大功率直流開關(guān)電源方案設(shè)計(jì)書

1、大功率直流開關(guān)電源設(shè)計(jì)大功率直流開關(guān)電源設(shè)計(jì)青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)摘要開關(guān)電源具有效率高、體積小、重量輕等顯著特點(diǎn)。目前世界各國都有廣泛的應(yīng)用，特別是對大容量高頻開關(guān)電源的研究和開發(fā)已成為當(dāng)今電力電子學(xué)的主要研究領(lǐng)域，并派生了很多新的研究方向。本文的主要內(nèi)容就是研制一種高性能、大功率直流開關(guān)電源。本文詳細(xì)分析了高性能、大功率直流開關(guān)電源的工作原理，并提出了主電路和控制電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。在此基礎(chǔ)上，完成了整個系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序的編制，并對電源裝置的硬件和軟件進(jìn)行了調(diào)試和修改。在分析原理的基礎(chǔ)上，本文從三相橋式不控整流、全橋變換器、高頻變壓器、濾波電路等環(huán)節(jié)對該系統(tǒng)的主電路進(jìn)行了闡述，同

2、時探討了該電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大功率的解決方案，即采用多個電源模塊并聯(lián)運(yùn)行。本文還探討了多個電源模塊并聯(lián)運(yùn)行時的自動均流技術(shù)，并詳細(xì)介紹了基于平均值的自動均流電路。在電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)上，詳細(xì)分析了基于UC3825控制芯片的PWM控制電路。本文研制的直流開關(guān)電源具有輸出電壓可調(diào)、輸出電流大、紋波小等特點(diǎn)，而且還具有換檔、遠(yuǎn)程控制等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明它基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而驗(yàn)證了理論分析的正確性，具有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:DC-DC變換器，開關(guān)電源，均流，高頻變壓器，PWM控制I青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)目錄摘要IABSTRACTII第1章緒11.2國內(nèi)2第2章電源的發(fā)展及國外現(xiàn)狀開關(guān)電源的發(fā)

3、展及現(xiàn)狀系統(tǒng)的整體分析和選擇42.1系統(tǒng)整體概述42.2DC-DC變換器的選擇5硬開關(guān)式全橋變換器52.2.2諧振式全橋變換器62.2.3移相式全橋變換器72.3控制電路的實(shí)路計(jì)求圖103.2.1輸入整流濾現(xiàn)72.4整流濾波回路的選擇92.4.1輸入整流濾波回路92.4.2輸出整流濾波回9第3章開關(guān)電源主電路的設(shè)103.1開關(guān)電源的設(shè)計(jì)要103.2主電路組成框波電路113.2.2單相逆變橋123.2.3輸出整流濾波電路123.3輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)123.3.1整流橋123.3.2輸入整流電容133.3.3輸入濾波電感133.4逆變電路的設(shè)計(jì)143.4.1功率轉(zhuǎn)換電路的選擇143.4.2確定電

4、路工作頻率f143.4.3高頻變壓器的計(jì)算143.4.4選用高壓開關(guān)管183.4.5隔直電容Cb的選擇183.5輸出整流濾波電路業(yè)設(shè)計(jì)3.5.1輸出整流二極管輸出濾波電感輸出濾波電容電路的設(shè)計(jì)成控制器的基本原理脈寬調(diào)制器UC3825主要特點(diǎn):19III青島理工大學(xué)畢19193.5.320第4章控制214.1PWM集214.2高速224.2.1224.2.2極限參數(shù):224.2.3內(nèi)部電路工作原理234.3UC3825的調(diào)試274.4反饋電路的設(shè)計(jì)294.5保護(hù)電路的設(shè)計(jì)314.5.1軟啟動電路的設(shè)計(jì)314.5.2過流過壓保324.6輔助電源344.7均流電路設(shè)計(jì)364.7.1概述并聯(lián)系統(tǒng)常用的

5、均流方法池理論基礎(chǔ)規(guī)充電方法方式364.7.2開關(guān)電源36第5章鉛酸蓄電395.1蓄電池充電395.2蓄電池的常395.2.1恒壓充電405.2.2恒流充電方式405.2.3恒流-恒壓充電方式405.3快速充電技術(shù)415.3.1脈沖式充電法415.3.2變電流間歇充電法415.3.3變電壓間歇充電法42第6章總結(jié)與展TOC o 1-5 h z望43致謝44參考文獻(xiàn)45附錄46IV青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)第1章緒論1.1開關(guān)電源的發(fā)展及國外現(xiàn)狀開關(guān)電源在通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，并已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流，而通信業(yè)的迅速發(fā)展又極大地推動了開關(guān)電源的發(fā)展。在通信領(lǐng)域中，通常將高頻整流器稱為一次電

6、源而將直流一直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。同時，開關(guān)電源也在各種電子信息設(shè)備中，如計(jì)算機(jī)、充電電源等得到了廣泛的應(yīng)用。自1957年第一只可控硅(SCR)問世后，可控硅取代了笨重而且效率低下的硒或氧化亞銅整流器件，可控硅整流器就作為通信設(shè)備的一次電源使用。在隨后的20年內(nèi)，由于半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，可控硅的電壓、電流額定值及其它特性參數(shù)得到了不斷提高和改進(jìn)，滿足了通信設(shè)備不斷發(fā)展的需要，因此，直到70年代，發(fā)達(dá)國家還一直將可控硅整流器作為大多數(shù)通信設(shè)備的一次電源使用。雖然可控硅整流器工作穩(wěn)定，能滿足通信設(shè)備的要求，但它是相控電源，工作于工頻，有龐大笨重的電源變壓器、電感線圈、濾波電容，噪聲大

7、，效率低，功率因數(shù)低，穩(wěn)壓精度也較低。因此，自1947年肖克萊發(fā)明晶體管，并在隨后的幾年內(nèi)對晶體管的質(zhì)量和性能不斷完善提高后，人們就著力研究利用晶體管進(jìn)行高頻變換的方案。1955年美國羅耶(GHRoger)發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，是實(shí)現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)換電路的開始,1957年美國查賽(JJJenSen)又發(fā)明了自激式推挽雙變壓器變換器電路。在此基礎(chǔ)上，1964年，美國科學(xué)家提出了取消工頻變壓器的串聯(lián)開關(guān)電源的設(shè)想，并在NEC雜志上發(fā)表了“脈寬調(diào)制應(yīng)用于電源小型化”等文章，為使電源實(shí)現(xiàn)體積和重量的大幅下降提供了一條根本途徑。隨著大功率硅晶體管的耐壓提高和二極管反向恢復(fù)時間的縮短等元器件

8、性能的改善，1969年終于做成了25KHz的開關(guān)電源。電源界把開關(guān)電源的頻率提高到20KHz以上稱為電源技術(shù)的“20KHz革命”。經(jīng)過幾年的努力，從開關(guān)電源的電路拓?fù)湫褪降较嗯涮椎脑骷妊芯慷既〉昧讼喈?dāng)大的進(jìn)展。在電路拓?fù)湫褪缴祥_發(fā)出了單端貯能式反激電路、雙反激電路、單端正激式電路、雙正激電路、推挽電路、半橋電路、全橋電路，以適應(yīng)不同應(yīng)用場合、不同功率檔次的需要；在元器件方面，功率晶體管和整流二極管的性能也有了較大的提高。1976年美國硅通用公司第一個做出了型號為SG1524的脈寬調(diào)制(PWM,PulseWidthModulation)控制芯片，極大地提高了開關(guān)電源的可靠性，并進(jìn)一步減小了體

