12V6A開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、2013年度本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目：12v/6a開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)院 系： 工學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 年 級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 導(dǎo)師及職稱(chēng)： 2013年5月2013annual graduation thesis (project) of the college undergraduate title： 12v/6a a switching power supply design department:engineering college major:electrical engineering and automation grade:2009students name:s

2、tudent no.:tutor: may, 2013摘要 隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源朝著小型化、智能化、大功率的方向發(fā)展。小型化要求開(kāi)關(guān)電源體積小、重量輕，其主要依靠提高元器件的工作頻率，特別是變壓器的體積和重量決定了開(kāi)關(guān)電源的體積和重量的大小，故高頻變壓器的研究設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。另外開(kāi)關(guān)電源工作頻率的提高，又會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)損耗的問(wèn)題，能量損耗將以熱的形式表現(xiàn)出來(lái)，則開(kāi)關(guān)電源的散熱問(wèn)題是設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮的問(wèn)題。為了解決這一系列的問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外大多采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，采用該技術(shù)能夠大大地減小了開(kāi)關(guān)損耗和體積、重量，從而提高了開(kāi)關(guān)電源的效率。 針對(duì)開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)，

3、本文將竭盡所能做一個(gè)可靠性高、小型化、穩(wěn)定性好、高效率的開(kāi)關(guān)電源，主要從是以下這些方面進(jìn)行論述、設(shè)計(jì)：首先，主要概述了開(kāi)關(guān)電源的研究背景及意義；開(kāi)關(guān)電源的相關(guān)概述和性能要求。其次通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的整體方案的分析與選擇得出了最后的方案。然后對(duì)變換器的結(jié)構(gòu)和原理分析來(lái)做開(kāi)關(guān)電源的主電路的設(shè)計(jì)，最后介紹輔助電源電路及其它電路的設(shè)計(jì)，包括輸入、輸出濾波電路，整流電路的選取及其設(shè)計(jì)，控制電路以及保護(hù)等。對(duì)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的基本工作做完后，使用matlab對(duì)其部分器件進(jìn)行仿真。關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源、pwm、uc3842、仿真abstract with the development of modern power

4、electronic technology. switching power supply development in the direction of the miniaturization. intelligent.high power.small volume. light weight miniaturization requirement. rely mainly on improving the work frequency of the components. in particular. the volume and weight of the size of the swi

5、tch power supply. therefore research of high-frequency transformer design is an important link in design of switch power supply. at the same time switch power working frequency increased. and brings the problem of switching tube switch loss. energy loss will be displayed in the form of heat. the hea

6、t dissipation problem of switch power supply is a problem must be considered in the design process. seeking to solve the problem must of large work high frequency switching loss. soft switch technology commonly used at home and abroad. using this technology really greatly reduce switch loss and volu

7、me,weight,improve the efficiency of switching power supply. in view of the development trend of switch power supply. this thesis mainly discusses from these aspects,the design: first of all, the main outlines the research background and significance of switching power supply: switching power supply

8、related overview and performance requirements.for switching power supply design of the basic work done.using matlab simulation on some of its components.keywords: switching power supply. pwm uc3842. simulink .紅河學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì))目錄第一章 緒論11.1開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展史11.2開(kāi)題研究背景及意義21.3開(kāi)關(guān)電源的概述和性能要求31.3.1 開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)31.3.2開(kāi)關(guān)電源的工作

9、方式41.4開(kāi)關(guān)電源的性能要求41.5 本論文的任務(wù)、設(shè)計(jì)目標(biāo)51.6本論文的主要工作6第二章 開(kāi)關(guān)電源的整體方案分析與選擇62.1 單端自激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路具有以下特點(diǎn)：72.2單端他激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路具有以下特點(diǎn)：82.3主電路的功率模塊82.4控制電路的選擇92.5開(kāi)關(guān)電源各主要組成部分的最終選擇方案10第三章 絕緣柵雙極晶體管103.1 igbt管的工作原理及特性103.2 變換器的主要參數(shù)的選擇：133.3電路的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)考慮143.4變換器損耗分析15第四章 電源主電路的設(shè)計(jì)174、1電源的設(shè)計(jì)要求174、2開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理174.2.1 開(kāi)關(guān)電源的組成部分174.2.2

10、 開(kāi)關(guān)電源的工作過(guò)程184.2.3 脈寬調(diào)制器的基本原理184.3 開(kāi)關(guān)電源各主要組成部分184.3 emi濾波器的設(shè)計(jì)194.3.1 emi濾波器電感、電容的選取204.4 輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)224.5 輸出整流電路的設(shè)計(jì)234.6 輸出濾波電路的設(shè)計(jì)244.7 開(kāi)關(guān)電源變壓器的選擇和設(shè)計(jì)25第五章 控制電路及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)285.1 控制回路單元的設(shè)計(jì)285.1.1 uc3842介紹285.2 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)305.2.1對(duì)保護(hù)電路的要求305.2.2短路保護(hù)電路305.2.4輸入過(guò)欠壓保護(hù)33第六章341.1 matlab的簡(jiǎn)介341.2 直流斬波仿真實(shí)驗(yàn)35圖 5-2 直流斬波電路的

11、仿真結(jié)果371.3 變壓器仿真實(shí)驗(yàn)371.3.1 變壓器短路試驗(yàn)371.3.2 變壓器開(kāi)路試驗(yàn)40總結(jié)42致謝43參考文獻(xiàn)44附錄45紅河學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì))第一章 緒論 工頻整流是早期電源采用的主要技術(shù)并且得到廣泛的應(yīng)用，采用工頻整流技術(shù)設(shè)計(jì)的電源稱(chēng)為線(xiàn)性電源。工作頻率采用50hz，頻率很低。主功率變換電路中有大量的耗能開(kāi)關(guān)元器件，能量損耗高和效率低，并且電路中電感、電容等元器件體積龐大、笨重，不利于集成化。但線(xiàn)性電源具有輸出紋波小的優(yōu)點(diǎn)，這是國(guó)內(nèi)外早期發(fā)展起來(lái)的線(xiàn)性電源的特點(diǎn)。但是由于線(xiàn)性電源具有很多的不足之處：對(duì)產(chǎn)品便捷化有一定的影響，工作時(shí)損耗的能量會(huì)使電子設(shè)備嚴(yán)重發(fā)熱，給電網(wǎng)電

