【正文】 本設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題和進(jìn)一步工作設(shè)想 .................................................................... 32 高頻開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展展望 ........................................................................................ 32 致謝 .................................................................................................................................... 34 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................... 35 附錄 A .............................................................................................................................. 36 附錄 B ............................................................................................................................... 39 附錄 C ............................................................................................................................... 40 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一章 緒論 高頻開(kāi)關(guān)電源的誕生 在開(kāi)關(guān)電源的誕生以前，人們主要采取的是開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器式直流穩(wěn)壓電源和線性調(diào)節(jié)器式直流穩(wěn)壓電源，這類直流電源有只能降壓不能升壓、體積大、功耗大、散熱難等缺點(diǎn)，又由于其輸出和輸入之間有公共端，需要外 加電路來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的隔離等等，這都不適應(yīng)電路小型化的趨勢(shì)。 十九世紀(jì)六十年代年， NEC 發(fā)表了兩篇具有指導(dǎo)性的文章：一篇為 “用高頻技術(shù)使AC 變 DC 電源小型化 ”，另一篇為 “脈沖調(diào)制用于電源小型化 ”。這兩篇文章為直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展提供了方向。到了七十年代，美國(guó)摩托羅拉公司發(fā)表了一篇題為： “觸發(fā)起20kHz 的革命 ”由此正式揭開(kāi)了高頻開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展序幕，高頻化使得電源不但減小體積更重要的是減小了功耗，節(jié)約了大量的能源。在高頻開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展過(guò)程中先后出現(xiàn)的典型轉(zhuǎn)換器有： Buck 轉(zhuǎn)換器、 Boost 轉(zhuǎn)換器、 BuckBoost 轉(zhuǎn)換器、 Zeta 轉(zhuǎn)換器、 Cuk轉(zhuǎn)換器、 SEPIC 轉(zhuǎn)換器，其后又有正激式（ Forward）轉(zhuǎn)換器、反激式（ Flyback）轉(zhuǎn)換器、推挽式（ PushPull）轉(zhuǎn)換器、半橋式（ HalfBridge）轉(zhuǎn)換器、全橋式（ FullBridge）轉(zhuǎn)換器、雙管正激式（ Switchces Forward）轉(zhuǎn)換器等等。 高頻開(kāi)關(guān)電源的分類 現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源有直流開(kāi)關(guān)電源和交流開(kāi)關(guān)電源兩種類型。本文要介紹的只是直流開(kāi)關(guān)電源，其功能是將市電（粗電）轉(zhuǎn)換成精度要求較高的電壓以滿足各種設(shè)備對(duì)電壓的要求。 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是 直流開(kāi)關(guān)電源的核心，也正因?yàn)槿绱?，大多?shù)直流開(kāi)關(guān)電源是根據(jù) DC/DC 轉(zhuǎn)換器而進(jìn)行分類的。 直流 DC/DC 轉(zhuǎn)換器按輸入與輸出之間是否有電隔離可為兩類：其一是隔離式DC/DC 轉(zhuǎn)換器，其二是非隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。 隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器也可以按有源功率器件的轉(zhuǎn)換器個(gè)數(shù)來(lái)分類。單管的 DC/DC轉(zhuǎn)換器有正激式（ Forward）和反激式（ Flyback）兩種，本文重點(diǎn)研究單管正激式（ Forward）。雙管 DC/DC 轉(zhuǎn)換器有雙管正激式（ Doubel Transistor Forward Converter）、雙管反激 式（ DoubleTransistorFlyback Converter）、推挽式 (PushPull Converter)和半橋式（ HalfBridge Converter）四種。四管 DC/DC 轉(zhuǎn)換器就是全橋 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（ FullBridgeConverter）。 非隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器也可以按有源功率器件的個(gè)數(shù)分為單管、雙管和四管三類。單管 DC/DC 轉(zhuǎn)換器共有：降壓式（ Buck） DC/DC 轉(zhuǎn)換器，升壓式（ Boost） DC/DC 轉(zhuǎn)換器、升降壓式（ BuckBoost） DC/DC 轉(zhuǎn)換器、 Cuk DC/DC 轉(zhuǎn)換器、 Zeta DC/DC 轉(zhuǎn)換湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 器、 SEPIC DC/DC 轉(zhuǎn)換器。這幾種單管 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中， Buck 和 Boost 式是最基本的，BuckBoost、 Cuk、 Zeta、 SEPIC 式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器都是從中派生出來(lái)的。雙管轉(zhuǎn)換器有雙管串接的升壓式（ BuckBoost） DC/DC 轉(zhuǎn)換器。四管的則是全橋式（ FullBridge Converter） DC/DC 轉(zhuǎn)換器。 高頻開(kāi)關(guān)電源的研發(fā)現(xiàn)狀 目前市場(chǎng)上開(kāi)關(guān)電源中功率管大多采用的是雙極型晶體管，其開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到幾十千赫茲；而采用 MOSFET 的開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換頻率可以達(dá)到幾百千赫，想要提高開(kāi)關(guān)的頻率就必須采用快速開(kāi)關(guān)器件。對(duì)于兆赫以上的開(kāi)關(guān)電源可以利用諧振電路，這種工作方式被稱為諧振開(kāi)關(guān)方式。諧振開(kāi)關(guān)方式可以最大限度地提高開(kāi)關(guān)的速度，降低開(kāi)關(guān)管的損耗，其噪聲也很小，這是提高開(kāi)關(guān)工作頻率的一種方式。目前采用諧振開(kāi)關(guān)方式的研究已經(jīng)進(jìn)入到實(shí)用階段 [1]。 開(kāi)關(guān)電源電路器件 電力電子技術(shù)的進(jìn)步必須依靠新型的電力電子器件。功率場(chǎng)效應(yīng)管（ MOSFET）為單極性導(dǎo)電，大大地縮短了開(kāi)關(guān)時(shí)間，可以很容易達(dá)到 1MHz 的 頻率。制造半導(dǎo)體的材料從硅材料到砷化鎵、半導(dǎo)體金剛石、碳化硅， SiC 功率 MOSFET的導(dǎo)通壓降已經(jīng)降到了 1V 以下，關(guān)斷時(shí)間小于 10ns 。電壓達(dá) 300V 的 SiC 肖特基二極管的反向漏電壓小于 ，而反向恢復(fù)時(shí)間也幾乎降低到了零。新型平面變壓器近幾年的發(fā)展也有效地推動(dòng)了開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展，它具有能量密度高、體積 小、頻率高、漏感低、電磁干擾低等優(yōu)點(diǎn)。 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)與高頻化 [2] 20 世紀(jì)中葉開(kāi)始得到發(fā)展和應(yīng)用的 PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器技術(shù)，是一種硬開(kāi)關(guān)技術(shù)。硬開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)開(kāi)關(guān)上的電壓和電流都不為零，開(kāi)關(guān)在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中，電壓和電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交疊區(qū)產(chǎn)生損耗，被稱為開(kāi)關(guān)損耗。轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)的頻率成正比，開(kāi)關(guān)頻率越高，總的損耗越大，這不但降低了轉(zhuǎn)換器的效率，也浪費(fèi)了大量的能量。