開(kāi)關(guān)電源開(kāi)題報(bào)告

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告 題 目： 110W高頻開(kāi)關(guān)電源 專 題： 院 （系）： 電氣及信息工程學(xué)院 班 級(jí)： 自 動(dòng) 化08-1 班 姓 名： 戴紅健 學(xué) 號(hào)： 0 指導(dǎo)教師： 吳 延 華 教師職稱： 教授 黑龍江科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告題 目110W高頻開(kāi)關(guān)電源 來(lái)源 指導(dǎo)老師 1、 研究目的和意義 電源問(wèn)題一直是人們十分關(guān)心的問(wèn)題，是所有電設(shè)備的動(dòng)力。在電力系統(tǒng)中，直流系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及性能直接影響到電廠的運(yùn)行和設(shè)備的安全；在通信網(wǎng)絡(luò)中，通信電源成為構(gòu)成各種通信手段必不可少的組成部分，對(duì)確保通信質(zhì)量具有重要的影響，人們視通信電源為整個(gè)通信系統(tǒng)的心臟。 以往應(yīng)用的傳統(tǒng)的相控整流電源設(shè)備因?yàn)椴捎霉ゎl變壓器，體積大，且輸出電壓的紋波系數(shù)大。它的監(jiān)控系統(tǒng)不完善，采用主從備份方式，用戶使用不方便；更重要的是它無(wú)法達(dá)到電力系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備和通信設(shè)備要求電源紋波小，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)的新的技術(shù)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。另外因其網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低、調(diào)整速度慢、噪聲大等缺點(diǎn)，正在被逐步淘汰。取而代之的是高頻開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源取消了傳統(tǒng)電源采用的笨重的工頻變壓器，使得電源得體積大大縮?。浑娫粗械秒娏﹄娮悠骷ぷ髟陂_(kāi)關(guān)狀態(tài)，使整機(jī)效率很高；由于器件的開(kāi)關(guān)頻率一般大于20kHz，所以基本上聽(tīng)不到噪聲。2、 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況(文獻(xiàn)綜述) 60年代中期，美國(guó)已研制成20kHz DCDC變換器及電力電子開(kāi)關(guān)器件，并虛用于通信設(shè)備供電。到70年代初期已被先進(jìn)國(guó)家普遍采用，其中最有成效的黽由這種電力電子開(kāi)關(guān)器件和變換技術(shù)組成整流電路，三相交流電源不經(jīng)過(guò)jOHz工頻變壓器，而是直接整流，再由DCDC變換器變成高頻交流，經(jīng)再一次整流變成電設(shè)備所需的各種直流電源。 由于用20kHz高頻變壓器取代了50Hz工頻變壓器，使得整流器中的關(guān)鍵元件“工頻變壓器和濾波電感”大大縮小，使整個(gè)整流器的重量、體積大幅度減小，并消除了噪聲，提高了功率因素，改善了可控硅對(duì)電源造成的畸變。 80年代初英國(guó)采用上述原理，研制了第一套完整的48V成套電源，即目前所謂的開(kāi)關(guān)電源(SMPSwitch Mode Power)或開(kāi)關(guān)整流器(sMRSwitch ModeRectifier)。 早期開(kāi)關(guān)電源的控制電路一般以分立元件非標(biāo)準(zhǔn)電路為主，一般由時(shí)鐘電路、TRC(Time Radi0 Contr01)電路、分頻電路、檢測(cè)放大電路、保護(hù)電路組成電路形式比較靈活，但使用元件多，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，而且可靠性不高。 經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，國(guó)外在1977年左右開(kāi)始進(jìn)入控制電路集成化階段。一個(gè)大規(guī)模單片集成型控制電路除了包括開(kāi)關(guān)電源控制方案的公共功能外，通常還持有更為廣泛的適應(yīng)性，這樣的單片取代了上百個(gè)分立元件，大幅度地減少了元器件數(shù)量，提高了電源地可靠性，簡(jiǎn)化了電路地設(shè)計(jì)計(jì)算，有利于生產(chǎn)和維護(hù)，同時(shí)也加速了電源控制電路標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程。控制電路的集成化標(biāo)志著開(kāi)關(guān)電源的重大進(jìn)步。目前市場(chǎng)上出售的單片集成型控制電路種類較多，例如美國(guó)UNITRODE的UC3845系列，TEXAS INSTRUMENT的TL494系列等等。 