高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院專 業(yè)電子信息工程題 目高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師 （姓 名） （專業(yè)技術(shù)職稱/學(xué)位）（姓 名） （專業(yè)技術(shù)職稱/學(xué)位）2011年5月摘要：通信電源是電信網(wǎng)的能源，其供電質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到整個(gè)電信網(wǎng)的暢通。本文首先介紹了國內(nèi)外高頻開關(guān)電源的發(fā)展情況和趨勢(shì)，以及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，詳細(xì)分析了間接和直接變換器的基本工作原理和各自的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行理論分析和電路實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種實(shí)用的開關(guān)電源，從而替代傳統(tǒng)電源。該系統(tǒng)以MOSFET作為功率開關(guān)器件,構(gòu)成一種間接的開關(guān)變換器；控制電路采用脈寬調(diào)制技術(shù)；PWM控制信號(hào)由集成控制器UC3

2、825系列芯片控制產(chǎn)生,輸出實(shí)時(shí)采樣電壓回饋信號(hào),控制輸出電壓?？刂齐娐泛椭麟娐分g通過變壓器和光耦合器進(jìn)行隔離，并設(shè)計(jì)軟啟動(dòng)電路和過壓、過流保護(hù)電路，同時(shí)系統(tǒng)電路還包含有電流反饋電路和電壓反饋電路，以確保輸出的更加穩(wěn)定可靠。通過設(shè)計(jì)計(jì)算可知，系統(tǒng)可靠性高、穩(wěn)定性好，比普通電源更具有優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景。關(guān)鍵詞: 高頻開關(guān)電源；變換器； PWM；MOSFETAbstract：The correspondence power switch is the telecommunication network energy, its power supply quality quality relates

3、directly to the entire telecommunication network unimpededness .This article first introduced the domestic and foreign high frequency switching power supply's state of play and tendency this article first introduced domestic and foreign high frequency switching power supply's state of play a

4、nd tendency, as well as in electrical power system's application, multianalysis indirect and direct converter's key job principle and respective good and bad points, based on this and designs one kind of practical switching power supply, thus substitution tradition power source. This system

5、takes the power switch component by MOSFET, constitutes one kind of indirect switch converter; The control circuit uses the pulse-duration modulation technology; PWM control signal by integrated controller UC3825 series chip control production, output real-time sampling voltage feedback signal,contr

6、ol output voltage. Between the control circuit and the main circuit carries on the isolation through the transformer and the optical coupler, and designs the soft starting circuit and the pressure,the overflow protection circuit, simultaneously the system circuit also contain has the current feedbac

7、k electric circuit and the voltage feedback electric circuit, guarantees the output stably reliable. May know through the design calculation, the system reliability is high, the stability is good, has the superiority and the prospects for development compared to the ordinary power source.Key word: H

8、igh frequency switching power supply； Converter； PWM； MOSFET目錄1 緒論51.1高頻開關(guān)電源概述51.2課題簡介62 高頻開關(guān)電源的工作原理和主電路結(jié)構(gòu)的選擇82.1高頻開關(guān)電源的基本組成82.2全橋式變換器的分析102.3直接變換器的工作原理10電路的工作過程112.3.2 關(guān)系式122.4.Buck變換器的性質(zhì)133 高頻開關(guān)電源主電路的設(shè)計(jì)143.1PWM 開關(guān)變換器的設(shè)計(jì)153.2 高頻變壓器的設(shè)計(jì)173.3 整流濾波電路194 高頻開關(guān)電源控制電路的設(shè)計(jì)224.1 控制方式的選擇224.2 PWM控制器234.3 反饋和保護(hù)

9、電路設(shè)計(jì)285 總結(jié)33參考文獻(xiàn)34致謝351 緒論1.1 高頻開關(guān)電源概述八十年代，國內(nèi)高頻開關(guān)電源只在個(gè)人計(jì)算機(jī)、電視機(jī)等若干設(shè)備上得到應(yīng)用。由于開關(guān)電源在重量、體積、用銅用鐵及能耗等方面都比線性電源和相控電源有顯著減少，而且對(duì)整機(jī)多相指標(biāo)有良好影響，因此它的應(yīng)用得到了推廣。近年來許多領(lǐng)域，例如電力系統(tǒng)、郵電通信、軍事裝備、交通設(shè)施、儀器儀表、工業(yè)設(shè)備、家用電器等都越來越多應(yīng)用開關(guān)電源，取得了顯著效益。究其原因，是新的電子元器件、新電磁材料、新變換技術(shù)、新控制理論及新的軟件不斷地出現(xiàn)并應(yīng)用到開關(guān)電源的緣故。從而使開關(guān)電源更上一層摟，達(dá)到了頻率高、效率高、功率密度高、功率因子高、可靠性高的要

10、求。開關(guān)電源就有了更強(qiáng)的競(jìng)爭實(shí)力，應(yīng)用也更為擴(kuò)大，反過來又遇到更多問題和更實(shí)際的要求.這些問題和要求可以歸納為以下幾方面: 1、能否全面貫徹電磁相容?2、能否大規(guī)模穩(wěn)定生產(chǎn)或單件特殊生產(chǎn)?3、能否組建大容量的電源?4、能否滿足電氣額定值更高或更底的要求?5、能否適應(yīng)各種特殊使用場(chǎng)所的要求?這五個(gè)問題是開關(guān)電源能否在更廣泛領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵，把挑戰(zhàn)看成開關(guān)電源發(fā)展的動(dòng)力和機(jī)遇，一向是電源科技工作者的態(tài)度。以功率因子為例，AC-DC開關(guān)電源或其它電子儀器輸入端產(chǎn)生功率因子下降問題，用什么辦法來解決?毫無疑問，利用開關(guān)電源本身的工作原理來解決開關(guān)電源應(yīng)用中產(chǎn)生的問題是最積極的態(tài)度。實(shí)踐中，用DC-DC開