12、壓造成波動(dòng)，為了解決這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究者們經(jīng)過(guò)多年的研究和探討，開(kāi)關(guān)電源便應(yīng)用而生。開(kāi)關(guān)電源工作在高頻下，元器件的體積、重量相比以前減小了很多。采用變壓器進(jìn)行能量的傳輸，能量能夠得到完全充分的利用，滿(mǎn)足新時(shí)代提出的“綠色”能源要求，與創(chuàng)建和諧社會(huì)與時(shí)俱進(jìn)。同時(shí)制造工藝、控制方案等技術(shù)的改進(jìn)和提高為開(kāi)關(guān)電源的進(jìn)一步發(fā)展夯實(shí)了基礎(chǔ)。 現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展依賴(lài)于半導(dǎo)體制造工藝，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體工藝遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外，特別是在高頻開(kāi)關(guān)電源上非常明顯。國(guó)內(nèi)的開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)主要是一些小功率的開(kāi)關(guān)電源，大功率開(kāi)關(guān)電源主要是依靠進(jìn)口，但這些國(guó)外大功率開(kāi)關(guān)電源價(jià)格昂貴，并且壟斷著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。為了解決對(duì)國(guó)外的這種依賴(lài)，有必

13、要對(duì)開(kāi)關(guān)電源的研究引起足夠的重視，加大投入人力、物力對(duì)大功率開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行深入研究，為國(guó)內(nèi)的開(kāi)關(guān)電源開(kāi)辟一條嶄新的道路。 當(dāng)半導(dǎo)體制造工藝發(fā)展到一定時(shí)，需要針對(duì)控制技術(shù)做相應(yīng)的提高、改進(jìn)、創(chuàng)新，開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗與工作頻率成正比，此時(shí)能量損耗主要取決于控制技術(shù)。傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源都是采用硬開(kāi)關(guān)技術(shù)，面臨著能量損耗的問(wèn)題，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題采用硬開(kāi)關(guān)技術(shù)的開(kāi)關(guān)電源，具有效率低、穩(wěn)定性差、可靠性不足等缺點(diǎn)，將原來(lái)針對(duì)于晶體管提出的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)引入到全橋變換中。這些年國(guó)內(nèi)外針對(duì)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在全橋變換中的應(yīng)用做了深入研究，提出了多種多樣的解決辦法，取得了不錯(cuò)的成績(jī)，并且將 dsp技術(shù)引入到開(kāi)關(guān)電源的控制中，這樣就實(shí)現(xiàn)開(kāi)

14、關(guān)電源的智能化控制。1.1開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展史 上個(gè)世紀(jì)60年代，開(kāi)關(guān)電源的問(wèn)世，使其漸漸取代了線(xiàn)性穩(wěn)壓電源盒scr相控電源。40多年來(lái)，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)有了飛速的發(fā)展和變化，經(jīng)歷了功率半導(dǎo)體器件、高頻化盒軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的集成技術(shù)三個(gè)發(fā)展階段。第一個(gè)階段是功率半導(dǎo)體從雙級(jí)型器件（bpt、scr、gto）發(fā)展為mos型器件（功率mos-fet、igbt、igct等），使電力電子系統(tǒng)有可能實(shí)現(xiàn)高頻化，并大幅度降低導(dǎo)通損耗，電路也更簡(jiǎn)單。第二個(gè)階段自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。第三個(gè)階段從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，集成電力電子系統(tǒng)和

15、集成電力電子模塊（ipem）技術(shù)開(kāi)始發(fā)展。它是當(dāng)今國(guó)際電力電子界待解決的新問(wèn)題之一。開(kāi)關(guān)電源是近年來(lái)應(yīng)用極其廣泛的一種新式電源，它具有體積小、重量輕、耗能低、使用方便等很多優(yōu)點(diǎn)，它在郵電通信、儀器儀表、醫(yī)療器械、家用電器等多種領(lǐng)域應(yīng)用效果顯著。目前隨著新興技術(shù)的不斷發(fā)展，新型多功能開(kāi)關(guān)電源集成控制芯片不斷推向市場(chǎng)，市場(chǎng)的多樣化，大量的超小型、多功能、模塊化開(kāi)關(guān)電源不斷出現(xiàn)。開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)與我國(guó)各個(gè)行業(yè)的發(fā)展有著不可分割的關(guān)系，而重點(diǎn)行業(yè)在我國(guó)經(jīng)濟(jì)功能的調(diào)控下，向著平穩(wěn)較快的的方向發(fā)展。因此，開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)近年來(lái)也隨之增長(zhǎng)。在開(kāi)關(guān)電源的市場(chǎng)中，除了少數(shù)廠(chǎng)商擁有核心技術(shù)外，其他生產(chǎn)廠(chǎng)家大多沒(méi)有掌握核心

16、技術(shù)，只能依靠其他廠(chǎng)家，經(jīng)營(yíng)區(qū)域性市場(chǎng)，這樣就抑制了開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品性能的發(fā)展和更新。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品由于本身具有的特殊型，用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的安全性、穩(wěn)定性要求很高，而對(duì)于價(jià)格的敏感性卻比較低，因此廠(chǎng)商對(duì)價(jià)格具有有一定的議價(jià)能力。中國(guó)開(kāi)關(guān)電源主力廠(chǎng)商大部分擁有較為完備的產(chǎn)品線(xiàn)，集成能力強(qiáng)，各具行業(yè)優(yōu)勢(shì)。1.2開(kāi)題研究背景及意義隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的日常生活日益密切，而電子設(shè)備都離不開(kāi)可靠的電源，進(jìn)入80年代計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代，進(jìn)入90年代開(kāi)關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已經(jīng)廣泛應(yīng)用開(kāi)關(guān)

17、電源，也為開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展提供了充足的條件。 開(kāi)關(guān)電源和線(xiàn)性電源相比，他們的成本都隨著輸出功率的增加而增加，但二者增長(zhǎng)速率存在著各自的優(yōu)缺點(diǎn)。線(xiàn)性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而大于開(kāi)關(guān)電源。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)在不斷地改進(jìn)、提高，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，這使開(kāi)關(guān)電源有了更為廣泛的發(fā)展空間。開(kāi)關(guān)電源高頻化是其為此發(fā)展的方向，高頻化開(kāi)關(guān)電源的小型化，并使開(kāi)關(guān)電源可以應(yīng)用到更多的領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，使高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化等優(yōu)點(diǎn)更為突出。同時(shí)開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展和應(yīng)用在安防監(jiān)控、節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有非凡的意義。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品廣

