大功率直流開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展及國(guó)外現(xiàn)狀</p><p>　　開(kāi)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(dòng)了開(kāi)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源而將直流--直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。同時(shí)，開(kāi)關(guān)電源也在各種電子信息設(shè)備

2、中，如計(jì)算機(jī)、充電電源等得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　自1957年第一只可控硅(SCR)問(wèn)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(guó)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。&l

3、t;/p><p>　　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，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(duì)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(guó)羅耶(GH·Roger)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

4、轉(zhuǎn)換電路的開(kāi)始, 1957年美國(guó)查賽(JJ·Jen Sen)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(guó)科學(xué)家提出了取消工頻變壓器的串聯(lián)開(kāi)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。</p><p>　　隨著大功率硅晶體管的耐壓提高和二極管反向恢復(fù)時(shí)間的縮短等元器件性能的改善，1969年終于做成了25K

5、Hz的開(kāi)關(guān)電源。電源界把開(kāi)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(guò)幾年的努力，從開(kāi)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_(kāi)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(chǎng)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(guó)硅通用公司第一個(gè)做出了型號(hào)為SG15

6、24的脈寬調(diào)制(PWM, Pulse Width Modulation)控制芯片，極大地提高了開(kāi)關(guān)電源的可靠性，并進(jìn)一步減小了體積。</p><p>　　在隨后的幾年中，大功率晶體管(GTR)和功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)相繼被研制出來(lái)，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(lái)并投入了市場(chǎng)，各種通信設(shè)備所需的一次電源大多采取PWM

7、 集成控制芯片、雙極型晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、絕緣柵雙極晶體管。</p><p>　　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(kāi)發(fā)出了耐壓高的功率場(chǎng)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，低功耗的聚丙烯電容等。主要元器件技術(shù)性能的提高，為高頻開(kāi)關(guān)電源向大功率、高效率、高可靠性方向發(fā)

8、展奠定了良好基礎(chǔ)。</p><p>　　隨著通信用開(kāi)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(duì)開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)了相移脈寬調(diào)制零電壓開(kāi)關(guān)諧振變換器，這種電路克服了PWM方式硬

9、開(kāi)關(guān)造成的較大的開(kāi)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)。采用這種工作原理，大大減小了開(kāi)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(duì)分布參數(shù)的敏感性，拓寬了開(kāi)關(guān)器件的安全工作區(qū)，在一定程度上降低了對(duì)器件的要求，從而顯著提高了開(kāi)關(guān)電源的可靠性。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展及現(xiàn)狀</p>&

10、lt;p>　　建國(guó)初期，我國(guó)郵電部門(mén)的科研技術(shù)人員開(kāi)發(fā)了以國(guó)產(chǎn)大功率電動(dòng)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(guó)FGD系列和前蘇聯(lián)BCC51系列自動(dòng)化硒整流器基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，與工廠共同研制成功國(guó)產(chǎn)XZL系列自動(dòng)化硒整流器，并在武漢通信電源廠批量生產(chǎn)，開(kāi)始用硒整流器裝備通信局(站)，替換原有的電動(dòng)發(fā)電機(jī)組，這標(biāo)志著我國(guó)國(guó)產(chǎn)通信電源設(shè)備躍到一個(gè)新的水平。</p><p>　　但后來(lái)，我國(guó)的

11、通信電源發(fā)展相當(dāng)緩慢。1963年開(kāi)始研制和采用可控硅(SC R)整流器,1965年著手研制逆變器和晶體管直流—直流(DC/DC)變換器，當(dāng)時(shí)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比只落后五六年.后由于十年動(dòng)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(kāi)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(kāi)始生產(chǎn)20KHz DC/DC變換器，但由于受元器件性能的影響，質(zhì)量

12、很不穩(wěn)定，無(wú)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(duì)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(guó)大多數(shù)通信設(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，不易實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。</p><p>　　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

13、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(guó)際電信能源會(huì)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/5OA(開(kāi)關(guān)頻率為40KHz)和48V/100A(開(kāi)關(guān)頻率為20KHz)的高頻開(kāi)關(guān)電源，在吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，投入較大的力量，開(kāi)始研制自己的開(kāi)關(guān)電源。郵電部武漢電源廠、通信儀表廠等廠家開(kāi)發(fā)出了自己的以PWM方式工作的開(kāi)關(guān)電源,并推向電信行業(yè)應(yīng)用，取

14、得了較好的效果.隨后郵電部對(duì)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(kāi)發(fā)，推出了采用PWM技術(shù)的高頻開(kāi)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(mén)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(chǎng)效應(yīng)管、絕緣柵雙極晶體管的半橋或全橋電路，其開(kāi)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(kāi)關(guān)電源，電信

15、行業(yè)成套電源技術(shù)提高到了一個(gè)嶄新的水平。</p><p>　　總的說(shuō)來(lái)，開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)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。</p><p>　　第2章 系統(tǒng)的整體分析和選擇</p><p>　　本章從整體上對(duì)開(kāi)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(duì)

16、當(dāng)前開(kāi)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(kāi)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(duì)開(kāi)關(guān)電源整流濾波電路進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。</p><p>　　2.1 系統(tǒng)整體概述</p><p>　　按照各部分的功能劃分，從大的方面講，開(kāi)關(guān)電源可分成:機(jī)箱(或機(jī)殼)、電源主電路、電源控制電路三部分。

17、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(guò)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(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖可如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　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(kāi)發(fā)過(guò)程中必須對(duì)每一

