摘要：随着社会的不断发展，人们的生活水平不断提高，应用在人们生活中的各类电子设备也大大增加。因此，开关电源的重要性正在日益凸显。开关电源具有重量轻、体积小、效率高等优势，尤其是高电压大功率开关电源，已经成为当前电子电力学领域中的主要发展和研究方向。而在开关电源当中，拓扑电路的设计是至关重要的，它会直接影响到开关电源的性能。
关键词：高电压；大功率；开关电源；拓扑电路
开关电源就是通过现代电子技术，对半导体开关器件进行开通和关断的时
间比率进行控制，维持稳定输出电压的一种电源，主要是由控制电路和功率拓扑电路所组成。近年来，随着控制理论、磁性材料、功率型半导体、电源技术科技的发展，开关电源的研究与设计技术得到了很大的提高，逐渐成为了各类电源系统和电子电力技术中的核心。
1高电压大功率开关电源拓扑电路的工作原理
以高电压大功率开关电源拓扑电路的技术指标为基准，发电机组输出线电压为220V的三相工频交流电。首先会通过滤波电容、三相不控整流桥进行滤波和整流的处理，使三相交流电转换为直流电。然后直流电压输入到高频变换器中，高频变换器中的两个桥臂是由四个IGBT构成，将输入的直流电压进行逆变，使其转换为高频方波电压。之后高频方波电压输出至高频变压器，进行升压操作。两副边分别将相位相同、幅值相等的两路高频电压方波进行输出。其中高频变压器的作用就是将原副边进行隔离，以及对方波电压就行升压操作。然后，这两路高频方波电压分别通过滤波电路和单项整流桥，从而转变为直流电。
在这个过程中，两组变压器副边输出的电路是一致的，这两路直流电中电流和电压的相位和幅值都是相同的。对相应继电器进行导通或关断的操作，可以构成并联模式或串联模式两种。电流在经过滤波电容的稳压和滤波处理后，输入到第二级变换器当中，然后第二级变换器会向负载输出可变频率的方波电压。第二级变换器与高频变换器在工作模态上是相类似的，不过，第二级变换器的工作频率要比高频变换器的工作频率低很多。
2开关电源拓扑结构
2.1非隔离开关转换器
对于小功率DC/DC转换器(例如100W以下)，实际上用开关晶体管、开关二极管、电感、电容各一个，就可以组成一台非隔离式DC/DC转换器，是各种DC/DC转换器中最简单的拓扑。其主电路的核心是三端PWM开关，它表示DC/DC转换器PWM开关组合。
2.1.1降压型拓扑结构
降压型DC/DC转换器将输入电压变换成0≤U0≤Ui的稳定输出电压，所以又称降压开关电源。图1为降压型DC/DC转换器的典型电路。Ui为输入电源，通常为电池或电池组。S是主开关管，二极管D是辅助开关管，也称为整流管，一般使用具有较低正向导通电压的肖特基二极管。S是由来自控制电路的脉冲信号控制开关。RL表示负载电阻。
在一个开关周期中，首先，在控制电路作用下S导通，二极管因受反向偏压而截止，电流由电池流经S、电感L到电容C和负载。电感电流持续上升，电感储能在增加，能量由电池传送到电感并存储在电感中；第二阶段，控制电路使S截止，切断电池和电感元件的连接，于是电感产生感生电动势使电流维持原来的流向，二极管D导通，为电感电流构成通路，电流由电感L流向电容C和负载，电感电流随着时间而下降，能量由电感流向负载。
2.1.2升压型拓扑结构
升压型DC/DC转换器将输入电压变换成较高的稳定输出电压，又称升压开关电源。如图2是升压型开关电源的典型电路。Ui为输入电源，S是主开关管，D是整流管。该电路的每个开关周期同样可分为两个阶段：第一阶段，S导通，忽略开关管的正向导通压降，D截止。此时，电感电流线性上升，能量从输入电源转换成磁场能存储在电感L中，负载RL上得到的电压由电容C提供；第二阶段：S截止，电感电流开始线性下降，能量由电感元件流向负载。
2.2非隔离开关转换器
隔离式是指输入端与输出端电气不相通，通过脉冲变压器的磁耦合方式传递能量，输入输出完全电气隔离。
2.2.1单端反激式DC/DC转换器
