高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

1、1緒論11.1 高頻開(kāi)關(guān)電源概述11.2 意義及其開(kāi)展趨勢(shì)22高頻開(kāi)關(guān)電源的工作原理32.1 高頻開(kāi)關(guān)電源的根本原理32.2 高頻開(kāi)關(guān)變換器52.2.1 單端反激型開(kāi)關(guān)電源變換器52.2.2 多端式變換器62.3 限制電路83高頻開(kāi)關(guān)電源主電路的設(shè)計(jì)93.1 PWM開(kāi)關(guān)變換器的設(shè)計(jì)93.2 變換器工作原理103.3 變換器中的開(kāi)關(guān)元件及其驅(qū)動(dòng)電路113.4 .3.1開(kāi)關(guān)器件113.5 .3.2MOSFET的驅(qū)動(dòng)113.4 高頻變壓器的設(shè)計(jì)133.4.1 概述133.4.2 變壓器的設(shè)計(jì)步驟133.4.3 變壓器電磁干擾的抑制153.5 整流濾波電路-153.5.1 整流電路153.5.2 濾波

2、電路164總結(jié)19參考文獻(xiàn)20緒論1.1 高頻開(kāi)關(guān)電源概述八十年代,國(guó)內(nèi)高頻開(kāi)關(guān)電源只在個(gè)人計(jì)算機(jī)、電視機(jī)等假設(shè)干設(shè)備上得到應(yīng)用.由于開(kāi)關(guān)電源在重量、體積、用銅用鐵及能耗等方面都比線(xiàn)性電源和相控電源有顯著減少,而且對(duì)整機(jī)多相指標(biāo)有良好影響,因此它的應(yīng)用得到了推廣.近年來(lái)許多領(lǐng)域,例如電力系統(tǒng)、郵電通信、軍事裝備、交通設(shè)施、儀器儀表、工業(yè)設(shè)備、家用電器等都越來(lái)越多應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源,取得了顯著效益.究其原因,是新的電子元器件、新電磁材料、新變換技術(shù)、新限制理論及新的軟件簡(jiǎn)稱(chēng)五新不斷地出現(xiàn)并應(yīng)用到開(kāi)關(guān)電源的緣故.五新使開(kāi)關(guān)電源更上一層摟,到達(dá)了頻率高、效率高、功率密度高、功率因數(shù)高、可靠性高簡(jiǎn)稱(chēng)五高.有

3、了五高,開(kāi)關(guān)電源就有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力,應(yīng)用也更為擴(kuò)大,反過(guò)來(lái)又遇到更多問(wèn)題和更實(shí)際的要求.這些問(wèn)題和要求可歸納為以下五個(gè)方面：l能否全面貫徹電磁兼容各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)？2能否大規(guī)模穩(wěn)定生產(chǎn)或快捷單件特殊生產(chǎn)？3能否組建大容量電源？4電氣額定值能否更高如功率因數(shù)或更低如輸出電壓？5能否使外形更加小型化、外形適應(yīng)使用場(chǎng)所要求？這五個(gè)問(wèn)題是開(kāi)關(guān)電源能否在更廣泛領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵,是五個(gè)挑戰(zhàn).簡(jiǎn)稱(chēng)五挑戰(zhàn)把挑戰(zhàn)看成開(kāi)關(guān)電源開(kāi)展的動(dòng)力和機(jī)遇,一向是電源科技工作者的態(tài)度.以功率因數(shù)為例,AC-DC開(kāi)關(guān)電源或其他電子儀器輸入端產(chǎn)生功率因數(shù)下降問(wèn)題,用什么方法來(lái)解決？毫無(wú)疑問(wèn),利用開(kāi)關(guān)電源本身的工作原理來(lái)解決開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用中產(chǎn)生

4、的問(wèn)題是最積極的態(tài)度.實(shí)踐中,用DC-DCF關(guān)電源和有源功率因數(shù)校正的開(kāi)關(guān)電源,本錢(qián)比單機(jī)增加20%:成功解決了這個(gè)問(wèn)題.現(xiàn)在,又進(jìn)一步開(kāi)展成單級(jí)有功率因數(shù)校正的開(kāi)關(guān)電源,本錢(qián)只增加5%;在三相升壓式單開(kāi)關(guān)整流器中減少諧波方法,有人采用注入六次諧波調(diào)脈寬限制,抑制住輸入電流的五次諧波,解決了電流諧波畸變率小于100k的要求.1.2 意義及其開(kāi)展趨勢(shì)發(fā)電廠(chǎng)和變電所中,為了供應(yīng)限制、信號(hào)、保護(hù)、自動(dòng)裝置、事故照明、直流油泵和交流不停電電源裝置等的用電,要求有可靠的直流電源.為此,發(fā)電廠(chǎng)和110KV以上的變電所通常用蓄電池作為直流電源,對(duì)上述的電源要求有高度的可靠性和穩(wěn)定性,電源容量和電壓質(zhì)量均應(yīng)在

