大功率開關(guān)電源設計

1、2016屆畢業(yè)設計方案課題名稱：大功率開關(guān)電源的設計所在學院 牽引與動力學院 班 級 動車134班 姓 名 李 升 學 號 201313220451 指導老師 完成日期 畢業(yè)設計評分標準與答辯記錄班級學號姓名總得分課題名稱考核項目及分值考核內(nèi)容分值評分標準得分設計過程20選題的應用性、工藝性、綜合性、先進性、和經(jīng)濟性。查閱文獻資料、參考書、使用工具書的能力。55432分析和解決問題方面的能力，創(chuàng)造性，獨立工作能力。55432工作態(tài)度與遵守紀律情況。1010864設計結(jié)果40文字的簡潔性、通暢性，條理性與邏輯性。1010864論據(jù)正確充分、分析計算準確、使用公式與引用數(shù)據(jù)的正確性。1010864

2、完成設計任務，貫徹國家標準，圖樣、數(shù)據(jù)表格、說明書質(zhì)量。1010864設計方案比較選擇的正確合理性，設計理念、設計方法、設計思路方面的獨到性和創(chuàng)新性。1010864答辯情況40闡述課題的設計思路、主要依據(jù)、結(jié)論、體會和改進意見。1010864回答問題的準確性、敏銳性、全面性，語言表達能力，邏輯條理性。3030241812指導老師評價指導教師簽名答辯記錄與答辯評價答辯教師簽名2016屆畢業(yè)設計任務書1、 課題名稱：多路輸出單端反激式開關(guān)電源設計2、 指導老師：鄧小木三、 設計內(nèi)容與要求：1、課題概述:開關(guān)電源是通過控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關(guān)電源被譽為高效節(jié)

3、能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。開關(guān)電源內(nèi)部關(guān)鍵元器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，本身消耗的能量很低，電源效率可達80%一90%，比普通線性穩(wěn)壓電源效率提高近一倍。本課題是設計多路輸出單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源。主電路采用多路輸出單端反激變換器結(jié)構(gòu)，采用控制芯片UC3844實現(xiàn)電壓電流雙閉環(huán)控制，系統(tǒng)工作頻率在50kHZ，輸出+/-5V/0.5A（共4路），+/-12V/1A,，24V/1A 共7路隔離的電壓。2、設計內(nèi)容與要求：1. 設計任務 1）多路輸出高頻開關(guān)變壓器設計； 2）UC3844外圍電路設計； 3）開關(guān)電源保護電路設計； 4）用PROTEL DXP繪制電路原

4、理圖，并制作PCB； 5）開關(guān)電源焊接、調(diào)試；2 技術(shù)指標1）開關(guān)電源的輸入電壓：AC 185250V2）開關(guān)電源輸出電壓及電流：+/-5V/0.5A（共4路），+/-12V/1A,，24V/1.5A3）開關(guān)電源的開關(guān)頻率：50kHZ4）開關(guān)電源的效率：80%四、設計參考書 1）張占松，蔡宣三開關(guān)電源的原理與設計M，北京：電子工業(yè)出版社，2004 2）周志敏，周紀海，紀愛華開關(guān)電源實用電路M，北京：中國電力出版社，2006 3）黃繼昌電源專用集成電路及其應用M，北京：人民郵電出版社，2006 4）王增福，李昶，魏永明新編常用穩(wěn)壓電源電路M，北京：電子工業(yè)出版社，2006 5）黃俊，王兆安電力電

5、子變流技術(shù)M，北京：機械工業(yè)出版社，2006五、設計說明書要求1、封面2、目錄3、內(nèi)容摘要(200-400字左右，中英文)4、引言5、正文（設計方案比較與選擇，設計方案原理、分析、論證，設計結(jié)果的說明及特點）6、結(jié)束語7、附錄(參考文獻、圖紙、材料清單等)六、 設計進程安排 第1周：資料準備與借閱，了解課題思路。 第2-3周:設計要求說明及課題內(nèi)容輔導。 第47周：進行畢業(yè)設計，完成初稿。 第7-10周：第一次檢查，了解設計完成情況。 第11周：第二次檢查設計完成情況，并作好畢業(yè)答辯準備。第12周：畢業(yè)答辯與綜合成績評定。七、畢業(yè)設計答辯及論文要求1、畢業(yè)設計答辯要求答辯前三天，每個學生應按時

6、將畢業(yè)設計說明書或畢業(yè)論文、專題報告等必要資料交指導教師審閱，由指導教師寫出審閱意見。學生答辯時，自述部分內(nèi)容包括課題的任務、目的和意義，所采用的原始資料或參考文獻、設計的基本內(nèi)容和主要方法、成果結(jié)論和評價。答辯小組質(zhì)詢課題的關(guān)鍵問題，質(zhì)詢與課題密切相關(guān)的基本理論、知識、設計方法、實驗方法、測試方法，鑒別學生獨立工作能力、創(chuàng)新能力。2、畢業(yè)設計論文要求文字要求:說明書要求打印(除圖紙外)，不能手寫。文字通順，語言流暢，排版合理，無錯別字，不允許抄襲。圖紙要求:按工程制圖標準制圖，圖面整潔，布局合理，線條粗細均勻，圓弧連接光滑，尺寸標注規(guī)范，文字注釋必須使用工程字書寫。曲線圖表要求：所有曲線、圖