18、泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、軍事設(shè)備、高新設(shè)備、led照明、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體制冷制熱、空氣凈化器，冰箱，液晶顯示器，led流水燈，通訊設(shè)備，安防監(jiān)控，led燈袋，電腦機(jī)箱，數(shù)碼產(chǎn)品和儀器類(lèi)等領(lǐng)域。1.3開(kāi)關(guān)電源的概述和性能要求開(kāi)關(guān)電源又稱(chēng)為開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，問(wèn)世后在很多領(lǐng)域逐步代替了線(xiàn)性穩(wěn)壓電源和晶閘管相控電源。隨著能源問(wèn)題的日益嚴(yán)重和人們對(duì)其的重視，電子產(chǎn)品的耗能問(wèn)題也越發(fā)嚴(yán)峻，如何降低它的待機(jī)功耗，提高供電效率成為一個(gè)急需解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的線(xiàn)性穩(wěn)壓電源雖然電力結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，但它存在著效率低(只有40%50%)、體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調(diào)整范圍小等缺點(diǎn)。

19、為了提高效率，人們發(fā)明出了開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源，它的效率可達(dá)85%以上，穩(wěn)壓范圍寬。除此之外，還具有穩(wěn)壓精度高的特點(diǎn)，是一種較理想的穩(wěn)壓電源。開(kāi)關(guān)電源具有效率高、體積小、重量輕、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。正是如此，開(kāi)關(guān)電源享有高效、節(jié)能型電源的稱(chēng)號(hào)，并已廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。 1.3.1 開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)(1) 功耗小，效率高。晶體管在激勵(lì)信號(hào)的激勵(lì)下，它交替地工作在導(dǎo)通關(guān)斷和關(guān)斷導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度非?？?，頻率一般為50khz左右，在一些擁有先技術(shù)的國(guó)家，可以達(dá)到幾百或者近1000khz。這使得開(kāi)關(guān)晶體管的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達(dá)到80%。(2) 體

20、積小，重量輕。采用高頻技術(shù)后，改善了工頻變壓器體積笨重這個(gè)缺點(diǎn)。在調(diào)整管上的耗散功率大幅度降低后，省去了較大的散熱片。由于這兩方面原因，所以開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的體積小，重量輕。(3) 穩(wěn)壓范圍寬。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵(lì)信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)的，輸入信號(hào)電壓的變化可以通過(guò)調(diào)頻或調(diào)寬來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化有較大波動(dòng)時(shí)，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。此外，改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型和頻率調(diào)制型兩種。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，靈活地選用各種類(lèi)型的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。(4) 濾波效率

21、的提高，可以使濾波電容的容量和體積大幅度的減少。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率現(xiàn)目前基本上是工作在50khz，是線(xiàn)性穩(wěn)壓電源的1000倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍。在相同的紋波輸出電壓下，采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源時(shí)，濾波電容的容量只是線(xiàn)性穩(wěn)壓電源中濾波電容的1/5001/1000。電路形式多種多樣，例如自激式、他激式；調(diào)寬型、調(diào)頻型；單端式、雙端式等等，我們可以根據(jù)需要并結(jié)合設(shè)計(jì)選擇合適的類(lèi)型電路，把他們的有點(diǎn)發(fā)揮到極致。1.3.2開(kāi)關(guān)電源的工作方式開(kāi)關(guān)電源主要有一下四種工作方式：(1) 脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，簡(jiǎn)稱(chēng)pwm，即脈寬調(diào)制)式：其特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)周期

22、為恒定值，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度來(lái)改變占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。其核心是脈寬調(diào)制器。(2) 脈沖頻率調(diào)制(pulse frequency modulation，簡(jiǎn)稱(chēng)pfm，即脈頻調(diào)制)式：其特點(diǎn)是脈沖寬度為恒定值，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率來(lái)改變占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。其核心是脈頻調(diào)制器。(3) 脈沖密度調(diào)制(pulse density modulation，簡(jiǎn)稱(chēng)pdm，即脈密調(diào)制)式：其特點(diǎn)是脈沖寬度為恒定值，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖數(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。它采用零電壓技術(shù)，能顯著降低功率電壓管的損耗。(4) 混合調(diào)制式：它是(1)、(2)兩種方式的組合。開(kāi)關(guān)周期和脈沖寬度都不固定，均可調(diào)節(jié)。它包含了脈寬調(diào)制器和脈頻調(diào)制器。以上

23、4種統(tǒng)“稱(chēng)時(shí)間比率控制”方式，其中以脈寬調(diào)制器應(yīng)用最廣。1.4開(kāi)關(guān)電源的性能要求(1)、可靠性高電源是具有危害性的，所以必須具有高度的可靠性，如果電源不可靠了，那么整個(gè)基于開(kāi)關(guān)電源的系統(tǒng)就不可能有高的可靠性，在現(xiàn)實(shí)生活中將不會(huì)被人們廣泛使用，特別在一些要求連續(xù)不斷工作的場(chǎng)合時(shí)不能采用的。(2)、穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好要求輸出不隨輸入的變化而發(fā)生劇烈的波動(dòng)，比如雷擊、電網(wǎng)波動(dòng)等。在實(shí)際工作中，不同種類(lèi)干擾信號(hào)有很多種，經(jīng)常會(huì)從輸入端或者由中端進(jìn)入，使得輸入信號(hào)參雜很多的雜波信號(hào)，這就要求系統(tǒng)能夠自動(dòng)的進(jìn)行處理，包括各種保護(hù)電路、反饋電路、濾波電路等，保證系統(tǒng)的輸出能夠穩(wěn)定連續(xù)的輸出，在波動(dòng)范圍內(nèi)。(3

24、)、小型化電子產(chǎn)品向著便捷式發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源不斷提高工作頻率，減小變壓器、電感、電容等開(kāi)關(guān)元器件的體積，符合現(xiàn)在新電子廠(chǎng)品的要求并向著小型化發(fā)展。 (4)、高效率為了能與國(guó)家提出的發(fā)展“綠色”能源與時(shí)俱進(jìn)，提高利用效率，降低能量損耗成為了開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)，目前主要在采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)減小開(kāi)關(guān)損耗，發(fā)展新的控制技術(shù)方面進(jìn)行深入的研究。此外，減小系統(tǒng)與電網(wǎng)之間諧波污染的問(wèn)題也是設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源需要重視的問(wèn)題，并對(duì)此做各方面的研究與探討。(5)、高頻化高頻化與小型化和提高效率密切相關(guān)，提高工作頻率是為了降低變壓器的體積和重量，為發(fā)展大功率開(kāi)關(guān)電源提供充足的條件。1.5 本論文的任務(wù)、設(shè)計(jì)目標(biāo)(1)交流輸入電

