大电流低电压开关电源拓扑结构和总体设计-设计应用

低压大电流DC/DC变换器拓扑分析摘要：目前对低压大电流DC/ DC 变换器的研究方兴未艾。

如何选择合适的拓扑电路是其首要任务。

从拓扑、应用方面系统地论述了低压大电流技术近期的发展，阐述了各种拓扑电路的特点及用途并进行了分析比较。

同时，详细地介绍了其关键的同步整流技术及其各种驱动方法。

1 引言随着电子技术的迅速发展，以及各种微处理器、IC 芯片和数字信号处理器的普及应用，对低压大电流输出的低压变换器的研究与应用成为日益重要的课题。

在低电压输出的情况下，一般的二极管整流很难达到较高效率，需采用同步整流技术，这就使得同步整流成为低压大电流技术中的关键技术。

另外，如何选择合适的拓扑，使变换器的性能最优化，也是一个极其重要的问题。

首先分别从变压器的初级和次级对各种基本拓扑进行分析比较，分别得出初级和次级适合于低压大电流的优化拓扑，然后进行组合，列举了3 种典型的拓扑，最后对优化的组合作进一步的比较分析。

2 基本拓扑及其优缺点分析以变压器为界，此类变换器的初级拓扑可从其所能传送的功率以及拓扑结构的复杂程度等方面进行分析。

在提高低压大电流变换器的效率中显得尤为重要的是其次级的拓扑。

本文首先从提高效率的角度对其进行分析，然后综合考虑其结构复杂性和驱动方式等的问题。

2. 1 变压器初级拓扑的优选相对于升压型变换器来说，降压型变换器更加适用于低压大电流变换器。

其变压器初级的基本拓扑主要可用正激式、反激式、推挽式、半桥式和全桥式等5 种。

但是，其中的反激式变换器显然不适合低压大电流的要求，因为它的输出纹波较大，变压器漏感引起较大的电压尖峰，功率不大（150W 以下）,变换器效率不高，因而只能在电压和负载调整率要求不高的场合使用。

2. 2 变压器次级拓扑的优选2. 2. 1 同步整流技术基本原理同步整流技术旨在实现同步整流管栅极和源极之间的驱动信号与同步整流管漏极和源极之间开关同步。

理想的同步整流技术可使同步整流管起到和整流二极管同样的作用，即正向电压导通，反向电压关断。

低压大电流开关电源的设计中心议题： • 低压大电流开关电源电路的设计 解决方案： • 采用磁复位电路有源钳位技术控制磁饱和 • 使用功率MOSFET整流 • 在栅极上接稳压管避免击穿 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。

从上世纪90年代以来开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，计算机、程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源。

 随着电源技术的发展，低电压，大电流的开关电源因其技术含量高，应用广，越来越受到人们重视。

在开关电源中，正激和反激式有着电路拓扑简单，输入输出电气隔离等优点，广泛应用于中小功率电源变换场合。

跟反激式相比，正激式变换器变压器铜损较低，同时，正激式电路副边纹波电压电流衰减比反激式明显，因此，一般认为正激式变换器适用在低压，大电流，功率较大的场合。

 有源钳位技术 正激DC／DC变换器其固有缺点是功率晶体管截止期间高频变压器必须磁复位。

以防变压器铁心饱和，因此必须采用专门的磁复位电路。

通常采用的复位方式有三种，即传统的附加绕组法、RCD钳位法、有源钳位法。

 三种方法各有优缺点：磁复位绕组法正激变换器的优点是技术成熟可靠，磁化能量可无损地回馈到直流电路中去，可是附加的磁复位绕组使变压器结构复杂化,变压器漏感引起的关断电压尖峰需要RC缓冲电路来抑制，占空比DRCD钳位正激变换器的优点是磁复位电路简单，占空比D可以大于0.5，功率开关管承受电压应力较低,但大部分磁化能量消耗在钳位电阻中，因此它一般适用于变换效率不高且价廉的电源变换场合。