5、最嚴(yán)重的事故情況下保證用電設(shè)備的可靠工作.根據(jù)電力系統(tǒng)的要求,蓄電池直流系統(tǒng)的電壓等級(jí)為：1、限制負(fù)荷專(zhuān)用的蓄電池組的電壓采用11OV2、動(dòng)力負(fù)荷和直流事故照明專(zhuān)用的電壓采用220V.3、國(guó)內(nèi)的發(fā)電廠(chǎng)和變電所的直流電壓大多采用220V.所以,22OV直流電源在電力系統(tǒng)的操作電源系統(tǒng)中占有非常重要的地位.高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)目前,直流電源主要包括三種：相控電源、線(xiàn)性電源、開(kāi)關(guān)電源.相控電源即相位限制型穩(wěn)壓電源,它的主要原理就是將市電直接經(jīng)過(guò)整流濾波提供直流,由改變晶閘管的導(dǎo)通相位角來(lái)限制整流器的輸出電壓,所以如果采用適當(dāng)?shù)南拗齐娐肥咕чl管的導(dǎo)通相位根據(jù)輸入電壓或負(fù)載電流變化自動(dòng)調(diào)整,整流器的輸出電

6、壓就能穩(wěn)定不變.線(xiàn)性電源也是一種常用的穩(wěn)壓電源,通過(guò)串聯(lián)調(diào)整管可以連續(xù)限制,它的功率調(diào)整管總是工作在放大區(qū),流過(guò)的電流是連續(xù)的.線(xiàn)性穩(wěn)壓電源通常包括：調(diào)整管、比擬放大器、反應(yīng)采樣局部以及基準(zhǔn)電壓局部.開(kāi)關(guān)電源的功率調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),功率損耗小,效率高,由于開(kāi)關(guān)工作頻率高,變壓器的體積大大減小,濾波電感、電容數(shù)值較小.在目前的電力系統(tǒng)中,大局部用的都是相控電源,但是,相控電源用的是工頻變壓器,體積大,而且輸出電壓的紋波系數(shù)大,監(jiān)控系統(tǒng)不完善,采用主從備份方式用戶(hù)使用不方便,對(duì)電力系統(tǒng)新的要求也達(dá)不到標(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)蓄電池月動(dòng)充電放電,影響蓄電池的

7、使用壽命.而高頻開(kāi)關(guān)電源體積小、重量輕、頻率高、輸出紋波小、模塊疊加、N+1熱備份設(shè)計(jì)、便于計(jì)算機(jī)治理等優(yōu)點(diǎn),符合現(xiàn)代電源的潮流.所以,電力系統(tǒng)中的操作電源有高頻開(kāi)關(guān)電源取代相控電源的趨勢(shì).高頻開(kāi)關(guān)電源的工作原理2.1 高頻開(kāi)關(guān)電源的根本原理高頻開(kāi)關(guān)電源是將交流輸入單相或三相電壓變成所需的直流電壓的裝置.根本的隔離式高頻開(kāi)關(guān)電源的原理框圖如圖2-1-1所示,高頻開(kāi)關(guān)電源主要由輸入電網(wǎng)濾波器、輸入整流濾波器、高頻變換器、輸出整流濾波器、限制電路、保護(hù)電路、輔助電源等幾局部組成.其根本原理是：交流輸入電壓經(jīng)電網(wǎng)濾波、整流濾波得到一直流電壓,通過(guò)高頻變換器將直流電壓變換成高頻交流電壓,再經(jīng)高頻變壓器

8、隔離變換,輸出所需的高頻交流電壓,最后經(jīng)過(guò)輸出整流濾波電路,將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的高質(zhì)量、高品質(zhì)的直流電壓.圖2-1-1開(kāi)關(guān)電源根本原理框圖以全橋式變換器高頻開(kāi)關(guān)電源為例,圖2-1-2表示了交流輸入電壓到最后輸出所需直流電壓的各環(huán)節(jié)電壓波形變換流程.高頻變壓輸入整流濾波DC-AC變換DC圖2-1-2高頻開(kāi)關(guān)電源的波形變化輸出物流濾波下面就圖2-1-1中每一局部的作用、原理分別簡(jiǎn)述如下：(1)輸入電網(wǎng)灘波器：消除來(lái)自電網(wǎng)的各種干擾,如電動(dòng)機(jī)起動(dòng),電器開(kāi)關(guān)的合閘與關(guān)斷,雷擊等產(chǎn)生的尖峰干擾.同時(shí)也預(yù)防開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴(kuò)散而污染電網(wǎng).一個(gè)典型的三相輸入電網(wǎng)濾波器如圖