11、關(guān)電源和有源功率因子校正的開關(guān)電源，(成本比單機(jī)增加 20) ;成功解決了這個(gè)問題?，F(xiàn)在，又進(jìn)一步發(fā)展成單級(jí)有功率因子校正的開關(guān)電源，(成本只增加5);在三相升壓式單開關(guān)整流器中減少諧波方法，有人采用注入六次諧波調(diào)脈寬控制，抑制住輸入電流的五次諧波，解決了電流諧波畸變率小于10%的要求。這樣的事例，不斷從近年發(fā)表的科研論文中反映出來。開關(guān)電源干擾技術(shù)及防止電網(wǎng)污染技術(shù)已引起國內(nèi)外專家注意。在21世紀(jì)，分布式電源系統(tǒng)的組成將強(qiáng)調(diào)“系統(tǒng)集成”、“電力電子封裝技術(shù)”等。現(xiàn)在新的器件(能低壓工作、降壓很小)陸續(xù)進(jìn)入市場(chǎng)，因而可得到1V的低壓輸出和功率小到lOmW的開關(guān)電源，為便攜裝置微型化提供了條件。

12、現(xiàn)在可以用軟開關(guān)PWM技術(shù)、印刷電路、折迭繞組變壓器，可以采用非晶、納米晶合金軟磁材料的鐵芯，小功率開關(guān)電源整機(jī)效率可達(dá)到90%,大功率電源可達(dá)到95%左右。開關(guān)頻率以20KHz為下限，幾十、幾百倍的提高。體積設(shè)備、重量越來越顯著下降。外形也可以作成輕、薄、短、小?？傊?，電源再不是大、粗、笨的設(shè)備，而是精致、靈巧可設(shè)計(jì)成兼有“智能”的裝置了。九十年代以來，美國、德國等西方國家新建電廠和變電站已全部采用高頻開關(guān)電源，近幾年來，國內(nèi)開關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)有了長足的進(jìn)展，理論、研究、生產(chǎn)、應(yīng)用等己有相當(dāng)?shù)某晒蛞?guī)模，采用了有效的均流技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)，如大家所熟悉的朝陽電源就是一種較為完善的開關(guān)電源，但是，

13、現(xiàn)在的開關(guān)電源都是為郵電通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的低電壓的模塊，象電力系統(tǒng)的操作電源所用的220V/110V的電源則研究較少，深圳華為公司的電源模塊有用于電力系統(tǒng)的智能型高頻開關(guān)電源，質(zhì)量不錯(cuò)，但是，它的三次和五次諧波較大，我們知道諧波對(duì)電網(wǎng)有危害作用，大量的諧波分量倒流入電網(wǎng)，造成對(duì)電網(wǎng)的諧波“污染”，一方面產(chǎn)生“二次效應(yīng)”，即電流流過線路阻抗造成諧波電壓降，反過來使電網(wǎng)電壓也發(fā)生畸變;另一方面，會(huì)造成電路故障，使用電設(shè)備損壞。例如線路和配電變壓器過熱;諧波電流會(huì)引起電網(wǎng)LC諧振，或高次諧波電流流過電網(wǎng)的高壓電容，使之過流、過熱而爆炸;在三相電路中，中線流過三相三次諧波電流的迭加，使中線過流而損壞。另外

14、，因?yàn)樗鼪]有采用有源功率因數(shù)校正，功率因數(shù)較低，只達(dá)到0.9，如果采用有效的功率因數(shù)校正，功率因數(shù)可以達(dá)到0.99以上。1.2 課題簡介1.2.1 所選課題的意義 發(fā)電廠和變電所中，為了供給控制、信號(hào)、保護(hù)、自動(dòng)裝置、事故照明、直流油泵和交流不停電電源裝置等的用電，要求有可靠的直流電源。為此，發(fā)電廠和110KV以上的變電所通常用蓄電池作為直流電源，對(duì)上述的電源要求有高度的可靠性和穩(wěn)定性，電源容量和電壓質(zhì)量均應(yīng)在最嚴(yán)重的事故情況下保證用電設(shè)備的可靠工作。根據(jù)電力系統(tǒng)的要求蓄電池直流系統(tǒng)的電壓等級(jí)為: 1、控制負(fù)荷專用的蓄電池組的電壓采用110V。2、動(dòng)力負(fù)荷和直流事故照明專用的電壓采用220V。

15、3、國內(nèi)的發(fā)電廠和變電所的直流電壓大多采用220V。所以，220V直流電源在電力系統(tǒng)的操作電源系統(tǒng)中占有非常重要的地位。 目前，直流電源主要包括三種:相控電源、線性電源、開關(guān)電源。相控電源即相位控制型穩(wěn)壓電源，它的主要原理就是將市電直接經(jīng)過整流濾波提供直流，由改變晶閘管的導(dǎo)通相位角來控制整流器的輸出電壓，所以如果采用適當(dāng)?shù)目刂齐娐肥咕чl管的導(dǎo)通相位根據(jù)輸入電壓或負(fù)載電流變化自動(dòng)調(diào)整，整流器的輸出電壓就能穩(wěn)定不變。線性電源也是一種常用的穩(wěn)壓電源，通過串聯(lián)調(diào)整管可以連續(xù)控制，它的功率調(diào)整管總是工作在放大區(qū)，流過的電流是連續(xù)的。線性穩(wěn)壓電源通常包括:調(diào)整管、比較放大器、回饋采樣部分以及基準(zhǔn)電壓部分。

16、開關(guān)電源的功率調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，功率損耗小，效率高，由于開關(guān)工作頻率高，變壓器的體積大大減小，濾波電感、電容數(shù)值較小。在目前的電力系統(tǒng)中，大部分用的都是相控電源，但是，相控電源用的是工頻變壓器，體積大，而且輸出電壓的紋波系數(shù)大，監(jiān)控系統(tǒng)不完善，采用主從備份方式，用戶使用不方便，對(duì)電力系統(tǒng)新的要求也達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，另外，由于充電設(shè)備與蓄電池并聯(lián)運(yùn)行，紋波系數(shù)較大，會(huì)出現(xiàn)蓄電池脈動(dòng)充電放電，影響蓄電池的使用壽命。而高頻開關(guān)電源體積小、重量輕、頻率高、輸出紋波小、模塊迭加、N+l熱備份設(shè)計(jì)、便于計(jì)算機(jī)管理等優(yōu)點(diǎn)，符合現(xiàn)代電源的潮流。所以，電力系統(tǒng)中的操作電源有高頻開關(guān)電源取代相控電源的趨勢(shì)。 課題所