9、積。在隨后的幾年中，大功率晶體管(GTR)和功率場效應(yīng)管(MOSFET)相繼被研制出來，其電壓、電流額定值大為提高，工作頻率也提高較多，可靠性也顯著增加。到80年代中后期，絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)已研制出來并投入了市場，各種通信設(shè)備所需的一次電源大多采取PWM集成控制芯片、雙極型晶體管、場效應(yīng)管、1青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)絕緣柵雙極晶體管。隨著微電子學(xué)的發(fā)展和元器件生產(chǎn)技術(shù)的提高，相繼開發(fā)出了耐壓高的功率場效應(yīng)管(VMOS管)和高電壓、大電流的絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)，具有軟恢復(fù)特性的大功率高頻整流管，各種用途的集成脈寬調(diào)制控制器和高性能的鐵氧體磁芯，高頻用的電解電容器，低功耗的聚丙烯

10、電容等。主要元器件技術(shù)性能的提高，為高頻開關(guān)電源向大功率、高效率、高可靠性方向發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。隨著通信用開關(guān)電源技術(shù)的廣泛應(yīng)用和不斷深入，實(shí)際工作中人們對開關(guān)電源提出了更高的要求，提出了應(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、產(chǎn)品性能的綠色化、新一代電源的技術(shù)含量大大提高，使之更加可靠、穩(wěn)定、高效、小型、安全。在高頻化方面，為提高開關(guān)頻率并克服一般的PWM和準(zhǔn)諧振、多諧振變換器的缺點(diǎn)，又開發(fā)了相移脈寬調(diào)制零電壓開關(guān)諧振變換器，這種電路克服了PWM方式硬開關(guān)造成的較大的開關(guān)損耗的缺點(diǎn)，又實(shí)現(xiàn)了恒頻工作，克服了準(zhǔn)諧振和多諧振變換器工作頻率變化及電壓、電流幅度大的缺點(diǎn)。采用這種工作

11、原理，大大減小了開關(guān)管的損耗，不但提高了效率也提高了工作頻率，減小了體積，更重要的是降低了變換電路對分布參數(shù)的敏感性，拓寬了開關(guān)器件的安全工作區(qū)，在一定程度上降低了對器件的要求，從而顯著提高了開關(guān)電源的可靠性。1.2國內(nèi)開關(guān)電源的發(fā)展及現(xiàn)狀建國初期，我國郵電部門的科研技術(shù)人員開發(fā)了以國產(chǎn)大功率電動發(fā)電機(jī)組為主的成套設(shè)備作為通信電源。在引進(jìn)原民主德國FGD系列和前蘇聯(lián)BCC51系列自動化硒整流器基礎(chǔ)上，借鑒國外先進(jìn)技術(shù)，與工廠共同研制成功國產(chǎn)XZL系列自動化硒整流器，并在武漢通信電源廠批量生產(chǎn)，開始用硒整流器裝備通信局（站），替換原有的電動發(fā)電機(jī)組，這標(biāo)志著我國國產(chǎn)通信電源設(shè)備躍到一個新的水平。

12、但后來，我國的通信電源發(fā)展相當(dāng)緩慢。1963年開始研制和采用可控硅（SCR）整流器,1965年著手研制逆變器和晶體管直流一直流（DC/DC）變換器，當(dāng)時與發(fā)達(dá)國家相比只落后五六年.后由于十年動亂，研制工作一直停滯不前，除了可控硅整流器于1967年在武漢通信電源廠開始形成系列化生產(chǎn)，供通信設(shè)備作一次電源使用，并不斷得到改進(jìn)，性能和質(zhì)量逐步提高外，其它方面進(jìn)展十分緩慢。一直到80年代才開始生產(chǎn)20KHzDC/DC變換器，但由于受元器件性能的影響，質(zhì)量很不穩(wěn)定，無法作為通信設(shè)備的一次電源使用。只是作為通信設(shè)備的二次電源使用（二次電源對元器件的耐壓及電流要求較低）。直到上世紀(jì)90年代初，我國大多數(shù)通信

13、設(shè)備所用的一次電源仍然是可控硅整流器。這種電源工作于工頻50Hz，有龐大的工頻變壓器、電感線圈、電解電容等，笨重龐大、效率低、噪聲大、性能指標(biāo)低，2青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)不易實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。由于通信事業(yè)發(fā)展的需要，八十年代后期，郵電部加強(qiáng)了通信電源技術(shù)發(fā)展的各項(xiàng)工作，制訂了“通信基礎(chǔ)電源系統(tǒng)設(shè)備系列暫行規(guī)定”，“通信局（站）電源系統(tǒng)總技術(shù)要求”和電源設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等文件，多次派代表參加國際電信能源會議，并在八十年代后期才第一批引進(jìn)了澳大利亞生產(chǎn)的48V/50A（開關(guān)頻率為40KHz）和48V/100A（開關(guān)頻率為20KHz）的高頻開關(guān)電源，在吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，投入較大的力量，開始研制自己的開

14、關(guān)電源。郵電部武漢電源廠、通信儀表廠等廠家開發(fā)出了自己的以PWM方式工作的開關(guān)電源，并推向電信行業(yè)應(yīng)用，取得了較好的效果.隨后郵電部對電源提出了更新?lián)Q代和實(shí)現(xiàn)監(jiān)控（包括遠(yuǎn)程監(jiān)控）的要求，眾多廠家都投入力量研制開發(fā)，推出了采用PWM技術(shù)的高頻開關(guān)電源，有些廠家還推出了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的解決方案，短短幾年后，電信部門所用的一次通信電源幾乎都更換成了采用PWM集成控制芯片、大功率晶體管、功率場效應(yīng)管、絕緣柵雙極晶體管的半橋或全橋電路，其開關(guān)頻率為幾十100KHZ、效率高于90%、功率因數(shù)接近1。穩(wěn)壓精度優(yōu)于0.5%,模塊化組合的高頻開關(guān)電源，電信行業(yè)成套電源技術(shù)提高到了一個嶄新的水平?？偟恼f來，開關(guān)電源

15、的發(fā)展趨勢為:繼續(xù)向高頻、高效、高可靠、高密度化、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化發(fā)展。3青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)第2章系統(tǒng)的整體分析和選擇本章從整體上對開關(guān)電源的各種功能模塊進(jìn)行了介紹，主要闡述了各模塊的結(jié)構(gòu)、功能以及相互之間的關(guān)系，其中重點(diǎn)介紹了主變換器和控制電路，對當(dāng)前開關(guān)電源常用的變換器的結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍等進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合本文的實(shí)際情況，選擇了合適的變換器結(jié)構(gòu)；在控制電路部分，介紹了開關(guān)電源控制電路各控制單元的功能以及實(shí)現(xiàn)方法。最后對開關(guān)電源整流濾波電路進(jìn)行了簡單介紹。2.1系統(tǒng)整體概述按照各部分的功能劃分，從大的方面講，開關(guān)電源可分成:機(jī)箱（或機(jī)殼）、電源主電路、電源控制電

