电工材料２０１６ Ｎｏ．６ 王艳新等：基于ＺＶＳ开关电源系统的电路设计 ２５ 一气～一电一 一用一一应一一及一 基于ＺＶＳ开关电源系统的电路设计 王艳新，蒋萧泽，吴 函，李家琪，朱 莉 （东北林业大学，哈尔滨１５００００） 摘要：设计开发了基于零电压开关的开关电源电路系统，并对电路系统变换器进行建模分析。结果表 明：该电路系统缩短了逆变器与变压器之间的长度，减小绕组电阻，能有效地提高效率，降低功耗。 关键词：开关电源；零电压开关；电路设计；软开关；大功率 中图分类号：ＴＭ５６；ＴＮ７０２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１．８８８７（２０１６）０６—００２５—０４ ＤＯＩ：１０．１６７８６￣．ｃｎｋｉ．１６７１—８８８７．ｅｅｍ．２０１６．０６．００６ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺＶＳ ＷＡＮＧ Ｙａｎ－ｘｉｎ，ＪＩＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｚｅ，ＷＵ Ｈａｎ，ＬＩ Ｊｉａ－ｑｉ，ＺＨＵ Ｌｉ （Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００￣Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｚｅｒｏ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ（ｚｖｓ）ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｍｏｄｅｌｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｓｈｏｒｔｅｎ ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｂｅｔｗｅｅｎ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｗｉｎｄｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ． Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ａｖａｉｌａｂｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐ－ｆ ｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ；ＺＶＳ；ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｅｓｉｇｎ；ｓｏｆｔ ｓｗｉｔｃｈ；ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ １ 引言 随着科学技术的进步，电子技术在电子设备中 仅需要高效率、小体积，而且要求设计简单、成本 低、不易受谐波干扰。国外一些知名厂家采用新的 耐压结构制作开关电源，这些产品在高功率的情况 下具有较低的功耗。低功耗、高可靠性、高度集成 化、智能化等是今后开关电源的主要研究方向 ］。 本文介绍了开关电源的基本原理，基于ＺＶＳ软 开关技术设计了高效开关电源的主电路，并对电路 系统变换器进行理想情况下和非理想情况的下的 建模分析。 ２开关电源的结构 取得突破性进展。电源是电子设备动力的核心，可 分为线性电源和开关电源。线性电源在输人和输 出端各连接一个欧姆元件，以消耗多余的电能，这 些电能需要通过散热片散发，大功率电源需要大体 积的散热装置；而开关电源，在连续的开断状态下， 只有极少的时间处于高耗散状态，提高了能源的利 用率，减少了能源浪费。 随着小型化、大功率的电子元件的广泛应 用㈣，电子设备对开关电源提出了更高的要求，不 作者简介：王艳新（１９９５一），男（蒙古族），河北围场县人，主要从事 电气工程设计。 收稿日期：２０１６—０６－２８ 开关电源使电网或电池的电能二次转化为符 合电子设备要求的电能，其电路包含直流一直流变 换器、控制器、宽频调制器、驱动器等。典型开关电 源的结构如图１所示。 ２６ 王艳新等：基于ｚｖｓ开关电源系统的电路设计 电工材料 ２０１６ Ｎｏ．６ 图１开关电源的系统结构图 开关电源的控制技术有多种形式，如图２所示， 变换器按占空比可分为定频和变频两种，定制调制 模式（ＰＷＭ）通过改变导通时间调整占空比，变频模 式（ＰＦＭ）则通过调节导通时间或关断时间达到变 频的目的，ＰＦＭ比ＰＷＭ电源效率高、损耗低。 ＰＷＭ的优点在于单环控制，易于电路的调试和补 偿，对输入变化响应速度快，对峰值电流有一定的 限流作用。 