 有源钳位技术是三种技术中效率最高的技术，它的电路图如图1所示，工作原理如图2所示。

在DT时段之前，开关管S1导通，激磁电流iM为负，即从Cr通过S1流向Tr，在DT阶段，开关管S的驱动脉冲ugs使其导通，同时ugs1=0，使S1关断，在Vin的作用下，激磁电流由负变正，原边功率通过变压器传到副边，给输出端电感L充电；在（1－D）T时段，ugs=0，S 关断，ugs1到来使S1导通，iM通过S1的反并二极管向Cr充电，在Cr和Tr漏感构成的谐振电路的作用下，iM由正变负，变压器反向激磁。

25种开关电源拓扑电路结构与连接原理与及特点选择与设计方法开关电源是一种将交流电转换为直流电的电源装置，其常见的拓扑电路结构包括单端（Buck）、反相（Boost）和反相-反相（Buck-Boost）等。

下面将详细介绍这些拓扑电路的连接、原理与特点，并给出选择与设计方法。

1.单端拓扑电路结构与连接：单端拓扑电路主要由功率开关器件、电感元件和输出滤波电容组成。

它的连接方式为输入电压接到开关电源的输入端，输出电压则输出到输出端。

单端拓扑电路常用于输出电压比输入电压更低的应用场景。

2.反相拓扑电路结构与连接：反相拓扑电路也是由功率开关器件、电感元件和输出滤波电容组成。

不同之处在于它的连接方式，输入电压通过开关电源的输入端接到电感上，输出电压则从电感上接出。

反相拓扑电路适用于输出电压比输入电压更高的应用场景。

3.反相-反相拓扑电路结构与连接：反相-反相拓扑电路结构是将单端拓扑与反相拓扑结合起来的一种结构，它可以实现输入电压和输出电压的翻转。

输入电压通过开关电源的输入端接到电感上，输出电压同样从电感上输出。

这种拓扑电路可以根据输入输出电压的差异实现升压或降压功能。

这些拓扑电路的原理与特点如下：1.单端拓扑电路原理与特点：单端拓扑电路使用开关器件以一定的频率开关电源输入，通过电感和输出滤波电容将开关输出的方波转换为稳定的直流电。

这种电路的特点是简单、成本较低，但效率较低，适用于输出电压较低的场景。

2.反相拓扑电路原理与特点：反相拓扑电路通过控制开关器件的导通和截止来改变电感中的电流，从而改变输出电压。

与单端拓扑电路相比，它的效率较高，但成本较高。

反相拓扑电路适用于输出电压较高的场景。

3.反相-反相拓扑电路原理与特点：反相-反相拓扑电路通过将输入电压先升压或降压至一个中间电压，再通过反向变换输出所需的电压。

这种电路可以实现较大范围的升压和降压功能，但需要多个开关器件和电感，因此成本和复杂度较高。

在选择与设计开关电源的方法上，应注意以下几点：1.根据实际需求确定输出电压和电流的要求，然后选择适合的拓扑电路结构。

用于通信系统的低电压、大电流电源及其设计实例作者：■ Linear Technology Corp. Dr. Wei Chen 为了处理日益复杂的实时计算问题，当今的通信系统采用了大量的高性能计算芯片，包括各种CPU，FPGA和存储器。

