一种电压可调高频高压电源的设计(4)

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这里取??0.8，占空比D在0.50.8之间变化，负载约为700?，工作

频率为40KHz。可以计算出输入电感L?5.5mH，令??0.1%，则可得出滤波电容取值为C?7.2uF。如图2-5所示为占空比为D?0.8时所得的仿真波形，??0.1%其满足设计要求。

此时电感电流如图2-6所示，可以看出电流是连续的，且相对波动值符合要求。Buck电路工作状态良好。

2.2.3 半桥逆变电路的工作原理分析及设计

半桥逆变及变压器电路如图2-6所示，半桥逆变电压由两个桥臂组成，第个桥臂由一个开关管和一个反并联的续流二极管组成。在直流一侧设置了

Ud2C1V1VD1UdUd2TXRLV2C2VD2图2-7半桥逆变电路及变压器电路图

两个相互串联的电容，于是两个电容的联结点便相当于直流电源的中点，其电路输出为以此点电位为中心的矩形波电压。来看一下半桥逆变电路的工作原理：开关管V1，V2的控制信号在一个周期内均有半周期为正半周期为负，且两个控制信号是互补的。当开关管V1导通而V2管关断时，电容器C1-变压器原边线圈-开关管V1构成了一个回路，此时变压器原边线圈承受上负下正的电压，其电压幅值为电容C1的电压Ud/2，变压器原边电流增加，电能通过变压器耦合到负载侧。当开关管V1关断而管V2导通时，开始的一个瞬间由于变压器线圈的感性作用电流并不能立刻改变方向。但由于管V1已经关断，所以电流将通过续流二极管VD2进行续流，此时二极管VD2-电容C2-变压器原边构成一个回路，变压器副边将电能反馈回直流侧，由于此时开关管V2已经导通，所以电流在负的电压作用下减小。当电流减小到零即VD2截止后电

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第2章 高频高压电源主电路各模块工作原理分析

流回路为：直流电源-电容C1-变压器原边-开关管V2。 此时变压器原边线圈上的电压为上正下负，其幅值为电容C2的电压值Ud/2但方向和上半个周期相反。开关管V1再次开通而V2截止时，电流开始通过VD1续流，其余重复上一过程，至此电路稳定工作重复以上过程[13]。

逆变电路中电容的作用：当续流二极管VD1或VD2导通时，负载电流和电压方向相反，电感中贮藏的能量向直流侧反馈，即将电感中的无功能量反馈回直流侧，此能量便暂时储存在直流侧电容器中，所以直流侧电容器起着缓冲无功能量的作用。

半桥逆变电路的特点：半桥逆变电路拓扑简单，所使用的器件少，开关管只用了两个。但也有其缺点：由于采用了两个电容器的分压作用故输出电压仅为直流输入电压的一半，而且两电容串联，不加辅助电路的情况下不可避免的会出现电容电压不均衡，导致输出的交流电压正负幅值不等。

由于设计系统中电源的输出功率很小，所以为克服上述缺点在本文中采可用串接均衡电阻的方法来对电容分压不均衡来予以校正。电路如图2-7所示。此处取均衡电阻R?1K?。

RUdRUd2V1VD1C1C2V2VD2TXRLUd2图2-8 带均衡电阻的逆变电路

在实际工作的逆变电路中，由于开关管并不是理想的器件在给定负信号时就能立刻判断，这样在一个开关管还未完全关断，但另一个已经导通，产生这样的情况后果是很严重的，因此需要避免两个桥臂同时导通这一情况。两开关管直通将会产生很大的电流，开关管很容易烧毁。

为解决这一问题需要在给定一个开关管开通信号和另一个开关管关断

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信号之间设置一个时间间隔（死区时间）。在此处采用的逆变频率为40kHz，即一个周期为25us。设置触发脉冲宽度为11us，死区时间为1.5us。

分压电容的取值设计：设逆变后一级的负载为电阻负载R?80?，电容器的选取应满足RC76.25VTs，这里取RC?20Ts，由于Ts?1/fs?25us。于是电

容器计算值为 C?6.25uF，这里本设计中取C?7uF。

75.00V73.75V72.50V71.64V2.7504ms2.7600msV(TX1:1,TX1:2)2.7800ms2.8000ms2.8200ms Time2.8400ms2.8600ms2.8800ms2.9000ms图2-9 逆变电路输出波形 fs?40kHz C?7uF

