第３２卷第１期 探测与控制学报 ＶｏＩ．３２ Ｎｏ．１ ２０１０年２月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｆｅｂ．２０１０ 高压开关电源的设计方法 陈 勇，贺少军 （中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳６２１９００） 摘 要：目前讨论开关电源的文章较多，但系统介绍大功率高压开关电源的文章，特别是详细研究高压大功率 变压器设计的资料偏少。这些资料所介绍的设计方法相对复杂，且可操作性不强。较详细地讨论了一种设计 １ ０００ Ｗ高压开关电源的方法，该方法简便可行，设计出来的电源工作稳定可靠，各项性能指标均满足要求。 关键词：高压；开关电源；变压器；整流 中图分类号：ＴＭ８０４文献标志码：Ａ 文章编号：１００８－１１９４（２０１０）０１－００８８－０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ １ ０００ Ｗ Ｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ ＣＨＥＮ Ｙｏｎｇ。ＨＥ Ｓｈａｏｊｕｎ （Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１９００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｍａｎｙ ｐａｐｅｒｓ ｄｉｓｃｕｓｓｉｎｇ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｏｓｅ ｏｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｓｕｐｐｌｙ ａｒｅ ｖｅｒｙ ｌｉｔｔｌｅ，Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｏｓｅ ｐａｐｅｒｓ ａｒｅ ｖｅｒｙ ｃｏｍｐｌｅｘ ｗｉｔｈ ｐｏｏｒ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ， ａ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｍｅｔｈｏｄ ｔＯ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅ １ ０００ Ｗ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｗｏｒｋｓ ｓｔａｂｌｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｙ，ｍｅｅｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ；ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｓｕｐｐｌｙ；ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｃｏｍｍｕｔａｔｅ ０引言 １整流滤波部分 开关电源是一种把交流电变成直流电再逆变成 开关稳压电源中输入部分的工频整流电路称为 交流电，通过变压器变成所需的电压后再逆变成直 开关稳压电源的前端整流部分，如图１所示。图１ 流电的电气设备。通过对输出电压的检测，控制高 中，由四个整流二极管接成全桥的形式，把２２０ Ｖ， 频交流电压的脉宽而达到稳定输出电压的目的。因 ５０ Ｈｚ的工频电网电压直接引入，进行全波整流，然 此，开关电源是一种新型的直流稳压电源，它以体积 后送给下一级滤波器变成直流电压输出，给直流变 小、重量轻、效率高的特点而著称Ｅｌ－ｓ￣。 换器提供一个直流电源。在开关稳压电源的设计过 开关电源的设计是一项重要的课题，如何设计 程中，一般都选四个反向耐压值为６００ Ｖ的整流二 出性能优异、工作可靠的开关电源一直是工程技术 极管，整流二极管的导通电流Ｊｏ要根据所设计开关 人员探索的问题。目前市场上介绍开关电源的文章 稳压电源的输出功率和转换效率要求而决定，可由 较多，但系统介绍大功率高压开关电源的文章，特别 下式来计算： 是详细介绍高压大功率变压器设计的资料偏少。从 Ｉ。