7、表、線路圖、程序框圖、示意圖等不準用徒手畫，必須按國家規(guī)定的標準或工程要求繪制。摘 要大功率開關(guān)電源在日常的生產(chǎn)、生活中有著廣泛的應用,尤其在軍事、醫(yī)療和絕緣測試等領域應用更為頻繁。傳統(tǒng)的大功率開關(guān)電源采用線性電源技術(shù)的較多,這種結(jié)構(gòu)形式造成電源整體效率較低,性能一般,體積大,重量沉。隨著開關(guān)電源技術(shù)的進步和發(fā)展,各類用途的直流電源都傾向于采用開關(guān)電源技術(shù)。開關(guān)電源以其線性電源無法比擬的特點和優(yōu)點己經(jīng)成為電源行業(yè)的主流形式。開關(guān)電源技術(shù)應用于大功率電源領域,使大功率電源變得體積小,重量輕,效率高,性能更好。在本文中，主要對大功率開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)組成、技術(shù)參數(shù)、控制電路工作原理等進行重點講述，指出

8、其常特點并詳細分析結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞：大功率；脈沖觸發(fā)電路；回饋電路。AbstractHigh power switching power supply has been widely used in daily production and life, especially in the fields of military, medical and insulation testing. The traditional high power switching power supply adopts linear power supply technology, which causes the

9、 overall efficiency of the power supply is low, the performance is general, the volume is large, the weight is heavy. With the development of the technology of switching power supply, DC power supply tends to use switching power supply technology. Switching power supply with its linear power can not

10、 match the characteristics and advantages of the power industry has become the mainstream form. Switching power supply technology is applied to the field of high power supply, which makes the power supply of high power supply small, light weight, high efficiency and better performance.In this paper,

11、 the structure, technical parameters and working principle of high power switching power supply are mainly described.Key words: high power; pulse trigger circuit; feedback circuit.目 錄摘 要VAbstractVI第1章 緒 論11.1高壓直流電源簡介11.2高壓開關(guān)電源簡介21.3高壓開關(guān)電源發(fā)展趨勢3第2章 大功率開關(guān)電源的基本原理52.1 大功率開關(guān)電源的組成52.2 DC-DC 變換器拓撲的選擇62.2.1

12、DC-DC 變換器逆變電路拓撲62.2.2 DC-DC 變換器次級整流拓撲102.3 全橋式逆變拓撲控制方式152.4 本章小結(jié)17第3章 開關(guān)電源主電路的設計183. 1 開關(guān)電源主電路的設計183.2開關(guān)電源的設計要求183.3 電路結(jié)構(gòu)框圖193.3.1輸入整流濾波電路193.3.2 單相逆變橋203.3.3 輸出整流濾波電路203.4 輸入整流濾波電路設計203.4.1 整流橋203.4.2 輸入整流電容213.4.3 輸入濾波電感223.5 逆變電路的設計223.5.1 功率轉(zhuǎn)換電路的選擇223.5.2 確定電路工作頻率f223.5.3 選用高壓開關(guān)管233.6 輸出整流濾波電路24

13、3.6.1 輸出整流二極管243.6.2 輸出濾波電感253.6.3 輸出濾波電容253.7 輸出整流濾波電路263.7.1 輸出整流二極管263.7.2 輸出濾波電感263.7.3 輸出濾波電容27第4章 開關(guān)電源控制電路的設計284.1開關(guān)電源控制電路的設計284.1 移相PWM控制芯片UC3879 的特性1112284.2 驅(qū)動電路設計1314304.2.1 驅(qū)動脈沖變壓器的設計314.2.2 驅(qū)動放大電路的設計314.3反饋電路設計1516324.3.1 反饋電路結(jié)構(gòu)324.4 保護電路的設計334.5開關(guān)電源維修34第5章 總 結(jié)36致 謝37參考文獻38第1章 緒論1.1 高壓直流

14、電源簡介高壓直流是指大?。妷焊叩停┖头较颍ㄕ摌O）都不隨時間（相對范圍內(nèi)）而變化，比如干電池。脈動直流電是指方向（正負極）不變，但大小隨時間變化，比如：我們把50Hz的交流電經(jīng)過二極管整流后得到的就是典型脈動直流電，半波整流得到的是50Hz的脈動直流電，如果是全波或橋式整流得到的就是100Hz的脈動直流電，它們只有經(jīng)過濾波（用電感或電容）以后才變成平滑直流電，當然其中仍存在脈動成分（稱紋波系數(shù)），大小視濾波電路得濾波效果。傳統(tǒng)的高壓直流電源通常用工頻交流電源經(jīng)升壓變壓器升壓、整流濾波而得。如圖1-1所示,其中T為升壓變壓器,C為濾波電容,R1、R2為電阻主要起限流保護的作用。對于電壓不是很高

15、的場合,可用半波整流電路,全波或橋式整流電路得到直流電壓。圖1-1 整流電路在實際應用中升壓變壓器之前要加自藕調(diào)壓器,通過調(diào)整自藕調(diào)壓器實現(xiàn)調(diào)整高壓直流輸出的目的。這類整流電路優(yōu)點是接線簡單,缺點是所用設備、組件的電壓較高,體積、重量和占地面積大,一般只能作為試驗室內(nèi)使用。電路工作過程是這樣的,在正弦波負半周電源通過V2對C1充電,在正弦波的正半周,電源C2和同時對C1充電,C2上獲得的電壓約為電源電壓的峰值和C1上電壓的和,因此,經(jīng)過幾個周期后,C2上的電壓約為變壓器輸出電壓峰值的2倍。若要更高的直流電壓,可以把幾級倍壓電路串接在一起,每一級都能獲得約2倍峰值電壓的直流電壓。若有n級串聯(lián),則