25、壓ac220v20%；(2)輸出電壓：12v；(3)最大輸出功率：50w；(4)紋波電壓50mv。(5)最大輸出電流6a(6)效率80%設(shè)計(jì)目標(biāo)：可靠性高；小型化；穩(wěn)定性好；高效率。1.6本論文的主要工作本論文主要完成了如下工作：1、查閱國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)，在了解開(kāi)關(guān)電源發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)要求確定本論文的研究目的，并給出設(shè)計(jì)指標(biāo)。2、對(duì)開(kāi)關(guān)電源的主功率變換電路進(jìn)行詳細(xì)的分析比較，取其優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際要求，設(shè)計(jì)出符合本論文需要的改進(jìn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。3、對(duì)開(kāi)關(guān)電源的控制回路進(jìn)行設(shè)計(jì)。4、為了保證系統(tǒng)的正常工作，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)了輔助電路，包括：輸入、輸出濾波整流電路和輔助電源電路。47第

26、二章 開(kāi)關(guān)電源的整體方案分析與選擇按各部分的功能劃分,從大的方面講,開(kāi)關(guān)電源可分成:電源主電路、電源控制電路、電源保護(hù)電路三部分。電源的主電路是負(fù)責(zé)進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換的部分,通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂浦麟娐房梢詫⑹须娹D(zhuǎn)化為所需的電壓或電流。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(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖可如圖2一1所示。圖2-1 開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖單端式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源具有多路輸出直流電壓、初次級(jí)電路進(jìn)行隔離以及大功率或超大功率輸出的特點(diǎn)。故我選擇單端式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源變換器。單端式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路主要有一些幾種：?jiǎn)味俗约な秸ば椭绷髯儞Q器；單端自激式反激型直流變換器；單端他激式正激型直流變換器

27、；單端他激式反激型直流變換器；boost 電路，它是一種升壓斬波電路，其輸出電壓的平均值將超過(guò)電壓電源。在電感電流連續(xù)的情況下，電路工作于兩種電路模式。（1）工作模式10，在t=t1時(shí)刻，vt管導(dǎo)通，電感中的電流連續(xù)按線(xiàn)性規(guī)律上升，則有（2）工作模式2t1,t在t1=t2時(shí)刻，vt管斷開(kāi)如假定在這個(gè)期間的電感電流仍按線(xiàn)性規(guī)律從i2降到i1，則有 2.1 單端自激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路具有以下特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低；內(nèi)部功率損耗小，轉(zhuǎn)換效率高；輸出功率小，電路調(diào)試難度大。2.2單端他激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路具有以下特點(diǎn)：功率開(kāi)關(guān)變壓器的初級(jí)繞線(xiàn)和次級(jí)繞線(xiàn)的極性相反；電路中不需要續(xù)流二極管，功率開(kāi)關(guān)變

28、壓器中不需要退磁繞組；功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間內(nèi)把能量存儲(chǔ)在功率開(kāi)關(guān)變化器中，截止時(shí)由功率開(kāi)關(guān)變壓器將能量輸送給負(fù)載系統(tǒng)電路。2.3主電路的功率模塊開(kāi)關(guān)電源器件的選擇：開(kāi)關(guān)電源中的功率開(kāi)關(guān)器件是影響電源可靠性的關(guān)鍵器件。開(kāi)關(guān)電源所出現(xiàn)故障中大約60%是由功率開(kāi)關(guān)器件引起的。開(kāi)關(guān)電源的器件主要有大功率器件、mosfet管、igbt等。一：mosfet管在開(kāi)關(guān)電源中，用作開(kāi)關(guān)功率管的mosfet幾乎全部都是n溝道增強(qiáng)型器件。根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同，分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。傳統(tǒng)的晶體管結(jié)構(gòu)是將源極、柵極、漏極安裝在硅片的同一側(cè)，從而使晶體管的電流橫向流動(dòng)。但是這樣也限制了它的電流

29、容量。目前的mosfet采用兩次擴(kuò)散工藝來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。mosfet功率管的特點(diǎn)：(1) mosfet是電壓控制型器件，因此在驅(qū)動(dòng)大電流時(shí)無(wú)需推動(dòng)級(jí)，電路較簡(jiǎn)單；輸入阻抗可高；工作頻率范圍寬，開(kāi)關(guān)速度快，開(kāi)關(guān)損耗??；有較良好的線(xiàn)性區(qū)，且mosfet的輸入電容比雙極型的輸入電容小得多；功率 mosfet可以多個(gè)并聯(lián)使用，增加輸出電流而無(wú)需均流電阻。功率mosfet沒(méi)有二次擊穿問(wèn)題，具有非常寬的安全工作區(qū)。特別是在高壓范圍內(nèi)。但是功率mosfet的通態(tài)電阻較大，故在低壓部分不僅受最大電流的限制，還要受自身功耗的限制。二：igbt管絕緣柵雙極性晶體管（igbt）是一種大電流密度、高電壓激勵(lì)的場(chǎng)控制器

30、件，是高壓、高速新型大功率器件。它的耐壓能力為6001800v，電流容量為100400a，關(guān)斷時(shí)間低至0.2us，在開(kāi)關(guān)電源中做功率開(kāi)關(guān)用，具有mosfet與之不可比擬的優(yōu)勢(shì)。igbt的特點(diǎn)：igbt是一種電壓控制的功率開(kāi)關(guān)器件。igbt跟mosfet相比，具有耐壓高，電流容量大的特點(diǎn)。igbt導(dǎo)通時(shí)正載流子從p+層流入n型區(qū)并在n型區(qū)積蓄，加強(qiáng)了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，從而使igbt在導(dǎo)通時(shí)呈現(xiàn)的電阻比高壓（300v以上）mosfet低得多，因而igbt容易實(shí)現(xiàn)高壓大電流。開(kāi)通速度比mosfet快；關(guān)斷速度比mosfet慢。2.4控制電路的選擇方案一：tl494集成控制器tl494管腳配置及其功能：t