17、做主要工作本系統(tǒng)中,我們所做的主要工作如下：1、對(duì)高頻開關(guān)電源的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。2、結(jié)合系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，確定系統(tǒng)的主電路拓?fù)?設(shè)計(jì)出主電路。3、結(jié)合系統(tǒng)的具體情況,設(shè)計(jì)出濾波、整流、反饋和保護(hù)控制等部分。本系統(tǒng)要達(dá)到的技術(shù)指針如下:輸入電壓:380V±20%電網(wǎng)頻率:50HZ±10%功率因子:0.99輸入過壓告警:437V±5V輸出標(biāo)稱電壓:220VDC輸出額定電流:5A輸出過壓保護(hù):325V±5V輸出欠壓保護(hù):195V±5V效率:90%2 高頻開關(guān)電源的工作原理和主電路結(jié)構(gòu)的選擇2.1 高頻開關(guān)電源的基本組成高頻開關(guān)電源是將交流輸入電

18、壓變換成所需直流電壓的裝置.基本的隔離式高頻開關(guān)電源的原理圖如圖2.1所示,高頻開關(guān)電源主要有輸入電網(wǎng)濾波器、輸入整流濾波器、高頻變換器、輸出整流濾波器、控制電路和輔助電源等幾部分組成。其基本原理是：日常所用的交流輸入電壓經(jīng)電網(wǎng)濾波電路和整流濾波電路的變換得到一直流電壓，再通過高頻變換器將直流電壓變換成高頻交流電壓，再經(jīng)高頻變壓器隔離變換，輸出所需的高頻交流電壓，最后經(jīng)過輸出整流濾波電路，將變換器輸出的高頻交流電壓進(jìn)行整流濾波，從而得到所需要的高質(zhì)量。 ACEMI濾波器整流濾波高頻變壓器高頻整流濾波輸出控制及保護(hù)電路輔助電源DC 圖2.1 開關(guān)電源結(jié)構(gòu)圖 以全橋式變換器高頻開關(guān)電源為例，圖2.

19、2表示了交流輸入電壓到輸入整流濾波DC-AC變換高頻變壓輸出整流濾波ACDC圖2.2 高頻開關(guān)電源的波形變化最后輸出所需直流電壓的各環(huán)節(jié)電壓波形變換流程。下面就圖2.1中每一部分的作用及原理分別簡述如下：1、輸入電網(wǎng)濾波器：其主要作用是用來消除來自電網(wǎng)的各種干擾，像大型電機(jī)的啟動(dòng)，電器設(shè)備的開關(guān)，以及雷電等產(chǎn)生的尖峰干擾。同時(shí)也可以防止開關(guān)電源的高頻噪聲污染擴(kuò)散到電網(wǎng)，這是一個(gè)雙向的保護(hù)措施。下圖是一個(gè)典型的三相輸入電網(wǎng)濾波器。如圖2.3：C1C2L3C4圖2.3 三相電網(wǎng)濾波器示意圖C3ABCL2C6C5L12、輸入整流濾波器:其主要功能是將電網(wǎng)輸入的交流電壓進(jìn)行整流濾波，為逆變器提供波紋較

20、小的直流電壓。而且，在當(dāng)電網(wǎng)由于事故或其它原因停電時(shí)，濾波電容器儲(chǔ)存的能量尚未用完，還能使開關(guān)電源維持一定的時(shí)間。對(duì)用電設(shè)備起到保護(hù)作用。對(duì)三相交流電輸入，其電路圖形如圖2.4：2.4 輸入整流濾波器電路圖3、高頻開關(guān)變換器（DC/DC）:它是開關(guān)電源的關(guān)鍵部分。它把直流電壓變換成高頻直流電輸出，其主要形式有兩種：直接變換和間接變換。其中間接變換是指變換器中有高頻變壓器。4、控制及保護(hù)電路：它用于檢測(cè)輸出直流電壓，與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，進(jìn)行隔離放大，調(diào)制振蕩器輸出的脈沖寬度，從而控制變換器保持輸出電壓的穩(wěn)定。再開關(guān)電源發(fā)生過電壓、過電流或短路時(shí)，保護(hù)電路就會(huì)使開關(guān)電源停止工作以保護(hù)負(fù)載和開關(guān)電源

21、本身。5、輔助電源：主要是為控制電路和保護(hù)電路提供滿足一定技術(shù)要求的直流電源，以保證它們工作可靠穩(wěn)定運(yùn)行。其電路可以是獨(dú)立的，也可以由開關(guān)電源本身產(chǎn)生。6、濾波輸出：為了確保輸出的可靠穩(wěn)定，一般在電路輸出端都接有濾波電路，從而確保了輸出的可靠穩(wěn)定性。 在工頻濾波器中，一般大電流的工頻濾波電感取值不宜過大，否則斷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大反向電動(dòng)勢(shì)損壞電子器件，開機(jī)瞬間或功率管切換時(shí)，因?yàn)V波電容容量大，易產(chǎn)生的浪涌電流，故采用電感輸入式濾波，其濾波電感能限制電流的突變。 在電源輸出濾波中，濾波電感與濾波電容一起對(duì)整流后脈沖方波起平滑作用。從濾波電感的等效電路看，濾波電感的最高使用頻率決定于等效電容和電感形成

