新型模塊式高頻高壓大功率開關電源的設計
1.1電力電子技術的開展
在電力電子技術中，開關電源占有重要位置，而現代電力電子技術的繁榮與開關電源（特別是高頻開關電源）的開展 嚴密聯絡在一同，則高頻化是現代電力電子技術焦點之一。但現代高頻開關電源技術的進步得力于新理論、新技術、新器件、新資料的支持。其應用空間疾速擴展，除了計算機、電機變頻控制、電悍、電鍍、電感加熱、超聲波加工（清洗）等所用的變流設備在原有根底上晉級換代外，熒光燈和新型電光源的鎮流器，現代辦公設備、通訊安裝、運載工具、挪動軍事安裝、航空、航天、航海安裝等，都開端將留意力轉向以高頻變換為代表的現代電力電子技術，很多新的應用范疇中其搶手也陸續開展并選中高頻開關電源(DC/AC)。
1.2市場的需求
在上述這些應用范疇中很重要的是請求高牢靠的高頻高壓大功率的開關電源。依據現代電力電子技術關于高頻電源電路應集成化、智能化及模塊化的又一特性，縱觀目前市場，由于國內在此方面起步較晚，因此具備這一特性的高牢靠高頻大功率開關電源還處于開發研制(包括國外廠商在內)之中，即便有,也只是AC_DC或DC_DC的±48v、±24v等常用通訊用的開關電源。
面對這新的桃戰和機遇，我們采用了日本聯美蘭達（NEMIC-LAMBDA）公司產的PF1000A-360型AC/DC功率變換模塊和IPM-4M型全橋式DC/AC高頻大功率變換模塊并將其前后級相連又與高頻大功率脈沖變壓器T等一同組合而成新型模塊式高頻(22-25)KHZ 高壓(100V-120V)大功率（1000W）開關電源, 并作為信號源(或稱超聲波發作器)與換能器匹配組合成高聲高強度超聲波管道清洗機。 值此，該新型高頻高壓大功率開關電源設計計劃作一剖析先容。
2、設計思想
對高頻高壓大功率開關電源而言，其程式應該由前級AC-DC(市電交流輸進220v變換成直流高壓) 和后級DC-AC(直流高壓逆變成高頻高壓) 兩大主要局部組成。
按目前常規的設計，前級AC-DC常常采用市電220v交流輸進經整流濾波；然后級采用電源管理IC（電源控制芯片）和全橋大功率管(MOSFTT管或IGBT管) 及脈沖大功率變壓器一同組成的零電壓開通、關斷的諧振電路（ZVS）拓撲方式來完成DC-AC。
2.1這種分立組合式的設計程式對高頻大功率電力電子技術來說有較大缺陷
首先剖析后級DC-AC。固然電源管理器(控制芯片IC)功用很強，但由于仍屬分立組合，故制造調試煩瑣，特別是與大功率管銜接的功率驅動局部常常都是小型高頻變壓器與驅動三極管的合成，所以在負載匹配上經常呈現由于連線散布電容和電感所構成的尖峰脈沖將擊穿或燒毀；再看前級AC-DC，停止AC-DC, 是將輸進交流的220V市電變換成直流高壓(320V-350V)的大功率變換，若是采用一的般的橋式整流加濾波，則在交流電源一個周期內，其整個開關電源只要很短時間從交流電源汲取電流，輸進脈沖電流的峰值很大，它含有十分高的諧波重量（三次諧波尤為突出），由于只要輸進電流的基波重量才干產生有功功率，因而開功率要素很低，同時，諧波電流還會嚴重污染電網，并干擾其它設備。
2、模塊化技術的應用計劃是克制上述缺陷的最有效設計
3.1選用適宜功率變換模塊電路
前級AC-DC大功率變換為了進步功率要素，限制電流畸變調和波，必需必需采用功率要素校正（Power Factor Correction, 簡稱PFC）新技術，即具有諧波和功率要素校正及各種過壓、過流等維護功用的功率變換模塊電路。
據此，采用了日本NEMIC-LAMBDA公司產的PF-1000要-360型AC-DC大功率變換模塊，將(AC)交流輸進220v成直流(DC)360v. 其PF-1000A-360型AC-DC變換模塊內部框圖，見圖2所示。交流輸進220v加到PF功率變換模塊的輸進引腳AC(L前線)和AC(N零線)，經功率要素調和波校正后, 從PF模塊的引腳+U0和-Uo輸出。
PF-1000A-360型AC-DC大功率變換模塊簡介：
