，以控制开关频率和占空比。

5.输出：经过调节后的直流电压，通过输出滤波电路去除残余的高频噪声，然后供给电子设备的负载。

3. 开关电源设计流程设计一个功能稳定、安全可靠的开关电源需要经过以下几个步骤：3.1 确定设计规格在开始设计之前，需要明确电源的输入和输出要求。

输入要求包括交流电的电压范围、频率、输入的稳定性等；输出要求包括直流电的电压、电流、纹波与噪声等。

3.2 选择拓扑结构常见的开关电源拓扑结构有多种，如Boost、Buck、Buck-Boost、Flyback等。

根据实际需求选择最适合的拓扑结构。

3.3 确定主要元件参数根据设计规格和拓扑结构，确定主要元件的参数，如开关管、变压器、电感、电容等。

3.4 确定控制策略根据实际需求，选择合适的控制策略，如PWM控制、电流模式控制等。

开关电源的制作流程开关电源（Switch Mode Power Supply，SMPS）具有高效率、低功率、体积小、重量轻等显著优点，代表了稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。

开关电源的设计与制作要求设计者具有丰富的实践经验，既要完成设计制作，又要懂得调试、测试与分析等。

本文章介绍开关电源组成及制作、调试所需的基本步骤和方法。

第一节开关电源的电路组成开关电源一般是指输入与输出隔离的电源变换器，包括AC/DC电源变换器和DC/DC电源变换器，也称为AC/DC开关电源和DC/DC开关电源。

非隔离式DC/DC变换器也属于开关电源，通常称之为开关稳压器。

1、AC/DC开关电源的组成AC/DC开关电源的典型结构如图1-1-1所示。

电源由输入电磁干扰（EMI）滤波器、输入整流/滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流/滤波电路和输出电压反馈电路组成。

图1-1-1 AC/DC开关电源的典型结构其中输入整流/滤波电路、功率变换电路、输出整流/滤波电路和PWM控制器电路是主要电路，其他为辅助电路。

有些开关电源中还有防雷击电路、输入过压/欠压保护电路、输出过压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等其他辅助电路。

2. DC/DC开关电源的组成DC/DC开关电源的组成相对AC/DC开关电源要简单一点，其典型结构如图1-1-2所示。

电源由输入滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流/滤波电路和输出电压反馈电路组成。

当然，有些DC/DC开关电源也会包含其他辅助电路。

图1-1-2 DC/DC开关电源的典型结构第二节开关电源的制作流程开关电源的设计与制作要从主电路开始，其中功率变换电路是开关电源的核心。

功率变换电路的结构也称开关电源拓扑结构，该结构有多种类型。

拓扑结构也决定了与之配套的PWM控制器和输出整流/滤波电路。

下面介绍开关电源设计与制作一般流程。

1.解定电路结构(DC/DC变换器的结构)无论是AC/DC开关电源还是DC/DC开关电源，其核心都是DC/DC变换器。

低电压大电流开关电流的设计1 开关电源的设计开关电源的基本结构主要由7部分组成：输入整流滤波电路、高频开关变换器电路、整流输出电路、控制电路、保护电路、辅助电源以及显示电路。

1．1 主电路该设计的主电路拓扑结构，输入市网220 V电压，通过RC滤波及整流桥整流、全桥逆变、高频变压器、输出整流以实现AC／DC／AC／DC的变换过程，最终得到所需要的15 V直流稳压电源。

1．1．1 输入滤波整流(AC／DC)低电压大电流的开关电源对高频干扰信号以及上电瞬间的浪涌电流十分敏感，为了保证电路稳定工作，消除来自电网的各种干扰，输入的220 V市电首先经RC滤波电路，对尖峰电压进行抑制。

高频滤波后的电压经整流电路整流，得到直流电压。

桥式整流电路后面的滤波电具有充放电作用，滤除整流后的交流成分。

1．1．2 高频开关变换器(DC／AC)它是开关电源的重要部分，逆变电路采用全桥变换，由4个IGBT开关管组成桥的四臂，每个IGBT并联1个高速功率二极管，其钳位作用以减小开关管由导通转换为截止时，变压器产生的电压尖峰，以保护开关管不被击穿。

IGBT，绝缘栅双极型晶体管，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又有通态电压低、耐压高的优点。

开关管IGBT 的栅极接收PWM信号，当门极加正压，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。

此时从P区注入到N区进行电导调制，减小N一的电阻值，使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。

在门极上加负电压时，MOSFET内的沟道消失。

PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。

T1、T4与，I2、轮流高频通断，将直流电压变成交流电压，再经高频隔离变压器变成所需的隔离输出交流电压。

此处的高频变压器采用铁基铌铜纳米晶环形铁芯高频变压器，这种变压器具有损耗小、漏感低、体积小等特点。

摘要：介绍了一种以PWM控制芯片UC3825为核心的低压大电流开关电源的设计方案，阐述了主电路的拓扑结构及主控制电路的电路设计，并设计了软启动及过压过流保护电路，应用反馈手段和脉宽调制技术实现了电压、电流的稳定输出，并研制了1台15 v／1 200 A的样机。

ZVS移相全桥低压大电流开关电源的设计∗徐平凡;肖文勋;刘承香【摘要】设计制作了一款ZVS移相全桥变换器的低压大电流开关电源，详细阐述了部分电路的设计过程和参数计算，并通过抑制桥式变换器中超前/滞后桥臂功率管的高频谐振，降低主电路中上下桥臂的直通风险。