开关电源电路中所谓的单端是指转换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激是指当功率调整管T导通时，变压器N在初级绕组中储存能量；当功率调整管T截止时，变压器N通过次级绕组向负载传递能量。即原/副边交错通断。这样可以避免变压器磁能被积累的问题，但是由于变压器存在漏感，将在原边形成电压尖峰，可能击穿调整管T，因此需要设置RCD缓冲电路。单端反激式DC/DC转换电路如图3所示。反激电路不应工作于负载开路状态。
2.2.2单端正激式DC/DC转换器
单端正激式DC/DC转换电路如图4所示。从电路原理图上看，正激式与反激式很相似，表面上只是变压器同名端的区别，但工作过程不同。当T导通时，变压器N的初级和次级绕组同时导通，向负载传送能量，滤波电感L储存能量；当T截止时，电感L通过二极管D1继续向负载释放能量。
图4单端正激式DC/DC转换电路
2.2.3推挽式DC/DC转换器
推挽式DC/DC转换电路如图5所示。这种电路结构的特点是：变压器原边是两个对称线圈，两只功率调整管接成对称关系，轮流通断，工作过程类似于线性放大电路中的乙类推挽功率放大器。
3高电压大功率开关电源拓扑电路的设计
以高电压大功率开关电源拓扑电路设计参数和大功率SEP发射机的技术参数为标准，可以通过计算得出第一级直流母线的电压理论值为311V。同时，由于SEP发射机的能够在100V-1000V的范围内进行电压输出，因此通过估算可以得出高频变压器的变比大约为1:4。以1:4的变压比来对高频变压器的升压进行计算，可以得出如果第二母线输出电压是100V，那么通过计算可得出PWM在高频变换器中的占空比为0.08。以上计算结果是基于第一级母线电压的实际值和理论值之间的比例不变的情况而得出的。因此，如果第一级母线电压的实际值与理论值相比有所下降的，那么PWM在高频变换器中的占空比将会低于0.08。在这种情况下，由于占空比过小，导致功率开关管只能在很短的时间内导通。在这种情况下，如果负载电流较大，功率管非常容易因为过电应力损坏，同时还会产生较为强烈的电磁干扰现象。此外，这种情况还会造成系统控制的延迟现象，使得系统运行的可靠性和稳定性大大降低。但是，从大功率半导体器件的角度来看，对于高电压大功率开关电源的拓扑电路来说，当前所应用的一些诸如快恢复整流桥等大功率半导体器件，已经无法很好的满足其拓扑电路设计要求的过流能力和耐压能力。
因此，应当在传统的大功率开关电源的拓扑电路基础上，结合大功率发射机的相关技术指标，对其进行改进和优化，从而设计出适用的高电压大功率开关电源拓扑电路。将新设计的高电压大功率开关电源拓扑电路与传统的大功率开关电源拓扑电路进行对比，可发现在新设计的高电压大功率开关电源拓扑电路中，将高频变压器由过去的单副边输出转变为双副边输出，同时配备了滤波电路和整流电路，分别设置A、C和B、D四个输出端，如果CD两端直接相连，将AB两端作为输出，则构成了串联模式。如果将AD两端进行连接、BC两端进行连接，将AB两端作为输出，则构成了并联模式。相比于传统大功率开关电源的拓扑电路，新设计的高电压大功率开关电源拓扑电路的优势在于，在串联模式下，可以进行高电压的输出，而在并联模式下，则可以进行大电流和低电压的输出。这样，就能够防止出现功率器件无法对设计电流和电压进行满足的问题。高频变压器副边需要确保一致，才能使得串联模式和并联模式更好的发挥作用。
结语
高电压大功率开关电源拓扑电路在当前的工业生产和人们生活中的诸多领域的应用都十分的广泛，起着十分关键的作用，其安全性和稳定性十分重要。因此，在对高电压大功率开关电源拓扑电路进行设计的过程中，首先应当加强对其工作原理的研究，掌握其运行规律以及运行过程中容易出现的问题。然后采取相应的措施和正确的设计方案，结合其实际用途和原理参数等资料进行设计。最终使高电压大功率开关电源拓扑电路能够得到进一步优化和完善，充分的发挥起作用。
参考文献：
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[4]张文利.高压大功率开关电源技术的研究[D].中国科学院研究生院（电工研究所）,2013.
论文作者:詹涛
论文发表刊物:《电力设备》2017年第9期
论文发表时间:2017/8/2
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