【正文】 ........................................ 39 仿真軟件簡(jiǎn)介 ................................................................................................ 39 系統(tǒng)時(shí)域仿真 ................................................................................................ 40 時(shí)域仿真電路及其波形 ..................................................................... 40 時(shí)域仿真分析 ..................................................................................... 44 本章小結(jié) ........................................................................................................ 45 結(jié)論 .............................................................................................................................. 46 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 47 致謝 .............................................................................................................................. 50 附錄 ................................................................................................................................ 1 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 1 第 1 章 緒 論 開(kāi)關(guān)電源概述 隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，固態(tài)化靜止型功率變換電源已經(jīng)發(fā)展成為電力電子技術(shù)的三大應(yīng)用領(lǐng)域之一 (另兩個(gè)是“運(yùn)動(dòng)控制”和“電力品質(zhì)控制” )。其中，開(kāi)關(guān)類電源是技術(shù)含量較高的一大類產(chǎn)品。它們的功率不斷增大，已經(jīng)從幾十、上百瓦擴(kuò)展到數(shù)百千瓦，繼計(jì)算機(jī)、電視機(jī)中的應(yīng)用而成功地跨入程控交換機(jī)、移動(dòng)電話等通訊電源中，正在或即將為電鍍、電解 (化工電解和有色金屬電解 )行業(yè)提 供“開(kāi)關(guān)整流器”。體現(xiàn)了效率高、體積小、重量輕、效益好等許多優(yōu)點(diǎn)。四十多年來(lái)，隨著功率半導(dǎo)體器件品種的增加和性能的改善，以 DC/DC(直流 /直流 )變換器為代表的開(kāi)關(guān)電源主電路拓?fù)浣?jīng)歷了 “ 史前期 ” 、 “ 奠定期 ” 和 “ 成熟 期 ” 等幾個(gè)階段，演變成從理論到實(shí)踐都十分完備的獨(dú)立技術(shù)和獨(dú)立產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)生很大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。這是幾代人持續(xù)奮斗，許多人不斷貢獻(xiàn)所共同積累的結(jié)果。 如今， 廣泛 應(yīng)用于生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域 的 開(kāi)關(guān)電源 已具備以下幾個(gè)突出優(yōu)勢(shì) ： (1)效率高，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源調(diào)整開(kāi)關(guān)管 的 工作狀態(tài)，在截止期間，開(kāi)關(guān)管 內(nèi) 無(wú)電流 流經(jīng) ，因此不 消耗功率， 大大提高 了電能使用 效率，而傳統(tǒng) 使用 的調(diào)整串連型穩(wěn)壓電源的晶體管一直工作在放大區(qū)， 功耗大，效率 低 。 (2)開(kāi)關(guān)管在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，功率消耗小，不需要采用大 功率 散熱 裝置 。 這樣， 機(jī)內(nèi)溫升低， 元器件 不會(huì) 因?yàn)?長(zhǎng)期工作在高溫環(huán)境下而損壞，提高 了 整機(jī)的穩(wěn)定性 和可靠性 。 (3)穩(wěn)壓范圍 較 寬，適用于電網(wǎng)電壓波動(dòng) 較 大的地區(qū)。 (4)體積小 。開(kāi)關(guān)電源可 對(duì) 電網(wǎng)輸入的交流電直接進(jìn)行 整流，再 由 脈沖變壓器獲得各組 相異 的脈沖電壓，省去 了 笨重的工頻變壓器， 同時(shí) 節(jié)省了大量漆包線和硅鋼片， 大大縮小 了 電源的體積，減輕 了電源的重量 。 (5)安全 性高 。開(kāi) 關(guān) 電源 一般都具有自動(dòng)保護(hù) 功能 ，當(dāng)穩(wěn)壓電路、高壓電路 或 負(fù)載出現(xiàn)故障 時(shí)，能自動(dòng)切斷電源， 起 可靠 保護(hù)作用 。 