16、路三部分。機(jī)箱既可起到固定的作用，也可起到屏蔽的作用。電源的主電路是負(fù)責(zé)進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換的部分，通過適當(dāng)?shù)目刂齐娐房梢詫⑹须娹D(zhuǎn)換為所需的直流輸出電壓。而控制電路則根據(jù)實(shí)際的需要產(chǎn)生主電路所需的控制脈沖和提供各種保護(hù)功能。開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖可如圖2-1所示。ACEMI濾波器整流濾波高頻變換器高頻變壓器高頻整流濾波輸出DC輔助電源PWM調(diào)節(jié)器誤差比較放大器電壓電流取樣電路基準(zhǔn)電壓控制電路保護(hù)電路圖2-1開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖從圖中可以看出，這幾部分是相輔相成的統(tǒng)一整體。在電源的研制和開發(fā)過程中必須對每一部分都進(jìn)行認(rèn)真的分析和研究，才能使所研制的開關(guān)電源滿足設(shè)計(jì)要求。電源主電路通過輸入整流濾波、DC-DC變

17、換、輸出整流濾波將市電轉(zhuǎn)為所需要的直流電壓。開關(guān)電源的主回路可以分為:輸入整流濾波回路、功率開關(guān)橋、輸出整流濾波三部分。輸入整流濾波回路將交流電通過整流模塊變換成含有脈動成分的直流電，然后通過輸入濾波電容使得脈動直流電變?yōu)檩^平滑的直流電。功率開4青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)關(guān)橋?qū)V波得到的直流電變換為高頻的方波電壓，通過高頻變壓器傳送到輸出側(cè)。最后，由輸出整流濾波回路將高頻方波電壓濾波成為所需要的直流電壓或電流，主回路進(jìn)行正常的功率變換所需的觸發(fā)脈沖由控制電路提供?？刂齐娐肥钦麄€電源的大腦，它控制整個裝置工作并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的保護(hù)功能。一般控制電路應(yīng)具有以下功能:控制脈沖產(chǎn)生電路、驅(qū)動電路、電壓反饋控制電路

18、、各種保護(hù)電路、輔助電源電路。為了使開關(guān)電源設(shè)備正常的工作，使電源的各個組成部分都能發(fā)揮其最大的效能，就必須讓電源的各個組成部分相互協(xié)調(diào)、相互協(xié)作、在電源的研制與設(shè)計(jì)過程中應(yīng)對這方面的問題給予足夠的重視。2.2DCDC變換器的選擇DC-DC變換器是開關(guān)電源中實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換的部分。DC-DC變換器的輸入電壓為三相整流電壓，電壓較大，對開關(guān)器件因此選用全橋式電路較為合適，可使變壓器磁芯和繞組得到最優(yōu)利用，使效率、功率密度等得到優(yōu)化；另一方面，功率開關(guān)在較安全的情況下運(yùn)行，最大的反向電壓不會超過輸入整流濾波電路的輸出電壓。但是需要的功率元件較多，在開關(guān)導(dǎo)通的回路上，至少有兩個管的壓降，因此功率損耗也較

19、大。由于三相整流橋提供的直流電壓較高，工作電流相對較低，這些損耗還是可以接受的。目前，常用的全橋式變換器有傳統(tǒng)的硬開關(guān)式、諧振式以及移相式，下面分別簡單介紹一下。2.2.1硬開關(guān)式全橋變換器硬開關(guān)PWM電路曾以結(jié)構(gòu)簡單、控制方便得到廣泛應(yīng)用，其電路結(jié)構(gòu)如圖2-2所示在硬開關(guān)PWM電路中，開關(guān)管工作在硬開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)器件在高電壓下導(dǎo)通，大電流下關(guān)斷，因此，在開關(guān)瞬間必然有大量損耗。因此，常常加入緩沖電路，如Rc吸收網(wǎng)絡(luò)。它可以限制開通時的du/dt和關(guān)斷時的di/dt,使功率器件安全正常運(yùn)行。但是需要注意的是，吸收電路是通過把器件本身的開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路中而使器件得到保護(hù)的，因此這部分能量最

20、終還是被消耗了，系統(tǒng)總的損耗沒有減少。并且頻率越高，開關(guān)損耗越大，使系統(tǒng)效率大大降低。另外，開關(guān)器件在高頻下運(yùn)行時，器件本身的極間電容將成為-個重要參數(shù)。極間電容電壓轉(zhuǎn)換時的du/dt會藕合到輸入端，產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，影響電源本身和電網(wǎng)中其他電器設(shè)備的運(yùn)行。此外，電路寄生電容、電感若形成強(qiáng)烈的振蕩也會影響到設(shè)備的正常運(yùn)行。5青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)圖2-2硬開關(guān)式全橋變換器結(jié)構(gòu)2.2.2諧振式全橋變換器硬開關(guān)式電路在頻率不高時其缺點(diǎn)還不是很突出，隨著頻率的提高，開關(guān)損耗和電磁干擾將變成一個十分嚴(yán)重的問題，為了解決這一問題，有人提出了諧振式軟開關(guān)的概念。諧振式軟開關(guān)和硬開關(guān)相比，主要是增加了兩個附

21、加元件-諧振電感和諧振電容。利用諧振電感和諧振電容的諧振作用，使開關(guān)器件在正弦波的零電壓或零電流處開通或關(guān)斷。諧振變換電路有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但其基本組成部分還是通過開關(guān)器件和諧振元件L、C之間串聯(lián)或并聯(lián)實(shí)現(xiàn)的，再配以適當(dāng)?shù)目刂撇呗詠韺?shí)現(xiàn)開關(guān)器件的零電壓或零電流動作。其基本電路結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。(a)零電流開關(guān)(b)零電壓開關(guān)圖2-3諧振電路的基本結(jié)構(gòu)圖圖2-3(a)為零電流(Zero-Current-Switching)開關(guān)，它是通過電感Lr和開關(guān)S的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)的。Lr和Cr之間的諧振是靠S的導(dǎo)通來激勵的，利用Lr和Cr諧振形成開關(guān)器件導(dǎo)通期間的正弦波電流波形，電流過零點(diǎn)時即將開關(guān)S關(guān)斷。零電流

22、開關(guān)對于具有存儲效應(yīng)的開關(guān)器件更加有效，如GTR、IGBT。圖2-3(b)為零電壓(Zero-Voltage-Switching)開關(guān)，它是通過電感Lr和開關(guān)S的并聯(lián)實(shí)現(xiàn)的。Lr和Cr之間的諧振是靠S的關(guān)斷來激勵的，利用Lr和Cr諧振形成開關(guān)器件關(guān)斷期間的正弦波電流波形，電壓過零點(diǎn)時即將開關(guān)S導(dǎo)通。只要將圖中2-2中的硬開關(guān)換成諧振式軟開關(guān)，即為諧振式全橋變換器。采用諧振全橋變換器，電源工作的安全性大為提高。但是，諧振式變換器與負(fù)載關(guān)系6青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)很大，對負(fù)載的變換很敏感，為保持輸出在各種運(yùn)行條件下基本不變，必須采用脈沖頻率調(diào)制(PFM),因此，高頻變壓器、電感等磁元件要按最低頻率設(shè)

