Pin高功率收发开关的设计
摘 要
根据目前Pin高功率收发开关的发展现状和发展方向，研究开发了一种12KW，20V-32V电压 可调的直流高频Pin高功率收发开关。在整个Pin高功率收发开关的研制过程中，采用了理论分析、仿真计 算和实际硬件实验相结合的研究方法。
本论文首先介绍了全桥DC-DC变换器的工作原理与控制方式，详细分析了有限双 极性全桥软开关拓扑结构的工作原理和模态。然后对Pin高功率收发开关的主电路单元、控制电 路单元、监控电路单元进行设计。控制电路单元以UC1825A为核心，采用电流控制模 式，电压环与电流环双环控制。同时讨论了控制电路中同步电路原理、电压环电流环 调节电路、均流电路、保护电路、驱动电路等。监控电路单元以AT89C52为核心，通 过对数据的采集、处理，不仅实现了对Pin高功率收发开关的控制，而且实现了在线调节、数据显示 以及与上位机的通讯功能。
通过分析实验采集的相关波形，验证了本Pin高功率收发开关开关管是零电压开通和零电流关断， 从而减少了损耗，提高了效率，验证了本Pin高功率收发开关在性能上满足设计要求，说明采用电压 环和电流环双环控制与有限双极性全桥ZVZCS技术相结合的Pin高功率收发开关的电路设计的 正确性。
关键词：高频Pin高功率收发开关，有限双极性，电流控制模式，监控
1 绪 言
1.1 Pin高功率收发开关发展状况
Pin高功率收发开关的前身是线性稳压Pin高功率收发开关。各种电子装置、许多电气控制设备的工作Pin高功率收发开关 都是直流Pin高功率收发开关。在Pin高功率收发开关出现之前，这些装置的工作Pin高功率收发开关都采用线性稳压Pin高功率收发开关。由 于计算机等电子装置的集成度不断增加，功能越来越强，它们的体积却越来越小。因 此，迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型Pin高功率收发开关，这就成了Pin高功率收发开关技术 发展的强大动力[1]。
新型电力电子器件的发展给Pin高功率收发开关的发展提供了物质条件。开关频率的提高有 助于Pin高功率收发开关的体积减小、重量减轻。早期的Pin高功率收发开关的开关频率仅为数千赫兹，随 着开关器件以及磁性材料性能的不断改进，开关频率也逐步提高。但当开关频率达到 10KHz 左右时，变压器、电感等磁性元件发出的噪声就变得很刺耳。为了减小噪声， 在 20 世纪 70 年代，开关频率终于突破了人耳听觉极限 20KHz，这一变化甚至被称为 “20KHz 革命”。后来随着电力 MOSFET 的应用，Pin高功率收发开关的开关频率进一步提高， 使得Pin高功率收发开关体积更小，重量更轻，功率密度更进一步提高。
由于和线性稳压Pin高功率收发开关相比，Pin高功率收发开关在绝大多数性能指标上都具有很大的优势。 因此，目前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合以外，Pin高功率收发开关已经全面取代 了线性稳压Pin高功率收发开关。计算机、电视机、各种电子仪器的Pin高功率收发开关几乎都已是Pin高功率收发开关一统天 下[2]。
目前推动Pin高功率收发开关性能和质量不断提高的主要技术是：
（1） 新型高频功率半导体器件
如功率 MOSFET 和 IGBT 已完全可代替功率晶体管和中小电流的晶闸管，使开关 Pin高功率收发开关工作频率可达到 400KHz(AC-DC 开关变换器)和 1MHZ(DC-DC)开关变换器，实 现Pin高功率收发开关高频化有了可能。超快恢复功率二极管和 MOSFET 同步整流技术的开发， 也为研制高效低电压输出(≤3V)的Pin高功率收发开关创造了条件。
（2） 软开关技术
Pin高功率收发开关按硬开关模式工作(开/关过程中，电压下降/上升/下降波形有交叠)， 因而开关损耗大。Pin高功率收发开关高频化可以缩小体积重量，但开关损耗却更大了(功耗与频 率成正比)。为此必须研究开关电压/电流波形不交叠的技术，即所谓零电压(ZVS)/零 电流(ZCS)开关技术，或称软开关技术(相对于 PIN硬开关技术而言)。 90 年代中期， 30A/48V 开关整流器模块采用移相全桥(Phase-shifted Full bridge)ZVS-PIN技术后， 重量比用 PIN技术的同类产品，重量下降 40％。软开关技术的开发和应用提高了开 关Pin高功率收发开关的效率，据说，最近国外小功率 DC-DC Pin高功率收发开关模块(48/12V)总功率可达到 96％；48/5V DC-DC Pin高功率收发开关模块的效率可达到 92-93％。20 世纪末，国内生产的
