一种半桥串联谐振低纹波高稳定度开关电源
1 前言
随着磁控管在脉冲多谱勒天气雷达发射机中的应用，对高压电源的稳定度、纹波、可靠性及体积、重量等都提出更高的要求。对串联谐振式高压电源设计中碰到的低频振荡以及降低输出纹波的介绍，目前国内这方面的文章很少。本文介绍的低纹波高稳定度开关电源，采用PFM 控制的半桥申联谐振逆变电路，开关管工作在零电流状态，具有开关应力小、效率高、纹波中尖刺少及不怕负载短路的优点。选用日本三菱公司的IGBT(CIGO-20M )作为功率开关器件;精心设计功率变压器，改变变压器的初级匝数、变比等参数，克服休止期低频振荡的不利影响，减小谐振峰值电流，将变压器温升控制在 10℃ 以内，为该电源能无故障运行三年提供了保障。
2 工作原理
逆变电源原理框图如图1所示
图1 逆变电源框图
原理简介:50Hz,220V 交流输人电压经交流接触器后，送人EMI电网滤波器阻断噪音信号，再经整流滤波变成较平滑的的直流电压，作为申联谐振逆变器的输人直流电源。逆变器功率开关管在PFM 脉冲(固定导通宽度，可变频率脉冲)控制下 将直流电压变为高频方波电压经升压、整流、滤波后输出直流高压。该高压经高压采样产生反馈信号及过压信号。反馈信号送至误差放大器与精密调压基准比较，产生控制信号控制PFM 脉冲控制器作出调频控制稳定输出电压;过压信号送至保护电路实现过压保护功能。高压输出电流经电流采样送至保护电路进行过流保护。保护电路执行关断触发脉冲、切断交流输人及故障指示功能。稳压过程简介:当电网电压或负载电流变化时，引起输出电压变化。高压取样电路将该变化电压反馈至误差放大器与基准电压进行比较放大后送人PFM 脉冲控制器，对脉冲频率进行调节。若输出电压升高，则脉冲频率降低，减小占空比，降低输出电压;反之，增大占空比，提高输出电压。整个过程在反馈控制环的控制下，及时、准确的动作稳定输出电压。
3 半桥串联谐振电路休止期低频振荡的产生原因及其不利影响
3.1 半桥串联谐振电路的等效及工作过程简介图2(a)是半桥申联谐振电路电原理简图，由于RL C3时间常数远远大于开关周期使得电容上的电压基本保持不变，可视为电压源，折算到变压器初级用 V0表示。图2(b)为等效原理图，其中Ln为变压器等效漏感,Lp为变压器等效激磁电感，C 1C2为谐振电容，电感 L1与漏感 La共同组成谐振电感。
图2(a) 半桥申联谐振电路原理图 2(b) 半桥串联谐振电路等效原理图
主回路工作过程:在t。时刻V1的触发脉冲到来，V 1导通 C1上的电压经过V1T1L1 构成的回路谐振放电形成如图3 中t0~tt期间的，i(t)波形。t1时刻V1的触发脉冲截止，V1在零电流状态下关断(实际触发脉沛截止时刻位于t1~t2期间，均可认为是零电流关断)。t1~t2期间续流二极管V,导通.流过电流反峰，由于续流二极管的导通压降比IGBT的饱和导通压降低，使t1时刻的 Vce (t)的波形上出现阶跃。v3 ,V4的工作过程于上述V1V2类似。
4 中电流不为零，存在低频振荡。这是因为图4 中t2时刻Vcl≤0 导致t2~t3期间续流二极管V2非正常导通，产生由谐振电感L1漏感La变压器初级激磁电感Lp(实际变压器激磁电感为有限值，理想变压器的激磁电感为无穷大无法构成振荡回路)、电容C,组成低频振荡放电回路。图3 中因为t2时刻Vcl≥0 (电容电压上正下负)，续流二极管V2截止，电容C 1无法振荡放电工作于正常状态。
图3 正常谐振电流、电容电压及开关管电压波形
图4 存在低频振荡时谐振电流、电容电压及开关管电压波形
3.2 半桥串联谐振电路休止期低频振荡的产生
原因及其不利影响比较图3、图a的i(t), V(t )波形.在休止期t2~t3，期间，图当休止期间存在低频振荡时，可能产生两种不利影响:一方面，由于休止期低频振荡使 Vct增大，V02减小。当V3开通时，下甘电流主峰比正常情况下小，导致上下臂开通时电流主峰大小不等，系统失去平衡，变压器出现偏磁现象;另一方面，在 t3时刻，因低频振荡续流二极管 V2处于非正常导通状态，而此刻正常下臂触发脉冲的到来使 V3迅速导通，由于续流二极管关断存在反向恢复时间，使V3开通时发生直通损坏开关管。
4 合理设计变压器参数解决低频振荡的不利影响
经过对串联谐振电路的归一化模型分析:Vcl=Va（1-2q)/2 其中q=2 Vo/Va，O 由上面的分析可知q值决定了是否出现低频振荡，由于变压器匝比影响着q值的大小，因此可以通过合理设计变压器的匝比，使q<。.5满足不产生低频振荡的条件。但这种情况下变压器的初级电压低(最高只有 V,/4),谐振电流峰值大，开关管的电流应力大，而且变压器的效率降低。为提高变压器的效率，通常选用较高的q值，但此时会出现低频振荡。实验表明低频振荡频率低时，休止期中电容放电少，对系统影响小;反之，电容放电多，对系统影响大。根据上述低频振荡产生机理可知，增大变压器的激磁电感LP能有效降低休止期低频振荡频率。因此在q> 0.5时，可通过合理设计变压器的激磁电感，降低低频振荡频率.减小低频振荡的不利影响。实际高压大功率串联谐振电源中，由于采用超微晶、非晶材料的磁芯绕制变压器，变压器的激磁电感大，休止期中产生的低频振荡频率低，当q值取到。.9时，都能正常工作;对于中小功率串联谐振电源，通常选用铁氧体磁芯绕制变压器，变压器激磁电感小，低频振荡频率高影响较为显著，必须增大激磁电感降低休止期低频振荡的频率。(注意低频振荡频率较高时，很容易在电网升高导致休止期增大时，直通损坏开关管。)本电源高压变压器设计参数:根据该电源输出电压 1000V,功率55OW 的特点，选用 EE70 铁氧体磁芯。虽然串联谐振电路能将变压器的漏感当作谐振电感的一部分而利用，但足够大的漏感和分布电容并存时，将使谐振电流中因出现高次谐波而略变，因此应尽可能的减小分布参数。通常采用特制骨架分段绕制高压变压器，减小分布电容，但制作骨架成本高。本电源采用次级双绕组的桥式整流叠加方案如图5,减小了分布电容，免去特制骨架的制作，采用市场易购的骨架，降低了成本。实际变压器初级绕制15匝，次级每个绕组绕制114匝，电源起稳时的q值为 0.45。 图5 双绕组桥式整流滤波、过流采样及反馈采样电路 5 滤波、过流采样及反馈电路 针对该电源输出纹波低的特点，精心设计滤波电路如图5。L1L2为差模电感滤除反相位噪音，L3L4为共模电感滤除同相位噪音，C5 ,C6为聚丙稀电容吸收高频噪音，电解电容全部采用红宝石电容。K1为过流保护继电器，当发生过流时(设定600.A)，经过R8 R9分流及电容器C10滤波后产生平滑的直流电压，吸合继电器，送出过流故障。BDS精密电阻R10~R13 组成高压采样，将输出电压的变化送给误差放大器，调节输出电压实现自动稳压。