23、計(jì)，不可能做的很小，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)相當(dāng)困難；另外，其控制電路中需要增加電壓-頻率轉(zhuǎn)換功能，電路要復(fù)雜許多。所以，80年代后期，許多專家進(jìn)一步研究開發(fā)能實(shí)現(xiàn)恒頻控制的軟開關(guān)技術(shù)，兼有諧振變換器和PWM變換器的特點(diǎn)，形成了ZCS或ZVSPWM變換技術(shù)。移相式全橋變換器近年來，移相控制全橋變換器由于具有恒頻軟開關(guān)運(yùn)行、移相控制實(shí)現(xiàn)方便、電流和電壓應(yīng)力小、巧妙利用寄生元件等一系列突出優(yōu)點(diǎn)，倍受各方的廣泛關(guān)注.移相控制方式作為全橋變換器特有的-種控制方式，它是指保持每個開關(guān)管的導(dǎo)通時間不變，同一橋臂兩只管子相位相差180度。對全橋變換器來說，只有對角線上兩只開關(guān)管同時導(dǎo)通時，變換器才輸出功率，所以可通過調(diào)

24、節(jié)對角線上的兩只開關(guān)管導(dǎo)通重合角的寬度來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制，而在功率器件環(huán)流期間，它又利用變壓器的漏感、功率半導(dǎo)體器件的結(jié)電容或外加的附加電感電容的諧振來實(shí)現(xiàn)零電壓或零電流的開關(guān)換流。本文根據(jù)實(shí)際技術(shù)要求開發(fā)的開關(guān)電源的主電路，應(yīng)該采用移相式全橋變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2.3控制電路的實(shí)現(xiàn)控制電路是開關(guān)電源系統(tǒng)的另一重要部分。DC-DC變換器需要控制電路提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動脈沖，才能有效的工作。如果控制電路不完善，主電路設(shè)計(jì)得再好也無法發(fā)揮其自身的功能，例如:如果控制電路輸出的觸發(fā)信號不穩(wěn)定，或者出現(xiàn)誤觸發(fā)，有可能引起開關(guān)橋的直通，導(dǎo)致短路，從而損壞開關(guān)元件。根據(jù)電路功能的分工可將控制電路分為幾大部分:脈沖產(chǎn)生

25、電路、觸發(fā)電路、電壓反饋控制電路、軟啟動電路、保護(hù)電路、輔助電源電路等，具體控制電路如圖2-4所示。從圖2-4可以看出，脈沖產(chǎn)生電路是控制電路的核心。脈沖產(chǎn)生電路根據(jù)電壓反饋控制電路、保護(hù)電路以及軟啟動電路等提供的控制信號產(chǎn)生出所需的脈沖信號，然后該脈沖信號經(jīng)過觸發(fā)電路的放大后去驅(qū)動開關(guān)元件，使開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷。7青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)圖2-4電源控制電路框圖電壓反饋控制電路通過檢測電壓的大小，對輸出電壓進(jìn)行采樣，然后將采樣電壓和參考電壓相比較得出誤差信號，反饋控制電路將誤差信號進(jìn)行PI處理后得到一控制電壓。最后，反饋控制電路將該控制電壓送給脈沖產(chǎn)生電路，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出脈沖的脈寬達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的

26、目的?？刂齐娐份敵龅腜WM信號，電平幅值和功率能力均不足以驅(qū)動大功率開關(guān)元件，因此選擇合適的驅(qū)動電路是必須的。驅(qū)動電路是將控制電路輸出PWM脈沖信號經(jīng)過電隔離后進(jìn)行功率放大和電壓調(diào)整再去驅(qū)動大功率開關(guān)管，由于所提供的脈沖幅度以及波形關(guān)系到開關(guān)管的開關(guān)過程，直接影響到損耗，所以，應(yīng)該合理設(shè)計(jì)驅(qū)動電路，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的最佳開通與關(guān)斷。電源的輸出濾波電容較大，輸出電壓的突然建立將會形成非常大的電容充電電流，疊加在負(fù)載電流上，它不僅使開關(guān)管的負(fù)擔(dān)過重而可能損壞，而且，由于持續(xù)時間長，往往會引起過流保護(hù)電路發(fā)生誤動作。若為了避免由此引起的誤動作而將保護(hù)電路搞得非常遲鈍，這將會增加過流保護(hù)的不安全性。輸出電壓

27、在合閘時容易出現(xiàn)過沖，這種過沖，合閘時可能發(fā)生，在關(guān)閉電源時也可能產(chǎn)生，只要達(dá)到足夠的幅度將會給負(fù)載造成損害，而且，反復(fù)的大電流沖擊對電容器本身也不利，同時還會引起干擾，因此，開關(guān)電源必須具備輸出電源軟啟動的功能。軟啟動電路在電源合閘和重新啟動時提供一個逐漸上升的電壓信號給脈沖產(chǎn)生電路，從而使控制電路的輸出脈沖有一個逐漸建立的過程。保護(hù)電路是控制電路的一個重要組成部分，為了提高電源的可靠性必須不斷完善保護(hù)電路的功能。當(dāng)前開關(guān)電源電路的主要保護(hù)功能有:過流保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、溫度保護(hù)。過流保護(hù)和過壓保護(hù)是為了保護(hù)負(fù)載和電源兩者而設(shè)置的，而欠壓保護(hù)和溫度保護(hù)是為了電源本身而設(shè)置的。輔助電源電

28、路的功能是為控制電路供電。輔助電源的類型有很多種，既可以采用串聯(lián)線性調(diào)整型電源，也可以采用開關(guān)電源。輔助電源也可以通過高頻變壓器獲得輸出后反饋提供，輔助電源本身作為開關(guān)電源的一組負(fù)載。選取輔助電源8青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)電路形式時，只要該電源能滿足控制電路的要求即可。2.4整流濾波回路的選擇整流濾波回路是開關(guān)電源的重要組成部分，它可以提高電壓、電流的穩(wěn)定度，減小干擾。開關(guān)電源中分別存在輸入和輸出整流濾波回路。2.4.1輸入整流濾波回路本課題電源額定工作狀態(tài)的技術(shù)要求為:輸出電壓220V，輸出電流5A，輸出功率為l.lkw，屬于大功率電源。為了保持三相交流電源的對稱性和減小電源的輸入濾波電容等原因

