1身份证号码：37082919870618xxxx 山东省济南市 250101
2身份证号码：37110219871108xxxx 山东省济南市 250101
摘要：大功率高频开关电源，也是交互式电源，其在电力系统中，实现了高频化的电能转换，采用不同类型的架构方式，准确的完成电能的转换，满足用户端的基本需求。在大功率高频开关电源的设计中，涉及到的因素很多，应该重点考虑电磁学、微电子技术等，明确电源设计的综合性特点，确保电源在电力系统中的有效运行。另外，在设计大功率的高频开关电源时，也应该注意节能与环保，由此才能满足电力系统及设备的根本需求。基于此，本文对大功率高频开关电源的设计要点进行了详细的分析与探究。
关键词：大功率；高频开关；电源；设计
1、大功率高频开关电源的特点、电路原理及设计原理
1.1 开关电源特点
随着电气设备容量持续增大，为满足实际应用需求，市场上逐渐出现更多的大功率高频开关电源，同时与传统开关电源相比，还可以有效降低对电网的影响，更符合节能环保发展理念。另外，开关电源的高频化设计，可以进一步减小其体积大小，并可根据实际需求来灵活控制电容、电感容量，将生产成本控制到最低。因此，在对大功率高频开关电源进行设计时，需要充分发挥出其所具有的优点，便于更好的满足实际发展需求。
1.2 电路原理
电路原理:交流输入电压经过三相桥式普通二极管整流电路滤波后，得到较高直流电压；后经4只IGBT进行“高频逆变”，将高压直流逆变成约18KHz的高频交流；经高频变压器变换到次级，再通过肖特基二极管进行单相全波整流滤波，得到需要的输出电压。控制电路对输出电压和输出电流取样，闭环反馈后产生脉宽调制（PWM）信号，控制“功率转换”电路，使输出电压或电流保持稳定，原理框图如图1所示。
其中，主电路原理图如图2所示。主电路前级部分采用三相桥式二极管整流电路，核心部分采用成熟的PWM控制IGBT逆变技术，后级高频整流部分则采用低损耗肖特基二极管单相全波整流电路。
1.3 设计原理
大功率高频开关电源，属于一类线性开关，处于开关状态的电源设计，可以把基础降压电路作为研究案例，保障开关电源设计的有效性。大功率高频开关电源是闭合状态，设计中，持续电压就会在电感器的两端发挥作用，促使电感的电流表现出直线上升的状态，开关开通后，电能会转换存储于电感器内，达到开关电源关段时间中负载的输出要求。开关电源断开，电感器输入端的实际电压降低到零，电感的能量要通过开关电源中配置的续流二极管实现负载的维持。大功率高频开关电源设计原理中，可以利用伏秒平衡的方法，表示出电压、输入电压之间的关联性，明确开关的占空比，经过开关电源的开通过程，明确设计的过程。
2、高频开关电源的控制系统
采用RS485网络控制方式控制N+2台单元机，利用两芯双绞屏蔽线通讯，全数字化网络传输；控制精度高、无衰减，抗干扰能力极强、通讯距离远（最远可达1.2km）。控制系统采用西门子PLC作为中央处理器，继电回路采用高可靠、节能型新型器件。所有控制转换均可由PLC进行控制，并可通过通讯接口与以太网进行数据通讯，传递有关数据。主机的本地显示及操作面板采用西门子触摸屏进行远程监控，可对输出电流进行设定及控制；显示及查询主机各种故障信息（过压保护故障信号、冷却水压过低、水温过高故障信号、冷却水水位过低信号等）以及电解槽槽压情况。
3、大功率高频开关电源设计分析
大功率高频开关电源的设计，主要体现在3个方面，分别是：拓扑结构、硬件电路和软件电路，具体分析如下：
3.1 拓扑结构
拓扑结构是大功率高频开关电源设计的重点，大功率高频开关电源的功率拓扑，实现了高频逆变，完成整个开关电源的能量转换，属于比较核心的单元。拓扑结构是影响大功率高频开关电源设计的重点要素，要按照电源设计的实际需求，准确的选择拓扑结构，控制整个开关电源的系统。大功率高频开关电源设计中，注重功率输出数据、电压范围，包括输入和输出、斩波电流等，实行综合的分析，重点把控好输出功率与输入功率，确定出可用的电压比，以此来满足大功率高频开关电源的设计。