開(kāi)關(guān)整流器采用的電力電予器件主要有雙極型晶體管(BT-Bipolar7Fransistor)和場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET-Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor)。雙極型晶體管開(kāi)關(guān)整流器屬于早期產(chǎn)品，但由于雙極型晶體管的導(dǎo)通電阻低、損耗小、技術(shù)成熟、可靠性高，國(guó)外至今仍在使用。例如，法國(guó)電信分散供電系統(tǒng)中采用的25A及75A兩種規(guī)格的開(kāi)關(guān)整流器都是雙極型晶體管開(kāi)關(guān)整流器，變換頻率為20kHz。場(chǎng)效應(yīng)晶體管因開(kāi)關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，是當(dāng)前較為理想的開(kāi)關(guān)元件，在開(kāi)關(guān)整流器中應(yīng)用最多。它的問(wèn)世，大大提高了開(kāi)關(guān)整流器的開(kāi)關(guān)頻率，一下子就從20kHz提高到50kHz，目前在中小功率場(chǎng)合最高頻率已達(dá)500kHz。場(chǎng)效應(yīng)晶體管的缺點(diǎn)是導(dǎo)通電阻大，導(dǎo)致導(dǎo)通壓降較大，影響整機(jī)效率。絕緣柵雙極晶體管(IGBTInsufated Gategipolar Transistor)是一種新型電力電子器件，其輸入電路與MOSFET相同，輸出電路與BT相同，它兼有MOSFET容易驅(qū)動(dòng)和BT導(dǎo)通電阻低的優(yōu)點(diǎn)，只是開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)MOSFET較低。現(xiàn)在有的廠家采用IGBTMOSFET組合器件(并聯(lián)使用)。這種混合開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通電阻低，且開(kāi)關(guān)損耗小，不過(guò)其控制及驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜。 自開(kāi)關(guān)電源問(wèn)世以來(lái)，其可靠性隨著器件和控制方法的改進(jìn)不斷提高。目前的直流電源系統(tǒng)普遍采用“備用并聯(lián)運(yùn)行”方法，在開(kāi)關(guān)電源中稱為“N+I模塊冗余備份”。這種并聯(lián)運(yùn)行采取均流方式，使整個(gè)系統(tǒng)的可靠性極大提高，而且各模塊可熱插拔，維護(hù)十分方便。 隨著開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用地?cái)U(kuò)大，其供電體制已逐漸從集中供電向分散供電過(guò)渡，其相應(yīng)的管理體制也正在向集中監(jiān)控和集中管理方向發(fā)展，逐漸實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守或少人值守。即應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)和遙控。3、研究/設(shè)計(jì)的目標(biāo)： 4、設(shè)計(jì)方案（研究/設(shè)計(jì)方法、理論分析、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)方法和步驟等）：正激變換器關(guān)鍵在于主開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓加在變壓器初級(jí)，輸出二極管正偏導(dǎo)通;當(dāng)主開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，僅存儲(chǔ)在變壓器漏感和激磁電感的能量。這將使得漏極電壓高于輸入電壓，復(fù)位磁芯。正激變換器需要一個(gè)最小負(fù)載以及足夠大的濾波電感，以保證它的峰值紋波電流小于最小負(fù)載電流。否則將出現(xiàn)斷續(xù)，輸出電壓上升。這意味著正激變換器不能工作在空載狀態(tài)，因?yàn)椴荒芫哂袩o(wú)限大電感。電感量隨電流增加而減少。在最小負(fù)載時(shí)，你得到的電感較大，保持電流連續(xù)，而在最大負(fù)載時(shí)，你仍然具有足夠的電感，而又不太大。你允許紋波電流隨著負(fù)載電流增加而增加，不必設(shè)計(jì)的電感體積大維持最大負(fù)載的全部電感。對(duì)付最小負(fù)載普通方法是加一個(gè)假載永久接在輸出端，作為變換器的一部分。因此，即使外負(fù)載為零，因?yàn)橛幸粋€(gè)維持最小功率的電阻，變換器可維持連續(xù)狀態(tài)。正激式變換器的主回路結(jié)構(gòu)圖:過(guò)流保護(hù)電路圖如圖:過(guò)壓保護(hù)電路圖如圖: 欠壓保護(hù)電路： 電壓反饋電路圖如圖： 軟啟動(dòng)/輔助電源電路圖如圖： 1、開(kāi)關(guān)頻率的確定 T=1/f0 2、占空比的確定 最大導(dǎo)通時(shí)間TON為：TON（max）=TDmax 3、磁滯損耗 渦流損耗 變壓器線圈參數(shù)的計(jì)算 次級(jí)輸出電壓 流經(jīng)初級(jí)繞組的電流有效值I1為： 流經(jīng)次級(jí)繞組的電流有效值I2為： 輸出電感線圈的電感量Lout為： 輸出紋波電壓Ur為： 輸出電容的等效串聯(lián)電阻ESR為： 5、 方案的可行性分析：設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源首先要考慮的是選用合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型選擇與電源各個(gè)組成部分的布置有關(guān)，這種布置與電源可以在何種環(huán)境下安全工作以及可以給負(fù)載提供的最大功率密切相關(guān)。