29、，大功率電源一般采用三相電源作為供電電源。因此，本文實(shí)驗(yàn)用電源電路采用三相橋式整流，電感和電容組成輸入整流濾波回路。2.4.2輸出整流濾波回路在大功率電源中，常用的輸出整流電路有橋式整流電路和全波整流電路。因?yàn)楸疚膶?shí)驗(yàn)要求輸出電壓為220V。橋式整流電路適用于輸出電壓較高的場合，還可以使變壓器結(jié)構(gòu)簡單，降低整流管的電壓定額，所以我們采用橋式整流電路作為輸出整流電路。輸出濾波電路一般可采用一級濾波也可采用兩級濾波。輸出濾波電路的作用是濾除二次側(cè)整流電路輸出的脈動直流中的交流成分，得到平滑的直流輸出。在開關(guān)電源中通常采用一級LC濾波電路，當(dāng)要求輸出紋波很小時，也可以采用兩級LC濾波電路。9青島理工

30、大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)第3章開關(guān)電源主電路的設(shè)計(jì)開關(guān)電源最重要的兩部分就是主電路和控制電路。本章將根據(jù)大功率直流開關(guān)電源的要求對主電路各部分進(jìn)行性能分析并計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)，根據(jù)計(jì)算所得的數(shù)據(jù)結(jié)果選擇各元器件，設(shè)計(jì)出各個獨(dú)立模塊，最后組裝成開關(guān)電源的主電路。3.1開關(guān)電源的設(shè)計(jì)要求本文設(shè)計(jì)的大功率直流開關(guān)電源主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)的高頻開關(guān)電源，確定技術(shù)指標(biāo)如下:1.輸入電壓:380V20%2.電網(wǎng)頻率:50Hz10%3.功率因數(shù):0.934.輸入過壓告警:437V5V5.輸入欠壓告警:320V5V6.輸出標(biāo)稱電壓:220VDC7.輸出電壓范圍:176-286VDC8.輸出紋波電壓:?Vo10mV9.輸出額定電流

31、:5A10.輸出過壓保護(hù):325V5V11.輸出欠壓保護(hù):195V5V12.便于生產(chǎn)和維護(hù)在本課題過程中，主要對大功率開關(guān)直流電源的工作原理、電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式進(jìn)行了深入研究，并結(jié)合系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，確定系統(tǒng)主電路的拓?fù)?，設(shè)計(jì)出主電路，即分別設(shè)計(jì)出濾波、整流、DC-DC變換器、軟啟動和保護(hù)控制等部分。下面就對電源主電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說明。3.2主電路組成框圖根據(jù)需要設(shè)計(jì)大功率開關(guān)電源的技術(shù)要求，本文進(jìn)行了方案的驗(yàn)證與比較，設(shè)計(jì)如圖3-1所示的軟開關(guān)直流開關(guān)電源的主電路框圖。虛線以上是主電路，主電路主要分為輸入整流濾波、逆變開關(guān)電路、逆變變壓器和輸出整流濾波；虛線以下為控制回路，控制回路主要

32、包括信息檢測電路、控制和保護(hù)單元、監(jiān)控單元和輔助電源。10青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)圖3-1直流開關(guān)電源的主電路框圖本電源采用ZVZCS-PWM拓?fù)?，原邊加箝位二極管，三相交流輸入整流后，加LC濾波，以提高輸入功率因數(shù)，主功率管選用IGBT,控制電路采用UC3875移相控制專用集成芯片，電流電壓雙閉環(huán)控制。具體設(shè)計(jì)主電路如圖3-2所示，包括三個部分:(1)輸入整流濾波電路；(2)單相逆變橋；(3)輸出整流濾波電路.3.2.1輸入整流濾波電路三相交流電經(jīng)電源內(nèi)部EMI濾波后，加到整流濾波模塊。EMI濾波器的作用是濾除功率管開關(guān)產(chǎn)生的電壓電流尖峰和毛刺，減小電源內(nèi)部對電網(wǎng)的干擾，同時又能減小其他用電設(shè)備

33、通過電網(wǎng)傳向電源的干擾。濾波電路采用LC濾波，電感的作用是拓開電流導(dǎo)通時間，限制電流峰值，可以提高電源的輸入功率因數(shù)。濾波電容采用四個電解電容，兩個串聯(lián)后并聯(lián)使用，滿足三相整流后的高壓要求。電阻R1、R2是平衡串聯(lián)電容上的電壓，高頻電容與電解電容并聯(lián)使用，濾除高頻諧波，彌補(bǔ)電解電容高頻特性差的缺陷。圖3-2電源主電路結(jié)構(gòu)11青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)3.2.2單相逆變橋單相逆變橋采用IGBT,以滿足高壓、高功率的要求。無感電容(C7、C8)并聯(lián)在兩橋臂之間，降低兩橋臂之間電壓尖峰的干擾，諧波電感Lr，隔直電容C15、C16、C17防止變壓器的直流偏磁，原邊箝位二極管減輕副邊振蕩，主變壓器起到原、副邊

34、的隔離、耦合作用，原、副邊各一副繞組，以滿足副邊采用全橋整流的要求，原邊加交流互感器，檢測原邊電流作保護(hù)用。3.2.3輸出整流濾波電路采用全橋整流滿足高壓的要求，高頻濾波電感Lf，電解電容(E5、E6、E7)，高頻電容(C18，C21)濾除高頻諧波分量，共模電感(L2)，Y電容(C19、C20)，抑制共模分量，電流采樣電阻R3R5，輸出二極管D14，防止電池電流反灌。3.3輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)該電源的輸入整流濾波電路同一般大功率PWM型開關(guān)電源的輸入整流濾波電路相似。主要包括兩部分組成:整流橋和輸入濾波電路。3.3.1整流橋工作頻率為50Hz，輸入為三相交流電壓380V，采用三相整流橋。(1)

35、整流橋的耐壓：考慮最大輸入電壓Uin.max=UinX1.2=380X1.2=456V整流二極管的峰值電壓為Uin.maxX2=380X(l+20%)X2=640V取50%的裕量640X(l+50%)=960V根據(jù)整流橋的實(shí)際電壓等級，我們選擇整流橋的耐壓為1200V(2)整流橋的額定電流因?yàn)殡娫吹妮斎牍β孰S效率變化，所以應(yīng)取電源效率最差時的數(shù)值。在此，我們按一般開關(guān)電源的效率取值，取效率為80%電源的輸入功率:P=Pn=220X5/0.8=1375W因最大輸入電流是在交流輸入電壓下限時，所以，Uin.max=380VX80%=304V,12青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)最大輸入線電流:Iin.max=

36、1375=2.61AUin.min?3304?3Pm=取整流橋的額定電流為10A。3.3.2輸入整流電容輸入電容器Cm決定于輸出保持時間和直流輸入電壓的紋波電壓的大小，而且要在計(jì)算流入電容器的紋波電流是否完全達(dá)到電容器的容許值的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。E為電網(wǎng)電壓最低時輸入三相橋式整流電路的輸出平均電壓:E=其中Ea為交流輸入線電壓。簡易公式E=1.35X380X(120%)=410V通過直流輸入電路的平均電流Iave，為：1375P=3.35AIave=m=E4103?2n二Ea計(jì)算單相全波整流電路濾波電容的經(jīng)驗(yàn)公式為：Cm=400600Iave由于三相全波整流電路的基波頻率為單向電路的3倍，因此計(jì)

