半桥功率计算

功率变换部分采用半桥电路。

一．主变压器的设计

主变压器的输入电压为PFC输出电压，模块的额定输出电压为220V，变化范围为90%-130%，主变压器采用PHILIPS公司的E65/32/28型磁材两对（四只）。

输入电压        Vin=380V～420V

输出电压     Vout=198V～286V

工作频率     f=F/2=40k

对于E65磁材：

截面积      

B值为       Bsat=450mT

工作中取     Bmax=200mT

最大占空比   D=0.85

变压器原边匝数  

原边绕组取9匝

在最高输出电压时，占空比最大，此时变压器副边电压为

所以，变压器副边绕组为

副边绕组取16匝

变压器变比取

为了保证设计的变压器符合要求，需要对设计好的变压器参数进行校核；

在最高输入，最低输出的情况下： 

在最低输入，最高输出的情况下，

正常工作时，

励磁电流

从计算的结果来看，变压器的设计是合理的。实验的结果也证明了这一点。

二．输出滤波电感的计算

为保证模块的正常工作，在模块最小输出电流的情况下，滤波电感中电流的波形应保证连续，这就决定了滤波电感有一个最小值。在模块的设计中，为保证模块在空载情况下工作，模块内部有一死负载，在输出电流达到一定值时，死负载可以切掉，模块内部的死负载由两个50W-2K电阻组成。

在正常工作时，模块的最小输出电流

为保证输出滤波电感中的电流保持连续，输出滤波电感的最小值为

输出滤波电感取1.2mH，采用Φ1.08漆包线两根绕制，绕组的平均电流密度为：

磁材采用北京浩阳公司生产的高磁通粉芯  H60 Φ56×32×20，磁环具有最高的饱和磁通密度，其饱和磁通密度高达15000（GS），而且铁损较低，允许工作温度可以高达200℃

H60磁环的主要参数如下：

截面积      

磁路长度    

电感系数  

绕组匝数   

此时，磁环的直流磁化强度H值为

根据厂家提供的H60材料的特性曲线，在上述H值下的增量磁导率为70%左右，电感值降为原来的70%，变化不大，不会影响模块的稳定工作。

在最大电流时，磁环的磁感应强度为

由于高磁通磁环的饱和磁感应强度为1.5T，磁环并不会饱和。

三．开关管的选择

模块的DC-DC部分采用半桥电路，主开关管采用IR公司生产的IGBT，型号为IRG4PC50W，

在最高输出电压、最大输出电流的情况下，整流模块的最大输出功率为：

考虑DC-DC部分的效率在94%左右，变压器原边输入电压为190V，因此变压器原边的平均电流为

此时，占空比为最大， 

所以，通过开关管的平均电流为

为保证模块的可靠性，DC-DC部分采用双管并联的工作方式。

IR公司生产的IRG4PC50W的主要技术参数如下； 

          0.℃/W

             0.24℃/W

                1.5V

                 0.3mJ

对于单只IGBT来说，其流过的平均电流为9.5A，工作频率为40k，其损耗为导通损耗与开关损耗之和。

    开关损耗   

 导通损耗   

 总损耗     

对于IRG4PC50W来说，其结点到本身自带散热器的热阻为：

  ℃/W

模块所的导热绝缘膜采用美国贝格斯公司的Sil pad-2000材料，其热阻为0.2℃/W。

外壳散热器表面到结点的温升为：

        ℃

采用合适的散热器，在风冷的方式下，散热器的热阻可以低于0.1℃/W，模块的总输出功率为2860W，按90%的效率考虑，则散热器最大温升为

        ℃

在老化时，环境温度为40℃，模块内部环境温度有10℃温升，则总的环境温度为50℃，结点温度为

        ℃

由于芯片的允许结点温度为150℃，还留有50℃的余量，而且在正常工作时，由于环境温度还要低，模块的工作会更加安全。

四．副边尖峰电压的抑制

在硬开关电路中，由于在变压器电压建立之前，副边二极管处于续流状态，二极管的反向恢复时间的存在，使二极管上出现很大的电流尖峰，这是硬开关电路不可避免的，该电压尖峰的存在，一方面增加了模块的噪声，同时过高的尖峰还会造成模块的损坏。