9、2-1-3所示:圖2-1-3三相電網(wǎng)濾波器示意圖(2)輸入整流濾波器：將電網(wǎng)輸入的交流電進(jìn)行整流濾波,為變換器提供波紋較小的直流電壓.而且,當(dāng)電網(wǎng)瞬時(shí)停電時(shí),濾波電容器儲(chǔ)存的能量尚能使開(kāi)關(guān)電源輸出維持一定的時(shí)間.對(duì)三相交流電輸入,其典型電路如圖2-1-4所示：圖2-1-4輸入整流濾波器電路圖(3)高頻開(kāi)關(guān)變換器(DCAC):它是開(kāi)關(guān)電源的關(guān)鍵局部.它把直流電壓變換成高頻交流電,經(jīng)過(guò)高頻變壓器再變成所需要的隔離輸出交流電壓.輸出整流濾波：將變換器輸出的高頻交流電壓濾波得到需要的直流電壓.同時(shí)還預(yù)防高頻噪音對(duì)負(fù)載的干擾.電路原理與輸入濾波器相同.(5)限制電路：檢測(cè)輸出直流電壓,與基準(zhǔn)電壓比擬,進(jìn)

10、行隔離放大,調(diào)制振蕩器輸出的脈沖寬度,從而限制變換器以保持輸出電壓的穩(wěn)定般限制電路還包括啟動(dòng)及禁止電路.(6)保護(hù)電路：在開(kāi)關(guān)電源發(fā)生過(guò)電壓、過(guò)電流或短路時(shí),保護(hù)電路使開(kāi)關(guān)電源停止工作以保護(hù)負(fù)載和開(kāi)關(guān)電源本身.有的還有發(fā)出報(bào)警信號(hào)的功能.(7)輔助電源：為限制電路和保護(hù)電路提供滿(mǎn)足一定技術(shù)要求的直流電源,以保證它們工作穩(wěn)定可靠.輔助電源可以是獨(dú)立的,也可以由開(kāi)關(guān)電源本身產(chǎn)生.2.2 高頻開(kāi)關(guān)變換器在高頻開(kāi)關(guān)電源中,高頻開(kāi)關(guān)變換器是核心局部,圍繞開(kāi)關(guān)變換器將會(huì)有很多的限制和保護(hù)電路,變換器的種類(lèi)的選取將會(huì)影響整個(gè)功率器件耐壓程度等很多參數(shù),也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的其它各局部產(chǎn)生相應(yīng)的影響,所以,高頻開(kāi)關(guān)變換

11、器的設(shè)計(jì)是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié),我們?cè)诤竺娴恼鹿?jié)將會(huì)對(duì)它進(jìn)行詳細(xì)地分析和介紹.按電力電子技術(shù)的習(xí)慣稱(chēng)謂,AC-DC稱(chēng)為整流,包括整流及離線(xiàn)式變換,DC-AC稱(chēng)為逆變,AC-AC稱(chēng)為交-交變頻(包括變壓),DC-DC稱(chēng)為直流一直流變換.所以,廣義地說(shuō),凡用半導(dǎo)體功率器件作為開(kāi)關(guān),將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種形態(tài)的主電路叫作開(kāi)關(guān)變換器電路.轉(zhuǎn)變時(shí)用自動(dòng)限制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護(hù)環(huán)節(jié)那么稱(chēng)開(kāi)關(guān)電源.開(kāi)關(guān)電源的主要局部是DC-DC變換器,它是轉(zhuǎn)換的核心,涉及頻率變換.值得指出,常見(jiàn)到離線(xiàn)式開(kāi)關(guān)變換器名稱(chēng),是AC-DC變換,也常稱(chēng)開(kāi)關(guān)整流器,它不單是整流的意義,而且整流后又作了DC-DCE換,離線(xiàn)是指變換器中有

12、高頻變壓器隔離.2.2.1 單端反激型開(kāi)關(guān)電源變換器圖2-2-1所示為單端反激型開(kāi)關(guān)電源的主回路,當(dāng)功率晶體管T導(dǎo)通時(shí),高頻變壓器的原邊電壓等于輸入電源電壓U,其極性為上正下負(fù).與之對(duì)應(yīng)的高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)頻變壓器副邊電壓為上負(fù)下正,此時(shí)整流二極管D承受的是反向偏置電壓,故不導(dǎo)通.負(fù)載R_上的電流是靠輸出電容C0的放電電流來(lái)提供,此時(shí),高頻變壓器將電能變?yōu)榇拍軆?chǔ)存起來(lái),而在晶體管受控截止時(shí),高頻變壓器原、副邊電壓極性改變.整流二極管D(和反相型開(kāi)關(guān)電源中的續(xù)流二極管相對(duì)應(yīng))由反偏變?yōu)檎珜?dǎo)通,高頻變壓器就將原先儲(chǔ)存的磁能變?yōu)殡娔?通過(guò)整流二極管向負(fù)載供電和向輸出電容Q充電.此電路的整流二極管D

