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第 12 卷第 1 期军械工程学院学报 Vol. 12 No. 1

2000 年 3 月 Journal of Ordnance Engineering College Mar. 2000
一种大功率开关电源的设计及效能分析
孟亚峰黄考利王民全曾令涛李戍
(军械工程学院训练部导弹工程系, 石家庄 050003)
摘要: 在实验研究的基础上, 提出一种采用 IGBT 器件的高效大功率开关电源的设计方法, 着
重分析了系统主回路中影响效率的各主要因素以及应采取的对策, 实验证明可使效率达 90 %
以上。
关键词: 开关电源; 效率; IGBT
中图分类号: TM910 7 文献标识码: A

学科分类代码: 470 40 文章编号: 1008 - 2956 (2000) 01 - 0020 - 05
大功率开关电源, 其核心的功率器件通常为双极型功率晶体管和 MOSFET (金属氧化物半导体场
效应晶体管) 。但是随着对小型、质轻、高频、高效和低噪音的要求, 双极型功率晶体管和 MOSFET
已不能完全满足开关电源的新需求。双极型功率晶体管虽可满足高耐压、大电流的要求, 但其开关速度
不尽人意, 并且由于它是电流控制型器件, 还需要较大的驱动功率。而 MOSFET 尽管具有很快的开关
速度和电压控制能力, 但其通态电阻较大, 难以满足高压大电流的要求。
新型的复合器件———绝缘栅双极晶体管( IGBT) 集双极型功率晶体管和 MOSFET 的优点于一体,
具有电压控制、输入阻抗高、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快、工作频率高、元
件容量大等优点, 很适合做大功率开关电源变换器中的功率开关器件。由于大功率电源输出功率大, 所
以在设计中特别注重减小损耗, 提高效率。本文以提高效率为主线, 通过实验研究提出了一种高效大功
率开关电源的设计方法, 着重分析了系统主回路中影响效率的主要因素及提高效率的对策, 使其最大输
出电压 180V , 输出电流 50A , 效率可达 90 %以上。
1 电路基本原理与结构
该系统基本电路如图 1 所示, 系统采用了二次 DC 变换方案, 由三相桥式二极管整流器, 将交流电
变为直流电, 经单相半桥式逆变电路将直流电变为频率较高的交流方波, 高频交流方波经高频脉冲变压
器耦合到次级, 通过高频二次整流后输出所需直流电压。另外, 系统还有锁相环( PLL) 电路和 IGBT
驱动保护电路。
系统采用单相电压型半桥式逆变电路的基本原理如图 2 (a) 所示, 其工作原理是当电容 C1 、C2 相
对逆变频率足够大时, 则电容上的电压基本上维持不变。若负载为纯电阻, G1 和 G2 分别接通 T0/ 2 时
间, 则可获得如图 2 (b) 所示的输出波形。
由波形可知, 输出电压波形是方波, 其幅值为 U d/ 2 , 输出电压的有效值为
T 1
0 2
2 2 U d 2 U d
U a = d t =
T0∫0 4 2
瞬时值表达式为
∞
2 U d
ua = ∑ sin nωt
n = 1 ,3 ,5 ,