大功率移相全桥数字直流电源的设计

### 大功率移相全桥数字直流电源的设计 #### 一、引言 随着电力电子技术的迅猛发展，开关电源（SMPS）已广泛应用于日常生活中的各个领域，如数码产品、通讯设备、电力设备及工业自动化控制等。尤其是在一些涉及国家安全的通讯领域，由于受到外国的技术封锁或高昂的价格限制，关键设备的国产化显得尤为重要。因此，研发大功率军用直流电源设备具有重要的战略意义。 #### 二、开关电源技术现状与发展趋势 本文首先概述了SMPS技术的发展背景，探讨了当前的研究现状及未来趋势。特别关注移相全桥（PSFB）工作状态的深入分析，总结并分析了PSFB电路实现零电压开关（ZVS）的条件以及占空比丢失的原因。在此基础上，提出了一种改进方法：使用非线性饱和电感替代传统线性电感，这种方法不仅减少了占空比丢失，还扩大了滞后臂零电压开通的范围。 #### 三、大功率PSFB数字直流电源的设计与实现 ##### 3.1 AC/DC变换电路设计 为了实现高效能的大功率PSFB数字直流电源，本节详细阐述了AC/DC变换电路的设计与计算过程。该电路是将交流输入转换为直流输出的关键环节，其设计需考虑效率、稳定性及可靠性等因素。 ##### 3.2 DC/DC功率单元设计 接着，介绍了DC/DC功率单元的设计细节。这部分是电源的核心组件之一，负责将直流输入转换为所需的直流输出。通过精心设计，确保了电源的高效运行和良好的动态响应特性。 ##### 3.3 控制系统设计 围绕主从控制系统控制器（CPU），设计了一系列控制电路，包括电源电路、采样电路、驱动电路、通讯电路等。这些电路的合理设计对于实现电源的精确控制至关重要。 ##### 3.4 数字化实现方法 基于峰值电流控制模式的特点，提出了PSFB电路的数字化实现方法。这种设计能够有效提高系统的控制精度和响应速度，同时降低了成本和复杂度。 #### 四、30kW功率单元的建模与仿真验证 本章以BUCK变换器为基础，构建了30kW功率单元的数学模型，并利用MATLAB软件确定了数字PI参数。通过在PSIM仿真环境中进行实验验证，结果显示该设计成功实现了PSFB控制策略，具有良好的抗干扰能力。在30%至60%负载范围内，可以实现零电压开关通断，且在60%负载时效率已达到90%以上，满载效率更是达到了94%左右，输出电压稳定且效率高。 #### 五、整机实验平台搭建与测试 完成了整机系统的布局设计、控制板卡及上位机的相关设计，并搭建了30kW功率单元的实验平台。通过对功率单元主要工作波形、功率管ZVS实验波形的详细分析，验证了设计方案的有效性。12个30kW功率单元并联组成了300kW的大功率直流电源。实验结果表明，各项参数均满足长波发射系统供电电源的要求，证明了该设计方案的可行性和实用性。 #### 六、结论 本文通过详细研究和设计，成功开发出一种大功率移相全桥数字直流电源。该电源不仅实现了高效稳定的能量转换，还具有良好的抗干扰能力和扩展性。这对于提升我国在特定领域的自给自足能力具有重要意义。未来将进一步优化设计，降低成本，以适应更广泛的市场需求。 ### 关键词 - 大功率 - 软开关 - 占空比 - PI控制 - 并联均流