18、部分都進(jìn)行認(rèn)真的分析和研究，才能使所研制的開(kāi)關(guān)電源滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　電源主電路通過(guò)輸入整流濾波、DC-DC變換、輸出整流濾波將市電轉(zhuǎn)為所需要的直流電壓。開(kāi)關(guān)電源的主回路可以分為:輸入整流濾波回路、功率開(kāi)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(guò)整流模塊變換成含有脈動(dòng)成分的直流電，然后通過(guò)輸入濾波電容使得脈動(dòng)直流電變?yōu)檩^平滑的直流電。功率開(kāi)關(guān)橋?qū)V波得到的直流電變換為高頻的方波電壓，通

19、過(guò)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。</p><p>　　控制電路是整個(gè)電源的大腦，它控制整個(gè)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(dòng)電路、電壓反饋控制電路、各種保護(hù)電路、輔助電源電路。</p><p>　　為了使開(kāi)關(guān)電源設(shè)備正常的工作，

20、使電源的各個(gè)組成部分都能發(fā)揮其最大的效能，就必須讓電源的各個(gè)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(guò)程中應(yīng)對(duì)這方面的問(wèn)題給予足夠的重視。</p><p>　　2.2 DC-DC變換器的選擇</p><p>　　DC-DC 變換器是開(kāi)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(duì)開(kāi)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

21、，使效率、功率密度等得到優(yōu)化；另一方面，功率開(kāi)關(guān)在較安全的情況下運(yùn)行，最大的反向電壓不會(huì)超過(guò)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(kāi)關(guān)導(dǎo)通的回路上，至少有兩個(gè)管的壓降，因此功率損耗也較大。由于三相整流橋提供的直流電壓較高，工作電流相對(duì)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(kāi)關(guān)式、諧振式以及移相式，下面分別簡(jiǎn)單介紹一下。</p><p>　　2.2.1 硬開(kāi)關(guān)式全橋變換器&

22、lt;/p><p>　　硬開(kāi)關(guān)PWM電路曾以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)PWM電路中，開(kāi)關(guān)管工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)器件在高電壓下導(dǎo)通，大電流下關(guān)斷，因此，在開(kāi)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(kāi)通時(shí)的du/dt和關(guān)斷時(shí)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(guò)把器件本身的開(kāi)關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路中而使器件得到保護(hù)的，

23、因此這部分能量最終還是被消耗了，系統(tǒng)總的損耗沒(méi)有減少。并且頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗越大，使系統(tǒng)效率大大降低。另外，開(kāi)關(guān)器件在高頻下運(yùn)行時(shí)，器件本身的極間電容將成為-個(gè)重要參數(shù)。極間電容電壓轉(zhuǎn)換時(shí)的du/dt會(huì)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(huì)影響到設(shè)備的正常運(yùn)行。</p><p>　　圖2-2硬開(kāi)關(guān)式全橋變換器結(jié)構(gòu)</p>

24、<p>　　2.2.2 諧振式全橋變換器</p><p>　　硬開(kāi)關(guān)式電路在頻率不高時(shí)其缺點(diǎn)還不是很突出，隨著頻率的提高，開(kāi)關(guān)損耗和電磁干擾將變成一個(gè)十分嚴(yán)重的問(wèn)題，為了解決這一問(wèn)題，有人提出了諧振式軟開(kāi)關(guān)的概念。諧振式軟開(kāi)關(guān)和硬開(kāi)關(guān)相比，主要是增加了兩個(gè)附加元件--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(kāi)關(guān)器件在正弦波的零電壓或零電流處開(kāi)通或關(guān)斷。諧振變換電路有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但其基

25、本組成部分還是通過(guò)開(kāi)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?lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)器件的零電壓或零電流動(dòng)作。其基本電路結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。</p><p><b>　　零電流開(kāi)關(guān)</b></p><p><b>　　零電壓開(kāi)關(guān)</b></p><p>　　圖2-3諧振電路的基本結(jié)構(gòu)圖</p>&l

26、t;p>　　圖2-3(a)為零電流(Zero-Current-Switching)開(kāi)關(guān)，它是通過(guò)電感Lr和開(kāi)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(lái)激勵(lì)的，利用Lr和Cr諧振形成開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通期間的正弦波電流波形，電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)即將開(kāi)關(guān)S關(guān)斷。零電流開(kāi)關(guān)對(duì)于具有存儲(chǔ)效應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件更加有效，如GTR、IGBT。</p><p>　　圖2-3(b)為零電壓(Zero-Voltage-Switching)

27、開(kāi)關(guān)，它是通過(guò)電感Lr和開(kāi)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(lái)激勵(lì)的，利用Lr和Cr諧振形成開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷期間的正弦波電流波形，電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)即將開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通。</p><p>　　只要將圖中2-2中的硬開(kāi)關(guān)換成諧振式軟開(kāi)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)系很大，對(duì)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(

28、PFM)，因此，高頻變壓器、電感等磁元件要按最低頻率設(shè)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(kāi)發(fā)能實(shí)現(xiàn)恒頻控制的軟開(kāi)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ZVS PWM變換技術(shù)。</p><p>　　2.2.3 移相式全橋變換器</p><p>　　近年來(lái)，移相控制

29、全橋變換器由于具有恒頻軟開(kāi)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(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間不變，同一橋臂兩只管子相位相差180度。對(duì)全橋變換器來(lái)說(shuō)，只有對(duì)角線上兩只開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，變換器才輸出功率，所以可通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)角線上的兩只開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通重合角的寬度來(lái)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