16、可得到2n倍的直流電壓,但級數(shù)越多,內(nèi)阻抗越大,實際輸出電壓比預期值小得越多,同時脈動系數(shù)也越大。因此,級數(shù)不宜太多,一般不超過5級。圖1-2倍壓整流電路1.2 高壓開關(guān)電源簡介隨著電力電子器件和相關(guān)應用技術(shù)的發(fā)展,作為用電設備心臟的電源系統(tǒng)發(fā)生了很大的變化。以開關(guān)方式工作的直流穩(wěn)壓電源以其體積小、重量輕、效率高、穩(wěn)壓效果好的特點,正逐步取代傳統(tǒng)電源的位置,成為電源行業(yè)的主流形式。高壓直流電源領域也同樣深受開關(guān)電源技術(shù)影響,并已廣泛地應用于系統(tǒng)之中。應用電力電子器件產(chǎn)生高壓直流的結(jié)構(gòu)框圖見圖1.3,交流電源經(jīng)整流單元整流、濾波后,變成低壓直流,逆變單元由控制單元控制,使低壓直流電壓逆變成高頻方

17、波電壓,經(jīng)高頻變壓器形成高頻高壓的方波電壓,然后經(jīng)高壓整流輸出變成直流高壓,電壓反饋單元將輸出的高壓信號反饋到控制單元，只要調(diào)整控制單元的設定電壓,就可調(diào)節(jié)直流高壓的輸出電壓。其中整流單元通常采用不可控橋式整流,結(jié)合電感和電容加以濾波逆變單元根據(jù)所含開關(guān)管數(shù)量,可以分為單管、雙管(半橋式和推挽式)和四管(橋式）,根據(jù)開關(guān)頻率和電流電壓參數(shù)不同,開關(guān)組件多用IGBT和MOSFERT；和高頻變壓器最重要的參數(shù)是頻率,通常頻率在幾KHZ至幾十KHZ之間。圖1-3 應用電力電子器件的高壓直流電源的結(jié)構(gòu)圖采用開關(guān)電源技術(shù)的高壓直流電源具有體積小,重量輕,控制精度高,穩(wěn)定度高,紋波系數(shù)低,保護速度快等優(yōu)點

18、,因此它必然在高壓直流電源中有更廣泛的應用。1.3 高壓開關(guān)電源發(fā)展趨勢在要求高效率、小型、輕量的背景下開關(guān)電源得到大量的普及。在高壓電源方面，工作頻率為20KHZ80KHZ的晶體管逆變器也已取代老式的市電頻率方式的電源，成為電源的主流。在高壓設備方面，作為負載的設備是多方面的，各種負載對電源的性能和功能的要求也有相當?shù)牟町?。高壓開關(guān)電源的階段狀況和發(fā)展前景決定輸出電壓有幾KV幾百KV，輸出功率有幾W幾百w等各種各樣。高壓開關(guān)電源的一般特征如下：1、高頻率、小型、輕量2、響應速度快，在輸入和負載急劇變化時，輸出電壓的穩(wěn)定度好3、在負載放電時，由于平滑濾波電容是小型的，以及逆變器保護電路高速動作

19、產(chǎn)生的對通過逆變部能量的抑制效果，把流向負載側(cè)的剩余能量限制在最低限度，以保護負載。因此噪聲產(chǎn)生量也少。4、操作性好，適合作為設備內(nèi)的電源適配器。5、高穩(wěn)定度，低波紋電壓都比較容易實現(xiàn)。特別是在超高壓范圍更為有利。在國外,從70年代開始,日本的一些公司開始采用開關(guān)電源技術(shù),將市電整流后逆變?yōu)?kHZ左右的中頻,然后升壓,美國GE公司生產(chǎn)的AMX-2一移動式X線機把蓄電池供給的直流電逆變成500Hz的中頻方波送入高壓發(fā)生器,從而減小體積和重量。進入80年代,高壓開關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關(guān)組件,將電源的開關(guān)頻率提高到20kHZ以上。并將干式變壓器技術(shù)成功的應用于高頻

20、高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。近十年來,隨著電力電子技術(shù)的進步和開關(guān)器件的發(fā)展,高壓開關(guān)電源技術(shù)不斷發(fā)展。突出的表現(xiàn)是頻率在不斷提高:如Philips公司30kW以下移動式X光機的X線發(fā)生裝置頻率達30kHZ以上,德國的霍夫曼公司高壓發(fā)生器頻率高達40kHZ。98年以后通用電氣公司和瓦瑞安公司都研制成功100kHZ X線機發(fā)生器。另外,高壓開關(guān)電源的功率也在不斷地提高,10-30kW的大功率高壓開關(guān)電源在產(chǎn)品上己很成熟,更高功率的高壓開關(guān)電源也有很快的發(fā)展,如:用于雷達發(fā)射機的140kW高壓開關(guān)電源(俄羅斯);用于脈沖功率技術(shù)中的300kW大功率恒流充電電源(美