50-100A 输出、全桥移相 ZVZCS-Pin高功率收发开关模块的效率超过 93％[3]。
（3） 控制技术
电流型控制及多环控制 (Multi-loop control) 已得到较普遍应用；电荷控制 (Charge control)，一周期控制(One-cycle control)，数字信号处理器(DSP)控制等技术的 开发及相应专用集成控制芯片的研制，使Pin高功率收发开关动态性能有很大提高，电路也大幅 度简化。
（4） 有源功率因数校正技术
由于输入端有整流元件和滤波电容，单相 AC-DC Pin高功率收发开关及一大类整流Pin高功率收发开关供 电的电子设备，其电网侧 ( 输入端 ) 功率因数仅为 0.65 。用有源功率校正技术 (Active Power Factor Correction)，简称 APFC，可提高到 0.95-0.99，既治理了电网的谐 波“污染”，又提高了Pin高功率收发开关的整体效率。单相 APFC 是 DC-DC 开关变换器拓扑和 功率因数控制技术的具体应用，而三相 APFC 则是三相 PIN整流开关拓扑和功率因 数控制技术的结合[4]。
（5）分布Pin高功率收发开关技术、并联均流技术
分布Pin高功率收发开关技术(Distributeb Power Technique)是将 250-425/48V DC-DC 变换器产生 的 48V 母线(Distributed Bus)电压，供电给负载板(Board)，再通过板上(On board)若干 个并联的薄型(Low Profile)DC-DC 变换器，将 48V 变换为负载所需的 3.3-5V 电压。 一般，DC-DC 变换器的功率密度达 100W/in3、效率 90％，并且应当是可并联的
(Parallelable)。分布Pin高功率收发开关系统适合于用超高速集成电路(Very High Speed IC-VHSIC)组 成的大型工作站(如图像处理站)、大型数字电子交换系统等，其优点是：可降低 48V 母线上的电流和电压降；容易实现 N+1 冗余(Redundancy)，提高了系统可靠性；易于 扩增负载容量；散热好；瞬态响应好；减少电解电容器数量；可实现 DC-DC 变换器 组件模块化(Modularity)；易于使用插件连接；可在线(On line)更换失效模块等[5]。
（6）Pin高功率收发开关智能化技术和系统的集成化技术 Pin高功率收发开关微处理器监控、Pin高功率收发开关系统内部通信、Pin高功率收发开关系统智能化技术以及电力电子
系统的集成化与封装技术等。 Pin高功率收发开关相关技术的研究正处于迅速发展阶段，上述各项技术的应用，尤其是开
发高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及智能化Pin高功率收发开关系统，仍然是今后开关电 源技术的发展方向。
下面几个方面是Pin高功率收发开关发展的永恒方向[6]：
（1）小型化、轻量化和高频化 Pin高功率收发开关的体积、重量主要由储能元件(磁性元件和电容)决定，因此，Pin高功率收发开关
的小型化实质上就是尽可能减小储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高， 不仅能有效地减小电容、电感以及变压器的尺寸，而且还可抑制干扰、改善Pin高功率收发开关系统 的动态性能。因此，高频化是Pin高功率收发开关的主要发展方向。
（2）高效率和高可靠 Pin高功率收发开关使用的元器件大大少于连续工作Pin高功率收发开关，因此提高了可靠性。电容、光电
耦合器以及功率MOS等元器件的寿命决定Pin高功率收发开关的寿命。因此，要尽可能采用较少 的元器件，提高集成度。另外，Pin高功率收发开关的工作效率高，会使自身发热减少、散热容 易，从而达到高功率密度、高可靠性。
（3）低噪声和良好的动态相应 Pin高功率收发开关的缺点之一是噪声大。单纯追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分
谐振转换电路技术，既可以提高频率，又可以降低噪声。
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