软开关高压开关电源设计方法分析

李志超

摘要：设计软开关高压开关电源能够提高电源转换效率和可靠性，提高输出功率，满足不同负载条件下对于电源的要求。基于此，本文通过对开关电源、充电电源的简单介绍，提出了软开关高压开关电源设计方法。以期通过对开关电源的设计，提高电源负载能力，提高电源性能，满足更大范围工作情境的应用。

关键词：软开关;高压开关;电源设计;设计方法

引言：软开关是指使用软开关技术的过程，将电路中的电流、电压首先降为0，之后缓慢升高电流、电压，使之达到断态值，从而开关损耗显著降低，接近于0。该技术的优势在于，可使开关过程中的损耗大幅度降低，并可实现功率变换器件的高频化。如果软开关技术能够真正得到应用，可以在较宽电压环境下形成串联谐振充电拓扑，实现恒流工作会大幅度提高电路的抗短路能力。为实现该目的，需设计一种配套的软开关高压开关电源。

一、开关电源

常见的高压电容器充电电源一般为理想谐振电容器充电电源电路，如图1所示。当图中显示的有关参数，如Uin、Lr、Cr、fs等处于恒定状态，且全部设定为软开关状态时，充电电流同样能够保持恒定。与此同时，电容器的电压会呈现出线性上升的趋势（但在电路实际运行状态下，电源电压Uin却并不是永恒不变的，而是必定出现变化）。不仅如此，由于变压器的漏感和存在分布电容的特性，导致高压整流二极管中也会出现寄生电容值。总体而言，该电路尽管表面成功应用了软开关技术，但实际上，充电电流根本无法保持恒定，需进行进一步调整。

二、充电电源

若将电路设计为开环控制状态，则高频升压变压器以及高压整流二极管的分布电容在运行期间的相关参数变化情况便不可能被忽视，需基于等效电容加以描述。按此设想，实际串联谐振电路应符合等效电路的表示方式。其中，与电源串联的电容与另一个电容、阻抗源件之间同样为串联关系，但另一个电容与阻抗源件之间则为并联关系。采用此种设计之后，当电路电流为0时，电容器电压基本保持不变，故阻抗源件的影响微乎其微[1]。总之，实际电路经此设计，实际上已经成为串并联谐振电路。按此思路，可保证电压达到最大充电电容对应参数时，充电电流也同时达到足够大的区间，以实现高压软开关技术的运用。

三、软开关高压开关电源设计方法

（一）软开关技术

在软开关高压开关电源设计中，软开关技术是技术基础，可以有效解决由于匝比增加，寄生参数对于电路运行影响的风险，及由于产生过高损耗造成器件损坏的风险。使用软开关技术是利用漏电感和寄生电容参与谐振电路，实现关断零电流并开通零电压，将寄生参数不良影响降到最低。在电路中应用软开关技术，和高压变压器产生谐振作用，降低负面影响。

（二）高频电源变换器的选择

高频高压开关电源使用逆变器可分为硬开关和软开关，其中软开关的优势更为明显，其具有高频、损耗小特点，能够满足恒流源特性。根据场景和参数的要求，高频电源具备恒流特性，可以减少电场火花电流，让火花快速得到熄灭，让电场能量得到恢复[2]。软开关技术可以将寄生电容以及有害电感整合到一起，形成正弦波，让电源转换率得到提高。而硬开关技术抑制瞬时短路过流能力较为薄弱，且损耗较大，无法适应应用场景。因此选择软开关变换器。串并联谐振变换器可以输出高于或者低于输入电压的电压，负载范围相对较大，串并联谐振电路给逆变电路提供零电压的开通条件，减少开关的损耗。在一个开关周期内存在两个元件以及三个分段谐振，电路具备串联和并联的谐振变换器，让开关管关断损耗达到减小，及零电压开通。电路中元件电压应力小，且负载范围大，开关频率变化相对较小，负载较小时电流也小，满足不同负载条件的要求。

（三）主电路谐振回路

高频高压逆变电路通过同时采取调频混合以及直流调功两种技术，实现控制逆变电路，有效控制电压的大小。通过开关频率跟踪谐振频率调整负载电压。逆变器可以转变直流为方波电压，实现负载电压以及变压器保持谐振，负载两端电压达到最大值。高压逆变电路本质上是两个正反充电过程，正向充电过程是电源向电容进行充电，此时为正弦电流，且电容电荷保持最大值，充电电流保持0，将触发信号关闭，电容放电后仍为正弦电流，此时回路电流为0。高压逆变器具有强大的抗干扰能力，由于信号传输线路距离较长，强电脉冲通过磁场耦合以及电容分布的等效电感相叠加，传输至信号回路。当等效信号源内阻较等效干扰源阻抗大时，干扰得到显著减小。在电路中使用触发高电平器件，同样可以让抗干扰能力得到提升，因此考虑到电路功能的差异，选择低干扰容限的器件，可以满足抗干扰要求。注意触发电路元件避免交叉，可以减少部分干扰，保证触发电路保持较远距离。尽量将磁力线以及PCB平面保持平行，让电感远离触发板，将引线控制在最短，并尽量互相咬合，从而减少干扰强度，让电路抗干扰性能得到显著提高。