本課題研究意義 依據(jù)開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展史及其應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)關(guān)電源的主電路拓?fù)淇煞譃閮深悾悍歉綦x型和隔離型。非隔離型是指在工作期間輸入源和輸出負(fù)載共用電流通路，具體有降壓、升壓、升降壓、 cuk、 Sepic和 Zeta型等。隔離型是指其能量的轉(zhuǎn)換常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2 依靠一個(gè)相互耦合的磁性元件 (變壓器 )來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而且從源到負(fù)載的耦合借助的是磁通而不是共同的電路，包括正激式、反激式、推挽式、半橋式、全橋式等。 由于非隔離式變換器工作時(shí) 占空比較小，利用率較低。與隔離式變換器相比，在相同頻率下工作時(shí)，流經(jīng)功率管的電流較大，開(kāi)關(guān)應(yīng)力較大，因此非隔離式變換器對(duì)元器件的損耗也較大。 因此，非隔離式變換器具有較大發(fā)展空間。 現(xiàn)代的一部分電子設(shè)備既要使用高壓直流電又需要 220V的額定交流電，對(duì)此采用的方法一般是 先 進(jìn)行 DC/AC逆變， 得到 220V交流電，需要高壓直流電時(shí)再 進(jìn)行 AC/DC整流 ，從而得到需要的直流電。但另一部分的設(shè)備不需要交流電 ，只需單純的直流電作為電源， 例如 安全防護(hù)報(bào)警裝置、消防報(bào)警裝置、事故照明等 。 此時(shí)，電源的設(shè)計(jì)就可以采取 繞過(guò) DC/AC逆變， 而直接進(jìn)行 DC/DC變換 的方案 。 現(xiàn)對(duì)兩種方案進(jìn)行比較， 從電源效率來(lái)看：使用逆變器的方案 ，電路需要經(jīng)過(guò)兩級(jí)變換，從而電能也要損耗兩次，電源的效率降低 ；而 DC/DC方案只要一級(jí)變換，損耗小 。 此外， 逆變器 方案元器件較多，體積龐大 ；而 DC/DC方案電路和驅(qū)動(dòng)都較為簡(jiǎn)單，重量輕，體積小 。 通過(guò)對(duì)比，在僅需直流電 供電 的 設(shè)備中，DC/DC供電方案有其明顯的優(yōu)勢(shì) 。 本課題實(shí)現(xiàn)的就是 12/264V的 DC/DC變換。 鑒于以上原因，本課題 具有較高的研究?jī)r(jià)值。 隔離式 DC/DC 變換拓?fù)淞信e (1)正激式變換器 如圖 所示 ， 輸入輸出電壓隔離 ， 易實(shí)現(xiàn)多路輸出 ，變壓器 原邊通過(guò)復(fù)位 電路 對(duì)磁芯進(jìn)行磁復(fù)位，將變壓器激磁時(shí)儲(chǔ)存的能量回饋到輸入端 。這種拓?fù)浯嬖诿黠@的不足：其一，變壓器鐵芯單向磁化，利用率低；其二，該電路主功率管需承受兩倍的輸入電壓，介于此原因，它只能應(yīng)用于低壓輸入電路。其三，實(shí)際運(yùn)用中，主功率管的占空比一般小于 ；最后，添加去磁繞組原理固然簡(jiǎn)單，但這樣做使變壓器的結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，制造工藝水平的高低將會(huì)對(duì)電路性能產(chǎn)生一定影響。 UiUS 圖 正激式變換器 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 3 (2)反激式變換器 如圖 ， 反激變換器的變壓器不同于一般電路的變壓器，它實(shí)際上為耦合電感，起著輸入輸出隔離并儲(chǔ)存能量的作用。反激式變換器電成本低，可靠性高，驅(qū)動(dòng) 簡(jiǎn)單。 有以下 缺 點(diǎn)：首先， 輸出功率受到變壓器儲(chǔ)能的限制，只能用于小功率和消費(fèi)電子設(shè)備。其次，實(shí)際 工程 中，輸出電壓脈動(dòng)比較大。最后，變換器的開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力與其最大工作占空比相關(guān)，最高能達(dá)到 3～ 4 倍的輸入電壓。 從輸出端看，反激式變換器是電流源，應(yīng)用時(shí)不能開(kāi)路。其電路形式相似于與正激式變換器，主功率管也要承受兩倍輸入電壓，占空比通常也小于 ，變 壓器的接法也不同。 U iUS 圖 反激式變換器 (3)推挽式變換器 如圖 ，推挽式變換器可以看成是兩個(gè)完全對(duì)稱的單端正激式變換器的組合，因此，在工作時(shí)變壓器鐵芯是雙向磁化的，在相同鐵芯尺寸下，推挽式電路能夠比正激式電路輸出更大功率。但就因其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，電路必須有良好的對(duì)稱性，否則容易引起直流偏磁飽和。其次，該設(shè)計(jì)下變壓器原邊會(huì)有漏感，因此主功率管會(huì)遇到很高的電壓尖峰，這就要求主功率管必須能承受大于兩倍電源電壓的壓力。 UiUS 圖 推挽式變換器 (4)半橋式變換器 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 如圖 ，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率器件少，且功率管只承受電源電壓，變壓器鐵芯不存在直流偏磁現(xiàn)象，變壓器只需一個(gè)原邊繞組，通過(guò)加正反向電壓得到正反向磁通，利用率高，在高壓中功率場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。 