* 模塊PF-1000A-360型AC-DC變換模塊技術指標：其輸進電壓為交流170V—2.5V，而輸出電壓為直流360V; 輸出為直流電流2.8A-4.2A;輸出功率為1008W-1512W；典型浪涌電流60A；最小功率要素為95%；輸出電壓精度為±2%；
* 模塊的特性: 可完成功率要素調和波校正，效率高達95%以上。帶有過壓維護、過熱維護和輸進浪涌維護等維護電路。模塊內部將功率電路和控制電路匯合在一同，運用起來十分便當。
* PF-1000A-360型引腳功用:
IOG-升壓變換器工作監視引腳。正常工作時，IOG端為低電平，若IOG端為高電平，表示該模塊出毛病。
SG--信號地，在模塊內部與負輸出引腳-Uo相連。
ENA--電源“接通” 監視引腳, 用于監視PF模塊輸出電壓, 當PF模塊輸出電壓處于其正常電平(360VDC)時為低電平。AUX--輔助電源輸出引腳，在最大輸出電流為10MA時，輸出電壓范圍為12V—20V. PC--并聯工作控制引腳,只需直接將該模塊PC引腳與另一模塊的PC引腳相連，則兩個模塊就可并聯工作，最多容許五個同功率模塊并聯。
R1--外接浪涌限流電阻，用它能夠限制電源剛接通時的浪涌電流，若不接，則模塊不應正常工作, 實踐上R1(4.2Ω/2W)應與F3溫度保險絲(250V 2A 130℃) 相串接而成。
外形尺寸（長*寬*厚）為：146mm*86mm*125.mm模塊運用時應按裝在散熱板上。
3.2后級DC-AC的設計
后級DC-AC的設計,是采用IPM-4M全橋式DC-AC高頻大功率變換模塊，該(DC-AC)IPM—4M 模塊(見圖3所示), 應用美國IR公司的功率器件和貼片工藝消費。用戶能夠簡雙方便地直接應用它或其組合設計制造、成各類高頻大功率開關電源。
那為什么后級DC-AC要選用IPM-4M全橋式DC-AC高頻大功率變換模塊？經過對該模塊內部構造剖析就了如指掌，從圖3中可看到：
*具有功用較強的電源管理器電路（電源控制芯片），即電流型PWM及輔助維護電路：
所謂電流型即在比擬器的輸進端直接用感應到的輸出電流信號與誤差放大器停止比擬，來控制輸出的峰值電流跟隨誤差電壓變化。這種控制方式能夠改善整個開關電源電壓和電流的調整率，改善整個系統的瞬態響應。電流型PWM 還具有重選脈沖抑止電路，消弭在一種輸出里呈現兩個連續脈沖的可能性。這關于半橋電路或全橋電路組成的開關電源能否牢靠工作是極為重要的。
* 內含IC驅動電路替代脈沖變壓器隔離：
在半橋電路或全橋電路中高端和低真個驅動器是不供地的，普通采用脈沖變壓器隔離。當頻率在數Hz到數百KHz范圍內變化時，普通的脈沖變壓器是無法勝任的。而采用IC驅動電路就不存在上述標題，它的固有死區能避免產生直通訊號，它的圖騰柱電路能吸收橋電路的“米勒效應”。
* 采用全橋DC-AC變換器：
采用性能優秀的MOSFET或IGBT，在公共接地點上伴有0.1Ω的電流取樣電阻，它能感應到內部任一橋路或任一橋路的外部過流、短路，將檢測信號送往維護輔助電路停止斷定調整或極限維護。并有4×1500pf電容，輸出串接1mH電感可成為零電壓開通、關斷的諧振電路(ZVS)。
* 應用P1電流檢測，完成恒流控制：
將流過第P1腳的電流感應檢波取樣送至第9腳，經過調整送至第8腳可停止恒流控制。
* 具有輔助電源供電流型PWM及輔助維護電路正常工作：
由啟動電源和內反應電源組成，它請求電壓在20-500V范圍內能正常工作(普通狀況下在交流220V整流后350V-360V直流電壓下工作)。
由其模塊內部構造剖析所知，它大大減少或克制了后級(DC-AC)分立組合所帶來的制造調試費事和大功率管被擊穿或燒毀等弊病。只需便當的運用模塊的引腳，就可完成功用DC-AC。
為便于應用，值此將模塊特性作一先容：IPM-4M全橋式DC-AC高頻大功率變換模塊特性。
* 模塊DC/AC變換方式
*全橋式功率輸出，內裝4只MOSFET大功率三極管
*工作頻率可10Hz-150KHz調理
*輸出電壓穩定可調，改動輸出脈寬值
*順應工作電壓范圍寬:20v-500v
*模塊工作電流0-20A
*可作為驅動器停止大功率擴展
*外形尺寸（長寬厚）為：115mm*66mm*23mm.