13、是在功率晶體管截止時(shí)才導(dǎo)通的.故稱(chēng)此電路為反激型電路.圖2-2-1單端反激型開(kāi)關(guān)電源主回路2.2.2多端式變換器多端式變換器的主要回路最根本的有以下三種：推挽、半橋、全橋.如圖2-2-3所b.半橋式式開(kāi)關(guān)電源主回路C.全橋式開(kāi)關(guān)電源主回路圖2-2-3(a.b.c)三種多端式變換器這里以全橋變換器說(shuō)明它的功率變換原理：全橋式開(kāi)關(guān)電源變換器的原理圖如圖2-2-3C所示,VT1、VT4與VT2VT3由基極鼓勵(lì)驅(qū)動(dòng)而輪流通斷,從而將直流電壓Vi變換成高頻矩形波交流電壓,然后通過(guò)Dl、D2整流,L、C2濾波后給負(fù)載提供穩(wěn)定的直流電壓.四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管組成橋的四臂,橋的一對(duì)交點(diǎn)輸入直流電壓,另一對(duì)交點(diǎn)接高頻

14、變壓器原邊繞組.VT1和VT4由一組開(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng),VT1和VT4導(dǎo)通時(shí)電流方向?qū)υ吚@組是又上向下.過(guò)半個(gè)周期,VT1和VT4截止,VT2和VT3在另一組驅(qū)動(dòng)信號(hào)下導(dǎo)通,導(dǎo)通電流由電源Vi正端經(jīng)VT3,原邊繞組由下向上,VT2流向電源負(fù)端.兩對(duì)開(kāi)關(guān)管是輪流導(dǎo)通,導(dǎo)通時(shí)繞組電壓近似等于Vi.每只開(kāi)關(guān)管均為并聯(lián)一只高速功率二極管,其鉗位作用以減小開(kāi)關(guān)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換為截止時(shí),變壓器產(chǎn)生的電壓尖峰,以保護(hù)開(kāi)關(guān)管不被擊穿.全橋式變換器的優(yōu)點(diǎn)是：主變壓器原邊繞組比推挽式少了一半,變壓器利用率提升；開(kāi)關(guān)管可用低耐壓(如400V)、大電流的功率管輸出功率大.DC-DCT分為PWM式、諧振式和它們的結(jié)合式.為保證

15、輸出電壓不隨輸入電壓和負(fù)載變化,諧振式主要靠調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率,屬于調(diào)頻系統(tǒng).PW邨開(kāi)關(guān)電源具有限制簡(jiǎn)單,穩(wěn)態(tài)直流增益,與負(fù)載無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)損失隨開(kāi)關(guān)頻率的提升而增加.調(diào)頻系統(tǒng)不如PWM開(kāi)關(guān)那樣易控,加上諧振電壓和電流峰值高,開(kāi)關(guān)應(yīng)力大.根據(jù)我們的設(shè)計(jì)要求,我們選用PWM|叫永寬調(diào)制型變換器2.3 限制電路限制電路是高頻開(kāi)關(guān)電源的很重要的局部,是電源系統(tǒng)可靠工作的保證,在圖2-3-1的原理框圖中,虛線(xiàn)框內(nèi)為限制局部電路.開(kāi)關(guān)電源的限制方式根本上都采用時(shí)間比率限制TRC方式.這種方式又大致分為三大類(lèi)：1、脈沖寬度調(diào)制簡(jiǎn)稱(chēng)PWM*式,它用調(diào)整脈沖寬度和限制占空比的方法來(lái)到達(dá)輸出電壓的穩(wěn)定.2、脈

16、沖頻率調(diào)制即PFM方式,它采用脈沖頻率來(lái)改變脈沖占空比來(lái)限制輸出電壓的穩(wěn)定.3、混合調(diào)制方式,即前二者兼而有之的方式,既限制脈沖寬度,又改變脈沖頻率,用綜合技術(shù)來(lái)改變脈沖占空比和脈沖周期來(lái)限制輸出電壓的穩(wěn)定.基準(zhǔn)電壓：芯片內(nèi)大局部電路由它供電,同時(shí),兼作誤差放大器的基準(zhǔn)電壓輸入.振蕩器：由恒流充電快速放電電路以及電壓比擬器組成,振蕩頻率由外接RCE件所決定,頻率f=1/RC.誤差放大器：將取樣電壓和基準(zhǔn)電壓比擬放大,送至脈寬調(diào)制電路輸入端.脈寬調(diào)制器：輸入為誤差放大器輸出.輸出分兩路,一路送給門(mén)電路,另一路送給振蕩器輸入端.門(mén)電路：門(mén)電路輸入分別受分頻器和脈寬調(diào)制器的輸入限制.分頻器：將振蕩器