一 Ｐ ｏ （１） 组成结构上来看，开关电源主要包括：前端整流滤 ２２Ｏ￣／２叩 波、桥式变换、功率变压器、后端整流滤波以及取样 通常在考虑开关稳压电源的转换效率时，均要 控制电路等［ｔ－ｓ］。本文将以１ ０００ Ｗ电源设计为例， 留有一定的裕量。一般取叩一０．７５代人式（１）就可 介绍一种开关电源的设计方法。 以得到一次整流电路中的整流二极管的导通电流 ＊收稿日期：２００９—０８—１１ 修回日期：２００９—１２—０３ 作者简介：陈勇（１９７７～），男，湖北省荆门人，硕士，研究方向：电子引信和功率电子技术研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｙ９７２０３２＠１２６． ｃｏｍ。 的 汁 陈 勇等：高压开关电源的设计方法 式 一 ８９ 相继导通闭合，实现由直流向交流的转换。 Ｉ ｌ一 ●＿＿ 一 ３高频变压器 Ｉ 一 ： ，ＡＣ 高频变压器是电源的重要组成部分，其性能的 ＤＣ．ＡＣ 逆变器 变压器 好坏直接关系到整个电源的综合性能。高频变压器 的主要作用在于进行电压升降和隔离输入电压干 Ｉｌ Ｚ ＿＿＿＿ 驺 图１前端整流电路 Ａ Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｆｏｒｍａｌ ｐｏｒｔ 前端滤波部分：如图１所示，前端滤波部分即为 前端整流部分后面的ＬＣ滤波电路。它的主要功能 是将前端整流部分整流后的波动电压滤波成符合要 求的直流电压。根据计算，滤波后的直流电压大约 在２００ Ｖ左右。 后端整流部分：后端整流电路是出现在电源变 压器次级回路中的整流电路。后端整流电路一般都 为高频整流电路，整流二极管常采用高频快速开关 二极管，也就是肖特基二极管。这类二极管的特点 是开关速度快，导通电阻小和截至时反向漏电流小。 ２桥式变换 桥式变换分为半桥式变换和全桥式变换，半桥 式变换适用于较低功率（小于５００ ｗ）电源，而全桥 式变换适用于高功率（大于５００ ｗ）电源。如图２所 示为全桥式变换的基本拓扑结构，其主要由４只ＩＧ— ＢＴ功率模块构成，４只ＩＧＢＴ模块分两组相继导通 闭合，从而来控制高频变压器的导通与闭合。 图２全桥式变换电路结构 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｆｕｌｌ—ｂｒｉｄｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ 全桥式变换电路工作方式为：在驱动控制电路 的控制下，４只ＩＧＢＴ模块分两组（１、３管和２、４管） 扰，其频率大小随功率开关频率大小而定。 高频变压器的设计： １）磁芯的选择：根据变压器的功率和频率，我们 选用铁氧体ＥＥｌ１０型磁芯。 该磁芯具体参数为：Ａ 一１２．２５ ｃｍ２，Ａ 一ｉ６ ｃｍ ，ＡＰ＝＝＝Ａ Ａ 一１９６ ｃｍ４ ２）绕组匝数的计算： 根据 Ｎｐ一 面Ｖ １ （３） 式中， 为开关工作频率（Ｈｚ）；Ｂ 为工作磁通密度 （Ｔ）；Ａ 为磁芯有效面积（ｍ。）；Ｋ 为波形系数，有效 值与平均值之比，正弦波时为４．４４，方波时为４。 原边匝数Ｎｐ一（３００×１０ ）／（４×３５×１０。×０． ２×１２．２５）一８．７匝，取整匝ＮＰ一９匝。 原边电流 Ｉ ｐ＝＝＝Ｖ …￣，Ｔ／一 黑＿３一。．・ Ａ ４７ Ａ （４ ） ３）副边匝数Ｎｓ＝３）副边匝数Ｎ ＝＝＝ 一９ 一 ９ Ｘ一１５０匝，一 匝， 取整为Ｎｓ一１５０匝。 ４）原边绕组裸线面积Ａ 一 ｉｐ，式中， ．，一 Ｐ Ｔ Ｘ １ ０４ （５） Ｊ ＫｏＫｔｆｓＢｗＡＰ 由于二次整流使用桥式整流，则 ＰＴ—Ｐｏ（１＋ ）一１ ０００ Ｘ（１＋ １）一２ １１１ ｗ （６） 所以电流密度 ‘，一 ４×０ ．４× ３５ ０× ．２× —１９６—而１０＿９．６× ０ … Ａ／ｃ……‘ｍ。 （７） 从而原边绕组裸线面积 Ａｎ，＝南一 一 ０．０３２ ｃｍ （采用１２线并绕） （８） 查导线规格表得最近线号：ＡＷＧ＃１１，Ａｘｓ一 ９０ ０．０４１ ６８ ｃｍ２， 一４１．３７。 探测与控制学报 同理副边绕组裸线面积： ４驱动控制电路 控制电路的主要功能是把输出端的不稳定电压 Ａ ＝了ＩＳ一慧＝Ｏ．０２ｏ ８ ｃｍ （９） 查导线规格表得最近线号：ＡＷＧ＃１３，Ａｘｓ一 检测出来并放大后送到调制中，通过调制电路调节 脉冲宽度或频率来达到稳压的目的。整个控制电路 ０．０２６ ２６ ｃｍ２， ：＝＝６５．６４。 是一个自动控制的反馈闭环回路，包括取样、比较、 ５）变压器骨架的设计：根据磁芯的截面形状，采 调制器等电路。