最后设计制作的3 kW(15V/200 A)低压大电流电源验证了设计的可行性，给出了详细的实验结果，整机效率达90%以上，对电源开发者有一定的借鉴作用。

%A low voltage and high current switching power supply based on ZVS Phase-shifted Full-bridge converter is proposed. And the design process and parameters of power supply are introduced. In order to solve the short cir-cuit problem of bridge arms generated by the oscillation of the MOSFET gate,an improved design of driving circuit is proposed,which can eliminate the parasitic oscillation and voltage spikes effectively. Finally,a 3 kW( 15 V/200 A) prototype converter is built and the experimental results verify the effectiveness of design.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】4页(P790-793)【关键词】ZVS移相全桥;高频谐振;桥臂直通问题;低压大电流【作者】徐平凡;肖文勋;刘承香【作者单位】中山职业技术学院，电子信息工程学院，广东中山528404;华南理工大学，电力学院，广州510640;深圳艾默生网络能源有限公司，广东深圳518000【正文语种】中文【中图分类】TM46零电压开关移相全桥(FB-ZVSPWM)变换器利用变压器的漏感和功率管的寄生电容来实现零电压开关，大大降低了电源的开关损耗，在大功率DC/DC变换电路中得到了广泛的应用［1－3］。

大电流低电压开关电源拓扑结构和总体设计-设计应用1、电源总体设计电源为恒流源工作方式，其输出电流可在45~90A连续可调，并稳定工作，输出功率1.35kW，采用PWM控制，开关频率30kHz。

图1是电源框架图，图中未画出保护电路框图。

单相220V交流输入经工频整流、滤波后向DC/DC全桥变换器供电。

在电源合闸接入电源电压瞬间，由于电容器上的初始电压为零，电容器初始充电会形成很大的瞬间冲击电流，软启动电路用于防止该瞬间冲击电流，改善电源启动性能，保护EMI滤波器、工频整流器件及电容器等，以保证开关电源正常而可靠运行。

DC/DC全桥变换器主要由四个开关管组成的桥式逆变电路、高频变压器、输出高频整流及滤波电路组成，桥式逆变电路在控制及驱动电路作用下，将直流转换成高频方波交流，再经高频变压器降压以及副边高频整流、滤波后输出直流。

电源控制电路由专用集成芯片SG3525及其外围电路构成PWM调制，经光电隔离、功率放大后直接驱动全桥变换器开关管，由于电源工作在恒流方式，且电流较大，所以应用电流传感器采样输出直流电流作为控制信号，反馈到控制电路，以实现PWM调制，达到稳定输出电流的目的。

2、主电路设计本电源主电路拓扑结构如图2所示，由于该电源具有大电流低电压的特点，对高频干扰信号以及合闸瞬间的浪涌电流非常敏感，因此220VAC/50Hz交流电整流前先经EMI滤波器滤波，大大减小了交流电源输入的电磁干扰，同时防止开关电源产生的谐波串扰到输入电源端。

高频变压器是DC/DC全桥变换器的磁性元件，许多其它主电路元器件的参数设计都依赖于变压器的参数，对其进行合理优化设计非常重要。

本电源的高频变压器设计采用AP法，AP就是指磁芯有效截面积和线圈有效窗口面积的乘积。

磁芯选用一对E型软磁铁氧体，考虑到变换器工作频率，磁芯工作磁感应强度BW设计为0.16T，根据电源主电路拓扑结构，高频变压器的计算功率为：式中AW为磁芯窗口面积；Ae为磁芯有效截面积；K0为窗口使用系数，一般典型值取0.4；Kf为波形系数，本变压器原副边绕组波形为方波，取Kf=4；fs为变压器工作频率（Hz）；J为绕组导线电流密度，设计为400A/cm2。

具有同步整流技术的低压大电流开关电源设计[摘要]传统的开关电源纹波较大，稳定性不高，效率低。

整流方式采用二极管整流容易使在二极管上的压降过大，无法达到低压大电流的电源。

本文讨论了用ltc3901来驱动mosfet整流，大大降低了整流压降，提高了电源的稳定性和效率。

[关键词]pwm；半桥逆变；整流中图分类号：td327.3 文献标识码：a 文章编号：1009-914x （2013）14-0259-011、概述本文所设计的低压大电流开关电源是接入电压为电网电压。

由于电网上有各种干扰，所以先要进行滤波设计。

然后是整流输出，传统的整流是通过二极管整流，但是二极管的压降过大，在低电压输出的情况下二极管上的损耗过多，因此需要用性能较好的mosfet 来整流，mosfet的压降比二极管要小得多，要求输出电压为5v，整流器需要加上一个整流控制，这样才能使输出电压达到理想值。

为了让输出电压趋于稳定，需要加上电压检测反馈电路，当输出电压发生变化时，通过反馈回路使得输出电压稳定在5v，因为输出电压为直流，其电压检测的反馈信号同样为直流，这就需要将电网电压整流后在逆变，然后再整流成输出电压。

先整流滤波的另外一个好处是可以防止电源的高频干扰反串进电网中去，反馈信号可以通过驱动电路来控制逆变电路，使得整流输入电压改变，这样就可以控制输出电压。

整流后的电压要求纹波较小，所以必须加上输出滤波电路。

整个电路的器件不能因为电流过大而损坏，因此需要加上过流保护电路来保证电路的安全性。

2、低压大电流开关电源的基本原理2.1 逆变技术与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。

当交流侧接在电网上，即交流侧接电源时，称为有源逆变；当交流侧和负载连接时，称为无源逆变。

逆变电流的应用非常广泛。

在已有的各种电源中，蓄电词、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。

另外，交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心都是逆变电路。