17、的輸入分頻后輸出,限制門(mén)電路輸出脈沖的頻率.從總體上說(shuō),開(kāi)關(guān)電源的限制電路還包括過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)、均流限制等.高頻開(kāi)關(guān)電源主電路的設(shè)計(jì)3.1 PWM開(kāi)關(guān)變換器的設(shè)計(jì)我們知道PWMFF關(guān)變化器按工作方式可分為：?jiǎn)味朔醇ぷ儞Q器、單端正激變換器、推挽式變換器、半橋式變換器、全橋式變換器.其中3、4、5統(tǒng)稱(chēng)為多端變換器,在以上的各種變換器中,通過(guò)第一章第二節(jié)的介紹,我們可知,全橋式變壓隔離器開(kāi)關(guān)承受最小的開(kāi)關(guān)電壓和最小的開(kāi)關(guān)電流根據(jù)我們所設(shè)計(jì)的高頻開(kāi)關(guān)電源的實(shí)際情況,輸出功率較大22OM5A,工作頻率較高100KHZ,我們選用全橋隔離式PW喳換器.這種線(xiàn)路的優(yōu)點(diǎn)：1、主變壓器只需要一個(gè)原邊繞組,通過(guò)正、

18、反向的電壓得到正、反向磁通,副邊繞組采用全橋全波整流輸出.因此,變壓器鐵芯和繞組最正確利用,使效率、功率密度得到提升.2、功率開(kāi)關(guān)在非常平安的情況下運(yùn)作.在一般情況下,最大的反向電壓不會(huì)超過(guò)電源電壓Vs,四個(gè)能量恢復(fù)再生二極管能消除一局部由漏感產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓.這樣,無(wú)需設(shè)置能量恢復(fù)繞組,反激能量便得到恢復(fù)利用.缺點(diǎn)：1、需要功率元件較多；在導(dǎo)通回路上,至少有兩個(gè)管壓降,因此功率損耗也比雙晶體管推挽式變換器大一倍.但是在高壓離線(xiàn)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)中,這些損耗還是可以接受的.另外,能量恢復(fù)再生方式,由于四個(gè)二極管,因此,損耗略有增加.2、值得注意的是,全橋變換器易發(fā)生橋臂直流短路及變壓器原邊偏磁飽和,其可靠

19、性難以保證.但是,這種缺點(diǎn)我們將采取一定的舉措進(jìn)行預(yù)防.圖3-1-1MOSFET全橋式變換器整個(gè)變換器的電路如圖4-1-1所示.圖中每個(gè)MOSFET均并聯(lián)有組容吸收回路R、C作為緩沖器,在MOSFE瞬間斷開(kāi)時(shí),緩沖器元件RC將通過(guò)提供交流通道減少功率管斷開(kāi)時(shí)的集電極電壓應(yīng)力.作為后級(jí)整流的二極管選用德國(guó)IXYS公司的DSIE30-10A.3.2 變換器工作原理在圖4-1-1中,P1、P4和P2、P3分別構(gòu)成全橋的兩臂,我們?cè)O(shè)定P1、P4由驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1驅(qū)動(dòng),其中,Pl是驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1通過(guò)變壓器隔離后驅(qū)動(dòng)的；P2、P3由驅(qū)動(dòng)信號(hào)S2驅(qū)動(dòng),其中,P2是驅(qū)動(dòng)信號(hào)S2通過(guò)變壓器隔離后驅(qū)動(dòng)的；驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1、

20、S2是由PWM&號(hào)限制器UC3825產(chǎn)生的,它們是一對(duì)互補(bǔ)的、占空比都不超過(guò)50%的信號(hào),也就是說(shuō),同一時(shí)間,不可能出現(xiàn)兩個(gè)信號(hào)同時(shí)為高電平的情況.當(dāng)Sl信號(hào)來(lái)時(shí),Pl和P4導(dǎo)通,電流經(jīng)過(guò)Pl進(jìn)入變壓器原邊,再經(jīng)P4形成回路；當(dāng)S2信號(hào)來(lái)時(shí),P2和P3導(dǎo)通,電流經(jīng)過(guò)P2進(jìn)入變壓器原邊,再經(jīng)P3形成回路,但是電壓的極性與Sl驅(qū)動(dòng)的相反.這樣,直流電壓K經(jīng)過(guò)變換器變換以后,得到的為一高頻變化的交流電壓,完成了從DC到AC的變換.具體的波形見(jiàn)圖4-1-2.vtS1圖3-2-1開(kāi)關(guān)變換器工作波形圖3.3 變換器中的開(kāi)關(guān)原件及其驅(qū)動(dòng)電路3.3.1 開(kāi)關(guān)器件前面已經(jīng)介紹了高頻變換器的分類(lèi)和原理,根據(jù)它們的

21、優(yōu)缺點(diǎn)及課題設(shè)計(jì)的要求,功率變換局部選擇由4只MOSFET構(gòu)成的全橋變換器,每一個(gè)MOSFE管源極與漏極間的電容和電阻用于吸收MOSFET通斷時(shí)所產(chǎn)生的尖脈沖,保護(hù)MOSFET管.根據(jù)設(shè)計(jì)要求,4只MOSFE助率管選用功率管SSH11N90可替換元件為IRFPE5QIRFPE522SK6842SK1032由于全橋式變換器需要兩路獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路,所以電路較復(fù)雜,每路驅(qū)動(dòng)信號(hào)選用PWM空制集成芯片輸出限制.限制電路和主電路要通過(guò)變壓器隔離.3.3.2 MOSFET的驅(qū)動(dòng)由上所知,功率MOSFET作頻率可以到達(dá)很高,但是,當(dāng)功率MOSFET作在高頻時(shí),就會(huì)出現(xiàn)振蕩.為了預(yù)防振蕩,應(yīng)注意兩點(diǎn)：1 、盡