37、算三相電路濾波電路的公式為：Cm=133200Iave所以，Cm=200X3.35=670uF根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在實(shí)際電路中，我們選用1O00uF/4OOV的電解電容4只兩兩串聯(lián)后再并聯(lián)組成濾波電容組。3.3.3輸入濾波電感電感中最大電流為交流輸入電壓下限時通過直流輸入電路的平均電流Iave=3.35A理論上輸入濾波電感越大，電流脈動越小，輸入功率因素越高，但受體積重量和價(jià)格的限制，并根據(jù)繞制廠家的現(xiàn)有工藝水平，選用C15X32X105硅鋼片鐵心，線徑為1.6毫M,電感量為18mH的工頻電感。電感量的確定較難精確計(jì)算，可通過實(shí)驗(yàn)確定。13青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)3.4逆變電路的設(shè)計(jì)3.4.1功率轉(zhuǎn)換電

38、路的選擇根據(jù)第二章的分析可知，該電源屬于大功率電源，采用全橋式功率轉(zhuǎn)換電路.3.4.2確定電路工作頻率f考慮到開關(guān)管的參數(shù)、控制電路及主電路的特性等因素，選取開關(guān)橋的工作頻率為30KHz。3.4.3高頻變壓器的計(jì)算(1)選擇工作磁通密度B磁芯選用MX0-200鐵氧體材料。選取工作磁通密度B=900GS.(2)計(jì)算磁芯規(guī)格并計(jì)算原變繞組匝數(shù)根據(jù)電源所用高頻變壓器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，磁芯采用環(huán)形磁芯。磁芯規(guī)格:DXdXh二120X60X20mmD為環(huán)形磁芯的外直徑d為環(huán)形磁芯的內(nèi)直徑h為環(huán)形磁芯的厚度根據(jù)設(shè)計(jì)高頻變壓器的總結(jié)公式：N1SC=V1tONX1002?B在公式中，V1tON應(yīng)取最大值。電路工作頻

39、率為30KHz，T=33.4uS，tON為導(dǎo)通時間，根據(jù)計(jì)算的占空比，我們暫取11uS，V1為施加在原變繞組上的電壓幅值，其最大值為電網(wǎng)電壓最大時的三相整流濾波輸出值:380X(1+20%)X2=640V。SC為磁芯截面積：SC=D?d120?60Xh=X20=600mm2=6cm222640X11X100=65.22X6X900所以，計(jì)算所得高頻變壓器原邊繞組匝數(shù)為：N1=N1取整數(shù)為65T。(3)計(jì)算副邊繞組匝數(shù)按設(shè)計(jì)要求，輸出電壓最大值為286V，考慮從電源輸出端到負(fù)載之間傳輸線14青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)的壓降(取壓降0.3V)，因此，該電源的最高輸出電壓為：Vomax=325+0.3=3

40、25.3V輸出整流二極管的壓降取2V：濾波電感的壓降取0.6V；我們暫取開關(guān)橋的最大占空比Dmax=0.66；因此，最高輸出電壓、額定負(fù)載時高頻變壓器副邊繞組最低電壓幅值為：V2min=(325.3+2+0.6)/0.66=496.8V因此，根據(jù)公式：VN2=2minN1V1min其中，V1min=380X(1-20%)X1.35=410V得到副邊繞組匝數(shù)N2為：N2=496.8X65=78.8410因此，變壓器副邊繞組的匝數(shù)應(yīng)取整數(shù)79T。原邊繞組必須重新修正，為N1=410X79=65.2496.8所以，變壓器原邊繞組的匝數(shù)還應(yīng)取整數(shù)65T。(4)計(jì)算實(shí)際占空比在輸入電壓最低，輸出電壓最高

41、時有最大占空比DmaxV1min=380X(1-20%)X1.35=410VV2min=N2XV1min/N1=79X410/65=498VDmax=VomaxVoDVorL325.3+2+0.6=0.658498V2min在輸入電壓最高，輸出電壓最低的時候有最小占空比DminV2max=N2XV1max/N1=79X640/65=777V設(shè)此時VoD+IorL=1VDmin=Vomin+VoD+IorL195+1=0.252777V2max相應(yīng)的導(dǎo)通脈寬:tONmax=DmaxT/2=0.658X33.4/2=10.98uS15青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)tONmin=DminT/2=0.252X3

42、3.4/2=4.2uS(5)選擇繞組導(dǎo)線線徑取負(fù)載電流為額定負(fù)載電流的105%，則流過輸出電感的電流平均值為5X120%=5.25A,流過副邊繞組的電流幅值即為流過電感的電流幅值，即為I2m=5.25A/Dmax=5.25/0.658=7.98A其平均值I2ave=5.25A其有效值I2=5.25A考慮到存在集膚效應(yīng)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，3OKHz時的穿透深度為0.3815mm，因此，選用的導(dǎo)線線徑不得大于0.763mm。為繞制方便，選用線徑為0.31mm的導(dǎo)線。取電流密度J=3A/mm2，單根導(dǎo)線載流量為0.2264A，因而需用5.25/0.2264=23.18根，因而選用24根絞合而成。原邊繞組

43、流過的電流為雙向電流，其寬度為tONmax，其幅度由折算負(fù)載電流，折算到輸出電感電流增量以及勵磁電流等三部分組成，前兩者也如副邊平均幅值電流那樣取平均折算電流幅值，即I21=N2XI2m/N1=79X5.25/65=6.1A設(shè)勵磁電流幅值為折算副邊電流幅值的8%，即:Iu=0.08XI2m=0.08X5.25=0.42A它是鋸齒形電流，我們將其轉(zhuǎn)換成平均值在疊加到副邊電流上。Iu的平均值Iuave為Iuave=Iu/2=0.42/2=0.21A因此，原邊繞組等效矩形波電流幅值I1m為I1m=I21+Iuave=5.25+0.21=5.46A其有效值為:It=I1mDmax=5.46X0.658

44、=4.43A原邊線徑仍取0.31mm，電流密度J=3A/mm2，單根導(dǎo)線載流量為0.2264A，因而需用4.43/0.2264=19.57根，取整數(shù)選用0.31mm高強(qiáng)度漆包圓銅線20根絞合而成。(6)校核窗口面積0120X60X20磁芯窗口面積為：S0=nd24=2826mm2原邊繞組0.31mm導(dǎo)線的最大外徑可由相關(guān)文獻(xiàn)查得為0.37mm，因此原邊繞組占有的標(biāo)稱面積S1為：16青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)S1=n4X0.0372X20X65=140mm2副邊繞組占有的標(biāo)稱面積S2為：22S2=X0.037X23X79=195mm4n占空系統(tǒng)0為：0=(S1+S2)/S0=(195+140)/282