22、的并聯(lián)諧振點(diǎn)。在高頻工作狀態(tài)下，鐵芯損耗大，需采用電阻率非常大鐵氧體磁芯。2.2全橋式變換器的分析全橋式變換器的原理圖：VT1、VT4與VT2、VT3由基極激勵(lì)驅(qū)動(dòng)而輪流通斷，從而將直流電壓Vi變換成高頻矩形波交流電壓，隨后經(jīng)D1、D2整流，L、C2濾波后傳送給負(fù)載，為其提供穩(wěn)定的直流電壓。四個(gè)功率開關(guān)管組成橋的四臂，橋的一對(duì)交點(diǎn)輸入直流電壓，另一對(duì)交點(diǎn)接高頻變壓器原邊繞組。VTl和VT4由一組開關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)，VT1和VT4導(dǎo)通時(shí)電流方向?qū)υ吚@組是又上向下。過半個(gè)周期，VTl和VT4截止，VT2和VT3在另一組驅(qū)動(dòng)信號(hào)下導(dǎo)通，導(dǎo)通電流由電源Vi正端經(jīng)VT3，原邊繞組由下向上，VT2流向電源負(fù)端

23、。兩對(duì)開關(guān)管是輪流導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)繞組電壓近似等于Vi。每只開關(guān)管均為并聯(lián)一只高速功率二極管，其鉗位作用以減小開關(guān)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換為截止時(shí)，變壓器產(chǎn)生的電壓尖峰，以保護(hù)開關(guān)管不被擊穿。全橋式變換器的優(yōu)點(diǎn)是:主變壓器原邊繞組比推挽式少了一半，變壓器利用率提高;開關(guān)管可用低耐壓(如400V)、大電流的功率管輸出功率大。LD1VT3VT1VoVT2VT4D2圖2.5全橋式變換器的原理圖2.3 直接變換器的工作原理直接變換器有很多種，例如：Buck、Boost等，由于Buck變換器是最基本的直接變換器，在這里亦Buck變換器為例進(jìn)行簡單介紹。Buck變換器又稱為降壓變換器。線路組成如圖2.6所示，完成直流電壓

24、間的相互轉(zhuǎn)換。VsTrLDD1CRVo圖2.6 Buck變換器為分析其穩(wěn)態(tài)特性，簡化推導(dǎo)公式的過程，特作如下的假定：1、電感、電容均為理想元件。電感工作在線性區(qū)而未飽和，寄生電阻為零，電容的等效串聯(lián)電阻為零。2、開關(guān)晶體管、二極管都為理想元件。即導(dǎo)通時(shí)壓降為零，截止時(shí)漏電流為零。3、輸出電壓中的文波電壓與輸出電壓的比值小到允許忽略。2.3.1 電路的工作過程 當(dāng)開關(guān)晶體管導(dǎo)通時(shí)，如圖2.7（a）所示，電流=流線圈L,在其未飽和前，電流線性增加，在負(fù)載R上流過電流，兩端輸出電壓，極性上正下負(fù)。當(dāng)>時(shí)，電容C處于充電狀態(tài)。此時(shí)二極管D1承受反向電壓;當(dāng)截止時(shí)，如圖2.9(b) 所示，由于線圈

25、L中的磁場(chǎng)將改變線圈L兩端的電壓極性，以保持其電流IL不變，負(fù)載R兩端電壓仍是上正下負(fù)。在<時(shí)，電容處于放電狀態(tài)，有利于維持、不變。此時(shí)二極管D1承受正向偏壓為電流構(gòu)成通路。2.3.2 關(guān)系式 設(shè)開關(guān)周期為,閉合時(shí)間為=，斷開時(shí)間為-=;<1，稱為接通時(shí)間占空比，且+=1.由假設(shè)可知，+_Vs+_IsD1L+_CR（a）+-Vs+Is=0+RC(b)圖2.7變換器工作原理圖、不變，則導(dǎo)通時(shí)，電感電流線性上升，其增量為： (2.1) 式中：為電流增量;為輸入電源電壓;為輸出電壓；L為電感。當(dāng)截止時(shí)，電流增量為： (2.2) 由于穩(wěn)態(tài)時(shí)這兩個(gè)電流變化量相等，即|,故：整理可得： (2.

26、3)有上式可知，輸出電壓隨占空比而變化，由于<1,故<，電壓增益M為： (2.4)當(dāng)電感L較小，負(fù)載電阻R較大，或較大時(shí)，將出現(xiàn)電感電流已下降到0，新的周期卻尚未開始的情況。當(dāng)新的周期來到時(shí)，電感電流從0開始，線性增加，這種工作方式稱為電感電流不連續(xù)的模式。此時(shí)，由得 (2.5)式中晶體管開斷、二極管導(dǎo)通時(shí)間占空比。通過計(jì)算可得電感電流不連續(xù)情況下的Buck變換器的電壓增益為： (2.6)其中由上述的討論可知，Buck變換器電壓增益M與占空比存在函數(shù)關(guān)系。在連續(xù)與不連續(xù)狀態(tài)之間有個(gè)臨界狀態(tài)，其發(fā)生條件為：連續(xù)狀態(tài)：臨界狀態(tài)：不連續(xù)狀態(tài)：由（3-1-2）可知，臨界時(shí),整理得： (2.