22、可能減少功率MOSFET端點(diǎn)的連線(xiàn)長(zhǎng)度,特別是柵極引線(xiàn).或者在靠近柵極處串聯(lián)一個(gè)小電阻以便抑制寄生振蕩；2 、由于功率MOSFET勺輸入阻抗高,驅(qū)動(dòng)電源的阻抗必須比擬低,以預(yù)防正反饋所引起的振蕩.功率MOSFET驅(qū)動(dòng)我們采用UC3825勺輸出直接驅(qū)動(dòng),在橋路的高電壓端采用變壓器隔離驅(qū)動(dòng).具體電路圖如圖4-1-5所示.圖中的隔離變壓器要求頻率響應(yīng)要好,能量的傳輸效率要高,磁芯一般采用鐵氧體,使得變壓器不容易出現(xiàn)磁飽和.由SS11N90的參數(shù)可知,MOSFET勺關(guān)斷時(shí)間與開(kāi)通時(shí)間比擬起來(lái),要大很多,所以,MOSFEF勺關(guān)斷比擬慢,這樣將導(dǎo)致同一橋臂上兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)圖3-3-1MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路

23、導(dǎo)通而造成短路的嚴(yán)重情況,特別是在頻率很高的時(shí)候.我們通過(guò)查閱資料和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在電阻R的兩端加上如圖3-3-5中的由二極管D和三極管T組成的電路,對(duì)于縮短MOSFE的截止時(shí)間很有效,從波形圖上看,下降沿沿明顯地陡峭了.電路中,D為預(yù)防三極管T雪崩擊穿的,T為PNPt,整個(gè)工作波形圖如圖3-5-6所示.圖3-5-6中,Vgs表示驅(qū)動(dòng)波形,其占空比小于50%,W表示未加快恢復(fù)電路的輸出波形,VO2表示加了快恢復(fù)電路的輸出波形,tdi表示VOl對(duì)應(yīng)的截止延遲時(shí)間,td2表示Vs對(duì)應(yīng)的截止延遲時(shí)間,由圖可以看出,tdi明顯地大于td2,實(shí)驗(yàn)證實(shí),MOSFETt的截止時(shí)間較長(zhǎng),驅(qū)動(dòng)電路需要加適宜的快恢復(fù)電

24、路,以預(yù)防兩路同時(shí)導(dǎo)通造成電路短路的情況的發(fā)生.圖3-3-2MOSFET的驅(qū)動(dòng)波形圖T驅(qū)動(dòng)侑號(hào)周期?喳關(guān)斷時(shí)間k*止M間Li,fltlt延iS3.4高頻變壓器的設(shè)計(jì)3.4.1 概述在前面的章節(jié)我們已經(jīng)分析了升壓和降壓等變換器,它們可以完成直流電壓的變換,但是,它們實(shí)際上存在著轉(zhuǎn)換功能上的局限性,例如,輸入輸出不隔離,輸入輸出電壓比或電流比不能過(guò)大以及無(wú)法實(shí)現(xiàn)多路輸出等.這些局限只能通過(guò)變壓隔離器來(lái)克服.高頻變壓器在電路中,主要起隔離和降壓的作用.理想的變壓隔離器有如下的特征：(1) 從輸入到輸出能夠通過(guò)所有的信號(hào)的頻率,即從理想的直流到不理想的直流都能變換；(2) 變換時(shí)可不考慮能量損耗；(3

25、)能使輸入輸出之間完全隔離；(4) 變換中,無(wú)論從原邊到副邊,或副邊到原邊,都是一樣方便有效.3.4.2 變壓器的設(shè)計(jì)步驟橋式變壓器的設(shè)計(jì)相比照擬容易,兩個(gè)半周期都用同一個(gè)原邊繞組,磁芯和繞組使用率都比擬高.為了減少磁化電流,最好原邊繞組匝數(shù)較多,電感量大,為此,選用高導(dǎo)磁率合金材料的磁芯是適宜的,而且磁芯不帶氣隙.具體設(shè)計(jì)步驟如下：1、選擇鐵芯型號(hào)根據(jù)輸出功率、效率求出輸入功率.我們?cè)O(shè)計(jì)的電源為220V、SA的直流電源,用于電力系統(tǒng)的直流操作電源系統(tǒng).輸出功率為：PO=220X5=1100W效率按90%+算,那么輸入功率：Pi=1100/0.9M200w又知工作頻率為100KHZ,所以由鐵芯