31、l494的內(nèi)部電路有基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個(gè)誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。圖2-2是它的管腳圖，其中1、2腳是誤差放大器一的同相和反相輸入端：3腳是相應(yīng)校正和增益控制；4腳為間歇期調(diào)理，其上加03.3v電壓時(shí)可以使截止時(shí)間從2%線(xiàn)性變化到100%；5、6腳分別用于外界振蕩電阻和振蕩電容；7腳為接地端；8、9腳和11、10腳分別為tl494內(nèi)部?jī)蓚€(gè)末級(jí)輸出三極管集成電路和發(fā)射級(jí)；12腳為電源供電端；13腳為輸出控制端，該腳接地時(shí)為并聯(lián)單端輸出方式，接14腳時(shí)為推免輸出方式；14腳為5v基準(zhǔn)電壓輸出端，最大輸出電流10ma；15、16腳是誤差放大器二的反相和

32、同相輸入端。圖2-2 tl494管腳圖 方案二：uc3842集成控制器uc3842是國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的一種電源集成控制器，是由尤尼創(chuàng)公司新研究開(kāi)發(fā)的新型控制器件。利用uc3842設(shè)計(jì)的電流控制型脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，克服了電壓控制型脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源頻響慢、電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率低的缺點(diǎn)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低、體積小、易實(shí)現(xiàn)。該穩(wěn)壓電源是目前使用和理想的穩(wěn)壓源，具有很大的發(fā)展前景。uc3842既可制成正激式也可以做成反激式。正激式的主要特點(diǎn)是： 固定頻率，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比去控制輸出電壓。 工作頻率可高達(dá)500khz而不發(fā)生磁飽和，電壓調(diào)整率可達(dá)到0.01%，啟動(dòng)電流小于1ma。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積

33、小，調(diào)試容易，性?xún)r(jià)比高。 具有欠壓、過(guò)流、過(guò)壓等多種保護(hù)功能。2.5開(kāi)關(guān)電源各主要組成部分的最終選擇方案經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下：主電路模塊：采用單端他激正激型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源；主電路功率模塊：功率開(kāi)關(guān)晶體管采用igbt；控制電路：脈沖調(diào)制器選擇用uc3842電源集成控制器。第三章 絕緣柵雙極晶體管3.1 igbt管的工作原理及特性絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor),簡(jiǎn)稱(chēng)igbt,是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的新型復(fù)合器件。由于它將mosfet和gtr(giant transistor,即巨型晶體管,簡(jiǎn)稱(chēng)igtr。它也是雙極晶

34、體管,只是耐壓和過(guò)流能力較高而已)兩者的優(yōu)點(diǎn)集于一身,既具有輸入阻抗高，工作速度快熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單得特點(diǎn)，又有通態(tài)電壓低，耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)。由于它兼有mosfet的快速響應(yīng)、高輸入阻抗和bjt的低通態(tài)壓降、高流密度的特性，這些年發(fā)展得十分迅速。igbt的工作原理igbt是在功率mosfet的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)層發(fā)射極，形成pn結(jié)，并由此引出集電極、柵極和發(fā)射極。igbt相當(dāng)于一個(gè)由mosfet驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)gtr,簡(jiǎn)化等效電路可用圖3一1(a)所示,圖形符號(hào)如圖3一1(b)所示。圖3-1(a)等效電路 (b) 符號(hào)由柵極電壓來(lái)控制igbt導(dǎo)通和關(guān)斷。當(dāng)igbt柵極加上正電壓時(shí)，mo

35、sfet內(nèi)形成溝道，并為pnp晶體管提供基極電流，使得絕緣柵雙極晶體管導(dǎo)通。當(dāng)igbt柵極加上負(fù)電壓時(shí)，mosfet內(nèi)溝道消失，切斷pnp晶體管的基極電流，igbt被關(guān)斷。二.igbt管的靜態(tài)特性及參數(shù)igbt的靜態(tài)特性包括伏安特性、轉(zhuǎn)移特性、開(kāi)關(guān)特性。igbt的伏安特性是指以柵極電壓作為參變量時(shí)集電極電流和集射集電壓之間的關(guān)系曲線(xiàn)。igbt的伏安特性與bjt的輸出特性相似，不同之處在于控制變量是柵射極電壓。而bjt是基極電流。igbt的伏安特性分為飽和區(qū)、擊穿區(qū)和放大區(qū)。1、通態(tài)電壓它是額定集電極電流在規(guī)定條件下時(shí)igbt上的壓降，是影響最大輸出功率的重要參數(shù)，在開(kāi)關(guān)電路中它決定了輸出幅度和

36、自身?yè)p耗的大小，與工作溫度t、柵極發(fā)射極電壓有關(guān)。在相同的條件下，耐壓級(jí)別越高的器件，其值越大。2、 開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓是指溝道體區(qū)表面發(fā)生強(qiáng)烈反型層所需的最低柵級(jí)電壓,即反型層形成的條件。只有 ，igbt才會(huì)導(dǎo)通。3、集電極發(fā)射極阻斷電壓是igbt正常工作的極限電壓,是設(shè)計(jì)選擇管子的重要依據(jù)之一。4、最大柵極發(fā)射極電壓是為了防止絕緣柵層會(huì)因柵極發(fā)射極電壓過(guò)高而發(fā)生介電擊穿而設(shè)定的參數(shù)。在橋式電路中,為了防止兩路開(kāi)通時(shí)的互相干擾所,需要設(shè)置負(fù)偏置電壓,一般可將其極限設(shè)定為士20v。5、 集電極峰值電流是igbt正常工作時(shí)允許通過(guò)的最大電流,也是設(shè)計(jì)選擇管子的重要依據(jù)之一。3、 igbt管的轉(zhuǎn)移特

37、性igbt的轉(zhuǎn)移特性是指輸出集電極電流與柵射控制電壓之間的關(guān)系曲線(xiàn)。當(dāng)柵射極電壓時(shí)，igbt導(dǎo)通。在igbt導(dǎo)通后的大部分集電極電流范圍內(nèi)，與呈線(xiàn)性關(guān)系。4、 igbt的開(kāi)關(guān)特性igbt的開(kāi)關(guān)特性特稱(chēng)為動(dòng)態(tài)特性，包括開(kāi)通和關(guān)斷兩個(gè)部分。igbt的開(kāi)通時(shí)間由開(kāi)通延遲時(shí)間和電流上升時(shí)間兩部分組成。通常開(kāi)通時(shí)間為0.51.2。igbt在開(kāi)通過(guò)程中大部分時(shí)間是作為mosfet工作的。只是在柵射極電壓下降過(guò)程后期，pnp晶體管才由放大區(qū)轉(zhuǎn)到飽和區(qū)，因而增加了一段延緩時(shí)間，使柵射極電壓波形分為兩段。igbt的關(guān)斷過(guò)程是從正向?qū)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到正向阻斷狀態(tài)的過(guò)程。關(guān)斷過(guò)程所需要的時(shí)間為關(guān)斷時(shí)間。包括關(guān)斷時(shí)間延遲