這也是設(shè)計(jì)中性能價(jià)格折中的關(guān)鍵點(diǎn)。每種拓?fù)涠加凶约旱膬?yōu)點(diǎn)，有的拓?fù)淇赡艹杀颈容^低，但輸出的功率受到限制；而有的可以輸出足夠的功率，但成本比較高等。在一種應(yīng)用場(chǎng)合下，有好幾種拓?fù)淇梢怨ぷ?，但只有一種是在要求的成本范圍內(nèi)性能最好的。下表中列出五種PWM 開(kāi)關(guān)電源拓?fù)涞谋容^:拓?fù)?功率范圍(W) 輸入直流電壓范圍(V) 輸入輸出隔離 典型效率(%) 相對(duì)成本Buck電路 01000 540 無(wú) 70 1Boost電路 0150 540 無(wú) 80 1正激式電路 0150 5500 有 78 1.4反激式電路 0150 5500 有 80 1.2半橋電路 100500 501000 有 75 2.2選擇最合適的拓?fù)湟紤]的四個(gè)主要因素：1、輸入輸出是否需要變壓器隔離；2、加在變壓器一次側(cè)或電感上的電壓值的大?。?、通過(guò)功率開(kāi)關(guān)管的峰值電流大小；4、加在功率開(kāi)關(guān)管上的最高電壓大小。無(wú)變壓器隔離的拓?fù)鋵?duì)使用裝置的操作人員是不安全的，相對(duì)于變壓器隔離對(duì)負(fù)載的保護(hù)來(lái)說(shuō)，成本的增加很小。因此，在大部分應(yīng)用場(chǎng)合下，通過(guò)變壓器進(jìn)行隔離，在輸入直流電壓高于40V的情況下，開(kāi)關(guān)電源都要求使用變壓器隔離。本設(shè)計(jì)中，交流電壓經(jīng)濾波整流后，再經(jīng)過(guò)功率因數(shù)校正電路，得到高達(dá)400V 的穩(wěn)壓直流輸入電壓。所以，輸入輸出是需要變壓器隔離的。Buck電路和Boost 電路在本設(shè)計(jì)中無(wú)法采用。加在變壓器一次側(cè)上的電壓大小決定了通過(guò)功率開(kāi)關(guān)管的峰值電流。由于開(kāi)關(guān)電源的功率一定，一次側(cè)電壓越低，峰值電流就越大，以滿足輸出功率增加的要求。對(duì)于TO-220封裝的功率晶體管和MOSFET管來(lái)說(shuō)，推薦的最大峰值電流是20A。如果超過(guò)20A，功率開(kāi)關(guān)管就容易損壞，對(duì)功率器件進(jìn)行保護(hù)也很困難。在開(kāi)關(guān)電源中，電壓尖峰是很常見(jiàn)的，經(jīng)常出現(xiàn)電壓尖峰超過(guò)功率開(kāi)關(guān)管擊穿電壓的情況。功率開(kāi)關(guān)管承受的最大電壓越大，就越有可能超過(guò)功率開(kāi)關(guān)管的安全工作區(qū),對(duì)于反激式電路來(lái)說(shuō)，峰值電流大小的計(jì)算公式為：對(duì)于正激式電路和半橋電路來(lái)說(shuō)，峰值電流大小的計(jì)算公式為；雖然反激式電路拓?fù)渚哂惺褂迷骷?、本身固有效率比較高（可達(dá)80%）的特點(diǎn)。但是反激式電路的電流峰值比正激式電路高很多，在相當(dāng)?shù)偷妮敵鲭妷合?，有可能超出功率開(kāi)關(guān)管的安全工作區(qū)。而半橋電路的輸入電壓只有一半加在變壓器一次側(cè)上，這會(huì)導(dǎo)致半橋電路的電流峰值為正激式電路的電流峰值的2倍。從通過(guò)功率開(kāi)關(guān)管的峰值電流大小的角度來(lái)說(shuō)，可選用正激式電路作為開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)于反激式電路來(lái)說(shuō)，加在功率開(kāi)關(guān)管上的電壓大小為：對(duì)于正激式電路來(lái)說(shuō)，加在功率開(kāi)關(guān)管上的電壓大小為：對(duì)于半橋電路來(lái)說(shuō)，加在功率開(kāi)關(guān)管上的電壓大小為： 從加在功率開(kāi)關(guān)管上電壓來(lái)分析，半橋電路加在功率開(kāi)關(guān)管上的電壓小于反激式電路和正激式電路，但由表1-1可知，半橋電路的制作成本比反激式電路和正激式電路要高出很多，而且半橋電路的本身固有效率僅為75%。因此，本設(shè)計(jì)選用正激式電路作為開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 6、 該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處：1、 高頻化，由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來(lái)采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化，帶來(lái)顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟(jì)效益。