在模块的设计过程中，输出整流二极管采用DSEI60-10A，其耐压值为1000V，开发过程中发现，在满载输出的情况下，二极管上尖峰电压与正常电压基本上为1：1的关系，二极管上的峰值电压能够达到800V。对于1000V的二极管来说，在满载情况下，开机瞬间的冲击就有可能导致输出整流二极管损坏，造成模块的故障。

由于二极管上的尖峰是由于寄生电感、寄生电容的存在而产生的，而且随着寄生电感的增大、寄生电容的减小、导通电流的增大而增大，在最大输出电流一定的情况下，二极管上的尖峰就只能通过减小寄生电感或增大寄生电容来减小了。

为减小寄生电感，一方面是改善布线，另一方面是改变变压器的绕制方式，减小变压器副边的漏感。在变压器的绕制中，采用铜皮绕制，匝间耦合紧密，变压器副边漏感明显减小，相对采用导线绕制的变压器，副边的漏感由原来的4.6uH下降为2.1uH，但是输出整流二极管上的尖峰的幅值并没有明显的减小，在额定情况下工作半小时后，尖峰仅由原来的800V下降为720V左右。更改变压器前后的波形大致如下图所示；

采用如右图所示的RC吸收电路，可以等效的认为是增加了二极管的并联电容容量，也可以减小二极管的尖峰电压。由于电容在二极管导通时吸收的能量，需要通过电阻来放掉，如果采用小的电容，起不到吸收的作用，较大的电容会造成电阻上的损耗过大。在实验的过程中间，我们经过多次实验，最终发现采用6个5W/150欧电阻串联和1nF的吸收电容效果较好，吸收前后波形如下图所示。

从上图中我们可以看出来，采用RC吸收电路，震荡周期明显减小，尖峰幅值也降低，在满载时测量，峰值电压在650V左右，二极管的余量也基本满足，但是，第一个尖峰无法彻底吸收。而且电阻的损耗也不小。

在RC吸收电路中，电阻的损耗大致为：

W

如此高的电阻损耗，在模块正常工作时，就需要大功率的电阻来耗散。

为了彻底吸收副边二极管上的尖峰，减小电阻损耗，我们又实验了下面的吸收方式：

在电路中，采用大电容吸收，大电阻放电。采用大电容增强尖峰吸收能力，大电阻放电，电容电压下降较小，不会在下一次电压建立时由于电容瞬时短路造成更大的尖峰，而且损耗小。在副边电压建立瞬间，当副边电压高于电容C1上电压时，二极管D1导通给电容充电，利用大电容C1来吸收副边的尖峰。当副边续流时，二极管D1反向截止，电容上的电压通过R1向负载放电。直到下一周期的开始。二极管上吸收前后的波形图如下图所示。

在上述电路中，应该电容越大，吸收效果应该越好，为验证这个推断，我们作了以下的实验；

实验条件；额定输入，输出220V，电流10A，强制风冷

1）不加吸收       结果 V1=820V，V2=400V     尖峰为正常电压的1.05倍

2）C1=222，R=3K  结果 V1=0V，V2=400V     尖峰为正常电压的0.6倍

3）C1=472  R=3K  结果 V1=580V，V2=400V     尖峰为正常电压的0.45倍

4）C1=103  R=3K  结果 V1=500V，V2=400V     尖峰为正常电压的0.25倍

最后，模块的吸收电路数据采用C1=0.012uF，R1=4.5k，在满载输出的情况下，模块的输出电压的尖峰值不到500V，对于1000V的二极管来说，余量已经足够了