3.2 硬件电路
3.2.1 首先是大功率高频开关电源硬件电路设计中的整体结构，因为硬件电路是开关电源设计中的基础，所以其直接关系到电源的效率与性能。整体结构中，取消以往的硬件模拟电路，在设计的过程中，按照输入保护、滤波、高频逆变的要求，规范整体结构中的模块，利用横向开关分析，明确整流级别、输出整流级以及中间逆变级，在纵向开关电源的作用下，设计驱动级、控制级与功率级。大功率高频开关电源设计与传统结构不同，应该简化电路设计，将电路以及驱动电路，集成到PWM控制器内，实现电路简化，提高电路自身的抗干扰能力，以便提高电源应用的灵活性，PWM控制上，开关电源设计后，将其改为数字化集成芯片，提高主控器的控制作用。
3.2.2 然后是功率级电路设计，分为输入整流模块和共模电感。整流模块负责开关电源与电网的连接，实现交流到直流的变化，抑制雷电在电力系统中的浪涌冲击。共模电感在开关电源中，起到保护作用，利用共模电感，消除寄生效应，还能排除高频对地电流的干扰。
3.2.3 最后是智能控制电路在开关电源中的设计，其为开关电源的最高端，完成环路控制、系统保护等，目的是确保开关电源设计和运用的准确性。环路控制是智能控制电路在大功率高频开关电源设计中的核心，相应电源应用的速度，提供智能调节的作用，能够实现大量数据的运算，保障电路的运行安全，尤其是过压保护、过温保护、过流保护等，完善大功率高频开关电源的设计方式。
3.3 软件电路
重点做好核心控制器的选择，确定系统编程环境与编程语言，例如C语言具有较强的可读性和移植性，代码效率高。数字式开关电源需要利用核心控制器程序进行编写，可分为自顶向下程序设计与自底向上程序设计两种，可根据实际需求选择。为提高开关电源程序阅读性与移植性，可以利用模块化进行设计，即对每个模块进行细分，将基于硬件底层驱动代码封装成多个小模块。设计后整个程序主要包括应用层、处理层、驱动层与物理层四部分，系统程序具有更好的易读性与移植性。其中，通过两位拨码开关来对电源运行状态进行设置，高位表示离线或在线模式，低位表示恒流或恒压模式。
综上所述，当下，大功率高频开关电源现在已经被广泛的应用到军工设备、LED照明、通讯设备、科研设备、电力设备等领域，具有功耗小、效率高的优点。因此，在实际中，对大功率高频开关电源设计进行分析时，需要基于开关电源所具有的特点，结合其运行原理，以满足实际运行需求为目的，做好硬件和软件部分电路设计，提高系统程序稳定性和可靠性。
参考文献
[1]孟凡宇.高频开关电源设计研究[D].天津理工大学,2014.
[2]王朝辉.开关电源结构及高频变压器优化设计研究[D].湖南科技大学,2014.
[3]郑武.高频大功率开关电源电磁兼容设计与实现[J].安徽电子信息职业技术学院学报,2014,06:26-30.
[4]李彦飞.低压大电流高频开关电源的研究与设计[D].西安电子科技大学,2014.
[5]何文志,丘东元,肖文勋,张波.高频大功率开关电源结构的热设计[J].电工技术学报,2013,02:185-191+218.
[6]张洁喜,杨柏梅,杨东,郑子元.高频开关电源输出滤波电路的设计及研究[J].电气应用,2013,20:113-116.
论文作者:史川伟1,许伟2
论文发表刊物:《基层建设》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/3
标签：开关电源论文; 电路论文; 电压论文; 结构论文; 电源论文; 拓扑论文; 电感论文; 《基层建设》2017年第19期论文;