移相全桥软开关高频高压交流电源的设计
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摘要
本文就移相全桥软开关高频高压交流电源的结构、基本工作原理进行了分析，研制了一台输出功率为5kW，输出电压为20kV，频率为25kHz的高频高压交流电源。
目前为止，高频高压电源主电路结构多采用PWM硬开关控制方式，功率开关器件在开关瞬间承受大的电流应力和电压应力，其开通和关断过程损耗较大，从而使高频高压交流电源的效率下降。本文采用移相式软开关技术，以现代电力电子器件IGBT作为功率开管器件，应用PWM控制技术，设计了新型高频高压交流电源来解决现行电源的能量损耗问题。
本文给出了移相全桥PWM交流电源主电路拓扑，对移相全桥软开关高频交流电源的逆变环节做了详细的研究，介绍了IGBT的结构原理，特性和开关过程，选用日本富士公司的EXB841快速型IGBT专用驱动模块来驱动IGBT，根据变压器的设计原则给出了逆变器的变压器原副边匝数，通过仿真分析确定了输出滤波电路各元器件的参数。移相脉冲的产生采用ML4818专用移相控制芯片，主电路控制器选用专用于PWM移相变换的新型控制芯片UCC3895，给出了控制器的软启动方法，分析了全桥逆变器的两种控制方法，结合高频高压交流电源的性能要求选用单极性移相控制方法，实现了周波变换器的ZVS开关。
根据分析采用Pspice软件对开关电源控制器设计及逆变器主电路进行了仿真，给出了逆变器输出电压波形及主功率管消耗功率波形图，并分析了能量损耗的来源，验证了软开关技术在高频高压交流电源中应用的优越性。初步实验结果证明本文研制的电源达到了设计要求。
The structure and principle on phase-shifted soft-switching high frequency& voltage alternating current power supply was analyzed in this thesis. And a high frequency& voltage alternating current(AC) power supply with 5kW output power, 20kV output voltage at frequency of 25kHz has been designed.
Most of the main structure of high frequency & voltage power supply adopts the hard-switching PWM in the current time, so the power switches have to endure big stresses of current and voltage and the loss of power results in the low efficiency. This thesis has applied phase-shifted soft switch technology and put Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) as the switch device in order to solve the energy-loss problem.
The topology of main circuit power supply has been presented and the invert part of the phase-shifted soft-switching high frequency AC power supply has been deeply analyzed. And the structure, character and turn-shut of IGBT is introduced in details. And the driving circuit and the protected circuit of IGBT are presented, and the power supply adopts EXB841 as the driving circuit of IGBT. According to the principle of the transformer designing, the circles of primary side and second side have also been given out. By simulation analysis, the parameters of output filter are calculated. The power supply adopts ML4818 to make shifted phase and UCC3895 as the main circuit controller, he soft-start method of controller and two control methods of full bridge are also introduced in details. Combined with the requirement of high-frequency and high-voltage inverter power supply, the method of single-stage of phase shift has been adopted.
In the end, the thesis uses PSpice to simulate the main circuit of the inverter. By giving out the Zero-Voltage-Switching waveforms of phase-shifted soft-switching inverter, we could realize that the high-frequency high-voltage inverter power supply with soft-switching has the more advantages. And the loss power waveform of the main switch is also given out. The thesis also analyzes the source of the energy loss. The thesis provides the good suggestions in designing soft-switching high-frequency high-voltage alternating current power supply. The experiment results have been given out to prove the power supply is available.