在电路中，由于电容电阻均足够大，电容上的电压基本保持不变，电阻上的压差也是恒定的，在浮充电压下，电阻的损耗为：

W

很明显，电阻的损耗也明显的减小。

    通过以上的实验电路可以看出，在所有的吸收电路中，采用能量回馈的RCD吸收电路是最有效的。 

五．其余辅助电路的工作原理

1．风机控制电路：

风机控制电路部分主要是来控制风机的工作温度及停止温度，温度传感器V80采集模块的温度，电阻R119，R120设定了风机工作温度点，当温度低于设定值时，比较器N6:A输出高电平，三极管V88导通，继电器吸合风机不工作，当模块温度高于设定值时，比较器输出低电平，三极管不导通，继电器断开常闭触点闭合，风机工作，同时比较器输出低电平将参考(N6:A3脚)电平拉低，形成一滞环，使温度下降后风机才能停止工作。

2．均流电路

    模块的均流电路采用“民主”均流方式，均流电路的主要部分为一差动放大电路，该差动放大电路有90倍的增益，这样，即使模块本身与均流母线有很小的差值，经90倍放大后，也可以迅速的调整过来.当模块本身电流电压高于平均值(均流母线)时，集成电路N1:A输出低电平，将参考拉低，模块输出电压降低，模块的输出电流亦下降，从而实现模块的均流。

3．遥控开关机

    模块的遥控开关机通过光耦实现，当在光耦原边施加高电平时，光耦导通，主要有两个作用：

1) 15V电压通过二极管V57使三极管V62导通，将V55的控制端电平下拉到0V，使MOS管V55关断，将均流电路切断。（如果模块关机，均流电路不切断的话，将使均流母线呈现低阻态，影响其他模块间的均流。）

2)+15V电压通过二极管V60加到RP4上，使控制芯片的软启动端(8脚)电平降到0V，模块输出亦降到0V，从而实现了关机，当外加电压撤除后，模块重新启动

另外，模块还具有其他的一些功能，像遥测、遥调、稳流等，通过监控单元的控制与调节，可以实现模块的自动工作，从而实现系统的智能话管理。

六．模块的保护电路

1．模块的过温保护

过温保护主要是为了在风机失效的情况下来保护模块，当模块的风机控制电路或风机出现故障的情况下，风机无法工作，模块的热量无法散出，这样模块的温度会越升越高.为了保护模块不被损坏，模块内部设置了过温保护，在温度高于保护点时，模块内置的温度继电器断开，将辅助电源切断，模块内所有辅助电源停止工作，模块亦停止工作.模块的过稳工作点为80度。

2.过欠压保护电路，限压保护电路

    过欠压保护电路主要是采用比较器来实现，模块输出电压过高时，比较器N4:B 脚5电位高于脚6，比较器输出高电平.该高电平一方面使可控硅V3导通，使模块的软启动端降为0V，模块无输出;另一方面使光耦V51导通，向监控提供故障信息.同理，输出电压低于设定值时，N4:A脚2电平低于脚3，比较器输出高电平.欠压故障灯亮;同时监控告警.欠压与过压的不同之处在于欠压仅仅告警，并不关机.

输出限压为比较器N4:C，模块输出取样连接到9脚，参考连接到10脚，当输出采样高于参考时，比较器输出第电平，将参考(SG2525脚2)拉低，模块输出电压下降，从而实现了模块的限压功能.电位器RP3可以调节模块的限压值.

3.短路保护;

短路保护由两级保护组成，当负载逐渐增大时，电路首先工作于限流状态，电流增大时，通过限流回路将软启动端电平拉低，驱动信号占空比减小，输出电压降低，达到限流的目的。

      当负载突然变化时（例如短路），模块电流突然大幅度增大，此时限流环节来不及工作，此时就需要过流保护将模块迅速关断，否则会造成模块的损坏，过流保护电路采用NE555组成的单稳态电路，当模块电流大于设定值时，单稳态触发器反转，输出高电平，将模块关掉，经一段时间延时后，单稳态触法器输出变为低电平，模块重新启动，如果此时故障没有排除，则模块又关机保护，重复如此，直到短路故障排除。