* 模塊運用時應按裝在散熱板上
IPM-4M模塊輸出引腳運用闡明：
*模塊左下角圓點為次第腳P1為第1腳
*P1、DC+正電源輸進：可在20V-500V電壓范圍內運用
*P2、AC功率脈沖寬度調制波輸出：波形極性與P3相反
*P3、AC功率脈沖寬度調制波輸出：波形極性與P2相反
*P4、DC-負電源輸進（或地端）
*P5、UHO全橋脈沖電流取樣輸出：當內接取樣電阻0.1Ω時動作電流為4A時,P4和P5之間每并接一只0.1Ω電阻，可使最大工作電流增加4A，留意：視在功率不應超越1200VA(P1點電壓乘以流過P1電流)
*P6、RT頻率調整：此腳懸空時，P2、P3輸出標稱頻率(各模塊均有標注，本先容的模塊為22KHz)。當P6和P4之間接進100KΩ精細電位器時，改動阻值可使在標注頻率f在0—150KHz范圍內變化。
*P7、V0光隔離反應脈寬調制地電位。
*P8、Vin光隔離反應脈寬調制信號輸進：當反應信號大于2.5V時,P2、P3輸出脈沖寬度減小，使反應信號均衡在2.5V
*P9、P1, 電流檢測信號隔離輸出：在P7、P8、P9之間接微調電阻（P8接電阻抽頭），調整它可改動P2、P3輸出或做電流整定。不用時此腳懸空。
*模塊運用時應按裝在散熱板上。
由于DC/AC模塊應用范疇很多，但大多數都運用到了高頻大功率變壓器，現提供設計公式和例子。
E=U1為變壓器低級直流電壓
N1為低級匝數；
E=U1為加在變壓器低級的最高電壓；
f變壓器的工作頻率；
S磁芯的有效面積；
4.44為系數(對正弦波—4.44)或4(關于矩形波--4)；
4、模塊式高頻(22-25KHZ)高壓(100V-120V)大功率（1000W）高頻開關電源的設計計劃
4.1技術請求：
輸進電壓：交流220v
輸出脈沖電壓：幅值為100v-120v、頻率f為(22-25)Khz±1%，其占空比D為0.4-0.5為可調。
輸出功率:為1000W
輸出高頻大電流可采用LED數字顯現
工作頻率f可采用LED數字顯現
脈沖輸出電壓經過LC諧振電路應在超聲波換能器二端取得高頻(22-25)KHz高壓的正弦波
4.2該高頻高壓大功率開關電源設計電原理框圖
詳細先容剖析如下:從圖4可看出該開關電源由前級IC1的PF1000A-360型AC/DC大功率變換模塊和后級IC2的DC/AC IPM—4M 模塊相連并與高頻大功率脈沖變壓器T等三大局部一同組合而成, 即成為超聲波管道清洗機的信號源（超聲波發作器）。詳細先容如下:
�、� 模塊式高頻高壓大功率開關電源的工作調試過程
�、诤仙线M線交流電源220V后，當IC1的(AC/DC)PF-1000A-360型變換模塊輸出電壓為直流360V并加于IPM-4M(DC/AC) 模塊IC2的P1、P4引腳上時，則輸出脈沖變壓器(功率應大于1200W)T的低級二端P2與P3上(接自IPM-4M模塊全橋型功率管對角線端)將并取得360V高頻(22—25)KHz脈沖電壓。
�、� 脈沖輸出電壓取決于大功率脈沖變壓器T次級N2端不同的匝數,可取得的幅值為100v-120v的脈沖電壓,見圖4右上角所示。
�、� 輸出電壓工作頻率f：為(22-25)Khz±1% 其占空比D為0.4-0.5為可調
�、� IC2的P2、P3引腳上有脈沖波形保送,調整W3便可看到脈寬變化。
⑥ 當K1、K2在斷開位置，頻率計顯現模塊標稱頻率22KHz。當合K1上時，減少W1阻值，頻率將向高端變化。當K2合上時，增加W1阻值，頻率將向低端變化。依據需求來決議運用參數。
�、� 調整W3，可改動穩定的輸出電壓的幅值。
⑧調整W2，可改動輸出電流輸出值。這個功用不用時可懸空。
5、大功率高壓(100v-120v)高頻(22-25 KHz)正弦波的完成
當大功率脈沖變壓器T次級N2輸出的100v-120v的脈沖波電壓加到LC諧振電路( 其L為可調高頻電感線圈, C為超聲波換能器的等效電容,由此則組成LC諧振器，見圖4右上角虛線所示), 經過調整高頻電感線圈L可使諧振器得到串聯諧振，其諧振頻率f0為換能器固有頻率 并在電容C(換能器)兩端將取得諧振后的高壓高頻(22-25 KHz)正弦波,見圖4右上角所示. 以上整個過程完成了從AC-DC再從DC-AC高頻(22-25 KHz) 高壓(100V—120V) 大功率(1000W) 的輸出。
完畢語
(AC-DC)PF-1000A-360模塊與(DC-AC)IPM-4M模塊用處很是普遍，用它們組合成的新型模塊式高頻高壓大功率開關電源其設計、調試、制造簡雙方便，理論證明與由PF-1000A-360模塊和移相諧振軟開關PWM全橋控制芯片ML4818及MOSFET大功率管分立組合應用計劃相比擬,該模塊式高頻高壓大功率開關電源作為信號源(或稱超聲波發作器)經與大功率超聲波換能器配套重復運用和現場運轉，其性能穩定牢靠，徹底克制了以往用單個集成和分立式大功率管組合而成的開關電源那種經常被燒毀、擊穿及毛病率高、維修難等缺乏之處，經重復運用，該新型模塊式高頻高壓大功率開關電源完成了高效率（效率達95%以上）高牢靠免維護，是屬新一代高頻高壓大功率開關電源技術和產品。
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