38、時(shí)間和電流下降時(shí)間兩部分。在內(nèi)，集電極電流的波形分為兩段，一段時(shí)間內(nèi)下降較快。另一段時(shí)間為igbt內(nèi)pnp晶體管的關(guān)斷過(guò)程。由于mosfet關(guān)斷后，pnp晶體管中的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除，所以這段時(shí)間內(nèi)下降較慢，造成集電極電流較長(zhǎng)的尾部時(shí)間。通常關(guān)斷時(shí)間為0.55-1.5.igbt具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1、 具有mos和bjt的優(yōu)點(diǎn)；2、 開(kāi)關(guān)頻率高；3、 導(dǎo)通壓降低；4、 驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單；5、 容易冰涼。另外，igbt對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求：1、 提供適當(dāng)?shù)卣?、反電壓，使igbt能可靠開(kāi)通和關(guān)斷；2、 igbt的開(kāi)關(guān)時(shí)間應(yīng)綜合考慮；3、 igbt開(kāi)通后，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的電壓、電流幅值，使igbt在正常工作

39、及過(guò)載情況下不致退出飽和而損壞；4、 igbt驅(qū)動(dòng)電路中的電阻對(duì)工作性能有較大的影響；5、 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力及時(shí)對(duì)igbt值較大。igbt在使用中除采取靜電防護(hù)措施外，還應(yīng)該注意一下幾點(diǎn)：1、 igbt的控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路等應(yīng)以其高速開(kāi)關(guān)特性相匹配；2、 當(dāng)g、e端在開(kāi)路的情況下，不要給c、e端加壓；3、 在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下，g、e端不能開(kāi)路。6、 igbt在高溫環(huán)境運(yùn)行時(shí)，關(guān)斷時(shí)間會(huì)有所增長(zhǎng)。3.2 變換器的主要參數(shù)的選擇：1、 集射極擊穿電壓集射極擊穿電壓決定了igbt的最高工作電壓，它是由器件內(nèi)部的pnp晶體管所能承受的擊穿電壓決定的，具有正溫度系數(shù)，其值大約

40、為0.63，既在25時(shí)，具有600v擊穿電壓，在-55時(shí)，只有550v的擊穿電壓。2、 開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓為轉(zhuǎn)移特性與橫坐標(biāo)交點(diǎn)處得電壓值，是igbt導(dǎo)通的最低柵射極電壓。開(kāi)區(qū)電壓隨著溫度的升高而降低。在25時(shí)，igbt的開(kāi)啟電壓一般為26v。通態(tài)壓降igbt的通態(tài)壓降為： （3-1）式中結(jié)得正向壓降，約為0.71v；擴(kuò)展電阻上的壓降；mosfet的溝道電阻。4、最大柵射極電壓柵射極電壓是由柵氧化層層的厚度和特性限制的，雖然柵氧化層的電擊穿電壓的典型值大約為80v，但為了限制故障情況下的電流和保證長(zhǎng)時(shí)間能使有的可靠性，應(yīng)將柵極電壓限制在20v以?xún)?nèi)，它的最佳值一般取15v。5、集電極連續(xù)電流和峰值

41、電流集電極流過(guò)的最大連續(xù)電流既為igbt的額定電流，它象征著igbt的電流容量，主要結(jié)溫的限制為了避免鎖定現(xiàn)象的發(fā)生，規(guī)定了igbt的最大集電極電流峰值。由于igbt大多工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因而更具有實(shí)際意義，只要不超過(guò)額定結(jié)溫（150），igbt就可以工作在比連續(xù)電流額定值大的峰值電流范圍內(nèi)。通常峰值電流為額定電流的2倍左右。與mosfet相同，參數(shù)表中給出的為=25或者=100。在選擇igbt的型號(hào)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作情況考慮裕量。3.3電路的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)考慮大功率igbt的開(kāi)關(guān)損耗主要為關(guān)斷損耗。特別是在全橋電路中,基于變壓器漏感的作用,剛開(kāi)通時(shí)的電流會(huì)比較小,因此開(kāi)通損耗也?。辉陉P(guān)斷時(shí),由于ig

42、bt拖尾電流大,造成了很大的關(guān)斷損耗。采用本控制方式的變換器,使igbt全橋電路右臂的兩只元件在關(guān)斷時(shí)電流、電壓都為零,因而損耗也為零。而左臂的兩只元件開(kāi)關(guān)損耗沒(méi)有發(fā)生改變,且由于關(guān)斷時(shí)與其對(duì)角的元件任然繼續(xù)導(dǎo)通,改善了其關(guān)斷狀態(tài)。必要時(shí),可在左臂igbt管上并聯(lián)電阻、電容吸收電路,以改善其關(guān)斷條件。右臂兩只元件為零電流關(guān)斷,且其零電流關(guān)斷不受負(fù)載電流的限制。假設(shè)第三模式,電容c上的電壓保持不變?yōu)?則第二模式的時(shí)間為: (3-2) 因cb上的峰值電壓為，從 （3-3）可以看出，在一定占空比下，不隨負(fù)載電流的變化而變化，在死區(qū)時(shí)間為零時(shí)， ( s為關(guān)斷時(shí)間占空比，不計(jì)死區(qū)時(shí)間時(shí)，s+d=i)，因

43、此從式(3-3)得: （3-4） （3-5）由以上兩式，可解得: (3-6)從式(3-6)可以看出，為了得到最大占空比、降低峰值電流和提高效率，變壓器漏感l(wèi)1k和電容cb。應(yīng)該盡量的小。變壓器漏感與繞線(xiàn)工藝及磁芯形狀有關(guān)，繞制好的變壓器的漏感基本不變。減小電容cb的值可以提高占空比，但從式(3-2)可知，cb越小，cb上的峰值電壓與其成反比，使得變壓器漏感和諧振電容中的電路損耗增加，且對(duì)輸出整流二極管的反向耐壓值的要求提高。因此，應(yīng)在考慮輸出整流二極管的反向耐壓值的情況下適量減小cb值。本方式適用于全橋電路開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，使四只功率晶體管的每一對(duì)晶體管中的任一只先關(guān)斷，另一只延時(shí)t后在關(guān)斷，均能