由ＵＣ１８７５组成的全桥电路的控制 用方形结构，骨架上刻槽，材料采用酚醛玻璃布棒。 电路如图３所示。 图３谐振变换器的控制电路图 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇ 在ＵＣ１８７５的１６脚（频率设定端）接８Ｏ ｋＱ电 经二极管引到ＵＣ１８７５的电流检测端。当初级电流 阻和４７０ ｐＦ的电容，把频率设置为３５ ｋＨｚ；在电压 过流时，检测到的电流信号超过２．５ Ｖ，ＵＣ１８７５的 反馈环节中，把高压采样电压经过电位器Ｒ送到 输出全部关断。 ＵＣ１８７５的误差放大器反相端（３脚），同相端使用 由于主功率开关管的激励电流较大，单靠 ＵＣ１８７５芯片内的固定电压２．５ Ｖ；为了保护高频高 ＵＣ１８７５本身的输出功率不能驱动开关管稳定的工 压变压器和负载的安全，利用电流互感器检测变压 作，需要增加外围分立元件来增大驱动电流。驱动 器初级电流，桥式整流电路把检测到的信号整流后 示意如图４。 图４全桥变换器的驱动电路图 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ ｆｕｌｌ－ｂｒｉｄｇｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ 陈 勇等：高压开关电源的设计方法 ９１ ５ 高压电源试验及测试波形 高压电源的各部分设计出来以后，我们进行了 联试，对各组件关键部分（包括功率开关管驱动电 路，主变压器初级，主变压器次级整流电路）进行了 测试，各测试波形如图５所示。 １）功率开关管驱动波形 如图５（ａ）和图５（ｂ）所示分别为反相驱动波形 和同相驱动波形。 罂 时间＾ｎ８ （ａ】反相驱动波形 一 一～一 ’ 一… … ” ｊ盎 ：辟 詹岛 ｉ ｊ ； 趟 ０… ～ ，ｌ…一 １■■ １●＿■＿ １●■■＿ ＿ 馨 ： 一… ： … 时间／ｍｓ （ｂ）同相驱动波形 图５功率开关管驱动波形 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔｕｂｅ 从图５（ａ）中我们可以看出：反相驱动中的两个 驱动信号相位相差１８０。（占空比约为４Ｏ ），这就保 证了全桥上的四只功率开关管其中两只（１、３管）导 通时另外两只（２、４管）一定闭合，而当其中两只（１、 ３管）闭合时另外两只（２、４管）一定导通。 从图５（ｂ）中我们可以看出：同相驱动中的两个 信号相位几乎保持同步，这就保证了同路的两只（１、 ３管或２、４管）能够同时导通和闭合。 ２）变压器初级波形 如图６所示为变压器初级波形。我们可以看 出：变压器初级波形为一频率约为３３ ｋＨｚ，幅度约 为２２０ Ｖ的方波信号。波形不是一个标准的方波信 号，带有一些毛刺和尖峰，这是由于输入的交流信号 经过整流滤波后并不是很光滑而是存在毛刺和尖峰 引起的。若我们对一次滤波电路进行改进，波形效 果将会更好。 磐 图６变压器初级波形 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｗａｖｅｆｏｒｒｎ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ３）直流高压输出波形 变压器次级输出后，经过二次整流滤波，将得到 一个直流高压，如图７所示为直流高压输出波形。 一’一一一’ ； 一 １－……一一｛ Ｔ 馨 一— 一 时间／ｍｓ 图７输出高压波形 Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ ｏｕｔｐｕｔ 从图７中可知：输出直流高压幅度约为５ ｋＶ。 由于电路所接负载为２５ ｋＱ的功率电阻，我们 可以计算得出电路最后的输出功率： Ｐｏ一 ／Ｒ一（５×ｉ０。） ／（２５ Ｘ １０。）一１ ０００ Ｗ 从我们所测到的数据计算可以得出，电路的输 入总功率Ｐ 一ＵＩ＝＝＝２２０ Ｖ×５ Ａ一１ １００ Ｗ 电路的总效率则为： 叩一Ｐｏ／Ｐｉ 一１ ｏｏｏ／１ ｉ００—９１ ６ 结论 本文较详细地讨论了一种１ ０００ Ｗ开关电源的 （下转第９６页） ９６ 探测与控制学报 的大样本空间中的每一种样本进行１００次弹道仿 真，统计每种样本的系统ＣＥＰ，从而选择最优冲推 器数量与冲量配置。仿真结果表明：在冲推器数量 Ｊ一６、推冲冲量Ｐ＝１２０ Ｎ・Ｓ的配置情况下，脉冲 末修弹药具有最优的ＣＥＰ。