寬電壓輸入直流開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

1、寬電壓輸入直流開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) 大學(xué)生SRTP項(xiàng)目報(bào)告項(xiàng)目隊(duì)員：李 洋 任 健 劉江寬 劉孝星 薛彥召指導(dǎo)老師：馮高明開(kāi)關(guān)電源現(xiàn)狀 目前，開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品正在向“四化”的方向發(fā)展：應(yīng)用技術(shù)的高頻化、硬件結(jié)構(gòu)的模塊化、軟件控制的數(shù)字化和產(chǎn)品性能的綠色化。 開(kāi)關(guān)電源最突出的優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，這一優(yōu)點(diǎn)是和系統(tǒng)的高頻工作狀態(tài)相關(guān)的。進(jìn)一步提高工作頻率，電源的體積和重量將更加小，從而實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的領(lǐng)域。 開(kāi)關(guān)電源的控制已經(jīng)由模擬控制，模數(shù)混合控制，進(jìn)入到全數(shù)字控制階段。全數(shù)字控制作為開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)，已經(jīng)在許多功率變換設(shè)備中得到應(yīng)用。近兩年來(lái)，高性能全數(shù)字控制芯片相繼開(kāi)發(fā)，費(fèi)用

2、也已降到比較合理的水平，歐美已有多家公司開(kāi)發(fā)并制造出開(kāi)關(guān)變換器的數(shù)字控制芯片及軟件。 一、開(kāi)關(guān)電源現(xiàn)狀和發(fā)展開(kāi)關(guān)電源在煤礦中的應(yīng)用 我國(guó)煤礦井下架線電機(jī)車通常采用550V或250V電壓等級(jí)的直流電壓通過(guò)牽引電網(wǎng)供電。此電壓無(wú)法適應(yīng)電機(jī)車的照明和警鈴信號(hào)，通常采取將此電壓經(jīng)過(guò)直流變換電源變換為24V后供照明電路和警鈴信號(hào)使用。目前礦用直流變換電源存在著通用性差，輸入電壓范圍較窄以及成本高的問(wèn)題，研制低成本寬輸入的直流變換電源可以滿足煤礦行業(yè)的這一需求。二、項(xiàng)目作品實(shí)物與作品性能圖1 作品實(shí)物圖 作品性能 本設(shè)計(jì)完成的直流變換電源主要解決了三個(gè)問(wèn)題，一是可以通過(guò)不同的接線方式應(yīng)用于兩種不同的電壓下

3、，通用性很 強(qiáng)。為具有250V和550V兩種架線電壓系統(tǒng)的廠礦減少了備用機(jī)器和備件。二是輸入電壓范圍很寬，適應(yīng)了煤礦供電電網(wǎng)波動(dòng)大、紋波強(qiáng)、架線的始端和末端壓差高等特點(diǎn)。三是實(shí)現(xiàn)了低成本。 我們?cè)O(shè)計(jì)的作品簡(jiǎn)單實(shí)用，穩(wěn)定性好，測(cè)試工作120個(gè)小時(shí)工作正常、性能良好。有良好的應(yīng)用前景，廣闊的市場(chǎng)需求。下面我介紹一下我們作品的原理和設(shè)計(jì)的思路與過(guò)程。作品優(yōu)勢(shì) 1）輸入電源：可應(yīng)用于直流250V和550V兩種 電壓下。輸入直流電壓的范圍要求要寬，250V電壓 等級(jí)的電壓范圍為：150V-400V；550V電壓等級(jí)的電壓 范圍為： 300V-800V。 2）輸出電源指標(biāo)： 電壓：DC24V0.5V 允許

4、最大輸出：200W 紋波電壓：100mV 使用環(huán)境溫度：-10C+45C 3）整個(gè)電源的成本控制在100元以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)低 成本。三、開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源原理及各電路功能電路方案設(shè)計(jì)主電路工作原理 控制電路工作原理驅(qū)動(dòng)電路工作原理 EMI電路整流濾波功率變換整流濾波PWM控制器輸入過(guò)欠壓保護(hù)輸出取樣穩(wěn)壓環(huán)路功率因數(shù)調(diào)整短路保護(hù)輸出過(guò)壓保護(hù)限流保護(hù)開(kāi)關(guān)電源原理及各電路功能 圖2 開(kāi)關(guān)電源電路方框圖 開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。它通過(guò)高頻開(kāi)關(guān)技術(shù)將輸入的較高的交流電壓轉(zhuǎn)換為低壓設(shè)備所需要的較低的直流電壓。EMI電路整流濾波功率變換整流