44、使后關(guān)斷的功率晶體管實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗關(guān)斷。3.4變換器損耗分析在全橋電路中，兩只igbt管實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷，而另兩只仍為硬關(guān)斷，必須加吸收電路以改善其關(guān)斷條件，損耗較大。功率器件的損耗對(duì)電源系統(tǒng)的效率提高、器件的溫升、電源的可靠性有重要影響，因此有必要在此加以簡(jiǎn)要分析。功耗估算公式：igbt功耗：1、 每一個(gè)開(kāi)關(guān)用igbt的斷態(tài)漏電損耗在器件已被關(guān)斷的期間，若斷態(tài)電壓us很高，微小的漏電流仍有可能產(chǎn)生明顯的斷態(tài)功率損耗,其算式為： (3-7)2、 每一個(gè)開(kāi)關(guān)用igbt的通態(tài)損耗功率器件在通過(guò)占空比為d的連續(xù)電流脈沖時(shí)的平均通態(tài)功耗可用下面的式子表示： (3-8)式中代表脈沖電流的有效值；代表器件通態(tài)

45、壓降；d代表占空比。3、每一個(gè)開(kāi)關(guān)用igbt的開(kāi)關(guān)功耗器件的開(kāi)關(guān)損耗與負(fù)載有關(guān)。一般情況分為感性負(fù)載和阻性負(fù)載。圖3-6給出了感性負(fù)載和阻性負(fù)載兩種情況的關(guān)斷過(guò)程電壓、電流波形，由圖可知兩種情況是不一樣的。在此變換器中，開(kāi)通時(shí)因漏感影響，理論上為零電流開(kāi)通，s3和s4實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，理論上關(guān)斷損耗為零，在此均忽略不計(jì)。（a)感性負(fù)載關(guān)斷過(guò)程波形 （b）阻性負(fù)載關(guān)斷過(guò)程波形圖3-2不同的負(fù)載關(guān)斷過(guò)程的電流電壓波形因此，s1和s2的開(kāi)關(guān)損耗ps按下面的兩個(gè)公式進(jìn)行計(jì)算：對(duì)感性負(fù)載 （3-9）對(duì)阻性負(fù)載 （3-10）式中us和分別代表斷態(tài)電壓和通態(tài)最大電流；fs代表開(kāi)關(guān)頻率；toff代表關(guān)斷時(shí)間。驅(qū)

46、動(dòng)損耗驅(qū)動(dòng)功耗是指器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中消耗在控制極上的功率；在導(dǎo)通過(guò)程中維持一定的控制極電流所消耗的功率。一般情況下，igbt的這種損耗與器件的其他功耗及外部驅(qū)動(dòng)電路的功耗相比可以忽略不計(jì)。第四章 電源主電路的設(shè)計(jì)開(kāi)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)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)要求對(duì)其主電路進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，即輸入、輸出整流濾波回路，變壓器的選擇與設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)上，我們將根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)選擇各種元器件，制作所需的各個(gè)部件，最后組裝電源的主電路。4、1電源的設(shè)計(jì)要求(1)交流輸入電壓ac220v20%；(2)輸出電壓：12v(3)最大輸出功率：50w(4)紋波電壓50mv(5)最大輸出電流6a

47、(6)效率80%4、2開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理4.2.1 開(kāi)關(guān)電源的組成部分開(kāi)關(guān)電源就是采用功率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)元件，通過(guò)晶體管控制開(kāi)關(guān)的關(guān)斷，控制開(kāi)關(guān)元件的占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓。主要由以下5部分構(gòu)成：輸入整流濾波器：包括從交流電到輸入整流濾波器的電路。功率功率管(vt)及高頻變壓器(t)。控制電路(pwm調(diào)制器)，含振蕩器、基準(zhǔn)電壓源(uref)、誤差放大器和pwm比較器，控制電驢能產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，其占空比受反饋電路的控制。輸出整流濾波器。反饋電路。除此之外，還需增加偏置電路、保護(hù)電路等。其中，pwm調(diào)制器為開(kāi)關(guān)電源的核心。4.2.2 開(kāi)關(guān)電源的工作過(guò)程當(dāng)交流電輸入電路后，經(jīng)輸入電路中的經(jīng)

48、過(guò)濾波器、以及整流電路，變換成直流電壓。其中線(xiàn)路濾波器的主要作用是削弱由電網(wǎng)電源線(xiàn)進(jìn)入的外來(lái)噪聲以及抑制浪涌電流，整流電路則完成交流到直流的變換，可分為電容輸入型和扼流圈輸入型兩大類(lèi)，開(kāi)關(guān)電源中普遍采用的是電容輸入型。功率變換電路是開(kāi)關(guān)電源的核心器件，它將直流電壓變換成高頻矩形脈沖電壓，其電路主要由開(kāi)關(guān)電路和變壓器組成。開(kāi)關(guān)電路的驅(qū)動(dòng)方式分為自激型和他激型兩大類(lèi)；開(kāi)關(guān)變壓器是高頻條件下工作的，其鐵芯通常采用鐵氧體磁芯或非晶合金磁芯。開(kāi)關(guān)晶體管一般是采用開(kāi)關(guān)速度高，導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間短的晶體管，符合條件而且比較典型的有功率晶體管(gtr)、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(mosfet)和絕緣柵型雙極晶體管(igb

49、t)等三種。輸出電路是將高頻變壓器次級(jí)方波電壓經(jīng)過(guò)高頻整流濾波電路整流成單向脈動(dòng)直流后將其平滑成設(shè)計(jì)要求的低紋波直流電壓，供給負(fù)載使用。 4.2.3 脈寬調(diào)制器的基本原理脈寬調(diào)制式開(kāi)關(guān)電源的工作原理：220v交流電首先經(jīng)過(guò)整流濾波電路變成直流電壓ui，再由功率開(kāi)關(guān)管斬波、高頻變壓器降壓后得到高頻矩形波電壓，最后通過(guò)整流濾波后的所需要的直流輸出電壓。脈寬調(diào)制器能產(chǎn)生頻率固定并且脈沖寬度可調(diào)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制功率開(kāi)關(guān)管的通、斷狀態(tài)，最終調(diào)節(jié)輸出電壓的高低，達(dá)到穩(wěn)壓目的。鋸齒波發(fā)生器用于提供始終信號(hào)。利用取樣電阻。誤差放大器和pwm比較器形成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。輸出電壓經(jīng)電阻取樣后，送至誤差放大器的反相輸入