26、選才？圖可以選擇EE55/55/21磁芯.2、選擇最正確磁感應(yīng)強(qiáng)度變壓器設(shè)計(jì)為求有最正確效率,均從銅耗等于鐵耗出發(fā)的.對(duì)于每一個(gè)設(shè)計(jì)者,有一個(gè)最正確磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值Bopt,它依賴(lài)于工作頻率、鐵芯損耗,所加的電壓和原、副邊的匝數(shù)比等等.3、線(xiàn)圈匝數(shù)計(jì)算原邊線(xiàn)圈匝數(shù)：N=式中：VS-原邊線(xiàn)圈所加直流電壓,在有波動(dòng)時(shí)取小值V;Ton-最大導(dǎo)通時(shí)間us；B-總磁感應(yīng)強(qiáng)度增量T;Ae-磁芯有效面積mnm；4、副邊線(xiàn)圈匝數(shù)從3中確定每伏所需匝數(shù).輸出回路壓降大小加上輸出額定電壓Vo即為副邊電壓Vs.根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)可以確定副邊線(xiàn)圈的匝數(shù).對(duì)于高頻變壓器的設(shè)計(jì),常用的有兩種方法,第一種是先求出磁芯窗口面積Aw

27、與磁芯有效截面積Ae的乘積APAP=AAe,稱(chēng)磁芯面積乘積0根據(jù)Ap值,查表找出所需磁性材料的編號(hào),稱(chēng)為AP法：第二種是先求出幾何參數(shù),查表找出磁芯編號(hào),再進(jìn)行設(shè)計(jì),稱(chēng)為Kg法.3.4.3變壓器電磁干擾的抑制變壓器產(chǎn)生的瞬變干擾可能傳導(dǎo)和輻射到負(fù)載上,而且還返回到電源配電系統(tǒng).當(dāng)電源電壓通過(guò)零點(diǎn)改變極性時(shí),非線(xiàn)性磁滯回線(xiàn)特性使不同數(shù)量的剩余磁通殘留在變壓器鐵芯中.這種情況往往增加了剩磁通而使鐵芯飽和,因而導(dǎo)致了電流過(guò)流.磁化電流的瞬變,即傳導(dǎo)性電磁干擾,既影響到變壓器的次級(jí),而且也返回到配電系統(tǒng).對(duì)于變壓器所產(chǎn)生的傳導(dǎo)、輻射干擾,有如下的舉措：(l)選擇高導(dǎo)磁通的鐵芯材料,減少變壓器漏磁通：(

28、2)變壓器采取靜電屏蔽舉措：(3) 靜電屏蔽的目的是使變壓器初次級(jí)繞組間的電容減到最少,并且對(duì)共模噪聲提供一個(gè)低阻抗的對(duì)地通路：(4) 在變壓器的外圍中部做一短路環(huán),以抵消變壓器的漏磁通：(5)減小鐵芯中磁通密度將會(huì)使雜散磁場(chǎng)的幅度大約按磁通密度的平方而減小.這樣做雖然變壓器的體積增大了,但卻有利于減小電磁干擾和散熱,比屏蔽變壓器更為經(jīng)濟(jì)有效.3.5整流濾波電路3.5.1整流電路高頻電源系統(tǒng)還包括整流濾波局部,整流電路分為兩個(gè)局部：前級(jí)整流和后級(jí)整流.前級(jí)整流是指三相交流電經(jīng)濾波后需要整流變?yōu)橹绷饕院蟛拍茌斎氲介_(kāi)關(guān)變換器進(jìn)行頻率變換,完成DC-AC勺變換.前級(jí)整流局部的電路如圖3-5-1所示.

29、相交流圖3-5-1前級(jí)整流電路圖圖4-3-1中EMI表示防電磁干擾的環(huán)節(jié),選用EMI濾波器模塊來(lái)完成防電磁干擾的工作,Ui和廿是整流模塊,由于,U1和U的正極和正極相接,負(fù)極和負(fù)極相接,所以輸入局部有一個(gè)AC端懸空是不影響三相交流的全波整流的.三相交流輸入的是380V、50HZ的工頻交流電,經(jīng)過(guò)全波整流以后,電壓將有一定的上升,大約510V左右,這一點(diǎn)在以后局部中是值得注意的后級(jí)整流局部,是將高頻變壓器變壓后的高頻交流電進(jìn)行整流,這一局部比擬簡(jiǎn)單,根據(jù)我們?cè)O(shè)計(jì)的要求,選用了四只IXYS公司的DSEI30-10A功率二極管組成橋式全波整流即可完成工作.3.5.2濾波電路由于電源模塊工作于高頻狀態(tài)