30、容或外加的附加電感電容的諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)零電壓或零電流的開(kāi)關(guān)換流。</p><p>　　本文根據(jù)實(shí)際技術(shù)要求開(kāi)發(fā)的開(kāi)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)。</p><p>　　2.3 控制電路的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　控制電路是開(kāi)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(dòng)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

31、無(wú)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(hào)不穩(wěn)定，或者出現(xiàn)誤觸發(fā)，有可能引起開(kāi)關(guān)橋的直通，導(dǎo)致短路，從而損壞開(kāi)關(guān)元件。</p><p>　　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)生電路、觸發(fā)電路、電壓反饋控制電路、軟啟動(dòng)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(dòng)電路等提供

32、的控制信號(hào)產(chǎn)生出所需的脈沖信號(hào)，然后該脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)觸發(fā)電路的放大后去驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)元件，使開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷。</p><p>　　圖2-4電源控制電路框圖</p><p>　　電壓反饋控制電路通過(guò)檢測(cè)電壓的大小，對(duì)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(hào)，反饋控制電路將誤差信號(hào)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

33、達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。</p><p>　　控制電路輸出的PWM信號(hào)，電平幅值和功率能力均不足以驅(qū)動(dòng)大功率開(kāi)關(guān)元件，因此選擇合適的驅(qū)動(dòng)電路是必須的。驅(qū)動(dòng)電路是將控制電路輸出PWM脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)電隔離后進(jìn)行功率放大和電壓調(diào)整再去驅(qū)動(dòng)大功率開(kāi)關(guān)管，由于所提供的脈沖幅度以及波形關(guān)系到開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)過(guò)程，直接影響到損耗，所以，應(yīng)該合理設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的最佳開(kāi)通與關(guān)斷。</p><p>　　電

34、源的輸出濾波電容較大，輸出電壓的突然建立將會(huì)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(kāi)關(guān)管的負(fù)擔(dān)過(guò)重而可能損壞，而且，由于持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，往往會(huì)引起過(guò)流保護(hù)電路發(fā)生誤動(dòng)作。若為了避免由此引起的誤動(dòng)作而將保護(hù)電路搞得非常遲鈍，這將會(huì)增加過(guò)流保護(hù)的不安全性。輸出電壓在合閘時(shí)容易出現(xiàn)過(guò)沖，這種過(guò)沖，合閘時(shí)可能發(fā)生，在關(guān)閉電源時(shí)也可能產(chǎn)生，只要達(dá)到足夠的幅度將會(huì)給負(fù)載造成損害，而且，反復(fù)的大電流沖擊對(duì)電容器本身也不利，同時(shí)還會(huì)引起干擾，

35、因此，開(kāi)關(guān)電源必須具備輸出電源軟啟動(dòng)的功能。軟啟動(dòng)電路在電源合閘和重新啟動(dòng)時(shí)提供一個(gè)逐漸上升的電壓信號(hào)給脈沖產(chǎn)生電路，從而使控制電路的輸出脈沖有一個(gè)逐漸建立的過(guò)程。</p><p>　　保護(hù)電路是控制電路的一個(gè)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(kāi)關(guān)電源電路的主要保護(hù)功能有:過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、溫度保護(hù)。過(guò)流保護(hù)和過(guò)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

36、護(hù)是為了電源本身而設(shè)置的。</p><p>　　輔助電源電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(kāi)關(guān)電源。輔助電源也可以通過(guò)高頻變壓器獲得輸出后反饋提供，輔助電源本身作為開(kāi)關(guān)電源的一組負(fù)載。選取輔助電源電路形式時(shí)，只要該電源能滿足控制電路的要求即可。</p><p>　　2.4 整流濾波回路的選擇</p><p>

37、　　整流濾波回路是開(kāi)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(kāi)關(guān)電源中分別存在輸入和輸出整流濾波回路。</p><p>　　2.4.1 輸入整流濾波回路</p><p>　　本課題研究的電源額定工作狀態(tài)的技術(shù)要求為:輸出電壓220V，輸出電流5A，輸出功率為1.1kw，屬于大功率電源。為了保持三相交流電源的對(duì)稱性和減小電源的輸入濾波電容等原因，大功率電源一般采用三相電

38、源作為供電電源。因此，本文試驗(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。</p><p>　　2.4.2 輸出整流濾波回路</p><p>　　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(chǎng)合，還可以使變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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

39、濾波電路一般可采用一級(jí)濾波也可采用兩級(jí)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(dòng)直流中的交流成分，得到平滑的直流輸出。在開(kāi)關(guān)電源中通常采用一級(jí)LC濾波電路，當(dāng)要求輸出紋波很小時(shí)，也可以采用兩級(jí)LC濾波電路。</p><p>　　第3章 開(kāi)關(guān)電源主電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　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)大功率直流開(kāi)關(guān)電源的要求對(duì)主電路各部分進(jìn)行性能分

40、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(gè)獨(dú)立模塊，最后組裝成開(kāi)關(guān)電源的主電路。</p><p>　　3.1 開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)要求</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的大功率直流開(kāi)關(guān)電源主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)的高頻開(kāi)關(guān)電源，確定技術(shù)指標(biāo)如下:</p><p>　　1. 輸入電壓: 380V20%</p><p>　　2. 電網(wǎng)頻率:

