《开关电源设计论》word版

1、1 绪 论1.1 前言电力电子学是综合应用电工理论、电子技术及控制理论等，利用电力电子(功率半导体)器件控制或变换电能，以达到合理而高效率地使用能源。它是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。电力电子技术是近年来最活跃的研究领域之一。作为联系弱电与强电的纽带，电力电子技术提供了控制电功率流动与改变电能形态的有力手段，在小至数瓦，大至数千千瓦乃至数十兆瓦的范围内都得到了广泛应用。随着功率半导体制造技术、微电子技术、计算机技术，以及控制理论的不断进步，电力电子技术向着大功率、高频化及智能化方向发展，应用的领域将更加广阔。1.2国内外电源技术发展概况电力电子技术与装置的市场需求与日俱增，其中电源是电力电子技术的主要应用领域之一。随着微电子制造技术的进步，计算机、通信设备、家用电器得到飞速发展，这些设备内部往往需要采用直流稳压电源供电。很多关键的设备还需要不间断电源，以确保市电停电时设备仍能工作。近年来，随着电力电子技术的迅猛发展，新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件不断的出现并应用到开关电源，使开关电源达到了频率高、效率高、功率密度高、功率因数高、可靠性

2、高。因此，许多领域，例如邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等都越来越多的应用开关电源，并取得了显著效益。随着芯片集成度的不断提高，电子设备内功能部件的体积不断减小，因而要求设备内部电源的体积和重量不断减小。提高开关频率是减小开关电源体积和重量的基本措施，因为变压器和电感电容等滤波元件的体积和重量随频率的提高而减小。高频化、小型化、模块化和智能化是直流开关电源的发展方向。高频化是小型化和模块化的基础，目前开关频率为数百kHZ至数MHz的开关电源已有使用。功率重量比或功率体积比是表征电源小型化的重要指标，50w/in的开关电源早已上市，目前己向120W/in发展。模块化与小型化分不开，同时模块化可提高电源的可靠性，简化生产与使用。模块电源的并联串联和级联既便于用户使用，也便于生产。智能化是便于使用和维修的基础，无人值守的电源机房、航空和航天器电源系统等都要求高度智能化，以实现正常、故障应急和危急情况下对电源的自动管理。现代越来越复杂的电子设备对电源提出了各种各样的负载需求。一个特定用途的电源装置，应当具有符合负载要求的性能参数和外特性，这是基本的要求。安全可靠是必须

3、加以保证的。高效率、高功率因数、低噪音是普遍关注的品质。无电网污染、无电磁干扰、省电节能等绿色指标是全球范围的热门话题，并有相关的国际和国家标准规范进行约束。电源技术发展到今天，己融汇了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、算机、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华，已从多学科交叉的边缘学科成长为独树一帜的功率电子学。1.3 选题背景随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。传统的线性稳压电源具有稳定性能好、输出电压纹波小、使用可靠等优点，但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管的功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右。另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，很难满足现代电子设备发展的需要。开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳压电源，通过控制开关的占空比来调整输出电压。它以小

4、型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源形式。主要作为高功率脉冲电源的初级电源和大型军用设备的电源系统,也可以应用于大电流快速充放电系统和电子、通信、航天、医疗等各个领域,其中,几十几百千瓦的大、高功率开关电源主要应用于现代化工业、国防事业和大型科研项目中,具有非常广泛的应用前景。中国科学院电工所最近研制成功的“50kW/40kHz高压稳压电源”代表着国内高频大功率开关电源的先进技术水平。“200kW开关电源”的研究,标志着我国的高功率脉冲电源技术翻开了历史性的一页。 目前,国外的高功率开关电源研制技术较为成熟,并主要应用于工业和军事上。在粒子加速器、电磁发射、电磁推进、微波武器等脉冲功率技术应用的领域中,电源设备的平均功率通常在几百千瓦甚至几兆瓦以上,体积和重量只有国内的几十分之一,而且自动化程度非常高。 近年来,国内的小功率开关电源技术已日趋成熟,基本能够满足工业生产和军事发展的需要。 新型的高功率开关电源（平均功率200kW）具有体积小、重量轻、效率高、稳压范围宽等优势,而且具有

5、先进的自动控制技术。近年来，在高压大功率的应用场合，开关电源作为一种高效好型、高性能的电源己广泛用于家用电器、电子计算机、变频器等电子设备中。采用开关电源后，可以使相关装置体积小、重量轻、功耗低、稳压范围宽，大大地改善了装置的控制可靠性及保护性能。1.4 本课题要求及主要研究内容研究开关电源的实现方法，并按照设计指标要求进行电路的设计与仿真。具体要求如下： 分析、掌握该课题总体方案，广泛阅读相关技术资料，并提出自己的见解。 掌握开关电源的工作原理。 设计硬件系统并进行仿真，掌握系统调试方法，使系统达到设计要求。主要技术指标设计要求：直流输入电压：50330V；输出电压：+ 24V，士15V，+5V，20V方波高频电压；效率：80%2 系统的整体方案分析选择2.1 组合式开关电源的结构开关电源作为一种高效、轻型、高性能的电源已广泛用于家用电器、电子计算机、变频器等电子设备中。而在变频器中的广泛应用更显其本色。变频器的控制回路、驱动回路、保护回路、检测电路等需要十余种相互隔离的电源。采用开关电源后,可以使变频器体积小、重量轻、功耗低、稳压范围宽,大大地改善了装置的控制可靠性及保护性能。开关