更为重要的是，本文通 过仿真得到冲推器数量、推冲冲量大小与系统ＣＥＰ 所对应的仿真曲线，对实际工作中根据所期望的 射程误差，ｍ 鬟 冬 ＣＥＰ精度选择冲推器推冲冲量具有重要的参考价 值，有利于系统的结构设计。 参考文献： ［１］姚文进，王晓呜，高旭东，等．弹道修正弹脉冲修正机构 图６ Ｊ＝６，Ｐ＝１００的落点误差 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｌｅｖｅｌ ｐｏｉｎｔ ｗｈｅｎＪ一６，Ｐ一１００ 暴 譬 藉 简易控制方法［Ｊ］．弹道学报，２００７，１９（３）：１９－２２． ＹＡＯ Ｗｅｎｊｉｎ，ＷＡＮＧ Ｘｉａｏｍｉｎｇ，ＧＡ０ Ｘｕｄｏｎｇ，ｅｔ ａＬ Ａ ’ Ｓｉｍｐｌｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ ｉｎ Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｏｒｒＣｅｃｔｉｏｎ Ｐｒ￣ｅｃｔｉｌ，１Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂａｌｌｉｓｔｉｃｓ， ２００７，１９（３）：１９－２２． ［２］孟新宇，王晓呜，王清．６自由度修正弹道脉冲推力仿真 射程误差／ｍ 研究［Ｊ］．系统仿真学报，２００６，１８（９）：２ ６５７—２ ６６０． ＭＥＮ（｝Ｘｉｎｙｕ，ＷＡＮＧ Ｘｉａｏｍｉｎｇ，ＦＡＮＧ Ｑｉｎｇ．Ｓｉｍｕｌａ－ 图７ Ｊ＝８，Ｐ一１００的落点误差 Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｌｅｖｅｌ ｐｏｉｎｔ ｗｈｅｎＪ一８，Ｐ一１００ ｔｉｏｎ ｏｆ ６ ＤｏＦ Ｔｒａｉｅｃｔｏｒｙ Ｃｏｒｒｃｔｉｅｏｎ ａｎｄ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｆｏｒｃｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２００６，１８ 通过以上的仿真验证可以看出：优化后的冲推 （９）：２ ６５７—２ ６６０． 器数量和推冲冲量能够实现更高的系统精度，冲推 器的参数配置在满足较高的系统精度和考虑制造成 本的基础上实现了优化。 ［３］韩子鹏．弹箭外弹道学［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社， ２００８． ［４］Ｊｉｐｒａｐｈａｉ Ｔ，Ｃｏｓｔｅｌｌｏ＾，Ｌ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｉｒｅｃｔ Ｆｉｒｅ Ｒｏｃｋｅｔ Ｕｓｉｎｇ Ｌａｔｅｒａｌ Ｐｕｌｓｅ Ｊｅｔｓ１，Ｍ］．ＵＳ：Ａｍｅｒｉｃａｎ ５结论 本文提出了基于蒙特一卡洛法的冲推器数量与 冲量优化方法，该方法针对冲推器数量和冲量配置 （上接第９１页） Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，２００１． Ｅ５］霍鹏飞．反辐射末修子弹药系统设计及精度分析［Ｒ］．西 安：中国兵器工业集团第二一二所研究所技术报告， ２００７． Ｉ－６］徐明友．高等外弹道学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００３． ［１］李峻．开关集成稳压器控制器的原理及应用［Ｍ］．北京： 设计方法。试验表明：该方法简便可行，设计出来的 人民交通出版社，１９９７． 电源工作稳定可靠，各项性能指标均满足要求。该 方法的不足在于：随着对开关电源功率的不断提高 １－２３张占松，蔡宣三．开关电源的原理与设计［Ｍ］．北京：电子 工业出版社，２００４． （比如提高到１０ ｋｗ以上），开关管损耗也越来越 大，这是我们必须要考虑的。行业内流行的ＺＣＳ－ ＺＶＳ谐振驱动电路为解决这一难题提供了基础，也 必将成为以后开关电源研究领域的一个热点。 参考文献： ［３］王水平，付敏江．开关稳压电源一原理、设计与实用电路 ［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，１９９７． ［４］何希才．新型开关电源设计与维修［Ｍ］．北京：国防工业 出版社，２００１． ［５］姚志松，姚磊．中小型变压器实用全书［Ｍ］．北京：机械工 业出版社，２００３．