对更高计算速度的需求促使人们相应地提高时钟频率，电源电流也随之增加。

有些器件所要求的电源电流已超过了100A。

在电源电流增加的同时，电压已经降至1V左右，这主要是因为计算芯片的特征线宽越来越细。

低电压、大电流容易导致功率损耗，此时线性调压器电路已经很难适应电源设计的要求。

不过，采用高性能的开关型电源结构，则可以获得高效率的电源。

面临的挑战与当今许多类型的系统一样，通信系统中电路板的面积非常宝贵。

尺寸限制，连同降低成本的压力和其他一些新的技术方面的挑战，使低电压、大电流的电源设计成为通信系统设计中最困难的设计任务之一。

对电压调节能力的挑战随着电源电压降低到1V, 即使小到50mV的电压摆动，也会使计算电路性能发生剧烈的波动。

因此必须对直流输出电压进行严格的调控。

大的输出电流是电压波动的一个主要诱因，包括PCB导线或电源输出与CPU电源引脚间的连接器引入的10mV～50mV压降。

当电源电压为1~1.5V时，这些压降会产生显著影响。

因此，要求对正向和负向电压输出轨都实现远程电压监测。

另一个问题是，先进的计算芯片能根据系统指令瞬时地改变电源电流，变化幅度超过20A。

这样大的负载阶跃，再加上电流的快速换向，将使电源电压下降或超调。

要处理这类动态变化的负载并减小输出电容的尺寸，电源就必须具有很快的瞬态响应能力。

传热学方面的挑战由于系统封装密度随系统复杂程度的增加而增加，散热已成为系统硬件设计人员要面对的一个愈发严峻的挑战。

同时，对电压稳定有严格要求的高性能计算芯片要求电源就位于其附近。

因此，重要的是要减小电源的功率损耗，并消除PCB上的过热点和功率元件，以避免让计算芯片热上加热。

低压大电流大功率软开关全桥变换器拓扑结构分析*杨钰辉 **(南京船舶雷达研究所,江苏南京210003)摘 要:分析研究了低压大电流全桥变换器电路拓扑结构。

分别介绍了功率变压器初级移相控制零电压(ZVS)P WM和移相控制零电压零电流(ZVZCS)P WM软开关全桥变换器主电路拓扑结构,以及功率变压器次级适宜采用的不同电路拓扑形式,并对其优缺点进行了对比分析。

文中简要说明了在变换器输入级加入功率因数校正环节的必要性。

关键词:发射机;变换器;拓扑结构中图分类号:TN830 文献标识码:A 文章编号:1009-0401(2007)04-0047-04 The topol ogical anal ysis of the f u ll bri dge converter based on lo w voltage,h i gh curre nt,h i gh po wer soft s w itchesY ANG Yu hui(N anjing M arine Radar Institute,N anjing210015,China)A bstract:I n th is paper,the topo log ical struct u re o f t h e lo w voltage,h i g h curren,t full bridge(FB) converter is ana l y zed.The m a i n c ircuit topolog ies of the Z VS P WM and ZVZCS P WM based so ft s w itc h i n g,full bridge converters used i n the pri m ary stage of the transfor m er are intr oduced.Besi d es,the d ifferent circu it topolog ical structures of the secondary stage o f the transfor m er are presented w ith the ir advantages and d isadvantages co m pared.The necessity of addi n g a part for pow er factor correction i n the i n put stage of t h e converter is g i v en briefly.K eyw ords:solid state trans m itter;converter;topo l o g i c al structure1 引 言随着固态功率放大技术的发展,固态脉冲雷达发射机所需电源的功率也随之增大。

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。

０引言开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，一般由脉冲宽度调制（ＰＷＭ）控制ＩＣ和ＭＯＳＦＥＴ构成［１］。