（四）高频变压器

变压器设计有重要作用，由于参数复杂，使用Pspice软件模拟软开关工作状态。设定输入电压48V，输出电压800V，功率250W，輸入电流5.21A，输出电流0.3125A。输入参数后给出设计方案，利用软件生成设计表，由厂家负责生产。出于对倍压电路压降、变压器占空比丢失的影响，采取匝数比7：120，观察变压器参数。

（五）倍压电路

通过利用倍压整流电路以及高频变压，达到了输出高压条件，输出电压越高，越需要选择变压比大、体积庞大的变压器，造成变压器寄生参数要求严格。选择变压比小、小体积的变压器，并结合倍压电路进行设计，能够适应电流低但电压高的场景。在提高倍压级数后，可以进行同样的电压输出，在一定程度上减少变压器的体积。扩大滤波电容能够在一定程度上减小输出纹波，但也会造成电容体积增加，不利于电源减小电源的体积，也造成建设成本的增加。在设计上需要综合考量。阴极端电压对于纹波要求以及电压稳定度要求更高，因此倍压整流电路中选择容量较小的电容，设计滤波电路充分满足工程的需求。

（六）控制电路

控制电路主要结构为驱动、控制以及反馈电路，由控制电路实现信号的管控，及时传递向驱动电路，从而产生脉冲电压信号驱动开关管。通过对变阻器进行调整，反相器将电压信号输入至PWM芯片，通过信号反馈完成闭环控制，对比输出电压和误差，使用PWM比较器调整信号，以保障稳定输出电压[3]。驱动电路的高压逆变器脉冲利用专用控制芯片，和PWM控制芯片一样，含有振荡器、基准电源等，能够对过电流进行控制。使用SG3525芯片通过四路脉冲输出，实现延时控制功能，并完成相位调制。当控制芯片端输出电压超过1V时，经过触发器，误差放大器电平改变，引发相位调制，形成相位差。延迟电路将电路波形延迟，达到相位控制的目的，从而达到零电压开关的功能。

（七）仿真分析

围绕上文开展的高频高压开关电源设计进行电路仿真分析，结合初始条件的变化情况，考虑到各谐振周期的影响，需依托仿真工具和复杂判断条件开展仿真工作，具体选择MATLAB，完成谐振过程的具体仿真。仿真过程需要综合考虑多方面因素影响，包括充电速度等，同时限制谐振频率和谐波，这种限制可保证通过仿真电路更好进行模拟，同时需保证电感值设置合理，因此仿真设置50kHz的串联谐振频率。通过仿真得到的数据进行分析不难发发现，在开关频率变化影响下，谐振电流回路对应存在的谐振频率具体数值为50kHz，这一参数的确定说明开关频率带来的影响较为深远，在谐振回路电流方面有着直观体现。通过适度将开关频率增大能够发现，其具体值与谐振频率相等时存在最大谐振电流，超过该值后谐振电流会不断减小。

围绕趋势变化开展仿真分析可以确定，谐振电流峰值会受到开关频率的直接影响，这种影响会最终导致其提升至250A，相较于最初的40A差别加大，同时起始阶段震荡峰值在增加的开关频率影响下也不断提升，具体值远远高出稳定值，电流稳定存在于多个周期后。进一步可以可以发现，稳定后的谐振电流基本不发生变化。进一步开展高频高压开关电源设计仿真还能够发现，串并联谐振变换器的电流源特性较为突出，电流大小能够基于开关电源的频率控制。按照谐振频率的具体值控制开关频率，通过仿真可发现类似于正弦波的最大幅值谐振电流，谐振电流属于衰减正弦波的情况出现于3倍諧振频率的开关频率时，上述两种情况分别以基波分量、三次谐波电流分量为主要的谐振电流成分。结合近年来的相关研究不难发现，谐振频率如达到开关频率基数倍，电流存在不同程度极大值，这类研究成果与本文研究得出的结论相同，因此上述仿真的价值得到证明。

结论：综上所述，为适应不同工作场景，设计软开关高压开关电源，选择串并联谐振软开关对变压器的电容以及电感进行处理，进而让电源转换率得到提高。并充分利用计算机软件进行电路设计，调整电路参数，提高电源设计的可行性。经过对电源设计的仿真分析，软开关技术的应用显著提高了电源效率，提高电源适应负载范围，让电源的应用范围得到进一步扩大。

参考文献：

[1]冯君璞，洪俊杰，江梓丹.开绕组电机伺服控制中开关电源的设计与应用[J].电气传动，2021，51（17）：23-27.

[2]刘亚辉.基于输入串联反激变换的超宽输入电源设计[J].煤炭技术，2021，40（08）：190-192.

[3]汶涛，诸文智，张超，等.基于ZVS设计的开关电源传导干扰抑制效能研究[J].电力电子技术，2021，55（07）：15-18.