2.2.4 变压器的设计

18.1V10.0V0V-10.0V-19.2V1.220msV(V3:-,V3:+)1.240msV(V2:-,V2:+)1.260ms1.280ms1.300ms Time1.320ms1.340ms1.360ms1.374ms图2-10 开关管V1,V2的触发信号

变压器是一种实现电能变换并从一个电路传输到另一个电路的静止电磁元件，高频变压器的设计方法与电力变压器相仿，其区别在于高频变压器与半导体开关器件相连接，工作频率很高，变换的信号一般为方波信号，所以变压器的优劣不但会影响到变换器的性能指标，而且会影响电路工作的可靠性。所以在设计时需要对诸如瞬态饱和、铁芯损耗等问题。高频高压变压器的特点主要是有涡流效应。现在对变压器的问题进行一定的分析[9]。

1．涡流效应

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第2章 高频高压电源主电路各模块工作原理分析

涡流效应是由电流在导线中产生的集肤效应和邻近效应的总和，是高频变压器的产生损耗的主要部分。当导体通过交流电流时，由交流产生的磁场而引起的电流趋向表面的电流再分布，内部电流刻度小于外部，从而使导线的有效面积减小电阻增大。这种现象与频率有很大的关系。

2．高频铁损

我们知道变压器工作时，磁感应强度B沿磁滞回线?Bm到?Bm之间交替磁化，如图2-11所示，磁滞损耗与磁滞回线包围的面积和工作频率有关。变压器工作在高频时，铁心被反复磁化，若铁芯材料的磁滞回线包围的面积过大，铁损将非常的大，从而使变压器的温度升高，影响正常工作。因此在选用铁芯上，不能用正常的变压器铁芯。

在介绍以上两个变压器的主要问题以后，我们来看一下高压器磁芯材料的选用。

变压器的功率容量和工作频率取决于磁性材料的性能。在变压器设计时，宏观指标是效率和体积，效率主要由铁损耗决定，铁损耗分为磁滞损耗

图2-11 磁滞回线图

?BmB?BmHP1和涡流损耗P2。根据文献可有如下公式：

222PFe?P1?P2?K1fBm?K2fBm（2-20）

由上面分析可以知道：高磁导率、小矫顽力则磁滞损耗小。作为变压器铁芯材料，高频工作时，铁氧体和微晶／非晶的铁损比硅钢的小很多。变压器的体积取决于铁芯的截面积S，而截面积S的大小由变压器功率容量和铁芯磁通密度Bs决定，硅钢和微晶／非晶的饱和磁感应强度Bs最大，而铁氧

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体相对较小，但是铁氧体的电阻率是最大的，因此铁氧体的涡流损耗是最小的，也就是说它有非常小的高频损耗。此外，铁芯最大工作磁通密度Bm至关重要应该使铁芯的磁通密度小于饱和磁通。这个公式还告诉我们变压越是工作在较高的频率其功耗就会更大[12]。

下面是变压器参数的计算 1）铁芯面积

铁芯的几何面积S，铁芯窗口面积Q及功率P o存在着以下的函数关系：

式中?B?2Bm(GS)；Ton为半个周期T内的导通时间；?为效率，一般

0.60.8为左右；Kc为铁的填充系数，一般取Kc为0.50.95，对于铁氧体

Kc?1，它主要与铁芯叠片或带料厚度有关；Ku为窗口系数，与导线线径及绕制水平有关，一般在0.10.5左右；现取Ku?0.3，j为电流密度，考虑到集肤效应的因素，应尽可能的增大表面积，故电流密度应较小，现取

j?1.5A/mm2。

根据以上各节选取占空比为D?0.7，工作频率为半桥逆变电路的逆变频率40kHz，则Ton?17.5us（由于频率越高开关管的周期就会越小，这样开

2TonPoSQ?108cm4（2-21） ?B?KcKuj关管的开通时间就会变小，这样有助于减少变压器的原副边的线圈匝数，但同时要考虑上述的损耗，因而频率的提高是建立在较好的磁性物质的选择上的）。考虑到输出会有一定的损耗和输出时采样电阻的能耗选取Po?60W。

1其中?B?2Bm?2Bs?1333(GS)，??0.8。

3计算得SQ?43.8cm4根据这参数可选取磁芯。

初级绕组匝数的计算：

N1?U1Ton(max)100?27.9?28(匝)?BS式中U1为电网电压经滤波后的电压值为U1?310V。

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