27、7) 上式為臨界條件的表達(dá)式。此時(shí)的電感定義為臨界電感L,可表示為： (2.8)式中：為臨界電感量，為輸出電壓，為開關(guān)工作頻率，為變換器輸出功率。由上式（2.8）可知，對(duì)于和為 固定值時(shí)，Buck變換的電流連續(xù)與否是由R決定的，當(dāng)R的值增大時(shí)，工作狀態(tài)由連續(xù)轉(zhuǎn)化為不連續(xù)。另一方面，如果R和為 固定值，則電感L<時(shí)，其工作狀態(tài)由連續(xù)轉(zhuǎn)化為不連續(xù)。當(dāng)增大時(shí)，即減小時(shí)，則用于保持開關(guān)變換其在連續(xù)狀態(tài)下工作的降低。2.3.3 Buck變換器的性質(zhì) 1、輸入電流是脈動(dòng)的，與變換器的工作狀態(tài)連續(xù)與否無關(guān)。這個(gè)脈動(dòng)電流在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)受到限制，以免影響其它部分的工作。通常，在電源和變換器之間會(huì)加上一些輸

28、入濾波器，這種濾波器必須在開關(guān)變換器設(shè)計(jì)的早期階段和建立模型的過程中就要預(yù)先進(jìn)行考慮，否則，在開關(guān)變換器與輸入濾波器連接時(shí)，可能會(huì)引起意外的自激振蕩。 2、在高功率應(yīng)用中，變換器應(yīng)避免不連續(xù)工作狀態(tài)。因?yàn)樵诓贿B續(xù)工作狀態(tài)，功率晶體管和二極管必須具有較高峰值電壓的電流。 3、輸出濾波器的截止頻率定義為:當(dāng)所選的C能達(dá)到的所需的輸出濾波要求時(shí)，L可以選得足夠大，以便使開關(guān)變換器保持在連續(xù)的工作狀態(tài)，但電容本身沒有完美的電氣性能，所以其內(nèi)部的等效串聯(lián)電阻將消耗一些功率。另外，等效串聯(lián)電阻上的壓降會(huì)產(chǎn)生輸出紋波電壓，欲減小紋波電壓，只能靠減少等效串聯(lián)電阻的值和動(dòng)態(tài)電流的值。選擇電容C的類型，經(jīng)常由紋波

29、電流的大小決定。截止頻率的高低，LC的大小，都將影響輸出紋波電壓。從改善動(dòng)態(tài)特性看，可考慮選擇小電感量，大電容值。3 高頻開關(guān)電源主電路的設(shè)計(jì)一般情況下，變換器都需要變壓器進(jìn)行隔離，即所謂的離線開關(guān)變換器。以有全橋變壓隔離器的Buck變換器為例進(jìn)行簡單說明，其簡單的電路圖如圖3.1所示： D1 L S3 S4 C R Cs Vs S1 S2 T1 D2 圖3.1 全橋變壓隔離器的Buck變換器 圖3.1就是由基本的Buck變換器派生而來的，根據(jù)本系統(tǒng)的要求，圖示所選變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是合理的。且具有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1、由于有了隔離功能的雙繞組，繞組可以靠匝數(shù)調(diào)節(jié)變比，因此，電路電壓增益變化不只靠占空

30、比，而且還可以靠繞組匝數(shù)比，這就給適用設(shè)計(jì)帶來了很多好處，也大大提高了穩(wěn)定性和可靠性。2、變壓隔離器可以克服基本變換器拓?fù)鋵?shí)際中存在的局限性，例如，輸入輸出不隔離，輸入輸出電壓比或電流比不能過大以及無法實(shí)現(xiàn)多路輸出等問題。3.1 PWM開關(guān)變換器的設(shè)計(jì)3.1.1 開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)我們知道PWM開關(guān)變換器按工作方式可分為：單端反激變換器、單端正激變換器和多端變化器三種。其中多端變換器又包括推挽式變換器、半橋式變換器和全橋式變換器。在以上的各種變換器中，我們知道全橋式變壓隔離器開關(guān)承受最小的開關(guān)電壓和最小的開關(guān)電流，根據(jù)我所設(shè)計(jì)的高頻開關(guān)電源的實(shí)際需求，輸出功率較大，因此選用全橋隔離式PWM變換器。

31、這種線路的優(yōu)缺點(diǎn)是：優(yōu)點(diǎn):1、主變壓器只需要一個(gè)原邊繞組，通過正、反向的電壓得到正、反向的磁通，副邊繞組采用全橋全波整流輸出。因此，變壓器鐵芯和繞組最佳利用，使效率、功率密度得到提高。2、功率開關(guān)在非常安全的情況下運(yùn)作。在一般情況下，最大的反向電壓不會(huì)超過電源電壓Vs，四個(gè)能量恢復(fù)二極管能消除一部分由漏感產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓。這樣，無需設(shè)置能量恢復(fù)繞組，反激能量便能得到恢復(fù)利用。缺點(diǎn):1、需要功率元件較多;在導(dǎo)通回路上，至少需要有兩個(gè)管壓降，因此功率損耗也比雙晶體管推挽式變換器大一倍。但是在高壓離線開關(guān)系統(tǒng)中，這些損耗還是可以接受的。另外，能量恢復(fù)方式，由于是四個(gè)二極管，因此，損耗略有增加。2、值得

32、注意的是，全橋變換器易發(fā)生橋臂直流短路及變壓器原邊偏磁飽和，其可靠性難以保證。但是，這種缺點(diǎn)我們將采取一定的措施進(jìn)行避免。以后章節(jié)將詳細(xì)介紹。整個(gè)變換器的電路圖如圖3.2所示。圖中每個(gè)MOSFET旁均并聯(lián)有組容吸收回路作為緩沖器，在晶體管瞬間斷開時(shí)，緩沖器原件R、C將通過提供交流通道來減少功率管斷開時(shí)的集電極電壓應(yīng)力。這樣可增進(jìn)系統(tǒng)元件的安全性。其工作原理是：由P1、P4和P2、P3分別構(gòu)成全橋的兩臂，設(shè)定P1、P4由驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1驅(qū)動(dòng)，其中，P1是驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1通過變壓器隔離后驅(qū)動(dòng)的；P2、P3由驅(qū)動(dòng)信號(hào)S2驅(qū)動(dòng)，其中，P2是驅(qū)動(dòng)信號(hào)S2通過變壓器隔離后驅(qū)動(dòng)的；驅(qū)動(dòng) R1 R2 高頻變壓器 P1