41、 50Hz10%</p><p>　　3. 功率因數(shù): >0.93</p><p>　　4. 輸入過(guò)壓告警: 437V5V</p><p>　　5. 輸入欠壓告警: 320V5V</p><p>　　6. 輸出標(biāo)稱電壓: 220VDC</p><p>　　7. 輸出電壓范圍: 176-286VDC</p&g

42、t;<p>　　8. 輸出紋波電壓: 10mV</p><p>　　9. 輸出額定電流: 5A</p><p>　　10. 輸出過(guò)壓保護(hù): 325V5V</p><p>　　11. 輸出欠壓保護(hù): 195V5V</p><p>　　12. 便于生產(chǎn)和維護(hù)</p><p>　　在本課題研究的過(guò)程中，主要對(duì)大

43、功率開(kāi)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(dòng)和保護(hù)控制等部分。下面就對(duì)電源主電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。</p><p>　　3.2 主電路組成框圖</p><p>　　根據(jù)需要設(shè)計(jì)大功率開(kāi)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(kāi)關(guān)直流

44、開(kāi)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(kāi)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(cè)電路、控制和保護(hù)單元、監(jiān)控單元和輔助電源。</p><p>　　圖3-1 直流開(kāi)關(guān)電源的主電路框圖</p><p>　　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

45、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(gè)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.</p><p>　　3.2.1 輸入整流濾波電路</p><p>　　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(kāi)關(guān)產(chǎn)生的電壓電流尖峰和毛刺，減小電源內(nèi)部對(duì)電

46、網(wǎng)的干擾，同時(shí)又能減小其他用電設(shè)備通過(guò)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(kāi)電流導(dǎo)通時(shí)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(gè)電解電容，兩個(gè)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。</p><p>　　圖3-2 電源主電路結(jié)構(gòu)</p><p

47、>　　3.2.2 單相逆變橋</p><p>　　單相逆變橋采用IGBT，以滿足高壓、高功率的要求。無(wú)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(cè)原邊電流作保護(hù)用。</p><p>

48、;　　3.2.3 輸出整流濾波電路</p><p>　　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(，)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。</p><p>　　3.3 輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)</p><p>　　該電源的輸入整流濾波電路同一般大功率PWM

49、型開(kāi)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。</p><p><b>　　3.3.1 整流橋</b></p><p>　　工作頻率為50Hz，輸入為三相交流電壓380V，采用三相整流橋。</p><p>　　(1) 整流橋的耐壓:</p><p><b>　　考慮最大輸入電壓&l

50、t;/b></p><p>　　=×1.2=380×1.2=456V</p><p>　　整流二極管的峰值電壓為</p><p>　　×=380×(1＋20%)×=640V</p><p>　　取50%的裕量 640×(1+50%)=960V</p><p&

51、gt;　　根據(jù)整流橋的實(shí)際電壓等級(jí)，我們選擇整流橋的耐壓為1200V</p><p>　　(2) 整流橋的額定電流</p><p>　　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(shí)的數(shù)值。</p><p>　　在此，我們按一般開(kāi)關(guān)電源的效率取值，取效率為80%</p><p><b>　　電源的輸入功率:</b>

52、</p><p>　　P= =220×5/0.8=1375W</p><p>　　因最大輸入電流是在交流輸入電壓下限時(shí)，所以，</p><p>　　=380V×80%=304V,</p><p><b>　　最大輸入線電流: </b></p><p><b>　　==

53、=2.61A</b></p><p>　　取整流橋的額定電流為10A 。</p><p>　　3.3.2 輸入整流電容</p><p>　　輸入電容器Cm決定于輸出保持時(shí)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(shí)輸入三相橋式整流電路的輸出平均電壓:</p>

54、<p><b>　　E==Ea</b></p><p>　　其中Ea為交流輸入線電壓。</p><p><b>　　簡(jiǎn)易公式</b></p><p>　　E= 1.35×380×(1－20%)= 410V</p><p>　　通過(guò)直流輸入電路的平均電流，為:</

55、p><p><b>　　===3.35A</b></p><p>　　計(jì)算單相全波整流電路濾波電容的經(jīng)驗(yàn)公式為:</p><p>　　Cm=400～600</p><p>　　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)算三相電路濾波電路的公式為:</p><p>　　Cm=133～200&

56、lt;/p><p><b>　　所以，</b></p><p>　　Cm= 200×3.35= 670uF</p><p>　　根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在實(shí)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。</p><p>　　3.3.3 輸入濾波電感</p><p

57、>　　電感中最大電流為交流輸入電壓下限時(shí)通過(guò)直流輸入電路的平均電流=3.35A</p><p>　　理論上輸入濾波電感越大，電流脈動(dòng)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(jì)算，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。</p><p>　　3.4

58、逆變電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.4.1 功率轉(zhuǎn)換電路的選擇</p><p>　　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.</p><p>　　3.4.2 確定電路工作頻率f</p><p>　　考慮到開(kāi)關(guān)管的參數(shù)、控制電路及主電路的特性等因素，選取開(kāi)關(guān)橋的工作頻率為30KHz。</p><

59、;p>　　3.4.3 高頻變壓器的計(jì)算</p><p>　　(1) 選擇工作磁通密度B</p><p>　　磁芯選用MX0-200鐵氧體材料。選取工作磁通密度B=900GS.</p><p>　　(2) 計(jì)算磁芯規(guī)格并計(jì)算原變繞組匝數(shù)</p><p>　　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。</p><