图２开关控制方式的分类 ３开关电源电路设计 本研究选用多模块并联的结构，采用单一控制 器。图３为开关电源控制系统图，单一控制器比多 模块多控制器的结构更简单、成本更低。通过设计 电路与装备的一致性保证各模块的均流运行。 图３开关电源控制系统 图４为开关电源的原理图，通过控制器产生的 调制波经过电路调整传输到绝缘栅双极型晶体管 （ＩＧＢＴ），驱动电路和控制电路能有效地保护电源。 ３．１整流电路设计 整流电路通常分为全控整流电路、半控整流电 路以及不控整流电路。本研究选用三相不控整流 电路作为输入整流电路，其控制方式简便、受电网 的谐波影响较小、功率因数高、成本低、可减少整流 后的电压纹波，抑制电流的冲击。 ３．２变换器设计 开关电源中通常采用直流转直流的结构，可提 高工作效率。本设计采用直流转直流变换器，并在 之后加上高频变压器，以实现电能的阻隔和转换； 采用全桥变换结构，以达到开关电源的轻型和高效 率；采用漏感和电容作为调谐元件，起零电压的通 断作用，降低开关应力，减少功耗，效率提升至９０％ 以 ３－３输出电路设计 整流输出电路是将逆变电路经过变压和整流 后变成直流电，整流电路分为半波整流电路、倍流 整流电路和全波整流电路等，其电路结构分别如图 ５～７所示。 表１为３种整流电路的性能对比。由表１可以 看出，半波整流电路的损耗明显大于其他两者，从 元件使用方面考虑，倍流整流电路比半波和全波整 流电路多出一个元件，全波整流电路需要的电感值 较小，能输出更大的电流。综合考虑，设计采用全 波整流电路。 电工材料２０１６ Ｎｏ．６ 王艳新等：基于ＺＶＳ开关电源系统的电路设计 ２７ 厂一一一一一一一一一－＿一一一～一一一一一一一一一一一一一一一一一一ｌ 图４开关电源的原理图 ＿－ － ’ ’ Ｔ Ｔ 载 ＶＤ２ Ｊ 【 ｃｒ； 皇 （负载Ｊ Ｉ Ｊ 图７全波整流电路 图５半波整流电路 表１ ３种输出整流电路的性能对比 比较项 半波整流 全波整流 倍流整流 电感工作频率 输出电感值 Ｌ｛４ ：Ｌｆ２ Ｔ 大电流绕组数量 ２ ２ ３ 大电流绕组节点数量 ４ ５ ６ 整流管损耗 ｐ＝－ｐｘＲ Ｐ＝（１／２＋Ｄ），× Ｐ＝（１／２＋Ｄ）ｆｘＲ 图６倍流整流电路 假设二极管、变压器为理想元件，电容ｃ 与Ｃ］ 相等，电容Ｃ４等于Ｃ２，Ｌ，》Ｌ ，波形分析如图１０所 ４变换器的ＺＶＳ分析 示。电阻和开关为非理想情况时，工作波形如图１ １ 图８为ＺＶＳ移相变换器示意图，建立等效模型， 所示。比较图ｌＯ和图１１可以得出，理想情况下 如图９所示。 ＺＶＳ的有效时间要远高于非理想情况下，占空比丢 ２８ 王艳新等：基于ＺＶＳ开关电源系统的电路设计 电工材料２０１６ Ｎｏ．６ 失时间较大。从工作电路实现软开关的情况出发， 逆变器与变压器之间的长度应该缩短，变压器的等 效电阻应该减小，应使用正向降压较低的二极管， 增加ＺＶＳ的范围。 ＶＤ２ ５结语 图８ ＺＶＳ移相变换器示意图 本文讨论了高效开关电源系统的电源电路方 案，设计了基于ＺＶＳ的开关电源的电路系统结构， Ｒ Ｒ Ｌ ｉ’２ Ｌ’２ Ｄ’Ｒ２ （ａ１变压器等效原理图 图９变压器等效模型 （ｂ１变压器等效原理简化图 Ｑ １ ｌ Ｑｄ ． Ｑ２ Ｉ Ｑ ｌ ：Ｑ。ｌ 一 ｌ Ｑ４ ｆ Ｉ Ｑ ｆ ． Ｉ Ｑ ＝Ｉ ｌ Ｑ１ ｌ ｌ Ｑ４ 鸯 迄． Ｌ ＼ ｃｔ 《 ／ ＼ 一 ＼ ．｜ ．１ ：一 ０ ●＼ ）《 ）（ ＼一 ． ］ 厂图１１非理想情况下ＺＶＳ的工作波形 一 ｊｒ 图１０理想情况下ＺＶＳ的工作波形 建立了变压器的等效模型，分析了理想情况和非理 想情况下的丁作状态。从移相全桥逆变电路实现 软开关的角度考虑，当逆变器与变压器之问的长度 变短，绕组电阻变小，使用正向压降较低的二极管 时，开关管能实现更大的Ｔ作范围，并有效地提高 电路系统电源效率。 参考文献： ［１］葛坤，沈军霞．开关电源可靠性设计研究［Ｊ］．电子世界，２０１６（１２）： ｌ５７．１５９． ［３］张纯亚，何林，章治国．开关电源技术发展综述Ⅲ．微电子学，２０ｌ６ （０２）：２５５—２６０，２７２． ［４］孙梅迪，王辉，李幸．基于高频矩阵变换器的新型开关电源［Ｊ］．电 气传动，２Ｏ１６，４６（５）：５３－５６． ［５］ 曾敏，徐超鹏，张艳杰．开关电源模块设计及其并联均流研究 『Ｊ１．电力电子技术，２０１６，５０（０５）：６９—７１． ［６】程将南，郑可迪．基于ＤＳＰ的单端反激式开关电源的建模与分析 ｆＪ］．通信电源技术，２０１６，３３（０３）：９—１０． ［７］王聪，牛皓 博，等．基于Ｉｓｉｇｈｔ的开关电源近似建模研究［Ｊ］．电 器与能效管理技术，２０１６（１０）：１８－２１ ［８］朱学政，张一鸣，张玉涛．基于ＺＶＳ软开关技术的３０ｋＷ大功率开 ［２］王元月．基于ＡＲＭ的ＢＵＣＫ型开关电源的设计［Ｊ］ｌ电子设计工 程，２０１６，２４（０８）：１７４—１７７． 关电源设计 ．电气自动化，２０１６，３８（０２）２：２０—２１