（航天长峰朝阳电源有限公司 辽宁 朝阳 122000）
摘 要：研制高效率、宽范围输入的电源产品是当前电源技术的主要发展方向，该技术主要应用于太阳能电池板、铅酸蓄电池、锂离子电池等供电的逆变电源系统，对提高系统的可靠性具有重要的意义。本文基于全闭环推挽式电源的设计要点、功能和原理进行了分析，实际应用表明，全闭环推挽式电源效率高、输入范围宽、性能稳定、可靠，应用广泛。
关键词：高效率、宽范围输入；设计要点；功能和原理；应用。
近年来，随着科技的发展，各行业对太阳能电池、铅酸蓄电池、锂离子电池等的应用越来越广泛，对其供电系统也有了更高的要求，从输入供电范围，电源产品的效率以及电源的环境适应性等方面都提出了具体要求。而传统的电源产品设计通常采用硬开关式推挽电路，两级式串联结构，前级的隔离升压电路由电池供电，工作在低压大电流状态，效率较低，因此，研究如何提高前级电路的转换效率是非常重要的。
1 全闭环推挽式电源的设计要点
本文介绍了一款高效率、宽范围输入电源，其中主变换电路采用一种宽范围全闭环高效推挽升压电路形式，该电路可实现较宽的输入电压范围内全闭环输出稳压，并实现开关管的软开关。该电路的特点是：谐振电感与谐振电容组成第二谐振网络，使开关管零电流关闭，能将低压直流电高效转换为高精度的高压直流电。
2电源电路组成、功能及原理分析
2.1功率电路
2.1.1功率电路组成
功率电路由输入电容、输入电感、开关管、谐振电容、谐振电感、升压变压器、整流桥和输出电容组成。
2.1.2功率电路各组成部分功能
1） 输入电容：对输入的直流电压进行滤波并储能；
2） 输入电感：一是对输入浪涌电流进行抑制；二是与开关管漏源极结电容组成第一谐振网络，使开关管实现零电流关闭；
3）谐振电感与谐振电容：组成第二谐振网络，使开关管零电流关闭，开关管采用两只高速MOS管以降低关断损耗；
4） 升压变压器：为高频铁氧体功率变压器，实现交流电压的生压转换。
5）整流桥和输出电容：共同组成输出整流滤波网络，可将交流信号转换成脉动的直流信号。
6） 开关管：模块的开关管控制信号采用交替式控制信号分别控制两个开关管，每个开关管的控制信号的占空比最大不超过0.5。当输入电压变化时，控制电路通过电压反馈调节控制信号的占空比实现输出稳压。为实现开关管零电压开通，必须保证控制信号的死区时间正好等于开关管漏源极问寄生电容充放电所需时间，为实现开关管零电流关闭，必须保证谐振周期为开关周期的两倍，这样使开关管在较宽的输入电压范围内实现软开关。
2.1.3功率电路原理分析
功率电路原理图见图1。输入电压为24V，范围18~36V，输出电压360V，功率1000W。图中Cin为输入电容，L为输入电感，开关管选择FQA90N15，电感L与开关管FQA90N15的结电容C1、C2组成第一谐振网络，C1、C2的容值为1400pF，L取5μH，谐振周期为24nS,调节 U1的11脚电阻Rd，使死区时间为24nS，以满足开关管ZVS条件，谐振电感Lr与谐振电容Cr组成第二谐振网络，开关周期为20μS，谐振周期应设定为两倍开关周期，谐振电感Lr取1μH，谐振电容Cr取25 pF，以满足开关管ZCS条件。Tr为升压变压器，D1~D4组成输出整流桥，Cout为输出滤波电容。模块在满载1000W的情况下，在整个输入范围18~36V内的转换效率最低为92.6%，最高为93.2%，实现了全范围ZVS+ZCS软开关。
图1电源功率电路原理图
2.2 控制电路
2.2.1控制电路组成及原理分析
控制电路组成及原理图见图2。图中U1为控制芯片SG3526。SG3526是一款专用于开关电源的双端驱动控制芯片。将控制芯片的时钟频率设置为100KHz，则开关管的驱动信号频率为时钟频率的一半50 KHz，折算成周期为20μs。U1的11脚外接一支电阻Rd，调节其阻值就可以得到相应的死区时问。使死区时间正好等于开关管漏源极结电容充放电所需时间。使开关管实现ZVS。
图2电源控制电路原理图
输出电压经R4和R5分压后，由U3（比较器）与给定基准电压比较控制U2（光耦），从而控制U1的2脚电压。U1的2脚为PWM运算控制器的反相输入端，与1脚比较后调节PWM的占空比，从而达到控制输出电压的目的。
2.2.2控制电路工作过程波形图
图3为模块的工作过程波形图，其软开关过程如下：
模式1：[0,t1]Q1在零电压下导通，通过Lr、Cr谐振，当流经Q1的电流谐振到零时，Q1实现零电流关断；
模式2：[t1,t2]Q1关断而Q2还未导通时，通过输入电感L流经变压器剩余的激磁电流，使C1充电至2Vin、同时C2上的电压放电到零；
模式3：[t2,t3]Q2在零电压下导通，通过Lr、Cr的谐振，当流经Q2的电流谐振到零时，Q2实现零电流关断；
模式4：[t3,t4]Q2关断而Q1还未导通，通过输入电感L流经变压器剩余的激磁电流，使C2充电至2Vin、同时C1上的电压放电到零。至此一个工作周期结束。
图3电源工作过程波形图
3电源热设计
电源的温升是影响可靠性最重要的因素之一，而影响电源温升的因素主要是电源的效率、电源壳体的散热面积及传导的热阻。因此，在进行电源的设计时，把重点放在提高电源的效率上，主功率器件采用进口开关管，效率可达90%以上。考虑电源的实际工作状态，主要是通过传导方式将热量传递到外壳上，功率较大时利用风冷强制散热。在设计时，将电源内部的发热器件通过螺钉紧固在外壳的内壁上，最大程度地减小了热阻，使其能通过传导方式散热，避免热源集中，损坏器件。
4环境适应性设计
电源采用六面金属屏蔽式集成一体化设计，内部进行硅橡胶灌封加固，大大提高了产品的抗冲击和振动能力，进一步加强了产品抗湿热、霉菌和盐雾的能力，该设计形式也使电源具有良好的电磁兼容性。
5设计验证
本次研制的宽范围全闭环推挽式电源产品，经过全性能参数检验和相关环境试验，产品各项参数满足行业标准要求，尤其输入范围可达到DC10V～DC40V；效率高达90%以上。目前采用该技术生产了多个项目产品，广泛应用于由太阳能电池板、铅酸蓄电池、锂离子电池等供电的逆变系统中，产品性能稳定、质量可靠可靠。
参考文献
[1]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计.北京电子工业出版社.1998
[1]黄启程；贾晓宇；陈敏；胡长生；徐德鸿.谐振双向DC/DC变换器频率跟踪控制.电源学报.2014年12期.
[2] 李爱文，张承慧.现代逆变技术及应用.北京科学出版社.2000
作者简介：
李凤军，女，1970年生，本科，主要研究方向：新型集成一体化电源
论文作者:李凤军
论文发表刊物:《科技中国》2016年4期
论文发表时间:2016/6/22
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