60、;p>　　磁芯規(guī)格:D×d×h= 120×60×20 mm</p><p>　　D為環(huán)形磁芯的外直徑</p><p>　　d為環(huán)形磁芯的內(nèi)直徑</p><p><b>　　h為環(huán)形磁芯的厚度</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)高頻變壓器的總結(jié)公式:</p>&

61、lt;p><b>　　= ×100</b></p><p>　　在公式中，應(yīng)取最大值。電路工作頻率為30KHz，T=33.4uS，為導(dǎo)通時(shí)間，根據(jù)計(jì)算的占空比，我們暫取11uS，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(shí)的三相整流濾波輸出值:</p><p>　　380×(1+ 20%)×=640V。</p>

62、<p><b>　　為磁芯截面積:</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　所以，計(jì)算所得高頻變壓器原邊繞組匝數(shù)為:</p><p><b>　　取整數(shù)為65T。</b></p><p>　　(3) 計(jì)算副邊繞組匝數(shù)</p>

63、<p>　　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)載之間傳輸線的壓降(取壓降<0.3V)，因此，該電源的最高輸出電壓為:</p><p>　　=325+0.3=325.3V</p><p>　　輸出整流二極管的壓降取2V:</p><p>　　濾波電感的壓降取0.6V；</p><p>　　我們暫取開(kāi)關(guān)

64、橋的最大占空比=0.66；</p><p>　　因此，最高輸出電壓、額定負(fù)載時(shí)高頻變壓器副邊繞組最低電壓幅值為:</p><p>　　= (325.3+2+0.6)/0.66 = 496.8V</p><p><b>　　因此，根據(jù)公式:</b></p><p><b>　　=</b></p&

65、gt;<p><b>　　其中，</b></p><p>　　= 380×(1-20%)×1.35=410V</p><p>　　得到副邊繞組匝數(shù)為:</p><p><b>　　=</b></p><p>　　因此，變壓器副邊繞組的匝數(shù)應(yīng)取整數(shù)79T。</p

66、><p>　　原邊繞組必須重新修正，為</p><p>　　所以，變壓器原邊繞組的匝數(shù)還應(yīng)取整數(shù)65T。</p><p>　　(4) 計(jì)算實(shí)際占空比</p><p>　　在輸入電壓最低，輸出電壓最高時(shí)有最大占空比</p><p>　　= 380×(1-20%)×1.35=410V</p>

67、<p>　　=×/= 79×410/65= 498V</p><p><b>　　=</b></p><p>　　在輸入電壓最高，輸出電壓最低的時(shí)候有最小占空比</p><p>　　=×/= 79×640/65= 777V</p><p><b>　　設(shè)此時(shí)+=

68、 1V</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　相應(yīng)的導(dǎo)通脈寬:</b></p><p>　　T/2=0.658×33.4/2=10.98uS</p><p>　　T/2=0.252×33.4/2=4.2uS</p>

69、<p>　　(5) 選擇繞組導(dǎo)線線徑</p><p>　　取負(fù)載電流為額定負(fù)載電流的105%，則流過(guò)輸出電感的電流平均值為5×120% =5.25A，流過(guò)副邊繞組的電流幅值即為流過(guò)電感的電流幅值，即為</p><p>　　=5.25A/=5.25/0.658=7.98A</p><p>　　其平均值 = 5.25A</p><

70、p>　　其有效值 = 5.25A</p><p>　　考慮到存在集膚效應(yīng)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，3OKHz時(shí)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/mm，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。</p><p>　　原邊繞組流過(guò)的電流

71、為雙向電流，其寬度為，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(lì)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</p><p>　　=×/= 79×5.25/65= 6.1A</p><p>　　設(shè)勵(lì)磁電流幅值為折算副邊電流幅值的8%，即:</p><p>　　= 0.08×= 0.08×5.

72、25= 0.42A</p><p>　　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。</p><p><b>　　的平均值為</b></p><p>　　=/2= 0.42/2= 0.21A</p><p>　　因此，原邊繞組等效矩形波電流幅值為</p><p>　　= += 5.25

73、+0.21= 5.46A</p><p><b>　　其有效值為:</b></p><p>　　==5.46×=4.43A</p><p>　　原邊線徑仍取0.31mm，電流密度J=3A/mm，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。</

74、p><p>　　(6) 校核窗口面積</p><p>　　120×60×20磁芯窗口面積為:</p><p><b>　　= =2826mm</b></p><p>　　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)稱面積為:</p><p>

75、;<b>　　=</b></p><p>　　副邊繞組占有的標(biāo)稱面積為:</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　占空系統(tǒng)為:</b></p><p>　　= (+)/= (195+140)/2826= 0.12</p><p&g

76、t;　　可見(jiàn)窗口面積綽綽有余。</p><p>　　(7) 校核繞組壓降及功耗</p><p>　　120×60×20磁環(huán)的高度為2cm，徑向厚度為3cm，設(shè)副邊繞組平均匝長(zhǎng)為15cm，由相關(guān)文獻(xiàn)查得0.31mm導(dǎo)線的銅心截面積為0.07548 mm，所以其截面積為:</p><p>　　= 23×0.07548= 1.736 mm&l

77、t;/p><p><b>　　單個(gè)繞組的電阻為</b></p><p>　　==O.O168×(15×0.01)×79/1.736=0.11</p><p>　　純銅在25℃時(shí)的電阻率為0.0168 mm/m</p><p>　　式中(15×0.01)是把厘米換算成公式需要的米度量單位

