高功率密度大功率电源关键技术研究与实现

摘要

电源是所有电气设备的动力源泉。而高频化和高功率密度化，是目前电力电子开关电源的一个重要发展趋势。本文结合某公司200kW数字化开关电源的研发，着重围绕高功率密度的一些相关问题进行了研究与实现。
　　 本文根据电源的研发指标要求，在分析大功率开关电源一些实现方案的基础上，选择确定了一种适合本项目研发要求的系统结构和主电路拓扑，进行了实现方案的具体设计与计算机仿真，并搭建了基于IGBT作为开关元件、DSPTMS320FS2812作为控制器、工作频率为20kHz的样机硬件电路，进行了试验调试，取得较好的实现结果。在进行这些工作的过程中，主要研究了如下内容：
　　 第一、针对电源必须满足功率因素大于0.9的要求，就PPFC(无源功率因素校正)的三种主要实现方式进行了研究对比。常见文献中，针对PPFC的直流侧电容滤波和LC滤波方案研究较多，但对于交流进线侧电感与直流侧电容滤波结合方式讨论很少。本文通过计算机仿真，对这三种方式的滤波效果进行了量化对比，并结合功能和体积实现等问题进行了各自优缺点的分析，为工程具体实现的合理取舍提供了参考。
　　 第二、高频化是提高电源装置功率密度的一种主要手段。但开关损耗急剧增加是高频化带来的突出问题，从而使软开关问题尤为重要。本文在分析对比现有一些软开关拓扑优缺点的基础上，兼顾可靠性需求和便于实现，选择一种在变压器次级施加无源无损辅助电路的软开关拓扑，进行了较为详细的分析，并通过计算机仿真进行了电路参数的优化设计，为样机设计实现提供了基础依据。
　　 第三、为电路中高频变压器、电感等磁性元件选择合适的磁性材料和绕线方式，是减小电源体积、实现电源装置高功率密度的重要措施。本文针对超微晶和铁氧体磁性材料，从工作特性、对电路工作的影响以及制造成本等方面进行了分析对比，为样机制作的综合取舍提供了参考依据。
　　 第四、直流偏磁是本课题所用电路拓扑中高频变压器的一个十分重要问题。在高频变压器原边串联隔直电容，是工程实现中常用的一种解决偏磁问题手段。但目前文献中，对静态偏磁问题研究较多，对动态偏磁问题的研究却很少。本文通过计算机仿真，对隔直电容及其参数选择抑制动态偏磁效果进行了较为详细地量化分析，为隔直电容的参数优化选取提供了依据。
　　 此外，本文中还对电路中功率单元的水冷散热设计、变压器漏感影响、占空比丢失以及采用均流电感实现多模块均流等进行了分析与设计。
　　 本文研究设计的实验样机，电源功率密度约为0.45W/cm3(根据公开发表的文献，2009年中科院电工研究所研制的40kW开关电源，功率密度约为0.4W/cm3)。并且，样机试验结果与设计指标也取得较好吻合，表明了所做设计与分析的正确性与合理性。