33、 C1 C2 P2 Vi Vo P3 R3 R4 P4 C3 C4 圖3.2 全橋式變換器信號(hào)SI、S2是由PWM信號(hào)控制器產(chǎn)生的，它們是一對(duì)互補(bǔ)的、占空比都不超過50%的信號(hào)，也就是說，同一時(shí)間，不可能出現(xiàn)兩個(gè)信號(hào)同時(shí)為高電平的情況。當(dāng)S1信號(hào)到來時(shí)，P1和P4導(dǎo)通，電流經(jīng)過P1進(jìn)入變壓器原邊，再經(jīng)P4形成回路;當(dāng)S2信號(hào)來時(shí)，P2和P3導(dǎo)通，電流經(jīng)過P2進(jìn)入變壓器原邊，再經(jīng)P3形成回路，但是電壓的極性與信號(hào)S1驅(qū)動(dòng)的相反。這樣，直流電壓K經(jīng)過變換器變換以后，得到的為一高頻變化的交流電壓，完成了從DC到AC的變換3.1.2 開關(guān)元件及其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中的功率變換部分選擇由4只MOSFET管構(gòu)成

34、的全橋變換器，且都有電容和電阻來吸收MOSFET管通斷時(shí)產(chǎn)生的尖脈沖，從而保護(hù)MOSFET管。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，MOSFET功率管可選用的功率管主要有以下幾種SSH11N90、IRFPE50、IRFPE52、2SK684。由于全橋式變換器需要兩路獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路，所以電路相對(duì)復(fù)雜，通過集成芯片進(jìn)行控制，控制電路和主電路之間要通過變壓器進(jìn)行隔離。 一、場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)介紹 1、最大漏極電流，在特性曲線飽和區(qū)中，漏極電流達(dá)到的飽和電流值。 2、閥值電壓，又稱為開啟電壓，是指功率MOSFET流過一定量的漏極電流時(shí)的最小柵極電壓。當(dāng)柵源電壓大于閥值電壓時(shí)，功率MOSFET開始導(dǎo)通。且閥值電壓一般在1.5V

35、5V之間。 3、漏源擊穿電壓,用來表征功率管的耐壓極限。 4、跨導(dǎo)，又稱互導(dǎo)。用來表征功率,MOSFET的放大特性。且互導(dǎo)為：5、最高工作頻率，在漏源電壓的作用下，電子從源區(qū)通過溝道到漏區(qū)是需要一定時(shí)間的。當(dāng)柵源之間的控制信號(hào)的周期與此時(shí)間相當(dāng)時(shí)，電子就來不及跟隨控制信號(hào)。這個(gè)信號(hào)的頻率就是最高工作頻率。我們選用MOSFET的原因之一便是由于它的響應(yīng)頻率較高，一般達(dá)到幾百KHZ 。6、導(dǎo)通電阻，其是指在確定的柵源電壓下，功率MOSFET處于恒流區(qū)的直流電阻，他與輸出特性密切相關(guān)，在開關(guān)電源中，決定了輸出電壓和自身的損耗。一般導(dǎo)通電阻較小，漏源擊穿電壓高的器件較好。7、導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間， MO

36、SFET是依靠多數(shù)載流子傳導(dǎo)電流的。一般來說，影響開關(guān)速度的主要因數(shù)是器件的輸入電阻、輸入電容、輸出電阻、輸出電容。導(dǎo)通時(shí)間定義為:從輸入信號(hào)波形上升至幅值的10到輸出信號(hào)下降至幅值的90所需時(shí)間;關(guān)斷時(shí)間定義為:從輸入信號(hào)波形下降至幅值的90到輸出信號(hào)上升至幅值的10%所需時(shí)間:開關(guān)時(shí)間幾乎與溫度變化無關(guān)，但與柵極驅(qū)動(dòng)電源以及漏極所接的負(fù)載性質(zhì)、大小有關(guān)。一般導(dǎo)通時(shí)間為幾十納秒，關(guān)斷時(shí)間為幾百到幾千納秒。隨增加而增加，卻隨幾增加而減小。二、功率MOSFET的優(yōu)勢(shì)功率MOSFET與功率晶體管相比較有如下的優(yōu)點(diǎn)：1、 安全工作區(qū)域大，功率MOSFET沒有二次擊穿。2、 漏極電流為負(fù)的溫度系數(shù)有良

37、好的熱穩(wěn)定性?？梢院唵蔚夭⒙?lián)以增加其電流容量。3、 開關(guān)速度非常的快。功率MOSFET是多數(shù)載流子器件，不存在功率BJT的少數(shù)載流子存儲(chǔ)效應(yīng)，所以具有非?？斓拈_關(guān)速度。一般低壓器件開關(guān)時(shí)間為10ns數(shù)量級(jí)，高壓器件為100ns數(shù)量級(jí)。特別適合制作高頻開關(guān)，可以大大減少元件的損耗、尺寸和重量。4、 高輸入阻抗和低驅(qū)動(dòng)電流。3.2 高頻變壓器的設(shè)計(jì)3.2.1 變壓器設(shè)計(jì)步驟橋式變壓器的設(shè)計(jì)相對(duì)比較容易，兩個(gè)半周期都用同一個(gè)原邊繞組，磁芯和繞組使用率都比較高。為了減少磁化電流，最好原邊繞組匝數(shù)較多，電感量大，為此，選用高導(dǎo)磁率合金材料的磁芯是合適的，而且磁芯不帶氣隙。 具體設(shè)計(jì)步驟如下: 1、選擇鐵

38、芯型號(hào)根據(jù)輸出功率、效率求出輸入功率。我們?cè)O(shè)計(jì)的電源為220V、5A的直流電源，用于電力系統(tǒng)的直流操作電源系統(tǒng)。輸出功率為:Po=220×5=1100W效率按90%計(jì)算，則輸入功率:Pi=1100/0.91200W又知工作頻率為1OOKHZ，所以由鐵芯選擇圖可以選擇EE55/55/21磁芯。2、選擇最佳磁感應(yīng)強(qiáng)度變壓器設(shè)計(jì)為求有最佳效率，均從銅耗等于鐵耗出發(fā)的。對(duì)于每一個(gè)設(shè)計(jì)者，有一個(gè)最佳磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值Bopt，它依賴于工作頻率、鐵芯損耗，所加的電壓和原、副邊的匝數(shù)比等等。3、線圈匝數(shù)計(jì)算原邊線圈匝數(shù):式中： -原邊線圈所加直流電壓，在有波動(dòng)時(shí)取小值； -最大導(dǎo)通時(shí)間； -總磁感應(yīng)強(qiáng)