目前为止，高频高压电源主电路结构多采用PWM硬开关控制方式，功率开关器件在开关瞬间承受大的电流应力和电压应力，其开通和关断过程损耗较大，从而使高频高压交流电源的效率下降。本文采用移相式软开关技术，以现代电力电子器件IGBT作为功率开管器件，应用PWM控制技术，设计了新型高频高压交流电源来解决现行电源的能量损耗问题。
本文给出了移相全桥PWM交流电源主电路拓扑，对移相全桥软开关高频交流电源的逆变环节做了详细的研究，介绍了IGBT的结构原理，特性和开关过程，选用日本富士公司的EXB841快速型IGBT专用驱动模块来驱动IGBT，根据变压器的设计原则给出了逆变器的变压器原副边匝数，通过仿真分析确定了输出滤波电路各元器件的参数。移相脉冲的产生采用ML4818专用移相控制芯片，主电路控制器选用专用于PWM移相变换的新型控制芯片UCC3895，给出了控制器的软启动方法，分析了全桥逆变器的两种控制方法，结合高频高压交流电源的性能要求选用单极性移相控制方法，实现了周波变换器的ZVS开关。
根据分析采用Pspice软件对开关电源控制器设计及逆变器主电路进行了仿真，给出了逆变器输出电压波形及主功率管消耗功率波形图，并分析了能量损耗的来源，验证了软开关技术在高频高压交流电源中应用的优越性。初步实验结果证明本文研制的电源达到了设计要求。
The structure and principle on phase-shifted soft-switching high frequency& voltage alternating current power supply was analyzed in this thesis. And a high frequency& voltage alternating current(AC) power supply with 5kW output power, 20kV output voltage at frequency of 25kHz has been designed.
Most of the main structure of high frequency & voltage power supply adopts the hard-switching PWM in the current time, so the power switches have to endure big stresses of current and voltage and the loss of power results in the low efficiency. This thesis has applied phase-shifted soft switch technology and put Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) as the switch device in order to solve the energy-loss problem.
The topology of main circuit power supply has been presented and the invert part of the phase-shifted soft-switching high frequency AC power supply has been deeply analyzed. And the structure, character and turn-shut of IGBT is introduced in details. And the driving circuit and the protected circuit of IGBT are presented, and the power supply adopts EXB841 as the driving circuit of IGBT. According to the principle of the transformer designing, the circles of primary side and second side have also been given out. By simulation analysis, the parameters of output filter are calculated. The power supply adopts ML4818 to make shifted phase and UCC3895 as the main circuit controller, he soft-start method of controller and two control methods of full bridge are also introduced in details. Combined with the requirement of high-frequency and high-voltage inverter power supply, the method of single-stage of phase shift has been adopted.
In the end, the thesis uses PSpice to simulate the main circuit of the inverter. By giving out the Zero-Voltage-Switching waveforms of phase-shifted soft-switching inverter, we could realize that the high-frequency high-voltage inverter power supply with soft-switching has the more advantages. And the loss power waveform of the main switch is also given out. The thesis also analyzes the source of the energy loss. The thesis provides the good suggestions in designing soft-switching high-frequency high-voltage alternating current power supply. The experiment results have been given out to prove the power supply is available.