78、.</p><p><b>　　副邊繞組的功耗為:</b></p><p>　　== 5.25×0.11=3.03W</p><p>　　設(shè)原邊繞組的平均匝長(zhǎng)約為12cm，由相關(guān)文獻(xiàn)查得0.31mm導(dǎo)線的銅心截面積為0.07548 mm，所以其截面積為:</p><p>　　= 20×0.07548=

79、 1.51mm</p><p><b>　　其中，電阻為；</b></p><p>　　==0.0168×12×0.01×65/1.51=0.08</p><p><b>　　原邊繞組的功耗為:</b></p><p>　　== 4.43×0.658×

80、;0.08=1.03W</p><p>　　變壓器得到繞組的總損耗:</p><p>　　= += 3.03+1.03= 4.06W</p><p>　　3.4.4 選用高壓開(kāi)關(guān)管</p><p><b>　　(1) 耐壓</b></p><p>　　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(kāi)關(guān)

81、管上施加的最高電壓為=E，對(duì)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:</p><p><b>　　= =640V</b></p><p>　　考慮各種因素的影響取50%的裕量640×(l+50%)=960V</p><p><b>　　(2) 開(kāi)關(guān)電流</b></p><p>　

82、　在一些參數(shù)尚不知道的情況下，我們需要估算開(kāi)關(guān)管的電流，以便選擇開(kāi)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)際占空比為0.658，為0.252。</p><p>　　輸入整流濾波電路的最大輸出電流平均值:</p><p><b>　　===3.3A</b></p><p>　　此時(shí)，= 0.658</p><

83、p>　　峰值電流為3.3/0.658= 5.09A</p><p>　　輸入整流濾波電路的最小輸出電流值:</p><p><b>　　===2.23A</b></p><p><b>　　此時(shí)，=0.252</b></p><p>　　峰值電流為2.32/0.252= 8.86A</p

84、><p>　　所以，開(kāi)關(guān)管估算最大電流值為8.86A</p><p>　　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(kāi)關(guān)管，其耐壓為1200V，電流容許值為60A。</p><p>　　3.4.5 隔直電容的選擇</p><p>　　在第二章中，我們對(duì)主電路的工作模式進(jìn)行了分析，對(duì)電路的重要參數(shù)之間的

85、關(guān)系進(jìn)行了推導(dǎo)，得出了如下關(guān)系式:</p><p>　　△T = 4 * * /DT</p><p>　　其中: △T為初級(jí)電流下降的時(shí)間；</p><p><b>　　為變壓器的漏感；</b></p><p><b>　　為占空比；</b></p><p>　　變壓器的漏感

86、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?cè)O(shè)定電路的工作頻率為30KHz，計(jì)算得到的最大占空比=0.658，并且我們假設(shè)初級(jí)電流下降的時(shí)間為4uS，所以</p><p><b>　　= =4.7uF</b></p><p>　　3.5 輸出整流濾波電路</p><p>　　輸出整流濾波電路是通過(guò)快恢復(fù)整流二極管的整流和

87、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(duì)輸出整流電路的各部分進(jìn)行一下分析與計(jì)算。</p><p>　　3.5.1 輸出整流二極管</p><p>　　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。</p><p>　

88、　(1) 輸出整流二極管的耐壓</p><p>　　高頻變壓器副邊的輸出最高電壓峰值為:</p><p>　　=×=380×(1+20%)××=783.6V</p><p>　　所以加在輸出整流二極管上最高的反壓為783.6V</p><p>　　(2) 輸出整流二極管的電流</p>&l

89、t;p>　　輸出整流二極管流出的電流即為流過(guò)輸出濾波電感的電流，所以其有效值為5.25A。</p><p>　　根據(jù)以上分析，同時(shí)考慮一定的裕量，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。</p><p>　　3.5.2 輸出濾波電感</p><p>　　根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的公式可以得到:L﹥</p><p

90、>　　選為額定負(fù)載電流的5%，即= 5×5% =0.25A</p><p>　　T=1/=1/30×10=33.3uS</p><p>　　=(*T)/2=4.2uS</p><p><b>　　= 783.6V</b></p><p>　　此時(shí)的電感電流增量不得大于2，所以</p>

91、<p>　　L===4.94×10H</p><p>　　所以選取濾波電感為4.94×10H</p><p>　　3.5.3 輸出濾波電容</p><p>　　(1) 根據(jù)輸出紋波電壓來(lái)計(jì)算濾波電容的大小:</p><p>　　C===11.66×10F</p><p>　　

92、(2) 根據(jù)輸出電壓動(dòng)態(tài)幅度來(lái)求出濾波電容的大小</p><p><b>　　C=</b></p><p>　　其中，為輸出電流的最大值取5A，Vp為電源從滿載突變到空載時(shí)輸出電壓的上沖幅度，取該值為22lV</p><p>　　因此，輸出濾波電容為:</p><p><b>　　C==334uF</b&

93、gt;</p><p>　　取以上兩者最大值，并考慮一定裕量，最后取C= 5OOuF</p><p>　　第4章 控制電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 PWM集成控制器的基本原理</p><p>　　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