5、濾波PWM控制器輸入過(guò)欠壓保護(hù)輸出取樣穩(wěn)壓環(huán)路功率因數(shù)調(diào)整短路保護(hù)輸出過(guò)壓保護(hù)限流保護(hù)。開(kāi)關(guān)電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器（EMI）、整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出整流濾波電路組成。輔助電路有輸入過(guò)欠壓保護(hù)電路、輸出過(guò)欠壓保護(hù)電路、輸出過(guò)流保護(hù)電路、輸出短路保護(hù)電路等 電路方案設(shè)計(jì)限流濾波穩(wěn)壓半橋電路2半橋電路1全波整流全波整流濾波架線250V/550V隔離驅(qū)動(dòng)（驅(qū)動(dòng)變壓器）穩(wěn)壓過(guò)流控制（TL494）輸出圖4 整體電路方框圖主電路的選擇 主電路的選擇主要包括功率變換電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇和整流電路的選擇。電路 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 功率范圍 應(yīng)用領(lǐng)域 正激型 電路較簡(jiǎn)單成本低，可

6、靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單變壓器單向勵(lì)磁，利用率低 幾百瓦幾千瓦 各種中、小功率開(kāi)關(guān)電源 反激型 電路非常簡(jiǎn)單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單 難以達(dá)到較大的功率，變壓器單向勵(lì)磁，利用率低 幾瓦幾十瓦 小功率和消費(fèi)電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備開(kāi)關(guān)電源 表2-1 功率變換電路各結(jié)構(gòu)比較半橋型 變壓器雙向勵(lì)磁，無(wú)變壓器偏磁問(wèn)題，開(kāi)關(guān)較少，成本低 有直通問(wèn)題，可靠性低，需要復(fù)雜的隔離驅(qū)動(dòng)電路 幾百瓦幾千瓦 各種工業(yè)用開(kāi)關(guān)電源，計(jì)算機(jī)設(shè)備用開(kāi)關(guān)電源 全橋型 變壓器雙向勵(lì)磁，容易達(dá)到大功率結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，可靠性低，需要復(fù)雜的多組隔離驅(qū)動(dòng)電路，有直通和偏磁問(wèn)題幾百瓦幾百千瓦 大功率工業(yè)用開(kāi)關(guān)電源、焊接電源、點(diǎn)解電源

7、等 推挽型 變壓器雙向勵(lì)磁。變壓器一次電流回路中只有一個(gè)開(kāi)關(guān)，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單 有偏磁問(wèn)題 幾百瓦幾千瓦 低輸入電壓的開(kāi)關(guān)電源 表2-1 續(xù) 上表展示了各個(gè)不同電路的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，經(jīng)過(guò)綜合考慮，并且由于設(shè)計(jì)要求兩個(gè)電壓等級(jí)同時(shí)適用，即250V和550V。故選擇兩個(gè)半橋開(kāi)關(guān)電路，通過(guò)連線使其以并聯(lián)或串形聯(lián)式工作，就可滿足要求 。 下面我們討論一下整流電路的選擇。對(duì)于三種常用的整流電路，現(xiàn)將各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍進(jìn)行比較 電路 電壓比 平均電流 二極管斷態(tài)電壓 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 應(yīng)用領(lǐng)域 全橋型整流 D /2 /D 二極管電壓低，變壓器繞組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 二級(jí)管數(shù)量多，總通態(tài)損耗大 高輸出電壓（100V）

8、的電路 全波整流 D /22 /D期間總數(shù)少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，總通態(tài)損耗小 二極管電壓高，變壓器繞組需中心抽頭 輸出電壓為5100V的電路 倍流整流 D/2 /22 /D總通態(tài)損耗小，變壓器繞組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 二極管電壓高，電感數(shù)量多輸出電壓非常低（5V）的電路 表2-2 幾種整流電路的比較 從輸出電壓方面以及電路結(jié)構(gòu)方面考慮，本設(shè)計(jì)選用全波整流最為合適 ?？刂齐娐饭ぷ髟肀驹O(shè)計(jì)采用PWM脈沖寬度調(diào)制，應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源PWM集成控制器使得電路簡(jiǎn)單，輕便，維修方便。目前常用的PWM控制器有TL494、SG3524、SG3525A、UC3842/42A、UC3846/47、UC3823X、UC3825X和MC44

