低压大电流开关电源的整流电路和带隔离的DC-DC变流电路

张兆凤

（甘肃钢铁职业技术学院，甘肃 嘉峪关 735100）

1 低压大电流开关电源的原理及发展现状

1.1 低压大电流开关电源的原理

采用交流单相220 V电源输入，经整流电路将交流转换为直流，用电容器对该直流滤波后得到波纹系数较小的直流，然后经高频逆变器件逆变后得到高频交流电压，再由高频变压器降压后得到低压高频交流电压，最后经整流滤波电路得到低压直流。上述这种采用高频开关方式（过程）进行电能变换的电源称为开关电源。开关电源的能量变换过程逻辑如图1所示。

图1 开关电源的能量变换过程逻辑

1.2 低压大电流开关电源的发展现状

高频开关电源自20世纪70年代突破20 kHz以来，随着技术的进步，其产品的频率一路飙升到500 kHz～1 MHz。世界上很多国家都在致力于MHz级的高频开关电源的研究，我国在这方面的研究虽然较为滞后，但是已经取得了一定的成果。

同步整流技术通过使用导通电阻极低（不大于3 mΩ）的MOSFET，替代传统的二极管作为逆变后的整流器件，通过控制器产生与整流电压相位同步的栅极驱动信号控制同步整流器正常工作，这种方法可以极大降低整流损耗，主要应用于低压大电流功率变换器中。

2 单相桥式全控整流电路的负载的性质

整流电路的作用是将交流电能变换为直流电能，然后输入给高频逆变单元。按整流电路负载的性质分为3种情况，第一种是带电阻负载的工况，第二种是带阻感负载的工况，第三种是带反电动势负载的工况。本设计选择带反电动势负载时的工况，负载为蓄电池。图2为带反电动势负载时原理及其电压电流输出波形图。

图2 单相桥式全控整流电路接反电动势—电阻负载时的电路及波形

3 开关电源的核心部分

高频逆变-变压器-高频整流电路是开关电源的核心部分。DC-DC变流电路分为直接直流变流电路(斩波电路）和间接直流变流电路两种。直接直流变流电路输入与输出之间不隔离。本项目选用带隔离的直流-直流变流电路，即间接直流变流电路。

4 带隔离的直流-直流变流电路的分类

本设计选用双端电路，其中分为半桥、全桥以及推挽电路，变压器中的电流为正负对称的交流电流。单端电路中变压器流过的是直流脉动电流，其又分为正激电路和反激电路两种形式。

4.1 半桥电路

半桥电路原理如图3所示。

图3 半桥电路的原理图

电路图中借助于电容器C1、C2和开关器件S1，S2组成一个桥型电路，桥的对角线分别接电源和变压器原边绕组。令C1=C2，那么电容器C1和C2的中点电压为电源电压的1/2，靠S1和S2的交替导通，变压器一次侧就获得了1/2的电源电压，所以称之为半桥电路。

为了避免S1和S2开关元器件在换流时发生短暂的同时导通现象，从而造成电路短路损坏，所以S1和S2每个开关的占空比不能超过50%，并应留有裕量。

4.2 全桥电路

全桥整流电路的原理如图4所示。

图4 全桥整流电路的原理图

根据半桥和全桥整流电路的原理及各自的优缺点，其各自适用范围如表1所示。

表1 半桥、全桥整流电路各优缺点比较一览表

5 全波整流电路和全桥整流电路的分析

全波整流电路和全桥整流电路的分析区别如下。全波要求是对称的双交流输入，全桥式只用一组交流，所以全波的交流电源波比全桥复杂，由此成本不同。全波整流电路原理及波形如图5所示。

图5 单相全波可控整流电路及波形

因为全波是双交流，所以每只二极管承受两倍反压电压，而全桥式的二极管只要承受一个反向电压。全波用量是桥式的一半，此外全波的电流只通过一只二极管，而全桥式要通过两只管，所以全波的小，桥式的大。

也因为上述的原因，全波比桥式输出的电压高，虽然二极管压降很小，但在对极低的交流整流时还是可观的。另外全桥和全波电路在工作中，各个二极管所流过的电流的平均值是电感L电流平均值的1/2。经过对比，在输出电压较低的条件下（＜100 V)，宜选用全波整流电路，而在高压输出的条件下（＞100 )，宜采用全桥整流电路。本设计即采用全桥整流电路。

6 结 论

本文说明开关电源的整流电路选择，写出了整流电路的作用和分类。在当代社会的推动下，在追求更强更快的社会中，采用原始的电路拓扑要被优势更大的电路拓扑所淘汰，从对理想和考虑变压器漏感的有源钳位正激式变压器的工作模态分析出，理想有源钳位正激式变换器不存在直流偏置的问题，而在考虑变压器漏感的作用下将产生直流偏置，因此需要在今后的研究中合理地设计变压器和选择IGBT，这也是目前需要着手解决的问题。