21、國EEV公司)等等?？梢钥闯?，高壓開關(guān)電源的發(fā)展的主要趨勢是：1、頻率不斷提高2、功率不斷增加我國自年代初開始對高頻化的高壓大功率開關(guān)電源技術(shù)進行研究,分別列入了“七五”、“八五”、“九五”國家重點攻關(guān)項目。國家“八五”攻關(guān)項目(85-805-01),200kV高壓直流開關(guān)電源的研制,輸出功率達20Kw;國家自然基金資助項目(69871002)產(chǎn)生高濃度臭氧用20kHZ高壓逆變電源的研制,電源的轉(zhuǎn)換效率>80%,輸出功率最高達20kW,電源體積降至原體積1/5,臭氧發(fā)生器體積降為原來1/6,還減少了原材料消耗靜電除塵高壓直流電源也實現(xiàn)了高頻化,采用全橋零電流開關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓

22、逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓,在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHZ。相對而言我國高壓開關(guān)電源技術(shù)己取得了很大的進步，但同國外相比還有很大的差距，特別是大功率高壓開關(guān)電源技術(shù)仍處在研發(fā)之中。第2章 大功率開關(guān)電源的基本原理2.1 大功率開關(guān)電源的組成一般把從交流電網(wǎng)汲取電能，輸出直流電的開關(guān)電源稱之為AC-DC變換器。如圖2-1所示，AC-DC變換器由輸入整流濾波電路和DC-DC變換器組成。輸入整流濾波電路的形式一般為整流橋并聯(lián)濾波電容，這一部分存在的問題留待第四章進行詳細的討論。而所謂的DC-DC變換器是指把輸入的直

23、流電變換成滿足用電設備要求的直流電的電能轉(zhuǎn)換設備。直流輸出交流輸入直流直流輸出DC-DC變換器輸入整流濾波電路圖2-1 AC-DC變換器組成框現(xiàn)有的DC-DC變換器技術(shù)，按照變換器的輸入和輸出之間是否具有高頻變壓器進行電氣隔離可分為兩大類：非隔離式DC-DC變換器、隔離式DC-DC變換器。非隔離式DC-DC變換器常用的拓撲有1：降壓式變換器、升壓式變換器、升降壓式變換器、丘克（Cuk）變換器、單端初級電感（SEPIC）變換器以及ZETA變換器。隔離式DC-DC變換器常用的拓撲有：正激式變換器、反激式變換器、雙管正激式變換器、推挽式變換器、半橋式變換器以及全橋式變換器。隔離式DC-DC變換器輸入

24、與輸出之間存在電氣隔離，在安全性方面與非隔離式DC-DC變換器相比，具有不可比擬的優(yōu)勢。此外，由于隔離式DC-DC變換器具有高頻變壓器，可以通過選取合適的匝比使得在額定負載下，占空比處于一個合適的范圍內(nèi)，同時也使得多路輸出設計變得簡單。大功率開關(guān)電源需要從交流電網(wǎng)中汲取電能，而且一般要三相輸入，屬于AC-DC變換器。三相電源經(jīng)過輸入整流濾波電路后輸出為一個537V的高壓，大功率開關(guān)電源中的DC-DC變換器輸入為一個高壓直流電。因此對于大功率率開關(guān)電源來說，盡管隔離式DC-DC變換器的成本較高，電路較復雜，但是出于安全性考慮，大功率開關(guān)電源一般采用隔離式DC-DC變換器結(jié)構(gòu)。如圖2-2所示，隔離

25、式DC-DC變換器主要由逆變電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路三大部分組成。下面對隔離式DC-DC變換器各個部分的功能進行簡單的介紹。1）逆變電路。由變壓器的基本原理可知，變壓器只能傳輸交流信號，而 DC-DC變換器的輸入為直流電，因此需要逆變電路把輸入的直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流電。增加交流電的頻率，可以減小高頻變壓器的體積。2）高頻變壓器。把開關(guān)電源的輸出和輸出進行電氣上的隔離。由逆變電路產(chǎn)生的高頻交流電，經(jīng)過高頻變壓器傳遞到開關(guān)電源輸出整流濾波部分。選擇合適的匝比，可以把電壓調(diào)整到設計的范圍內(nèi)。3）輸出整流濾波電路。把高頻交流電整流成直流脈動，然后再通過濾波電路把直流脈動中的高頻成分濾除，最終

26、得到較為平滑的直流電輸出。4）控制電路。按照給定輸出量及輸出量實時回饋量之間偏差的大小，調(diào)節(jié)逆變電路，使得DC-DC變換器跟蹤給定量輸出。圖2-2 隔離式DC-DC變換器組成DC-DC變換器中的各個組成部分都存在眾多的技術(shù)方案，而這些已有的技術(shù)方案的適用場合又各有區(qū)別。本文將通過對各種現(xiàn)有的方案進行分析對比，從而為大功率開關(guān)電源選擇較為合理的技術(shù)方案。2.2 DC-DC 變換器拓撲的選擇2.2.1 DC-DC 變換器逆變電路拓撲首先，分析一下各種逆變電路拓撲的磁芯工作狀況2，從磁芯利用率的角度來為逆變電路拓撲的選取提供依據(jù)。圖2-3為反激式（連續(xù)電流下）磁芯工作狀態(tài)，可以看出工作在連續(xù)電流下，