2、模塊化，在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求，而且通過(guò)增加相對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)功率很小的冗余電源模塊，極大的提高系統(tǒng)可靠性，即使萬(wàn)一出現(xiàn)單模塊故障，也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，而且為修復(fù)提供充分的時(shí)間。3、數(shù)字化，現(xiàn)在數(shù)字信號(hào)、數(shù)字電路顯得越來(lái)越重要，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨完善成熟，顯示出越來(lái)越多的優(yōu)點(diǎn)：便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號(hào)的畸變失真、減小雜散信號(hào)的干擾（提高抗干擾能力）、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測(cè)，也便于自診斷、容錯(cuò)等技術(shù)的植入。4、綠色化，電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義：首先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對(duì)環(huán)境的污染；其次這些電源不能（或少）對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染。 7、設(shè)計(jì)產(chǎn)品的主要用途和應(yīng)用領(lǐng)域： 開(kāi)關(guān)電源在通信、工業(yè)自動(dòng)化、航空、儀表儀器等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源可以為一般的家用電器及一些小功率設(shè)備供電。8、時(shí)間進(jìn)程：第1周 確定畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目第2周 收集相關(guān)資料。第3周 篩選所收集的資料第4周 將資料進(jìn)行細(xì)致的歸類第5周 根據(jù)收集的資料開(kāi)始進(jìn)行設(shè)計(jì)前得準(zhǔn)備第6周 完成開(kāi)題報(bào)告并進(jìn)行開(kāi)題答辯獲準(zhǔn)開(kāi)題第7周 對(duì)采集原理的相關(guān)理論的學(xué)習(xí)第8周 學(xué)習(xí)高頻開(kāi)關(guān)電源原理及應(yīng)用第9周 進(jìn)行采集系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)第10周 進(jìn)行實(shí)物的制作第11周 進(jìn)行采集系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)第12周 進(jìn)行程序優(yōu)化，仿真，調(diào)試第13周 對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行總體的測(cè)試第14周 對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行總復(fù)習(xí)第15周 對(duì)本設(shè)計(jì)的資料，程序進(jìn)行整理撰寫(xiě)畢業(yè)論文 第16周 準(zhǔn)備畢業(yè)答辯9、參考文獻(xiàn)： 楊成林,沈旭.開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)指南.機(jī)械工業(yè)出版社,2004 趙同賀,劉軍.開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例. 人民郵電出版社.2007 周志敏,周紀(jì)海,紀(jì)愛(ài)華.開(kāi)關(guān)電源功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用.人民郵電出版社.2004 葉慧貞,開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源,國(guó)防工業(yè)出版社,1999 指導(dǎo)教師意見(jiàn):教師簽字：年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)小組意見(jiàn): 組長(zhǎng)簽字：年 月 日 1、題目：為選定的題目，不要把專題寫(xiě)入此項(xiàng) 2、專題：如果有專題，填此項(xiàng)，如果沒(méi)有專題不填此項(xiàng)；3、院（系）：按二級(jí)院系填寫(xiě)（如資源與環(huán)境工程學(xué)院或外語(yǔ)系）4、指導(dǎo)教師：如果有兩個(gè)以上的教師指導(dǎo)，可填老師A/老師B（兩位老師必須都為講師以上職稱，否則只填具有講師以上職稱的老師）5、教師職稱：是指指導(dǎo)教師職稱，如果有兩個(gè)以上的教師指導(dǎo)，可填職稱A/職稱B，老師與職稱一定要對(duì)應(yīng)上，前后順序不能顛倒；6、題目來(lái)源：可填教