39、度增量； -磁芯有效面積。 4、副邊線圈匝數(shù)從3中確定每伏所需匝數(shù)。輸出回路壓降大小加上輸出額定電壓即為副邊電壓Vs.根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)可以確定副邊線圈的匝數(shù)。對(duì)于高頻變壓器的設(shè)計(jì)，常用的有兩種方法，第一種是先求出磁芯窗口面積與磁芯有效截面積的乘積 (=，稱磁芯面積乘機(jī))。根據(jù)值，查表找出所需磁性材料的編號(hào)，稱為法;第二種是先求出幾何參數(shù)，查表找出磁芯編號(hào)，再進(jìn)行設(shè)計(jì)，稱為Kg法。3.2.2 變壓器設(shè)計(jì)常會(huì)遇到以下問題1、階梯飽和由于兩個(gè)功率管存儲(chǔ)時(shí)間不同或輸出整流二極管正向電壓的不同，會(huì)引起在變壓器原邊繞組所受的正向和反向伏秒值不平衡，這個(gè)不平衡造成某運(yùn)行周期變壓器鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度階梯式趨向飽和

40、。2、瞬時(shí)飽和效應(yīng)假設(shè)有一對(duì)功率管在飽和點(diǎn)附近工作，如果負(fù)載瞬時(shí)增加，控制電路使脈沖寬度快速增加，以補(bǔ)償損耗和增加電流，這樣，鐵芯出現(xiàn)單向飽和，一對(duì)功率管可能流過突發(fā)性的過電流。如果功率管有獨(dú)立的、快速反應(yīng)的限流裝置，那么觸發(fā)脈沖能在過電流造成危害之前消失，電源裝置就可避免損壞。但這并不是一個(gè)好的解決辦法。如果減少放大器放大倍數(shù)使輸出電壓的擺動(dòng)幅度小，使每個(gè)周期只允許增加脈沖少量的脈沖寬度，則有可能防止過度飽和。這種方法會(huì)使電路的瞬態(tài)響應(yīng)稍稍變差。3、趨膚效應(yīng)導(dǎo)線流過高頻電流時(shí)，只在導(dǎo)線表皮流過，稱為趨膚效應(yīng)由于趨膚效應(yīng)使得導(dǎo)線有效面積減少，電流密度有所提高，引起銅耗增加，效率下降。當(dāng)導(dǎo)線流過

41、突變電流時(shí)，產(chǎn)生磁力線，磁力線引起渦流，渦流的方向加大了導(dǎo)線表面的電流，抵消中心線的電流，使得電流只在導(dǎo)線的表面流動(dòng)，中心則無電流，這種效果是導(dǎo)線本身的電流產(chǎn)生的。為了解決這個(gè)問題，我們可以用多股導(dǎo)線纏繞在一起來饒制高頻變壓器，這樣就可以避免趨附效應(yīng)。4、變壓器電磁干擾的抑制變壓器產(chǎn)生的瞬變干擾可能傳導(dǎo)和輻射到負(fù)載上，而且還返回到電源配電系統(tǒng)。當(dāng)電源電壓通過零點(diǎn)改變極性時(shí)，非線性磁滯回線特性使不同數(shù)量的剩余磁通殘留在變壓器鐵芯中。這種情況往往增加了剩磁通而使鐵芯飽和，因而導(dǎo)致了電流過流。磁化電流的瞬變，即傳導(dǎo)性電磁干擾，既影響到變壓器的次級(jí)，而且也返回到配電系統(tǒng)。對(duì)于變壓器所產(chǎn)生的傳導(dǎo)、輻射干

42、擾，有如下的措施:1、選擇高導(dǎo)磁通的鐵芯材料，減少變壓器漏磁通；2、變壓器采取靜電屏蔽措施；3、靜電屏蔽的目的是使變壓器初次級(jí)繞組間的電容減到最少，并且對(duì)共模噪聲提供一個(gè)低阻抗的對(duì)地通路；4、在變壓器的外圍中部做一短路環(huán)，以抵消變壓器的漏磁通；5、減小鐵芯中磁通密度將會(huì)使雜散磁場(chǎng)的幅度大約按磁通密度的平方而減小。這樣做雖然變壓器的體積增大了，但卻有利于減小電磁干擾和散熱，比屏蔽變壓器更為經(jīng)濟(jì)有效。3.3 整流濾波電路3.3.1 整流電路高頻電源系統(tǒng)還包括整流濾波部分，整流電路分為兩個(gè)部分：前級(jí)整流和后級(jí)整流。前級(jí)整流是指三相交流電經(jīng)濾波后需要整流變?yōu)橹绷饕院蟛拍茌斎氲介_關(guān)變換器進(jìn)行頻率變換，完

43、成AC-AC的變換。前級(jí)整流部分的電路如圖3.3所示： 圖3.3 前級(jí)整流電路圖圖3.3中前面的電感和電容組成EMI防電磁干擾環(huán)節(jié)，可以有效防止電磁干擾等，達(dá)到有穩(wěn)定的交流輸入，從而確保整流的可靠進(jìn)行，本設(shè)計(jì)選用六個(gè)整流二極管進(jìn)行整流，可以有效的得到所需要的交流輸出電壓。后級(jí)整流部分，是將高頻變壓器變壓后的高頻交流電進(jìn)行整流，這一部分比較簡單，根據(jù)我們?cè)O(shè)計(jì)的要求，選用了四只IXYS公司的DSEI 30-10A功率二極管組成橋式全波整流即可完成工作。 3.3.2 濾波電路由于電源模塊工作于高頻狀態(tài)，而我們又必須獲得無諧波的直流電壓，因此，相對(duì)于相控型整流器，開關(guān)電源必須有更復(fù)雜的抑制干擾與濾除雜