94、，除了穩(wěn)定輸出電壓外，還有以下優(yōu)點(diǎn):</p><p>　　1. 當(dāng)流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流達(dá)到給定值時(shí)，開(kāi)關(guān)自動(dòng)關(guān)斷；</p><p>　　2. 自動(dòng)消除工頻輸入電壓經(jīng)整流后的紋波電壓，并開(kāi)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；</p><p>　　3. 多臺(tái)開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)工作時(shí)，PWM開(kāi)關(guān)控制器具有內(nèi)在的均流能力；</p>&

95、lt;p>　　4. 具有更快的負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng):</p><p>　　圖4-1脈寬調(diào)制集成控制器的框圖及其波形圖</p><p>　　常用的脈寬調(diào)制(PWM)型集成控制器如圖4-1所示的幾個(gè)部分組成?；鶞?zhǔn)電壓和采樣反饋信號(hào)通過(guò)誤差放大器比較放大后，輸出的差值信號(hào)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(gè)輸出端，而多數(shù)控制器都設(shè)有用觸發(fā)器和“與”門(mén)電路

96、組成的相位分離器，用它來(lái)將單-脈沖變換成交替變化的二路脈沖輸出，用于供驅(qū)動(dòng)推挽和橋式變換器中的功率開(kāi)關(guān)管，此時(shí)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(lái)去驅(qū)動(dòng)單端變換器或串聯(lián)調(diào)整型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中的功率開(kāi)關(guān)管，此時(shí)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率就等于控制器內(nèi)部鋸齒波振蕩器的頻率。</p><p>　　4.2 高速脈寬調(diào)制器UC3825</p><p>

97、;　　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。</p><p>　　4.2.1 主要特點(diǎn):</p><p>　　適用于電壓型或電流型開(kāi)關(guān)電源電路；</p><p>　　實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)1MHz；</p><p>　　輸出脈沖最大傳輸延遲時(shí)間為50ns；<

98、/p><p>　　具有兩路大電流推拉式輸出(峰值電流為2A)；</p><p>　　內(nèi)有寬頻帶誤差信號(hào)放大器；</p><p>　　具有較高的頻率精度并可對(duì)死區(qū)進(jìn)行控制，同時(shí)振蕩器放電電流也可調(diào)；</p><p>　　帶有雙重抑制脈沖和全封閉邏輯；</p><p><b>　　具有軟啟動(dòng)控制；</b>

99、</p><p>　　內(nèi)有逐脈沖限流比較器；</p><p>　　具有全周期再啟動(dòng)的封鎖式過(guò)流比較器；</p><p>　　啟動(dòng)電流很小--(典型值為10OmA):</p><p>　　欠壓鎖定--16V∕1OV(B型)</p><p>　　在欠壓鎖定期間，輸出低電平；</p><p>　　可調(diào)

100、整的帶隙基準(zhǔn)電壓；</p><p>　　可調(diào)的上升沿封鎖閥值，可調(diào)低上升沿噪音。</p><p>　　4.2.2 極限參數(shù):</p><p>　　電源電壓(15，B腳) 22V</p><p>　　輸出腳電流(流出或流入) (11，14腳)</p><p>　　直流

101、 0.5A</p><p>　　脈沖(0.5ms) 2.2A</p><p>　　地線(12腳) -0.2V</p><p><b>　　模擬輸入</b></p><p>　　(l，2，7腳)

102、 -0.3～-7V</p><p>　　(9，8腳) -0.3～-6V</p><p>　　時(shí)鐘輸出電流(4腳) -5mA</p><p>　　誤差放大器輸出電流(3腳) 5mA</p><p>　　軟啟動(dòng)電流(8腳)

103、 20mA</p><p>　　震蕩器充電電流(5腳) -5mA</p><p>　　功耗(溫度60℃) 1W</p><p>　　儲(chǔ)存溫度范圍 -65～-150℃</p><p>　　焊接溫度(焊接時(shí)間為10s) 3

104、00℃</p><p>　　(注:所有電壓均以地線電壓為基準(zhǔn)；流入管腳的電流為正值。)</p><p>　　4.2.3 內(nèi)部電路工作原理</p><p>　　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(guò)流比較器、基準(zhǔn)電壓源、故障鎖存器、軟啟動(dòng)電路、欠壓鎖定、PWM鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)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。&

105、lt;/p><p>　　圖4-2 UC3825內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　(1) 振蕩器</b></p><p><b>　　圖4-3振蕩電路</b></p><p>　　振蕩電路如圖4-3所示。UC3823A、B和UC3825A、B內(nèi)部都有一個(gè)鋸齒波振蕩器。鋸齒波上升沿的斜率由、決定，

106、確定、的方法是:首先根據(jù)要求的最大占空比、選擇，再根據(jù)要求的頻率以及和選擇。計(jì)算公式為: </p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　的最佳阻值應(yīng)為1～10k之間，應(yīng)大于70%。</p><p>　　在實(shí)際的應(yīng)用中，選為6.65k，選為2nf

107、，工作頻率為2OOKHZ。</p><p><b>　　(2) 上升沿封鎖</b></p><p>　　圖4-4上升沿封鎖工作波形</p><p>　　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(gè)輸出端可同時(shí)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%～1

108、00%內(nèi)調(diào)整。UC3825A、B的兩個(gè)輸出端交替輸出脈沖，因此，每個(gè)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10OKHZ，輸出脈沖占空比在O%～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(shí)，由于功率管截止時(shí)間的問(wèn)題，使得橋臂容易短路，這在以后的部分將詳細(xì)介紹。</p><p>　　為了限制最大占空比，在