45、6=0.12可見窗口面積綽綽有余。(7)校核繞組壓降及功耗0120X60X20磁環(huán)的高度為2cm，徑向厚度為3cm，設(shè)副邊繞組平均匝長為15cm，由相關(guān)文獻(xiàn)查得0.31mm導(dǎo)線的銅心截面積為0.07548mm2，所以其截面積S2為:2S2=23X0.07548=1.736mm單個繞組的電阻R2為lR2=p2=0.0168X(15X0.01)X79/1.736=0.11?S2純銅在25C時的電阻率為0.0168?mm2/m式中(15X0.01)是把厘M換算成公式需要的M度量單位.副邊繞組的功耗為:2Pr2=I22XR2=5.25X0.11=3.03W設(shè)原邊繞組的平均匝長約為12cm，由相關(guān)文獻(xiàn)查

46、得0.31mm導(dǎo)線的銅心截面積為0.07548mm2，所以其截面積S1為:2S1=20X0.07548=1.51mm其中，電阻R1為；lR1=p1=0.0168X12X0.01X65/1.51=0.08?S1原邊繞組的功耗為:2Pr1=I12XR1=4.43X0.658X0.08=1.03W變壓器得到繞組的總損耗PB：PB=Pr1+Pr2=3.03+1.03=4.06W17青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)3.4.4選用高壓開關(guān)管(1)耐壓根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可以查到，全橋功率轉(zhuǎn)換電路高壓開關(guān)管上施加的最高電壓為VCEM=E，對應(yīng)于最高輸入電網(wǎng)電壓的輸入整流電路的直流輸出電壓EM:EM=UinmaxX2=380X(

47、1+20%)X2=640V考慮各種因素的影響取50%的裕量640X(l+50%)=960V(2)開關(guān)電流在一些參數(shù)尚不知道的情況下，我們需要估算開關(guān)管的電流，以便選擇開關(guān)管和計(jì)算輸出濾波電路。在高頻變壓器的計(jì)算中，我們估算了實(shí)際占空比Dmax為0.658，Dmin為0.252。輸入整流濾波電路的最大輸出電流平均值：Immax=1375PM=3.3AEmm380X(1?20%)X1.35此時，Dmax=0.658峰值電流為3.3/0.658=5.09A輸入整流濾波電路的最小輸出電流值：Immin=1375PM=2.23AEmm380X(1+20%)X1.35此時，Dmin=0.252峰值電流為2

48、.32/0.252=8.86A所以，開關(guān)管估算最大電流值為8.86A根據(jù)計(jì)算所得的結(jié)果分析，我們選取三菱電機(jī)公司第三代IGBT單管CM60HSA24作為高壓開關(guān)管，其耐壓為1200V,電流容許值為60A。3.4.5隔直電容Cb的選擇在第二章中，我們對主電路的工作模式進(jìn)行了分析，對電路的重要參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了推導(dǎo)，得出了如下關(guān)系式:T=4*LL*Cb/DT其中:T為初級電流下降的時間；LL為變壓器的漏感；D為占空比；變壓器的漏感與繞線工藝及磁芯形狀等有關(guān)，繞制好的變壓器漏感基本不變。18青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)在前面，我們設(shè)定電路的工作頻率為30KHz，計(jì)算得到的最大占空比Dmax=0.658,并

49、且我們假設(shè)初級電流下降的時間為4uS，所以Cb=?T?D?T=4.7uF4?LL3.5輸出整流濾波電路輸出整流濾波電路是通過快恢復(fù)整流二極管的整流和濾波電感及濾波電容將高頻變壓器輸出的高頻交變電壓或電流編程要求的輸出電壓或電流。因?yàn)檩敵鲭妷罕容^高(22OV),所以高頻變壓器的副邊選用橋式整流，以提高安全可靠性。下面對輸出整流電路的各部分進(jìn)行一下分析與計(jì)算。3.5.1輸出整流二極管因?yàn)檩敵龆O管工作于高頻狀態(tài)(30KHz)，所以應(yīng)選用快恢復(fù)二極管。(1)輸出整流二極管的耐壓高頻變壓器副邊的輸出最高電壓峰值為：V2max=VlmaxX79N1=380X(l+20%)X2X=783.6V65N2所以

50、加在輸出整流二極管上最高的反壓為783.6V(2)輸出整流二極管的電流輸出整流二極管流出的電流即為流過輸出濾波電感的電流，所以其有效值為5.25A。根據(jù)以上分析，同時考慮一定的裕量，選取RURU30120作為輸出二極管。該二極管的耐壓為120V,額定電流為30A。3.5.2輸出濾波電感根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的公式可以得到:LVI?V0t2I0minon選I0min為額定負(fù)載電流的5%，即I0min=5X5%=0.25AT=1/fs=1/30X103=33.3uSTonmin=(Dmin*T)/2=4.2uSV2max=783.6V此時的電感電流增量不得大于2I0min，所以19青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)?V7

51、83.6?195VL=2maxomin?Tomin=X4.2X10?6=4.94X10?3H2Iomin2X0.25所以選取濾波電感為4.94X10?3H3.5.3輸出濾波電容(1)根據(jù)輸出紋波電壓?V0來計(jì)算濾波電容的大小:220X(1?0.252)V(1?Dmin)=11.66X10?6FC=02X4.9X10?3X0.12?32fLoVo32X30000(2)根據(jù)輸出電壓動態(tài)幅度？V0來求出濾波電容的大小C=L0I2omaxVp2?V0Vp其中，I0max為輸出電流的最大值取5A，為電源從滿載突變到空載時輸出電壓的上沖幅度，取該值為22lV因此，輸出濾波電容為：C=5.9X10?3X52

52、=334uF2212？2202取以上兩者最大值，并考慮一定裕量，最后取C=5OOuF20青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)第4章控制電路的設(shè)計(jì)4.1PWM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。電壓型控制器只有電壓反饋控制，可滿足穩(wěn)定電壓的要求，電流型控制器增加了電流反饋控制，除了穩(wěn)定輸出電壓外，還有以下優(yōu)點(diǎn):1.當(dāng)流過開關(guān)管的電流達(dá)到給定值時，開關(guān)自動關(guān)斷；2.自動消除工頻輸入電壓經(jīng)整流后的紋波電壓，并開關(guān)電源輸出端3OOHz以下的紋波電壓很低，因此可減小輸出濾波電容的容量；3.多臺開關(guān)電源并聯(lián)工作時，PWM開關(guān)控制器具有內(nèi)在的均流能力；4.具有更快的負(fù)載動態(tài)響應(yīng):圖4

53、-1脈寬調(diào)制集成控制器的框圖及其波形圖常用的脈寬調(diào)制(PWM)型集成控制器如圖4-1所示的幾個部分組成?；鶞?zhǔn)電壓和采樣反饋信號通過誤差放大器比較放大后，輸出的差值信號和鋸齒波(或三角波)比較，從而改變輸出脈沖的寬度，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。有些控制器僅有一個輸出端，而多數(shù)控制器都設(shè)有用觸發(fā)器和“與”門電路組成的相位分離器，用它來將單-脈沖變換成交替變化的二路脈沖輸出，用于供驅(qū)動推挽和橋式變換器中的功率開關(guān)管，21青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)此時變換器的工作頻率等于控制器內(nèi)部鋸齒波振蕩器振蕩頻率的一半。當(dāng)然也可將控制器的兩路輸出并聯(lián)起來去驅(qū)動單端變換器或串聯(lián)調(diào)整型開關(guān)穩(wěn)壓電源中的功率開關(guān)管，此時開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻

54、率就等于控制器內(nèi)部鋸齒波振蕩器的頻率。4.2高速脈寬調(diào)制器UC3825根據(jù)我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的要求，我們選用的PWM集成控制器為UC3825。下面將詳細(xì)介紹此芯片的主要特點(diǎn)、工作原理和應(yīng)用及調(diào)試。4.2.1主要特點(diǎn):適用于電壓型或電流型開關(guān)電源電路；實(shí)際開關(guān)頻率可達(dá)1MHz；輸出脈沖最大傳輸延遲時間為50ns；具有兩路大電流推拉式輸出（峰值電流為2A）；內(nèi)有寬頻帶誤差信號放大器；具有較高的頻率精度并可對死區(qū)進(jìn)行控制，同時振蕩器放電電流也可調(diào)；帶有雙重抑制脈沖和全封閉邏輯；具有軟啟動控制；內(nèi)有逐脈沖限流比較器；具有全周期再啟動的封鎖式過流比較器；啟動電流很小一（典型值為100mA）:欠壓鎖定一16

55、V/1OV（B型）在欠壓鎖定期間，輸出低電平；可調(diào)整的帶隙基準(zhǔn)電壓；可調(diào)的上升沿封鎖閥值，可調(diào)低上升沿噪音。4.2.2極限參數(shù)：電源電壓（15,B腳）輸出腳電流（流出或流入）直流脈沖（0.5ms）地線（12腳）模擬輸入（1,2,7腳）-0.3-7V2222V（11,14腳）0.5A2.2A-0.2V青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（9,8腳）時鐘輸出電流（4腳）誤差放大器輸出電流（3腳）軟啟動電流（8腳）震蕩器充電電流（5腳）功耗（溫度60C）儲存溫度范圍焊接溫度（焊接時間為10s）-0.3-6V-5mA5mA20mA-5mA1W-65-150C300C（注：所有電壓均以地線電壓為基準(zhǔn)；流入管腳的電流為正

56、值。）4.2.3內(nèi)部電路工作原理該芯片內(nèi)部電路如圖4-2所示。它由振蕩器、PWM比較器、限流比較器、過流比較器、基準(zhǔn)電壓源、故障鎖存器、軟啟動電路、欠壓鎖定、PWM鎖存器、輸出驅(qū)動器等組成。我們將詳細(xì)介紹各部分的情況,以理解芯片的工作原理。圖4-2UC3825內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)圖（1）振蕩器23青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)圖4-3振蕩電路振蕩電路如圖4-3所示。UC3823A、B和UC3825A、B內(nèi)部都有一個鋸齒波振蕩器。鋸齒波上升沿的斜率由RT、CT決定,確定RT、CT的方法是:首先根據(jù)要求的最大占空比Dmax、選擇RT,再根據(jù)要求的頻率以及RT和Dmax選擇CT。計(jì)算公式為:RT=3V（10mA）（1

57、?Dmax）CT=1.6?DmaxRT?FRT的最佳阻值應(yīng)為110k?之間,Dmax應(yīng)大于70%。在實(shí)際的應(yīng)用中，RT選為6.65k?,CT選為2nf,工作頻率為200KHZ。（2）上升沿封鎖24青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)圖4-4上升沿封鎖工作波形上升沿封鎖工作波形如圖4-4所示，UC3823A、B和UC3825A、B采用固定頻率脈寬調(diào)制。UC3823A、B的兩個輸出端可同時輸出脈沖，輸出脈沖的頻率與振蕩器頻率相等，脈沖占空比可在O%100%內(nèi)調(diào)整。UC3825A、B的兩個輸出端交替輸出脈沖,因此,每個輸出端輸出脈沖的頻率是振蕩器頻率的1/2,振蕩器的頻率為200KHZ,所以輸出PWM脈沖的頻率為1

58、0OKHZ,輸出脈沖占空比在0%50%以內(nèi)調(diào)整，實(shí)際橋式變換器的應(yīng)用中一般達(dá)不到50%,因?yàn)闃蚴阶儞Q器在PWM脈沖的占空比為50%時,由于功率管截止時間的問題,使得橋臂容易短路,這在以后的部分將詳細(xì)介紹。為了限制最大占空比,在振蕩電容放電期間,內(nèi)部時鐘脈沖對兩路輸出進(jìn)行封鎖。在時鐘的下降沿,輸出端為高電平。輸出脈沖的下降沿由脈寬調(diào)制比較器、限流比較器和過流比較器聯(lián)合控制。通常,脈寬調(diào)制比較器檢測出斜坡電壓與控制電壓（誤差放大器輸出電壓）的交點(diǎn)，并且在該交點(diǎn)處，終止輸出脈沖。因?yàn)椴捎昧松仙胤怄i，在脈沖前沿的一定時間內(nèi)，脈寬調(diào)制比較器不起作用。這樣，開關(guān)電源的固有噪聲就能被有效的抑制。同時，由于

59、采用了輸出脈沖上升沿封鎖，脈寬調(diào)制器的斜坡輸入就不需要再經(jīng)過濾波。為了調(diào)整上升沿封鎖時間，CLK/LEB腳應(yīng)接入電容C,這樣，輸出脈沖前沿封鎖時間就由電容C和內(nèi)部1Ok?電阻確定的放電時間來決定。為了更準(zhǔn)確控制前沿封鎖時間，可在外部并聯(lián)一個2k?(2%)電阻R。前沿封鎖時間可由下式計(jì)算：tLED=0.5X(R/10k)XC式中，外接電阻R不能小于2k?。25青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)上升沿封鎖也適用于限流比較器。上升沿封鎖之后，如果限流(ILIM)腳的電壓超過IV,輸出脈沖就終止。但是，過流比較器不能采用前沿封鎖。這樣，才不會因?yàn)榍把胤怄i而延長保護(hù)時間，從而可以及時捕捉過流故障。在任何時間，只要限流

60、(ILIM)腳的電壓超過1.2V，故障封鎖就起作用，從而使輸出端變?yōu)榈碗娖?。為此，在限?ILIM)腳需接入噪音濾波電容器。(3)欠壓鎖定、軟啟動以及故障處理圖4-5軟啟動和故障處理波形軟啟動和故障處理波形如圖4-5所示。軟啟動是通過軟啟動(SOFT,START)腳的外接電容實(shí)現(xiàn)的。接通電源后，軟啟動腳外接電容放電，該腳處于低電平，誤差放大器輸出低電平，開關(guān)電源無輸出電壓。當(dāng)9uA的內(nèi)部電流源給軟啟動腳外接電容充電時，誤差放大器輸出電壓逐漸升高，直到閉環(huán)調(diào)節(jié)功能開始工作，開關(guān)電源輸出電壓逐漸升高到額定值。一旦限流(ILIM)腳的電平超過1.2V,故障鎖存器置位，輸出腳變?yōu)榈碗娖剑煌瑫r，軟啟動腳