6、电源的种类很多,不同容量等级的变频器采用不同形式的开关电源。根据我们研制的交流变频调速系统的特点,要求开关电源适应范围为50V330V,且在输入电压低至50V时仍然能输出满功率,显然常规的开关电源不具备这样宽的调节范围。为此,采用由斩波器和推挽式变换器组成的两级组合式开关电源作为装置的各种控制电源。由于采用了斩波器使开关电源在输入50V330V的变化范围内都能稳定输出中间直流电压,输出功率达500W以上。在得到稳定的中间电压基础上,用PWM(脉宽调制)调制技术加推挽放大得到装置所需的各种等级电源及驱动电路所需方波电源。如下图所示：图2.1 组合式开关电源原理示意图组合式开关电源原理示意图如图1所示。该电源主要由两级组成:第一级是降压斩波器,通过PWM控制V2管的开通和关断,使输入电压(取自主回路中间直流电压)在50V330V范围内能够输出稳定直流24V电压。该24V电源用于后一级变换器的输入以及交流变频调速装置的风扇和电机磁闸电源。第二级变换器实际上是将直流24V重新凋制,控制V3,V4交替导通和关断,把24V直流电压变换成高频交流电压,经高频变压器副边输出多组装置所需的各种电压和驱动

7、所需的方波电压。为了保证在送电初期电源能正常工作,特设置了初始电源产生电路。在斩波器稳定输出24V后,初始电源退出工作,由电源本身提供工作电源。注：图中所示的V2、V3、V4 指通用的开关管不一定是功率晶体管。电源控制回路采用UC系列集成电流控制芯片UC3842，UC3846作为控制芯片。可实现精确控制，提高电源的可靠性并可方便的实现保护电路的设计。开关电源的控制芯片在主回路与控制回路之间存在隔离问题,考虑到光耦合器速度较慢,且还需提供工作电源,故本电源用脉冲变压器实现主回路与控制回路之间的隔但使用脉冲变压器对斩波器斩波管V2的驱动会生一些问题。将在驱动电路部分分析解决。2.2 组合式开关电源的原理分析 斩波器电路开关电源斩波器电路原理图如图2.2所示,它的功能是将从主回路中间直流电压(50V330V)变成24V稳定直流电压输出。图2.2 第一级斩波电路原理图斩波器控制电路采用PWM集成电路UC3842,电阻Rt、电容Ct决定了斩波器的工作频率。R1,R2为反馈电阻,其值决定输出电压大小,UC3842的基准电源为5V,R5是电流反馈电阻,当负载电流超过限定值时,R5将此信号反馈回UC3

8、842,使其停止工作,起到过流保护的作用。从UC3842出来的控制信号加到互补管V1,V2上,通过脉冲变压器原边产生驱动信号,驱动斩波工作。脉冲变压器的原边截止时产生很大的尖峰脉冲电压,对V1,V2产生危害。为此加吸收电容,可以大大减小尖峰脉冲。图2.3是不加吸收电容和加吸收电容时的驱动波形。减小开关管的开关损耗是保证开关管正常工作的重要因素。为此必须充分减小开关管的导通、截止过渡过程时间。采取以上措施后,开关管的导通、截止过渡过程时间可以大大减小。脉冲变压器通过一个限流电阻和稳压二极管Dz驱动Q1，该驱动电路性能随着D的变化而不同。 不加电容驱动波形 加电容驱动波形图2.3 驱动波形图 推挽式变换器电路开关电源的推挽变换器电路如图2.4所示C1, R1, D1组成了RCD缓冲电路,D2，C2，R2 为了保护变压器的绕组，防止电感峰值。Rt, Ct决定了UC3846的振荡频率,亦即高频变压器的工作频率。Rr为电流检测电阻,使高频变压器副边稳定输出,不受负载等影响。在过载时使UC3846停止工作。UC3846发出控制信号驱动Q2、Q3两个mosfet管交替导通、截止,将输入24V直流电压

9、变成高频交流信号耦合到高频变压器的副边,经整流后得到所需的各等级电源,由于UC3846的输出电流足够大可以直接驱动开关管。图2.4 推挽式变换器电路原理图3电源主电路设计3.1 buck变换器 buck工作原理BUCK变换器又称降压变换器，它是一种对输入输出电压进行降压变换直流斩波器，即输出电压低于输入电压。其基本结构如图3.1所示。假定:(l)开关晶体管、二极管均是理想元件，也就是可以快速地“导通”和“截止”，而且导通压降为零，截止时漏电流为零;(2)电感、电容是理想元件，电感工作在线性区未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零;(3)输出电压中纹波电压与输出电压比值小到允许忽略。图3.1 Buck变换器电路工作过程：当主开关Tr导通，如图3.2所示，is=流过电感线圈L，电流线性增加在负载R上流过电流Io，两端输出电压Vo，极性上正下负。当is i。时，电容在充电状态。这时二极管D承受反向电压而截止。经时间D1Ts后，如图3.3所示主开关Tr截止，由于电感L中的磁场将改变L两端的电压极性，以保持其电流不变。负载两端电压仍是上正下负。在Io时，电容处在放电状态，以维持Io、Vo不变。这时二极管D，承受正向偏压为电流红构成通路，故称D为续流二极管。由于变换器输出电压Vo小于电源电压Vs，故称它为降压变换器。其工作图如下图3.2和图3.3所示: 图3.2 Tr导通 图3.3 Tr关断在一般的电路中是期望BUCK电路工作在连续导通模式下的，在一个完整的开关周期中，BUCK变换器的工作分为两段，其工作波形图为:图3.4BUCK在连续模式下的工作波形图 buck变换器的参数计算在BUCK变换器电路中给定输入电压Vs的范围、输出电压Vo、功率P输出电流I。、纹波电

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