针对目前矿灯充电架电源等存在的一些缺点和不足，文中研制了一种可用于矿灯充电架的低电压大电流开关电源，对节能降耗、提高充电效率有着重要的意义。

同时可满足工业及其它领域多种设备的充电要求。

制作时采用ＭＯＳＦＥＴ作为功率开关器件，构成半桥式开关变换器，利用脉宽调制技术。

ＰＷＭ控制信号由集成控制器ＳＧ３５２５产生，反馈信号取自对输出的实时采样电压，从而控制输出电压的变化，达到稳定输出电压的目的。

控制电路与主电路之间通过变压器进行隔离，并设计了软启动和过流保护电路。

１开关电源的设计［２，３］１．１开关电源结构框图开关电源的结构框图如图１所示。

主要由七部分组成：ＥＭＩ滤波器、输入整流滤波电路、高频开关变换器、高频整流滤波输出电路、控制电路和保护电路、辅助电源以及显示电路。

１．２主电路的实现文中介绍的开关电源电路，其主电路采用ＡＣ－ＤＣ的变换方式，由输入整流滤波电路、全桥逆变电路、高频脉冲变压器以及输出整流滤波电路组成。

该大功率开关电源具有低电压大电流的特点，对高频干扰信号以及合闸瞬间的浪涌电流非常敏感，为大电流低电压开关电源的设计＊周德泰１，２，杨志民１，郭海涛１，２，马胜前１（１．西北师范大学，兰州７３００７０；２．大连测控技术研究所，辽宁大连１１６０１３）摘要：提出了大电流低电压的大功率开关电源的设计方案，研制了整流滤波电路，分析确定了ＤＣ／ＤＣ变换模块作为主电路功率元件，并设计了ＰＷＭ控制电路、软启动及过压过流保护电路。

实验测试证明输出稳定，可对矿灯充电架等多种设备进行充电，有着广泛的应用前景。

关键词：开关电源；大功率；脉宽调制；变换器；功率管中图分类号：ＴＭ９３０文献标识码：Ｂ文章编号：１００１－１３９０（２００８）０６－００４３－０３ＺＨＯＵＤｅ－ｔａｉ１，２，ＹＡＮＧＺｈｉ－ｍｉｎ１，ＧＵＯＨａｉ－ｔａｏ１，２，ＭＡＳｈｅｎｇ－ｑｉａｎ１（１．ＮｏｒｔｈＷｅｓｔＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００７０，Ｃｈｉｎａ．２．ＤａＬｉａｎＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＴｅｓｔａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｄａｌｉａｎ１１６０１３，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅｆｏｒｔｈｅｃｈａｒｇｉｎｇｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｗｈｉｃｈｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌｏｗｖｏｌｔａｇｅ，ｂｉｇｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｌａｒｇｅｐｏｗｅｒ，ａｎｄｔｈｅｒｅｃｔｉｆｉｅｒｃｉｒｃｕｉｔｉｓｄｅｖｅｌ－ｏｐｅｄ．Ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｆｅａｔｕｒｅｓ，ｔｈｅｂｉｇｐｏｗｅｒＤＣ／ＤＣｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｃｈｏ－ｓｅｎａｓｐｏｗｅｒｃｅｌｌｏｆｍａｉｎｅｌｅｃｔｒｉｃｃｉｒｃｕｉｔ．ＴｈｅＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔ，ｓｏｆｔ－ｓｔａｒｔｕｐｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｏｕｔ－ｐｕｔｏｆｔｈｅｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｉｓｓｔａｂｌｅ．Ｔｈｅｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｃｈａｒｇｅｆｏｒｍａｎｙｅｑｕｉｐ－ｍｅｎｔｓｉｎａｇｏｏｄｍａｎｙｆｉｅｌｄｓ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅｃｈａｒｇｅｒｏｆａｍｉｎｅｒ＇ｓｌａｍｐ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒ，ｂｉｇｐｏｗｅｒ，ＰＷＭ，ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＩＢＧＴＤｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｗｉｔｈｂｉｇｅｌｅｃｔｒｉｃｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｌｏｗｅｌｅｃｔｒｉｃｖｏｌｔａｇｅ＊甘肃省科技攻关资助项目（２ＧＳ０４７－Ａ５２－００２－０７）４３－－了保证电路稳定工作，输入２２０Ｖ、５０Ｈｚ的市电首先经Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｌ１组成的高频滤波电路，如图２所示，滤除高频干扰信号并对合闸瞬间的浪涌电流进行抑制［４］。