9、603等。從輸出穩(wěn)定精度上考慮，達(dá)到2%，就能滿足要求；對(duì)紋波電壓要求也不高。故選擇電壓模式控制就可以滿足要求。從功率等級(jí)上考慮，本設(shè)計(jì)的功率200W不是很高，故開(kāi)關(guān)頻率不用選擇很高。另外從成本上考慮，目前廣泛應(yīng)用的TL494控制芯片是最佳選擇?？刂齐娐愤B接圖圖5 控制電路連接圖驅(qū)動(dòng)電路工作原理 電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)。驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)是將信息電子電路傳來(lái)的信號(hào)按照其控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。驅(qū)動(dòng)電

10、路連接圖 圖6 驅(qū)動(dòng)電路連接圖 其他電路說(shuō)明 集成塊N4是MC7824，可將輸出電壓穩(wěn)定在+24V。C14、R35和C13、R34為高、低壓側(cè)阻容吸收回路。L2時(shí)為了載波機(jī)使用時(shí)不是載波信號(hào)短路，C2為載波機(jī)耦合電容。R43為限流電阻，另外起線路保護(hù)作用。V23使電路中的電解電容所存電壓不至于由于架線弓子斷開(kāi)瞬間通過(guò)機(jī)車放電。 四、參數(shù)計(jì)算 主電路的參數(shù)確定主要有功率開(kāi)關(guān)管的計(jì)算、整流二極管的計(jì)算、功率變壓器的設(shè)計(jì)與計(jì)算、 控制電路的參數(shù)設(shè)計(jì)、電壓反饋電路的設(shè)計(jì)、死區(qū)時(shí)間控制參數(shù)的計(jì)算、時(shí)鐘頻率的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)設(shè)計(jì)。 在老師的指導(dǎo)下，我們完成了PCB板的繪制、變壓器的制作、電路板的焊接。充

11、分鍛煉了我們的動(dòng)手能力，和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。我們學(xué)會(huì)了變壓器的繞制，PCB怎樣布局更合理，也讓我們的焊接工藝更加扎實(shí)，確實(shí)學(xué)到了不少東西。 五、電路焊接及實(shí)物制作 在完成了變壓器的制作和電路板的焊接后，需 要做的工作是系統(tǒng)整體測(cè)試，檢驗(yàn)產(chǎn)品的性能。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的流程圖下圖5所示。六、系統(tǒng)測(cè)試自耦變壓器DC-DC電源車載逆變器燈泡箱組380V圖5-1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的輸入端選擇將工頻電壓整流后連接自耦變壓器，這樣就可以對(duì)輸入的直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此來(lái)觀察輸出電壓能否穩(wěn)定在24V。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的輸出端是將直流開(kāi)關(guān)電源輸出的直流24V電壓經(jīng)一個(gè)車載逆變器轉(zhuǎn)化為交流220V，共給燈泡箱組使用。通過(guò)改變燈泡箱組中投入工作的燈泡的數(shù)量即可實(shí)現(xiàn)負(fù)載的改變，從而驗(yàn)證電源的輸出電壓能否在負(fù)載變化時(shí)維持24V不變。 實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)加壓為360V，電源負(fù)載為200W，連續(xù)工作120個(gè)小時(shí)，系統(tǒng)溫升在正常許可范圍內(nèi)，系統(tǒng)經(jīng)歷了溫度老化、加載老化等實(shí)驗(yàn) 。七、結(jié)論本設(shè)計(jì)完成了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求： 1、實(shí)現(xiàn)了直流電力之間的轉(zhuǎn)換。250V連接方式下，輸入電壓在150V時(shí)起振，輸出為24V。電壓在150V-400V范圍內(nèi)，負(fù)載從0到200W變動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)輸出能夠保持24V不變；550V連接方式下，輸入電壓在330V時(shí)起振，輸出為24V。電壓在330V-8