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【摘 要】本文首先阐述了电源开关工作模式及软开关技术，然后对影响高压软开关充电电流大小的因素进行分析，最后探讨了高压软开关充电电源谐振参数设计及控制策略，以供同仁参考。
【关键词】高压软开关；充电电源设计
一、前言
开关电源是一项电子化技术，其使用功率转换器实现电能间的转换，转换后的电能用来满足各方面用电的需要。而高压软开关充电电源替代了传统意义上笨重工频的变压电源，缩小了电源自身体积。电源控制的电子设备处于开启状态，提高整机的效率。其较线型电源重量更轻、体积更小、效率更高，在计算机、电视机、自动化控制设备、通信设备等各领域得到广泛的应用。本文首先阐述了电源开关工作模式及软开关技术，然后对影响高压软开关充电电流大小的因素进行分析，最后探讨了高压软开关充电电源谐振参数设计及控制策略，以供同仁参考。
二、开关电源基本工作模式及软开关技术
开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作方式多用于开关稳压电源。控制类回路在将开关高压 T 动脉冲提高的同时，要实现电压稳定输出的控制，此外还要保护负载和电源元件。其通常是由检测放大型电路、震荡时钟电路、电压脉冲转换 V/W 电路及自用的电压等电路组合而成。
目前的电力电子设备发展主要趋势为轻量化。小型化，且对于装置效率和电磁的兼容问题要求更高。通常，变压器、滤波电感及电容在装置重量和体积中所占比例较大。所以，要达到装置的小型化、轻量化，就必须想办法降低他们的体积与重量。由“电路”的相关知识可知，工作效率的提高可以使变压器绕组间匝数减少，同时还可以使铁心体积减小，从而让变压器往小型化发展。因此高频化电路是设备轻量化、小型化的有效途径。然而在提高开关频率的同时，增加了开关的损耗，使电路运行效率降低，增大了电磁的干扰，可以知道简单提高电源开关的频率并不能从根本上解决问题。软开关相关技术的出现能够使这些问题得到解决，其主要利用谐振辅助转换电流的手段，解决了电路中开关的损耗及噪声等问题，大幅度提高了开关频率。
三、影响高压软开关充电电流大小的因素分析
（1）激磁电流没有经过整流输出端，所以只有部分原边谐振电流经过整流输出端，这样就使得输出电压升高时，输出电流会逐渐减小。
（2）变压器的分布电容对充电电流的影响分析。分布电容的电流ic-Cdu/dt，C是分布电容，u是分布电容的电压。当变压器在高频高压状态下工作的时候，未经过高压整流输出端的Cdu/dt会随着输出电容电压的升高而增大，这样就会使输出电容电压升高导致输出电流减小的现象发生。
（3）串联谐振频率对于充电电流的影响分析。当fr越大的时候，ic也就越大，分布电容c就会对输出电流产生更大的影响；以此同时im越小对输出电流的影响就越小。如果谐振参数按照小电流输出设计，则im与C就会使得当电容电压升高时充电电流迅速减小，如果ic和im之间设计的电流相等，那么此时充电失败，原因是充电机不能够输出电流。
我们采取以下的变压器设计原则，以减少在小电流充电过程中，im与C对充电电流产生的影响：第一，在变压器漏抗允许并且绝缘的情况下，增加变压器一次侧及二次侧的绕组匝数以增加激磁电感；第二，绕组要尽可能采用锥形绕法，因为高压升压变压器会对充电器输出电流产生很大影响，通过增加高压侧绕组层数及增大层间距的方式可减少分布电容，提高变压器的层间绝缘，而且还不会增加变压器的体积。
四、高压软开关充电电源谐振参数设计及控制策略
在高压软开关谐振技术中适合于电容脉冲充电的是谐振串联电路，其输出结果近似看做恒流源（等台阶充电），其优点为充电的效率较高，且可以保护固有的短路。因为电源的功率过大，全桥电路且高频变压器副边采取整流桥二极管整流。直流（经过市电整流的）电压经电路而逆变成频率较高的交流方波电，该种高频交流方波电经过高频的变压器升压，经过二极管的整流桥进而得到稳定的电流，给电容充电。设：IGBT开关的频率为 fs，谐振的频率为 fr。谐振串联变换器工作方式以 fs的大小主要有三种方式：第一种方式（fs<fr/2）电流处于断续的工作状态，该方式开关的损耗较低且受到的干扰较小，可以达到电路开通时维持电流上升缓慢增的效果，断开时电流为 0切断；第二种方式（fr＞fs＞fr/2）电流处于连续的工作状态，实现电流为零切断。但在开通过程中，同一个桥臂的两开关有强制换流现象，所以开关的损耗和干扰较大；第三种方式（fr＜fs）电流处于连续的工作状态，零电压开通和切断，损耗和干扰很大。由于线路有电感，因此在断开时造成电压的尖峰过高，很容易造成开关损坏。
由于高压软开关需要在电网负载电压过高以及电网电压波动时仍然会按照要求输出充电电流，但是Zm的增大以及C的减小都有一定限制，所以我们就要提高充电器的电流输出能力。采取测量变压器激磁电抗Lm的方式，再根据实际工作的情况估算出分布电容C，最后要保证在谐振参数的设计过程中对充电电流留出一定溢出量。
我们可以采取下列方法进行控制：充电装置在高输出电压下输出恒定电流，在低输出电压下输出大于恒定电流的电流值，这就要求对充电电流的平均值采用定宽调频的控制方式进行调节。原理是Lm上的电压与输出电压成正比例关系，变压器能够在低频状态进行工作，所以此方法能够采用。开关频率随着电压的起伏而正比例的起伏，就能够保证整个充电过程不会出现饱和的现象，并且充电电流一直处于恒定状态。采取软开关时候IGBT中通过的电流峰值要大许多，如果IGBT在故障状态下出现瞬间断开现象，那么IGBT就会极容易受到两端产生的较高的尖峰电压的损害。为此，我们可以按照图1中的软开关保护电路，能够避免出现尖峰电压。
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图1 故障保护电路示意图
五、结语
总之，我们应在系统学习开关电源原理的基础上，了解软开关电源的主要设计过程及其相关方法；采用软开关电路的定宽调频的控制技术，能够有效提高充电电源的充电稳定性及精度、抗短路能力。
参考文献：
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论文作者:王刚
论文发表刊物:《低碳地产》2016年13期
论文发表时间:2016/11/3
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