27、磁芯工作在第一象限，只能被單向磁化，直流偏磁大，交流分量小，工作在局部磁化曲線上，在此種情況下磁芯的利用率較低。圖2-4為正激式磁芯工作狀態(tài)，可以看出磁芯也工作在第一象限，只能被單向磁化，磁芯的利用率較低。圖2-5為推挽、半橋、全橋磁芯工作狀態(tài)，可以看出磁芯工作在B-H坐標的四個象限，被雙向磁化，每個周期沿著整個磁化曲線磁化一次，磁芯利用率高。而在相同的功率下，磁芯利用率和磁芯體積是相關(guān)的，磁芯利用率越大，磁芯體積越小。若將反激式、正激式這兩種拓撲用到大功率開關(guān)電源上，在變壓器的設計中，將需要采用體積很大的磁芯。基于磁芯利用率的限制，反激式、正激式拓撲較適用于小功率開關(guān)電源。圖2-3 反激式（

28、連續(xù)電流下）磁芯工作狀態(tài) 圖2-4 正激式磁芯工作狀態(tài)圖2-5 推挽、半橋、全橋磁芯工作狀態(tài)接著，從開關(guān)器件的電壓應力、電流應力和變壓器制作三方面來對比，從推挽、半橋和全橋中選取適合大功率開關(guān)電源的拓撲。（1）推挽式拓撲圖 2-6 所示為推挽式拓撲的原理圖，理想情況下，開關(guān)管V1、V2 所要承受的最大電壓為輸入電壓 Ui的兩倍，即： (2-1)而次級整流二極管 D1、 D2 所要承受的最大反向電壓為： (2-2)推挽式拓撲變壓器初級、次級均需要中間抽頭，這樣大大增加了變壓器的制作難度，特別對于大功率開關(guān)電源的變壓器來說更是如此。圖2-6 推挽式拓撲（2） 半橋式拓撲圖 2-7 所示為半橋式拓撲

29、的原理圖，理想情況下，開關(guān)管V1、V2 所要承受的最大電壓與輸入電壓Ui 相等，即： （2-3）高頻變壓器輸入電壓幅值僅為直流輸入電壓Ui的一半，即： （2-4）圖2-7 半橋式拓撲（3） 全橋式拓撲 圖2-8 所示為全橋式拓撲的原理圖，理想情況下，開關(guān)管V1、V2 、V3 、V4 所要承受的最大電壓與輸入電壓Ui相等，即： (2-5)而次級整流二極管 D1、 D2 所要承受的最大電壓為： (2-6)高頻變壓器輸入電壓幅值等于直流輸入電壓Ui，即： （2-7）圖2-8 全橋式拓撲由上述對三種雙向磁化拓撲的討論可知，推挽式拓撲中的開關(guān)管電壓應力比半橋式、全橋式拓撲大一倍。而大功率開關(guān)電源一般采用

30、三相輸入，直流母線上的電壓約為537伏。對于具有如此高的直流母線電壓的大功率開關(guān)電源來說，推挽式拓撲在開關(guān)管電壓應力上的缺點是致命的，此外其變壓器需要初級中間抽頭結(jié)構(gòu)也為變壓器的制作帶來困難，所以推挽式拓撲不是十分適合大功率開關(guān)電源。而半橋式拓撲和全橋式拓撲的開關(guān)管的電壓應力一樣，但是由于半橋式拓撲高頻變壓器輸入電壓只有全橋式拓撲的一半，所以在同等輸出的功率下，半橋式拓撲的輸入電流是全橋式拓撲的2倍，開關(guān)管的電流應力是也是全橋式拓撲的2倍。所以盡管全橋式拓撲的驅(qū)動電路復雜、成本高，但是當功率大到一定程度，開關(guān)器件的電壓和電流額定值、磁性元件的體積成為開關(guān)電源功率增大的瓶頸時，全橋式拓撲成為大功

31、率開關(guān)電源較為合適的選擇。2.2.2 DC-DC 變換器次級整流拓撲在開關(guān)電源中常用的次級整流拓撲有3：全波整流、全橋整流和倍流整流。下面詳細分析這三種不同整流拓撲的工作，以確定各種整流拓撲的適用情況。（1） 全波整流拓撲如圖2-9 所示，對于全波整流拓撲，當高頻變壓次級電壓Vs為正時，二極管D1導通、D2截止，二極管D1、濾波電感L、電容C和負載R構(gòu)成回路。此時濾波電感兩端電壓為正，電感電流線性增長，處于儲能狀態(tài)。當高頻變壓器兩端電壓為零時，次級繞組電壓也為零，此時初級繞組電流為零，而次級由于濾波電感的存在需要通過D1、D2 進行續(xù)流，由于二極管 D1、D2 兩個續(xù)流回路理論上是對稱的，二極

32、管 D1、D2同時導通且各通過濾波電感電流的一半。此時輸出電壓加在濾波電感兩端，電感兩端電壓為負，電感電流線性下降，電感處于能量釋放狀態(tài)。當高頻變壓器次級電壓V 為負時，二極管D2 導通、D1 截止，二極管D2、濾波電感 L、電容C 和負載 R 構(gòu)成回路。此種狀態(tài)下，除了通過電流的繞組和二極管不一樣外，其他的工作狀態(tài)與高頻變壓器次級電壓Vs為正時的情況相同。全波整流各點波形如圖2-10 所示。圖2-9 全波整流拓撲圖2-10 全波整流各點波形全波整流拓撲只需要2個整流二極管，在濾波電感儲能期間，只有一個二極管導通，有著較小的導通損耗和電壓降，特別適用于低壓輸出的大功率開關(guān)電源應用。另外，全波整