這種硬開(kāi)關(guān)技術(shù)限制了轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率的提高，從而限制了轉(zhuǎn)換器的小型化和輕量化。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生了，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)就是指開(kāi)關(guān)上的電壓 電流都為零，或者其中一個(gè)為零的自然開(kāi)關(guān)過(guò)程。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中沒(méi)有電壓和電流的交疊，如零電壓開(kāi)關(guān)（ Zero Voltage Switching， ZVS）和零電流開(kāi)關(guān)（ Zero Current Switching， ZCS），有時(shí)也近似的把 ZVS 和 ZCS 叫做軟開(kāi)關(guān)。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是在不斷認(rèn)識(shí)與提高中得到發(fā)展的，在以高頻的促使下，以諧振技術(shù)和 PWM 技術(shù)為基礎(chǔ)的發(fā)展條件下提出來(lái)的，是使常規(guī) PWM 技術(shù)與諧振技術(shù)相結(jié)合，并吸收兩者的優(yōu)點(diǎn)，由此產(chǎn)生了軟開(kāi)關(guān) PWM 技術(shù)，目前此類技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外多種 PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器中得到廣泛 應(yīng)用。 PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)大致可以分為以下幾類 ： （ 1）全諧振轉(zhuǎn)換器，也被稱為諧振轉(zhuǎn)換器（ Resonant Converters）。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 （ 2）準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器（ QuasiResonant Converters ， QRCs）和多諧振轉(zhuǎn)換器（ MultiResonant Converters， MRCs）。 （ 3）零開(kāi)關(guān) PWM 轉(zhuǎn)換器（ Zero Switching PWM converter） （ 4）零轉(zhuǎn)換 PWM 轉(zhuǎn)換器（ Zero Transition Converters）。 高頻開(kāi)關(guān)電源的功率因素校 正 [3] 由于諧波電流對(duì)電網(wǎng)有極大的危害：（ 1）諧波的 “二次效應(yīng) ”，即電流流過(guò)線路阻抗而造成諧波降壓，反過(guò)來(lái)使電網(wǎng)波形發(fā)生畸變。（ 2）由諧波電流引起的電路故障，會(huì)損壞設(shè)備。（ 3）在三相四線制電路中，三次諧波與中性線中的電流同位，合成電流很大，可能超過(guò)相電流，可能導(dǎo)致中性線過(guò)熱，引起火災(zāi)導(dǎo)致電氣設(shè)備的損壞。（ 4）諧波電流對(duì)產(chǎn)生諧波電流的設(shè)備及同一系統(tǒng)中的其他電子設(shè)備產(chǎn)生極大的影響。因此，如何抑制諧波，提高功率因素已經(jīng)成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外電源界研究的重要課題。常用功率因素校正的方法有：多脈沖整流、無(wú)源濾波、有源功率因 素校正等。 電路集成和系統(tǒng)集成及封裝工藝 模塊化、集成化和智能化是開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向，各種專用功能芯片在近幾年內(nèi)發(fā)展迅速，如功率因素校正（ PFC）電路用的芯片，并聯(lián)均流控制芯片，電流反饋控制芯片。功率半導(dǎo)體器件件則把驅(qū)動(dòng)、控制、檢測(cè)、保護(hù)電路封裝在一個(gè)模塊中。電路集成則是朝系統(tǒng)集成化方向進(jìn)一步發(fā)展，近幾年已經(jīng)推出模塊化內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二代電源模塊，已達(dá)到全面微控化 和 高度集成化。第二代產(chǎn)品的變壓器也得到很大改良，采用了屏蔽式結(jié)構(gòu)和 鍍 銅磁芯，共模噪聲和寄生電容得到降低，變壓器的處理功率密度大幅提高。系統(tǒng)集成改變了現(xiàn)在 的半自動(dòng)化、半人工化的組裝工藝而達(dá)到完全自動(dòng)化生產(chǎn)，有利于成本的降低和這項(xiàng)技術(shù)的推廣。英特處理器的工作電壓，已經(jīng)降到了 1V 以下，處理速度也大幅提升，有關(guān)專家提出了將開(kāi)關(guān)電源和微處理器結(jié)合在一起的構(gòu)想，而英特公司也在努力促成此事，但這樣的開(kāi)關(guān)電源的大小就得與微處理器相近，但是如今的開(kāi)關(guān)電源仍然要比微處理器大幾十倍甚至更多，如何進(jìn)一步減小體積則是面臨的新問(wèn)題。 