引文
[1] 阮新波，严仰光．直流开关电源的软开关技术．北京：科学出版社，2000
[2] 孙进，侯振义．交流电源技术及其发展概况．电源世界，2006，27(04)：28—30
[3] 周志敏，周纪海，纪爱华．交流电源实用技术．北京：中国电力出版社，2005．3
[4] 赵艳雷，童建忠．机场助航UPS中逆变器的设计．微计算机信息，2004，20(7)：106—107
[5] 傅晓帆．单相Boost型功率因数校正技术的研究．(硕士学位论文)．贵阳：贵州大学．2006．5
[6] 陈伟凡，黄锦福．高频开关电源的原理及关键技术．电新技术，1997．9
[7] 张占松，蔡宣三．开关电源的原理与设计．北京：科学出版社，1998
[8] 吴滔．绝缘栅双极晶体管(IGBT)的研究与设计．(硕士学位论文)．杭州：浙江大学，2005．2．
[9] 李振民，刘事明．IGBT驱动及短路保护电路研究．电测与仪表2002，39(438)：48—50
[10] 王增福，李昶，魏永明．软开关电源原理与应用．北京：电子工业出版社，2006．4
[11] 王聪．软开关功率变换器及应用．北京：科学出版社，2000：49-93
[12] 陈坚编著．电力电子学一电力电子变换和控制技术．北京：高等教育出版社，2002
[13] 飯国元久[日]．滑走路诱導灯洗净装置．三和株式会社．东京：东京特许电子图书馆，2005．5
[14] 西村昌宏[日]．诱導灯．三洋鼋机株式会社．束京：东京特静电子图书馆，2005．10
[15] 大西孝典[日]．电源装置．株式会社．束京：东京特静电子图书馆，2007．1
[16] 袁波．移相式PWM软开关高压交流电源的电路设计与分析．工程论坛．2005，(17)：178—179
[17] 大森整[日]．検证装置検证方法．独立行政法人理化学研究所．东京：束京特许电子图书馆，2004．10
[18] 郝润科，杨一波．绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动及保护电路的研究．上海理工大学学报，2004，26(3)：283—285
[19] 孟志强，陈燕东，周华安．基于EXB841的IGBT驱动电路优化设计．湖南大学学报．2006．
[20] 吕广红，黄崇林．助航灯调光器的抗干扰实用检测电路．茂名学院学报．2004．11
[21] 王鸿麟，段景汉．相位调制PWM变换器与ML4818、UC1875的应用．国外电子元器件，1997．10 12
[22] 陈道炼．DC-AC逆变技术及其应用．北京：机械工业出版社，2003
[23] 萧岚．谐振直流环节单相逆变器的参数设计．电力电子技术，1998，(9)4：30—33
[24] 卫三民，李发海．一种大功率IGBT实用驱动及保护电路．清华大学学报，2001，41(9)55—58
[25] 梁诚，屈丰，张涛．移相控制ZVS全桥变换器的改进．采矿技术，2006，6(3)：480—482
[26] 陈志洋，邹云屏．移相全桥DC／DC变换器动态建模研究．电源技术应用，2002，5(7)：21—24
[27] 王诗颂，李伯全．一种PWM控制的高频DC／AC逆变器的仿真模型．电器技术，2005．20—25
[28] 欧阳长莲，严仰光．全桥变换器中PWM控制与移相控制的比较：电力电子技术，1996．3，83-86
[29] 孙强，方波，张维娜．移相全桥PWM开关电源控制器设计与仿真研究．西南理工大学学报．2006．3
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[33] 过光男[日]．液晶表示装置光源驱动装置．株式会社．东京：东京特许电子图书馆，2002．8
[34] 刘凤君．正弦波逆变器．北京：科学出版社，2002
[35] 宫崎忍外[日]．高周波加热装置电源制御回路．田渊电机株式会社．束京：东京特许电子图书馆，2004．12
[36] 张立．现代电力电子技术基础．北京：高等教育出版社，2000
[37] 中川達也[日]．高周波加热装置用电源．株式会社东芝．东京：东京特许电子图书馆，2000．4
[38] 包伟，蔡宣三．利用PSPICE研究PWM开关电源．新技术应用，1995(2)：25-31
[39] 贾新章，武岳山．OrCAD／Pspice 9实用教程．西安：西安电子科技大学出版社，2001
[40] 高伟涛．Pspice8.0电路设计实例精粹．北京：国防工业出版社，2001
[41] 郑光钦．混合电路仿真PspiceA／D V9．北京：中国铁道出版社，2000
[42] 马宁，陈莉．开关电源电路的PSPICE仿真．计算机与数字工程，2005，33(11)：32—33
[43] 邱灵，杨春利，林三宝，伍昀．基于移相全桥ZVS-PWM变极性焊接电源的设计．焊接学报，2006，27(7)：65-68
[44] 杭争翔，殷树言，黄鹏飞．逆变交流弧焊电源输出变极性过程．电焊机，2003，33(6)：13-15
[45] 李红英，贺海清．OrCAD／PSpice在高频电子线路中的应用．现代电子技术，2006，17(232)：98—100
[46] 赵涛，姜卫东．利用PSPICE仿真分析PWM控制电路．安徽大学学报，2005，29(5)：49—52
[47] 栗原隆[日]．半導体集稹回路电源电压分布方法．东京：东京特许电子图书馆，2007．3
[48] 桑原祐治[日]．装置半導体集積回路设计方法．松下电器产业株式会社．东京：东京特许电子图书馆，2005．9
[49] 袁邦云．组合式软开关航空交流电源的研究．(硕士学位论文)．西安：西北工业大学，2005．3
[50] 梁颖，游磊，饶蜀华．新型移相全桥ZVS-PWM变换器设计．成都航空职业技术学院学报，2005，2(63)：57—60
[51] 张琦．大功率UPS逆变系统的研究．(硕士学位论文)．武汉：华中科技大学，2005．5
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