33、流拓撲只需要一個濾波電感，較為簡單。但是，全波整流拓撲需要高頻變壓器次級中間抽頭結(jié)構(gòu)，會給高頻高頻變壓器的設計和制造帶來困難，且外部接線和焊接也難以處理4。整流二極管承受的最大電壓為高頻變壓器次級最大電壓的兩倍，故不太適用于高電壓輸出的大功率開關(guān)電源的應用。（2） 全橋整流拓撲如圖 2-11 所示，對于全橋整流拓撲，當高頻變壓器次級電壓Vs為正時，二極管 D1、D4導通，D2、D3截止，二極管D1、D4、電感L、電容C 和電阻R構(gòu)成回路。此時濾波電感兩端電壓為正，濾波電感電流線性增長，處于儲能狀態(tài)。當高頻變壓器兩端電壓為零時，次級繞組電壓也為零，此時初級繞組電流為零，而次級由于濾波電感的存在需

34、要通過D1、D2、D3、D4進行續(xù)流，由于兩個續(xù)流回路都是對稱的，二極管D1、D4通過濾波電感電流的一半，二極管D2、D3通過濾波電感電流的另外一半，以實現(xiàn)對濾波電感的續(xù)流。此時輸出電壓加在濾波電感兩端，電感兩端電壓為負，電感電流線性下降，電感處于能量釋放狀態(tài)。當高頻變壓器次級電壓Vs為負時，二極管D2、D3導通、D1、D4截止，二極管D2、D3、濾波電感L、電容C和負載R構(gòu)成回路。此種狀態(tài)下，除了通過電流的二極管不一樣外，其他的工作狀態(tài)與高頻變壓器次級電壓V 為正時的情況相同，全橋整流各點波形如圖 2-12 所示。圖2-11 全橋整流拓撲圖2-12 全波整流各點波形全橋整流拓撲需要4個整流二

35、極管，在濾波電感儲能期間，有兩個二極管導通，有著較大的導通損耗和電壓降，不適用于低電壓大電流輸出的大功率開關(guān)電源應用。而其整流二極管承受的最大電壓為高頻變壓器次級的最大電壓，電壓應力較小，適用于高電壓輸出的大功率開關(guān)電源的應用。此外，全橋整流拓撲不需要中心抽頭的高頻變壓器，便于高頻變壓器的設計、制造和外部接線、焊接。（3） 倍流整流拓撲如圖 2-14 所示，對于倍流整流拓撲，當高頻變壓器次級電壓Vs為正時，二極管 D2導通，D1截止，電感L1、電容C、電阻R和二極管D2構(gòu)成回路。而電感L2、二極管D2、電容C和電阻R構(gòu)成電感L2的續(xù)流回路。此時電感L1兩端電壓為正，電感L1電流線性增長，處于儲

36、能狀態(tài)；電感L2兩端電壓為負，電感L2電流線性減少，處于能量釋放的狀態(tài)。當高頻變壓器兩端電壓為零時，次級繞組電壓為零，為此初級繞組電流為零，為此電感L1通過二極管D1、電容C和電阻R回路續(xù)流，電感L1兩端電壓為負，濾波電感L1電流性減少，處于能量釋放的狀態(tài)，電感L2電流性減少，處于能量釋放的狀態(tài)。當高頻變壓器次級電壓Vs為負時，二極管D1導通，D2截止，電感L2、電容C、電阻R和二極管D1構(gòu)成回路。而電感L1、二極管D1、電容D1、電容C和電阻R構(gòu)成電感L1的續(xù)流回路。此時電感L2兩端電壓為正，電感L2電流性增長，處于儲能狀態(tài)；電感L1兩端電壓為負，電感L1電流線性減少，處于能量釋放的狀態(tài)5。

37、倍流整流拓撲只需要2個整流二極管，在濾波電感儲能期間，只有一個二極管導通，有著較小的導通損耗和電壓降，特別適用于低壓輸出的大功率電源開關(guān)應用。而且倍流整流拓撲不需要中心抽頭的高頻變壓器，便于高頻變壓器的設計、制造和外部接線、焊接。倍流整流拓撲需要2個濾波電感器，相對復雜。在相同輸出電壓的條件下，整流二極管承受的最大電壓與全波整流拓撲一樣，故不太適用于高電壓輸出的大功率開關(guān)電源的應用。倍流整流拓撲存在無效的電感回路，需要滿足一定條件才能抑制該無效回路產(chǎn)生的影響。圖2-14 倍流整流拓撲由上述對全波整流、全橋整流和倍流整流三種拓撲的原理及其優(yōu)缺點的分析，可以得到以下結(jié)論：全橋整流拓撲適用于高壓輸出

38、的大功率開關(guān)電源應用；全波整流、倍流整流拓撲適用于低壓輸出的大功率開關(guān)電源應用。 圖2-15 倍流整流各點波形文獻6經(jīng)詳細分析指出，當輸出負載電流較小時，由于電流波動產(chǎn)生的損耗較為明顯, 所以只有一個濾波電感且電流波動較小的全波整流拓撲更為合適；當輸出負載電流較大時，倍流整流通過兩個電感的紋波電流的相互抵消來減小輸出紋波電流，從而降低對輸出濾波器的要求，所以此時倍流整流拓撲更為合適。2.3 全橋式逆變拓撲控制方式對于全橋式逆變拓撲來說，常用的控制方式有雙極性控制和移相控制7。下面分析上述兩種控制方式。（1） 雙極性PWM控制雙極性PWM控制的開關(guān)時序如圖2-16 所示。四個開關(guān)管均采用 PWM