50、端，與加在同相輸入端的基準(zhǔn)電壓上進(jìn)行比較，得到誤差電壓，再用得到的誤差電壓的幅度去控制pwm比較器輸出的脈沖寬度，最終經(jīng)過(guò)功率放大和降壓式輸出電路使輸出電壓保持不變。 圖4.1 脈寬調(diào)制式開(kāi)關(guān)電源的工作原理4.3 開(kāi)關(guān)電源各主要組成部分1、濾波回路2、 整流濾波回路3、 輸出濾波回路4.3 emi濾波器的設(shè)計(jì)電磁干擾(electromagnetic interference ,emi)有三個(gè)基本要素:電磁干擾源；傳輸電磁干擾的通道；對(duì)電磁干擾敏感的接收器。若要解決開(kāi)關(guān)電源干擾問(wèn)題，必須從emi三個(gè)要素著手解決。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾以傳導(dǎo)干擾為主，而傳導(dǎo)干擾又分為共模干擾和差模干擾。抑制傳導(dǎo)干

51、擾的最直接有效的方法是應(yīng)用emi濾波器。emi有兩個(gè)作用:第一，防止輸入的交流電內(nèi)參雜的噪聲干擾，同時(shí)還需要抑制浪涌電壓、尖峰電流的進(jìn)入；第二，抑制、阻止開(kāi)關(guān)電源所產(chǎn)生的噪聲，電磁干擾信號(hào)就是通過(guò)輸入電線(xiàn)進(jìn)入電網(wǎng)的.圖4-2 emi濾波器基本結(jié)構(gòu)圖圖4-2是emi濾波器的基本結(jié)構(gòu)圖。cd是差模濾波電容，cc是共模濾波電容。此emi有兩個(gè)輸入端、兩個(gè)輸出端和一個(gè)接地端。l是繞在同一磁環(huán)上的兩只獨(dú)立線(xiàn)圈，稱(chēng)為共模電感線(xiàn)圈或共模扼流圈，并且兩個(gè)線(xiàn)圈的圈數(shù)相同，繞向相反，以至于emi濾波器接入電路后，兩只線(xiàn)圈內(nèi)電流產(chǎn)生的磁通在磁環(huán)內(nèi)相互抵消，達(dá)到使磁環(huán)達(dá)到磁不飽和狀態(tài)得目的，進(jìn)而使兩只線(xiàn)圈l的電感值基

52、本保持不變。共模扼流圈與相線(xiàn)或零線(xiàn)與地所形成的共模干擾具有電感抑制作用，而對(duì)相線(xiàn)與零線(xiàn)間所形成的差模干擾和工頻供電電流與其相反。在實(shí)際生產(chǎn)中，兩個(gè)繞組不可能真正的做到完全對(duì)稱(chēng)，使得共模扼流圈兩線(xiàn)圈的電感量不相等，所以?xún)删€(xiàn)圈電感量的差值就形成差模漏電感，它的值一般約兩電感量的1%左右。4.3.1 emi濾波器電感、電容的選取由圖4-2可知，差模濾波電容cd其額定電壓與電網(wǎng)電壓大致相當(dāng)，當(dāng)然其容量應(yīng)該選得大一些，可以取幾百納法至幾微法。由文獻(xiàn)知，圖中cd可取470nf，額定電壓取400v。共模電容cc的取值在允許的條件下盡量取得大一些，額定電壓取400v，但其容量受其最大漏電流的限制，的大小一般情

53、況總?cè)×泓c(diǎn)幾到幾個(gè)毫安，其值可用下列公式計(jì)算: (4-1)式中 電壓輸入（v） 電網(wǎng)頻率（hz） 電容允許的漏電流（）本文設(shè)計(jì)的emi濾波器取為0.5 ，輸入電壓為220v，電網(wǎng)電壓fin為50hz，將各參數(shù)代入式(4-1)中得，cc=7.2()共模扼流圈l如圖4-3所示。電感磁芯作為抑制電流上升的電感線(xiàn)圈磁芯，必須具有很好的飽和性，在很小的磁場(chǎng)強(qiáng)度下立即飽和，只需要在很短的時(shí)間內(nèi)有一定的阻抗，這樣才能壓抑電流的尖峰。其特性與普通磁芯比較有很大的差別，如圖4-4所示。圖 4-3共摸扼流圈圖 4-4 用于抑制的電感磁芯特性在eml濾波器中，磁芯是抑制共模扼流圈的主要構(gòu)成部分。扼流圈的基本要求有以

54、下幾點(diǎn)：在正常工作的輸入電流或輸出電流下，扼流圈不應(yīng)該飽和；在干擾信號(hào)頻率下阻抗要求大，而在工作頻率下阻抗就會(huì)極?。恢绷麟娮栊?，電感值穩(wěn)定，不隨溫度變化而產(chǎn)生大幅度變化；分布電容盡量小。共模扼流圈電感值的計(jì)算:式中f0為截止頻率，共模扼流圈常規(guī)取值一般為1.5mhsmh，差模扼流圈典型取值為10uh50uh。本文設(shè)定截止頻率f0 =50khz，則共模扼流圈電感(lc)為:差模電感（ld）可用以下公式計(jì)算將cd=470nf,fo=50khz帶入上式可得4.4 輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)本文要求的輸入頻率為50hz的交流電，電壓為uo=220v，由于輸入為正弦電壓，上下波動(dòng)，波動(dòng)范圍為士20%，所以輸入

55、電壓最高可達(dá)264v。本文采用全橋整流芯片。(1)輸入端的濾波電容濾波穩(wěn)壓電容的輸出功率按照來(lái)選擇，交流輸入的電壓為220v20%，既176264v，設(shè)整流橋?qū)〞r(shí)間為2.5ms，則電容耐壓值為：式中，為系統(tǒng)效率，選最小的時(shí)候80%，為輸入交流電網(wǎng)的頻率，為系統(tǒng)輸出的總頻率為50khz。考慮到一定的裕量，最終取電容為c=220uf600v.（2） 單端正激電路利用電阻、電容、二極管構(gòu)成保護(hù)開(kāi)關(guān)功率管不受損壞，一次繞組n1的電壓為(3)輸入整流二極管開(kāi)關(guān)電源的整流電路是由4只二極管構(gòu)成的，其中兩只串聯(lián)起來(lái)完成交流半周整流。故其中一只二極管中流過(guò)的電流只有整個(gè)電流平均值的一半。每只二極管所能承受的電壓是最大反向電壓的一半。 輸入有效電流為：輸入回路平均電流