低壓大電流 DC/DC 變換技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài) 低壓大電流高功率 DC/DC 變換技術(shù)，已從前些年的 降至現(xiàn)在的 左右，電流目前已可達(dá)到幾十安到幾百安等，同時(shí)電源的輸出指標(biāo)，如紋波、精度、效率、欠沖、等技術(shù)指標(biāo)也得到進(jìn)一步的提高 [3] 。這一技術(shù)將 成為 今后一段時(shí)間內(nèi)電力電子界內(nèi)的熱點(diǎn)，它的研究?jī)?nèi)容非常廣泛，有負(fù)載大信號(hào)動(dòng)態(tài)問(wèn)題，有控制技術(shù)研究，有電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究等等。同時(shí)，低壓大電流 DC/DC變換技術(shù)也面臨著許多挑戰(zhàn)。 低壓大電流 DC/DC 變換技術(shù)的關(guān)鍵是尋找到合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)似的變壓器的副邊波形能直接驅(qū)動(dòng)代替二極管的同步整流 MOSFET，這樣既能保持簡(jiǎn)單性又能實(shí)現(xiàn)高效率。在低壓大電流輸出的電源中，副邊整流環(huán)節(jié)的損耗占整個(gè)損耗的極大部分。最好的肖特基二極管也有 正向壓降，將產(chǎn)生巨大的導(dǎo)通損耗，所以整流器件的唯一選擇是用同步整流 MOSFET，副邊的研究便主要集中在如何驅(qū)動(dòng)這些同步整流 MOSFET 上。一種辦法是采用外部控制電路，產(chǎn)生合適時(shí)序的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)這些同步整流 MOSFET，湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 簡(jiǎn)稱外驅(qū)動(dòng)技術(shù)；另一種辦法便是選擇拓?fù)?，直接用副邊波形?lái)驅(qū)動(dòng)這些同步整流MOSFET，這種技術(shù)被稱為自驅(qū)動(dòng)技術(shù)。目前 與 自驅(qū)動(dòng)同步整流技術(shù)相匹配的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只有兩種，一是有源鉗位正激變換器，二是互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)半橋電路。文獻(xiàn) [4]介紹了高頻開(kāi)關(guān)電源的 EMC 設(shè)計(jì)，包括輸入濾波器的 EMC 設(shè)計(jì)、高頻逆變電路的 EMC 設(shè)計(jì)、輸出整流電路的 EMC 設(shè)計(jì)和輸出直流濾波電路的 EMC 設(shè)計(jì)，為抑制高頻開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾提供了解決方案。高頻開(kāi)關(guān)電源電磁兼容預(yù)設(shè)計(jì)分析和研究 [5]針對(duì)開(kāi)關(guān)電源的電磁兼電源容問(wèn)題，系統(tǒng)地分析轉(zhuǎn)換器 EMI 的作用機(jī)理， 運(yùn)用專業(yè)軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，提出合適的電磁兼也容設(shè)計(jì)方法。 隨著各領(lǐng)域?qū)τ秒婋妷汉碗娏骶鹊牟粩嗵岣?，?duì)開(kāi)關(guān)電源的要求也愈來(lái)愈高。一個(gè)開(kāi)關(guān)電源的品質(zhì)除了電性能指標(biāo)外，還有看許多其他指標(biāo)，如環(huán)境溫度、外形尺寸、EMI 要求、抗震動(dòng)要求、可靠性指標(biāo)、集成度和美觀性等，總體來(lái)說(shuō)開(kāi)關(guān)電源的研發(fā)方向是高頻率、高 效率 、小體積。 課題研究的意義 本課題主要研究的是輸出電壓可調(diào)高頻開(kāi)關(guān)電源，目前開(kāi)關(guān)電源界的發(fā)展欣欣向榮，其頻率已達(dá)到百兆級(jí)，各類開(kāi)關(guān)電源的研發(fā)能滿足輸出電壓從低壓到高壓，輸出電流從小電流到大電流，紋波較小 的要求。但是對(duì)于輸出電壓可調(diào)的高頻開(kāi)關(guān)電源的研究不多，市場(chǎng)上的電壓可調(diào)開(kāi)關(guān)電源成品也很少，針對(duì)這個(gè)現(xiàn)象，本文在分析了各種高頻開(kāi)關(guān)電源的基礎(chǔ)上，主要著手中小功率電壓可調(diào)開(kāi)關(guān)電源的研發(fā)并充分考慮其經(jīng)濟(jì)性與總體性能，本論文設(shè)計(jì)的高頻開(kāi)關(guān)電源是基于單片機(jī)控制的，利用高頻脈寬調(diào)制技術(shù)（ PWM），主電路拓?fù)洳扇≌な诫娐?，?shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓可調(diào)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。 論文主要工作 本文詳細(xì)分析了單端正激式開(kāi)關(guān)電源的工作原理和使用