39、控制方式，開關(guān)管V1、V4 一組、V2、V3 一組，同一組內(nèi)的開關(guān)管同時開通同時關(guān)斷，兩組開關(guān)管分別輪流導通，每組開關(guān)管導通不超過半個開關(guān)周期。當開關(guān)管V1、V4 導通時，直流母線電壓Vin加在高頻變壓器的初級繞組上，此時開關(guān)管V2、圖2-16 雙極性PWM控制V3 都承受著電壓Vin；當開關(guān)管V2、V3 導通時，直流母線電壓Vin反向加在高頻變壓器的初級繞組上，此時，V1、V4 都承受著電壓Vin；當開關(guān)管都處于關(guān)斷狀態(tài)時，加在高頻變壓器初級繞組上的電壓為0，此時四個開關(guān)管承受的電壓均為Vin/2。加在高頻變壓器初級繞組上的電壓波形為方波，通過調(diào)整每組開關(guān)管的導通時間，即調(diào)整開關(guān)管的占空比，

40、就能夠調(diào)節(jié)電壓方波的脈沖寬度，進而調(diào)節(jié)加在高頻變壓器初級繞組電壓有效值的大小。雙極性 PWM控制方式，由于同一橋臂的開關(guān)管不存在一個開關(guān)管關(guān)斷后另一個開關(guān)管馬上導通的情況，因此不存在同一橋臂開關(guān)管直通的危險。（2） 移相 PWM 控制移相 PWM 控制的開關(guān)時序如圖 2-17 所示。開關(guān)管V1、V3交替導通，各自導通180°的電角度；開關(guān)管V2、V4也交替導通，各自導通180°的電角度。開關(guān)管V1、V4并非同時導通，而是開關(guān)管V1 導通在先，V4導通在后，兩者導通間隔相差一個電角度；開關(guān)管 V2、V3之間的關(guān)系與開關(guān)管V1、V4的關(guān)系是一致的。由于開關(guān)管V1先于V4導通，V

41、3先于V2導通，故把開關(guān)管V1、V3所在的橋臂稱為超前臂，把開關(guān)管V2、V4所在的橋臂稱為滯后臂。移相PWM控制得到的結(jié)果也是加在高頻變壓器初級繞組的電壓為方波，覺得方波脈沖寬度的參數(shù)為超前臂上的開關(guān)管與滯后臂上開關(guān)管相差的電角度，電角度越小，方波的脈寬就越大；電角度越大，方波的脈寬就越小。移相PWM控制是通過控制超前臂與滯后臂上開關(guān)管的電角度差來調(diào)整加在高頻變壓器初級繞組方波電壓的脈沖寬度進而調(diào)節(jié)加在高頻變壓器初級繞組電壓有效值的大小。移相PWM控制中，同一橋臂的開關(guān)管存在直通的危險，需要設置死區(qū)時間來保證安全。圖 2-17 移相 PWM 控制采用移相PWM控制，可以利用全橋式拓撲中如開關(guān)管

42、寄生電容和變壓器漏感等寄生參數(shù)實現(xiàn)軟開關(guān)。對于全橋式拓撲，常用的軟開關(guān)技術(shù)有ZVS 零壓開關(guān)8、ZCS零流開關(guān)9、ZVZCS零壓零流開關(guān)10。這樣就能有效減小開關(guān)損耗，降低電磁干擾。2.4 本章小結(jié)本章首先介紹了大功率開關(guān)電源的組成；然后對現(xiàn)有 DC-DC 變換器中的逆變拓撲、次級整流拓撲進行分析以為大功率開關(guān)電源選擇合適的 DC-DC 變換器拓撲；最后簡單介紹兩種常用的全橋式逆變拓撲控制方式。第3章 開關(guān)電源主電路的設計3. 1 開關(guān)電源主電路的設計開關(guān)電源的主電路主要處理電能，即功率變換。主電路主要包括輸入濾波電路、逆變電路、高頻變壓器、輸出濾波電路等部分。主電路的設計通常在整個電源的設計

43、過程中占有最為重要的地位。 3.2 開關(guān)電源的設計要求本文設計的大功率直流開關(guān)電源主要應用于電力系統(tǒng)的高頻開關(guān)電源，確定技術(shù)指標如下: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. 輸出標稱電壓: 220VDC7. 輸出電壓范圍: 176-286VDC8. 輸出紋波電壓: 10mV9. 輸出額定電流: 5A10. 輸出過壓保護: 325V5V11. 輸出欠壓保護: 195V5V12. 便于生產(chǎn)和維護在本課題研究的過程中，主要對大功率開關(guān)直流電源的工作原理、電路的拓撲結(jié)構(gòu)和

44、運行模式進行了深入研究，并結(jié)合系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，確定系統(tǒng)主電路的拓撲，設計出主電路，即分別設計出濾波、整流、DC-DC變換器、軟啟動和保護控制等部分。下面就對電源主電路的設計進行詳細說明。3.3 電路結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)需要設計大功率開關(guān)電源的技術(shù)要求，本文進行了方案的驗證與比較，設計如圖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，控制回路主要包括信息檢測電路、控制和保護單元、監(jiān)控單元和輔助電源。圖3-1 直流開關(guān)電源的主電路框圖本電源采用ZVZCS- PWM 拓撲，原邊加箝位二極管，三相交流輸入整