44、音的電路。共模與差模原理常被用來衰減及消除輸入諧波，并將濾波器件封裝在磁屏蔽盒內(nèi)，并要可靠接地。布局上為輸入輸出隔離，輸出線用絞合線或平行配線。機(jī)架地線與信號(hào)線分設(shè)。變壓器初次級(jí)或開關(guān)管管腳之間配置高頻抑射元件。輸出濾波電容器用四端高頻電解電容器、疊層式無感電容器。 1、 電源輸入濾波開關(guān)電源的高速開關(guān)瞬態(tài)往往會(huì)產(chǎn)生很高的射頻分量，從而污染交流饋電線路，交流電源能傳遞電氣噪聲和電磁輻射，導(dǎo)致開關(guān)電源中的瞬變?cè)佥椛浜蛡鬟f到其它負(fù)載。電源輸入濾波主要由工頻低通濾波器和共模扼制元件組成，封閉在磁屏蔽盒內(nèi)且可靠接地。電源輸入濾波又稱電磁干擾(EMI)或射頻干擾(RFI)濾波器。在電源輸入濾波器中，通常

45、用高頻旁路電容和共模扼流圈來衰減和吸收縱向共模噪聲，用常態(tài)濾波電感、常態(tài)濾波電容抑制差模常態(tài)噪聲。圖3.4為開關(guān)電源實(shí)際使用的三相三級(jí)輸入濾波器.圖中，L1、L2、L3為常態(tài)濾波電感，L4、U L1 C1 L4 L5 RV L2 C4 C6 C7 C9 SW L3 C2 C5 C8 T C3 N 圖3.4 三相輸入濾波器L5為共模扼流圈，C1、C2、C3為共模濾波電容，C4C9為常態(tài)濾波電容。2、 電源輸出濾波 開關(guān)電源在開關(guān)變換器之后，還需要高頻變壓器進(jìn)行隔離降壓，而后經(jīng)過橋式整流后再接電源輸出濾波器，以得到高質(zhì)量的符合設(shè)計(jì)要求的直流電壓，所以電源的輸出濾波部分是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。圖3.5所

46、示為電源的輸出濾波器。 L1 接 C7 L2 C1 接整負(fù) C6 C5 C4 C3 流器載 C8 C2 圖3.5 高頻開關(guān)電源的輸出濾波器 3、 工頻濾波開關(guān)電源中工頻濾波器接在工頻整流與開關(guān)變換器之間，既能將脈動(dòng)電流變?yōu)槠交闹绷鳎€能抑制高頻干擾，圖3.6為開關(guān)電源的工頻濾波器。 L2 C1 L1 C5 C2 C3 C7 C6 C8圖3.6 開關(guān)電源工頻濾波器圖3.5開關(guān)電其中L1, C5, C6濾除共模噪聲，C1, C2濾除差模噪聲，C1, C2, C5, C6為小容量高頻電容器，L2, C3, C4, C7, C8為常態(tài)濾波元件，C3, C4為大容量電解電容，C7, C8為小容量無感電

47、容，用來補(bǔ)償大容量電解電容器的高頻性能，起高頻旁路作用，L2, C3, C4組成低頻濾波器，其余電感電容組成高頻濾波器。在工頻濾波器中，一般大電流的工頻濾波電感取值不宜過大，否則斷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大反向電動(dòng)勢(shì)損壞電子器件，開機(jī)瞬間或功率管切換時(shí)，易產(chǎn)生大的浪涌電流.從濾波電感的等效電路看，濾波電感的最高使用頻率決定于等效電容和電感形成的并聯(lián)諧振點(diǎn)。4 高頻開關(guān)電源控制電路的設(shè)計(jì)4.1 控制方式的選擇開關(guān)電源的控制方式基本上都采用時(shí)間比率控制方式，而這種方式又可以大致分為以下三大類：脈沖寬度調(diào)制方式、脈沖頻率調(diào)制方式和混合調(diào)制方式。1、脈沖寬度調(diào)制方式，簡稱PWM方式。其主要是通過調(diào)整脈沖寬度和控制

48、AB基準(zhǔn)電壓脈寬調(diào)制振蕩器分頻器門電路門電路U誤差放大器圖4.1 脈寬調(diào)制原理圖 占空比的方法來達(dá)到輸出電壓的穩(wěn)定的。目前，以此方法應(yīng)用最多。上圖4.1為其基本原理圖?；鶞?zhǔn)電壓:芯片內(nèi)大部分電路由它供電，同時(shí)，兼作誤差放大器的基準(zhǔn)電壓輸入。振蕩器:由恒流充電快速放電電路以及電壓比較器組成，振蕩頻率由所外接的RC組件所決定，頻率f=1/RC 。誤差放大器:將取樣電壓和基準(zhǔn)電壓比較放大，送至脈寬調(diào)制電路輸入端。脈寬調(diào)制器:輸入為誤差放大器輸出。輸出分兩路，一路送給門電路，另一路送給振蕩器輸入端。門電路:門電路輸入分別受分頻器和脈寬調(diào)制器的輸入控制。分頻器:將振蕩器的輸入分頻后輸出，控制門電路輸出脈沖的頻率。2、脈沖頻率調(diào)制方式，簡稱PFM方式，它采用脈沖頻率來改變脈沖占空比從而控制輸出電壓的穩(wěn)定。3、混合調(diào)制方式，即前二者兼而有之的方式，既控制脈沖寬度，又改變控制脈沖頻率，用綜合技術(shù)來改變脈沖占空比和脈沖周期來控制輸出電壓的穩(wěn)定。在這里我們根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇脈沖寬度調(diào)制方式，這種控制方式在日常中應(yīng)用廣泛且效果較好，適合本設(shè)計(jì)的要求。4.2 PWM控制器4.2.1 PWM集成控制器的基本原理PWM集成控制器通常分為電壓型控制器和電流型控制器兩種。電壓