30、,而我們又必須獲得無(wú)諧波的直流電壓,因此,相對(duì)于相控型整流器,開(kāi)關(guān)電源必須有更復(fù)雜的抑制干擾與濾除雜音的電路.共模與差模原理常被用來(lái)衰減及消除輸入諧波,并將濾波器件封裝在磁屏蔽盒內(nèi),并要可靠接地.布局上為輸入輸出隔離,輸出線(xiàn)用絞合線(xiàn)或平行配線(xiàn)短且粗.機(jī)架地線(xiàn)與信號(hào)線(xiàn)分設(shè).變壓器初次級(jí)或開(kāi)關(guān)管管腳之間配置高頻抑射元件.輸出濾波電容器用四端高頻電解電容器、疊層式無(wú)感電容器.降低噪聲經(jīng)常采用消除或抑制干擾源并同時(shí)隔斷干擾禍合途徑的方式.在高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源中,采用電源輸入濾波、工頻濾波、電源輸出濾波與抗輻射干擾等主要舉措來(lái)減少噪聲的傳遞與影響.1電源輸入濾波開(kāi)關(guān)電源的高速開(kāi)關(guān)瞬態(tài)往往會(huì)產(chǎn)生很

31、高的射頻分量,從而污染交流饋電線(xiàn)路,交流電源能傳遞電氣噪聲和電磁輻射,導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源中的瞬變?cè)佥椛浜蛡鬟f到其它負(fù)載.電源輸入濾波主要由工頻低通濾波器和共模扼制元件組成,封閉在磁屏蔽盒內(nèi)且可靠接地.電源輸入濾波又稱(chēng)電磁干擾EMI或射頻干擾RFI濾波器.在電源輸入濾波器中,通常用高頻旁路電容和共模扼流圈來(lái)衰減和吸收縱向共模噪聲,用常態(tài)濾波電感、常態(tài)濾波電容抑制差模常態(tài)噪聲.圖4-3-2為開(kāi)關(guān)電源實(shí)際使用的三相三級(jí)輸入濾波器.圖中,Ll、L2、L3常態(tài)濾波電感L4、LS-一共模扼流圈Cl、CZC3-一共模濾波電容C4Cg一常態(tài)濾波電容其中L4、L5共模扼流圈實(shí)際上是三線(xiàn)并繞的環(huán)形磁芯電感,繞制時(shí)適當(dāng)加

32、大匝間距離以減少分布電容提升高頻特性,其電感量不宜過(guò)大,一般為幾十微亨.常態(tài)濾波電容C4-Cg一般為0.01-0.luF的小電容.C1、C2、C3為共模電流提供低阻抗通路.在實(shí)際應(yīng)用中,我們采用圖3-5-1中EMI濾波模塊.(2)工頻濾波開(kāi)關(guān)電源中工頻濾波器接在工頻整流與開(kāi)關(guān)變換器之間,既能將脈動(dòng)電流變?yōu)槠交闹绷?還能抑制高頻干擾,尤其是開(kāi)關(guān)變換中產(chǎn)生的高頻干擾,圖3-5-3為開(kāi)關(guān)電源的工頻濾波器.圖3-5-3開(kāi)關(guān)電源工頻濾波器其中L1、C5C6濾除共模噪聲,C1、C2濾除差模噪聲,C1、C2、C5C6為小容量高頻電容器,L2、C3C4C7、C8為常態(tài)濾波元件,C3、C4為大容量電解電容,C

33、7、C8為小容量無(wú)感電容,用來(lái)補(bǔ)償大容量電解電容器的高頻性能,起高頻旁路作用,L2、C3C4組成低頻濾波器,其余電感電容組成高頻濾波器.(3)電源輸出濾波開(kāi)關(guān)電源在開(kāi)關(guān)變換器之后,還需要高頻變壓器進(jìn)行隔離降壓,而后經(jīng)過(guò)橋式整流后再接電源輸出濾波器,以得到高質(zhì)量的符合設(shè)計(jì)要求的直流電壓,所以電源的輸出濾波局部是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié).圖3-5-4所示為電源的輸出濾波器.其中C4為400V/220uF的電解電容,C1、C2C7、C8為小容量的無(wú)感電容,C3、C5C6為luF的無(wú)極性電容,L2為一個(gè)用于抑制共模信號(hào)的扼流圈.(4)濾波電容與濾波電感濾波電容、電感是組成濾波電路的重要器件,而電容、電感通常不

34、是理想的電容電感,實(shí)際上是一個(gè)RL、C的綜合器件圖3-5-6電感等效電路,匚_RI1R2圖3-5-5電容器的等效電路圖3-5-5中,電感L是由引線(xiàn)和電容器圈繞的結(jié)構(gòu)形成的：Rl為電容器等效用聯(lián)電阻,其值是電容器品質(zhì)因數(shù)的函數(shù)；R2為并聯(lián)泄漏電阻,是介質(zhì)材料電阻率的函數(shù).選擇電容器,考慮上述因素的同時(shí),電容器所工作的頻率也是一重要依據(jù).在電源輸入濾波器中,共模與常模濾波電容器用于抗高頻干擾,應(yīng)選用小容量高頻電容器.在工頻濾波器中,除了將工頻整流器輸出的脈動(dòng)電流變?yōu)槠交绷魍?對(duì)高頻干擾也起到抑制作用.在輸出濾波器中,電解電容通過(guò)的鋸齒波電流頻率一般達(dá)幾百KHz,濾波電容的容抗與工作頻率成反比：Xc=1/WC=1/2TtfC,即工