45、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。具體設計主電路如圖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。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備通過電網(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

46、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，彌補電解電容高頻特性差的缺陷。圖3-2 電源主電路結(jié)構(gòu)3.3.2 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，隔直電容、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用。3.3.3 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，電解電容(E5、E6、E7)，高頻電容(，)

47、濾除高頻諧波分量，共模電感()，Y電容(、)，抑制共模分量，電流采樣電阻，輸出二極管D14，防止電池電流反灌。3.4 輸入整流濾波電路設計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。3.4.1 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) 整流橋的耐壓:考慮最大輸入電壓=×1.2=380×1.2=456V整流二極管的峰值電壓為×=380×(120%)×=640V取50%的裕量 640×(1+50%)=960V根據(jù)整流橋的實際電壓等

48、級，我們選擇整流橋的耐壓為1200V(2) 整流橋的額定電流因為電源的輸入功率隨效率變化，所以應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= =220×5/0.8=1375W因最大輸入電流是在交流輸入電壓下限時，所以，=380V×80%=304V最大輸入線電流: =2.61A取整流橋的額定電流為10A 。3.4.2 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，而且要在計算流入電容器的紋波電流是否完全達到電容器的容許值的基礎上進行設計。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=E

49、a其中Ea為交流輸入線電壓。簡易公式E= 1.35×380×(120%)= 410V通過直流輸入電路的平均電流，為:=3.35A計算單相全波整流電路濾波電容的經(jīng)驗公式為:Cm=400600由于三相全波整流電路的基波頻率為單向電路的3倍，因此計算三相電路濾波電路的公式為:Cm=133200所以，Cm= 200×3.35= 670uF根據(jù)計算結(jié)果，在實際電路中，我們選用1O00 uF/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。3.4.3 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 =3.35A理論上輸入濾波電感越大，電流脈動

50、越小，輸入功率因素越高，但受體積重量和價格的限制，并根據(jù)繞制廠家的現(xiàn)有工藝水平，選用C15×32×l05硅鋼片鐵心，線徑為1.6毫米，電感量為18mH的工頻電感。電感量的確定較難精確計算，可通過實驗確定。3.5 逆變電路的設計3.5.1 功率轉(zhuǎn)換電路的選擇根據(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.3.5.2 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。3.5.3 選用高壓開關(guān)管(1) 耐壓根據(jù)相關(guān)文獻可以查到，全橋功率轉(zhuǎn)換電路高壓開關(guān)管上施加的最高電壓為=E，對應于最高輸入電網(wǎng)電壓的輸入整流

51、電路的直流輸出電壓: = =640V考慮各種因素的影響取50%的裕量640×(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)管和計算輸出濾波電路。在高頻變壓器的計算中，我們估算了實際占空比為0.658，為0.252。輸入整流濾波電路的最大輸出電流平均值:=3.3A此時，= 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:=2.23A此時，=0.252峰值電流為2.32/0.252= 8.86A所以，開關(guān)管估算最大電流值為8.86A根據(jù)計算所得的結(jié)果分析，我們選取三菱電機公司第三代IGBT單

52、管CM60HSA24作為高壓開關(guān)管，其耐壓為1200V，電流容許值為60A。3.5.5 隔直電容的選擇在第二章中，我們對主電路的工作模式進行了分析，對電路的重要參數(shù)之間的關(guān)系進行了推導，得出了如下關(guān)系式:T = 4 * * /DT其中: T為初級電流下降的時間；為變壓器的漏感；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。在前面，我們設定電路的工作頻率為30KHz，計算得到的最大占空比=0.658，并且我們假設初級電流下降的時間為4uS，所以= =4.7uF3.6 輸出整流濾波電路輸出整流濾波電路是通過快恢復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

53、高頻交變電壓或電流編程要求的輸出電壓或電流。因為輸出電壓比較高(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行一下分析與計算。3.6.1 輸出整流二極管因為輸出二極管工作于高頻狀態(tài)(30KHz)，所以應選用快恢復二極管。(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:=×=380×(1+20%)××=783.6V所以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

54、裕量，選取RURU3O12O作為輸出二極管。該二極管的耐壓為120V，額定電流為30A。3.6.2 輸出濾波電感根據(jù)相關(guān)文獻的公式可以得到:L選為額定負載電流的5%，即= 5×5% =0.25AT=1/=1/30×10=33.3uS=(*T)/2=4.2uS= 783.6V此時的電感電流增量不得大于2，所以L=4.94×10H所以選取濾波電感為4.94×10H3.6.3 輸出濾波電容(1) 根據(jù)輸出紋波電壓來計算濾波電容的大小:C=11.66×10F(2) 根據(jù)輸出電壓動態(tài)幅度來求出濾波電容的大小C=其中，為輸出電流的最大值取5A，Vp為電源從

55、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=334uF取以上兩者最大值，并考慮一定裕量，最后取C= 5OOuF3.7 輸出整流濾波電路輸出整流濾波電路是通過快恢復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。因為輸出電壓比較高(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行一下分析與計算。3.7.1 輸出整流二極管因為輸出二極管工作于高頻狀態(tài)(30KHz)，所以應選用快恢復二極管。(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:=×=380×(1+20%)××=783.6V所以加在輸出整流二極管上最高的反