109、振蕩電容放電期間，內(nèi)部時(shí)鐘脈沖對(duì)兩路輸出進(jìn)行封鎖。在時(shí)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(guò)流比較器聯(lián)合控制。</p><p>　　通常，脈寬調(diào)制比較器檢測(cè)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(shí)間內(nèi)，脈寬調(diào)制比較器不起作用。這樣，開(kāi)關(guān)電源的固有噪聲就能被有效的抑制。同時(shí)，由于采用了輸出脈沖上升沿

110、封鎖，脈寬調(diào)制器的斜坡輸入就不需要再經(jīng)過(guò)濾波。</p><p>　　為了調(diào)整上升沿封鎖時(shí)間，CLK/LEB腳應(yīng)接入電容C，這樣，輸出脈沖前沿封鎖時(shí)間就由電容C和內(nèi)部1Ok電阻確定的放電時(shí)間來(lái)決定。</p><p>　　為了更準(zhǔn)確控制前沿封鎖時(shí)間，可在外部并聯(lián)一個(gè)2k(2%)電阻R。</p><p>　　前沿封鎖時(shí)間可由下式計(jì)算:</p><p&g

111、t;　　=0.5×(R//10k)×C</p><p>　　式中，外接電阻R不能小于2k。</p><p>　　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(I LIM)腳的電壓超過(guò)1V，輸出脈沖就終止。但是，過(guò)流比較器不能采用前沿封鎖。這樣，才不會(huì)因?yàn)榍把胤怄i而延長(zhǎng)保護(hù)時(shí)間，從而可以及時(shí)捕捉過(guò)流故障。在任何時(shí)間，只要限流(I LIM)腳的電壓超過(guò)1.2V，故

112、障封鎖就起作用，從而使輸出端變?yōu)榈碗娖?。為此，在限?I LIM)腳需接入噪音濾波電容器。</p><p>　　(3) 欠壓鎖定、軟啟動(dòng)以及故障處理</p><p>　　圖4-5軟啟動(dòng)和故障處理波形</p><p>　　軟啟動(dòng)和故障處理波形如圖4-5所示。軟啟動(dòng)是通過(guò)軟啟動(dòng)(SOFT,START)腳的外接電容實(shí)現(xiàn)的。接通電源后，軟啟動(dòng)腳外接電容放電，該腳處于低電平，

113、誤差放大器輸出低電平，開(kāi)關(guān)電源無(wú)輸出電壓。當(dāng)9uA的內(nèi)部電流源給軟啟動(dòng)腳外接電容充電時(shí)，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(kāi)始工作，開(kāi)關(guān)電源輸出電壓逐漸升高到額定值。</p><p>　　一旦限流(I LIM)腳的電平超過(guò)1.2V，故障鎖存器置位，輸出腳變?yōu)榈碗娖?；同時(shí)，軟啟動(dòng)腳外接電容以250uA的電流放電。在軟啟動(dòng)電容放完電后，限流腳電平降到1.2V以下時(shí)，故障鎖存器就不輸出脈沖。這時(shí)，故障鎖存器復(fù)

114、位，芯片開(kāi)始軟啟動(dòng)過(guò)程。</p><p>　　在軟啟動(dòng)期間，萬(wàn)一故障鎖存器置位，輸出會(huì)立即中止。但是軟啟動(dòng)腳外接電容在充足電之前不會(huì)放電。這樣，在故障連續(xù)出現(xiàn)的情況下，輸出就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)間斷期。</p><p>　　(4) 大電流輸出電路</p><p>　　圖4-6功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路如圖4

115、-6所示。UC3825推拉式輸出電路的每個(gè)輸出端都可輸出峰值為2A的電流。該輸出電流在20ns內(nèi)可使1000pF電容兩端的電壓上升15V。采用獨(dú)立的集電極電源和功率地線PGND腳，能夠減小大功率門(mén)極驅(qū)動(dòng)噪聲對(duì)集成電路內(nèi)模擬電路的干擾。每個(gè)輸出端(OUT)到和PGND之間，都應(yīng)加入一只3A的肖特基二極管(IN5120, USD245或相同性能的器件)，如圖4-6所示。該二極管可將輸出電壓的幅值鉗位在電源電壓，這對(duì)任何電感性和電容性負(fù)載都是

116、必要的。</p><p>　　4.3 UC3825的調(diào)試</p><p>　　UC3825是控制電路的核心，通過(guò)前面的介紹，我們知道，這種PWM集成控制器集成了很多的功能，以前需要用分立單元完成的功能，現(xiàn)在都可以通過(guò)UC3825來(lái)完成，它的-般用法如圖5-7所示。</p><p>　　圖4-7 UC3825的工作電路</p><p>　　圖

117、4-7中，為參考電壓，在我們?cè)O(shè)計(jì)的電路中的用途是供給線性光耦合器控制部分的電壓； 和用來(lái)調(diào)節(jié)PWM的最大占空比和振蕩頻率；輸入是從端口2進(jìn)入，OutA和OutB是PWM信號(hào)的輸出端口，信號(hào)的幅值由端口13的決定。OutA和OutB輸出的兩個(gè)PWM信號(hào)是相互之間有死區(qū)時(shí)間的互補(bǔ)信號(hào)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們測(cè)得端口2的數(shù)值范圍為:0.945V～2.132V，根據(jù)系統(tǒng)的具體情況，最大占空比我們?cè)O(shè)計(jì)為=40%，因?yàn)楣β蔒OSFET的截止時(shí)間比導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)，