一种基于全桥转换技术的交直流高温电源的设计

刘洋

（沈阳理工大学，辽宁沈阳，110159）

0 引言

电子电路在我们的日常生产生活中应用非常广泛，而封装好的高温器件及电路在汽车工业、石油勘探、航空航天、核工业等多个领域都有广泛的应用。上述领域中的电子电路工作环境大多要求是在高温高压低功耗长时间的连续工作，这就要求我们对高温环境下的电路设计进行深入的研究。实现交直流的转换的经典方案就是整流电路，它是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。

1 桥式整流电路概述

桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成桥式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。

图1 桥式整流示意图

桥式整流电路的工作原理如下：U2为正半周时，对D1、D3和方向电压，D1，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成U2、Dl、RL 、D3通电回路，在RL上形成上正下负的半波整流电压，U2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成U2、D2、RL、D4通电回路，同样在RL 上形成上正下负的另外半波的整流电压。如此重复下去，在RL上便得到全波整流电压，其波形图和全波整流波形图是一样的。

2 交直流高温转换电路详细设计

2.1 设计指标

结合常用的交直流高温电路的使用环境调查，我们发现大多是高温高压大功率的工业环境，本设计的详细指标需求如表1所示。

表1 交直流转换器设计指标

2.2 全桥整流电路

全桥整流电路如图2所示，三个二极管构成一个全桥整流电路，三相桥式全控电路为三相整流变压器，其接线组别采用三组晶闸管元件，输入端加48V交流电，输出端并联三组220MF的耐高温、结压为100V的滤波电容，将输入交流电整流为48V直流电输出。

图2 全桥转换电路

2.3 元件选择

高温电路的设计至关重要的一点就是元器件的选择和挑选。作为现代电子线路主要组成部分的半导体属于热敏材料，在温度增高时，电子器件的各个电气特征及参数都会变差。特别是本征载流子密度随温度增加而增加，使PN结反向电流明显增加，进而导致工作点漂移，输出阻抗降低，噪声增加，功率损耗增加，由此导致在温度增加时，半导体电子元器件性能将变坏。如本电路中的二极管器件，温度升高将使反向漏流增加，结电压降低。此外，根据阿伦尼乌斯公式，元器件每增加10℃，其使用寿命将缩短为一半。所以，我们选择作为整流元件的二极管时，除了根据不同的整流方式和负载大小加以选择，还要重点考虑其工作的温度，以及其在温度变化范围中各个电气参数的变化是否符合电路设计要求。如选择不当，则或者不能安全工作，甚至烧了管子；或者大材小用，造成浪费。

图3 二极管示意图

本电路的器件选择上，主要考虑以下几方面：器件材料选择硅件，一般可以保证125℃的环境温度。在电路设计上，尽量减少功耗，减少散热，提高散热性和电路可靠性。减少器件外壳到内部的热阻，综合考虑芯片的尺寸、材料及表面积大小，提高引线、粘结及焊接材料的导热性，从而整体提高散热性能。本设计选择的电容，工作温度范围为：—55℃—200℃，而且最高温度的截止电压为正常设计电压的两倍。

3 电路高温测试

在电路的高温测试环节，本文分别设计了如下几种试验方法：一、环境温度为175℃，负载输出功率为150W的条件下电路传输效率测试；二、常温下负载从10W到200W变化下电路传输48V输出电压纹波测试；三、温度变化时，负载输出功率为150w的条件下电路传输效率测试；四、环境温度为175℃时，负载输出功率变化时电路传输48V输出电压纹波测试。

测试一：环境温度为175℃，负载输出功率为150W的条件下电路传输效率测试，每组数据测试两个小时。表2给出温度175℃的条件下，负载输出150W时电传输效率为82%左右，比常温的效率降低了大概5个百分点。

常温下负载从10W到200W变化下非接触电传输48V输出电压纹波测试，测试结果显示常温下，输出电压的纹波随负载电压的升高而升高，最高可达5.41V。

表2 不同温度、功率条件下电路效率测试结果

图4 不同负载功率纹波图

温度变化时，负载输出功率为150W的条件下电路的传输测试，从表3的温度纹波对比可以看到，随温度不断上升，输出电压纹波基本不变，为4.24V左右，损失大概8.8%，这在高温高压大功率的条件下是可以接受的。

表3 恒定大功率条件下温度纹波对比

环境温度为175℃时，负载输出功率变化时交直流转换电路传输48V输出电压纹波测试，测试结果显示常温下，输出电压的纹波随负载电压的升高而升高，最高可达4.21V，详情如图5所示。

图5 高温下不同负载功率纹波图

4 结论

本文研究了一种适用于高温环境下的基于全桥转换技术的交直流变换器，对其工作原理和参数设计及元件选择都进行了详细的分析，通过高温实验证明该电路在175℃的环境里能够无故障连续工作10小时以上。