UiUS 圖 半橋式變換器 (5)全橋式變換器 如圖 ，功率管只要承受電源電壓，鐵芯利用率高，通常采用軟開(kāi)關(guān)工作方式，但缺點(diǎn)是功率器件較多，控制及驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜，存 在直通現(xiàn)象。因此經(jīng)常用于大功率場(chǎng)合。 UiUS 圖 全橋式變換器 反饋控制模式 分類 在開(kāi)關(guān)電源中，控制電路通過(guò)控制功率級(jí)開(kāi)關(guān)器件的占空比 D 來(lái)控制輸出電壓，在電感電流連續(xù)導(dǎo)電模式 (Continuous Conduction Mode， CCM)中 ， D =(開(kāi)通時(shí)間 ton)/(開(kāi)通時(shí)間 ton + 關(guān)斷時(shí)間 toff)。 按照占空比的實(shí)現(xiàn)方式，開(kāi)關(guān)電源的控制方式可以分為定頻控制和變頻控制。定頻控制，即通常所說(shuō)的脈寬調(diào)制 (Pules 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5 Width Modulation， PWM)技術(shù) ，其 開(kāi)關(guān)頻率恒定不變，通過(guò)調(diào)整一個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)開(kāi)通的寬度來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；變頻控制 (PFM)則有 :定開(kāi)通時(shí)間、定關(guān)斷時(shí)間、遲滯比較等幾種控制方式。 綜合考慮各方面因素，本課題選用 PWM 控制模式，下面是目前常用的 4 種PWM 控制模式。 (1)電壓控制模式 電壓模式控制如圖 ， 電壓模式控制電路采用脈寬調(diào)制，僅含一個(gè)電壓反饋閉環(huán)。電路將直流信號(hào)先經(jīng)過(guò)電壓誤差放大器放大，再將得到的慢變化信號(hào)與恒定平率的三角波上斜坡比較，得到最終的脈沖寬度。 S E TC L RSR觸 發(fā) 器驅(qū) 動(dòng)+振 蕩電 路CCRCCRF FCF Fto nU g U iU etd e a dRSQ 圖 電壓控制模式 (2)峰值電流控制模式 峰值電流模式，如圖 ，電路將誤差電壓信號(hào)送至比較器，與一個(gè)變化的其峰值代表電感電流峰值的三角狀波形信號(hào)比較，而不是與振蕩電路所產(chǎn)生的固定三角波電壓斜坡信號(hào)比較，從而確定 PWM 脈沖關(guān)斷時(shí)刻。此模式通過(guò)直接控制峰值輸出側(cè)的電感電流的大小，從而間接控制 PWM 的脈沖寬度。此外，峰值電流模式是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)：外環(huán)電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)電流環(huán)。電流內(nèi)環(huán)能對(duì)逐個(gè)脈沖做出迅速反應(yīng)。電路的功率級(jí)是一個(gè)由電流內(nèi)環(huán)控制的電流源，而此功率級(jí)的電流源受電 壓外環(huán)的控制。峰值電流模式帶寬比電壓模式大得多。 S E TC L RSR觸 發(fā) 器驅(qū) 動(dòng)+振 蕩電 路to nU gU etd e a dRSQ 斜 坡 補(bǔ)償 電 路ΣU eUΣU i 圖 峰值電流控制模式 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 (3)平均電流控制模式 平均電流模式控制 PWM 電路 ，如圖 ， 將誤差電壓接至電流誤差信號(hào)放大器的同相端。將帶有鋸齒紋波分量的電感電流信號(hào)接至電流誤差信號(hào)放大器的反相端。電流誤差信號(hào)放大器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)電流放大器放大后，得到平均電流跟蹤誤差信號(hào)。將此信號(hào)（下坡）與三角鋸齒波信號(hào)（上坡）比較，從而得到 PWM 關(guān)斷時(shí)刻。為了避免次諧波振蕩，必須注意平均電流跟蹤 誤差信號(hào)的上斜坡不能超過(guò)三角鋸齒波信號(hào)的上斜坡。 S E TC L RSR觸 發(fā) 器驅(qū) 動(dòng)+振 蕩電 路to nU gtd e a dRSQ Uc pU eR4C3C4c / a+RpRiRsUi 圖 平均電流控制模式 (4)滯環(huán)電流控制模式 滯環(huán)電流模式控制 模式，如圖 ， 將電感電流信號(hào)與兩個(gè)電壓值進(jìn)行比較，較大的控制電壓值 Vmax由輸出電壓與基準(zhǔn)電壓的差值經(jīng)放大器放大得到，它控制開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷時(shí)刻；較小的電壓值 Vmin由控制電壓 Vmax減去一個(gè)固定電壓值 ΔU得到， ΔU為滯環(huán)帶， Vmin控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)啟時(shí)刻。滯環(huán)電流模式是由輸出電壓值 Uo、控制電壓值 Vmax及 Vmin 三個(gè) 電壓值確定的一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，去除了發(fā)生次諧波振蕩的可能性。 S E TC L RSR觸 發(fā) 器驅(qū) 動(dòng)+RRRSQ Ug+U iUc hc / a恒 流 源CUc( Ue) 圖 滯環(huán)電流控制模式 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 本課題方案研究 功率電路選擇 根據(jù)本章 節(jié)的比較，綜合各方面因素，本文選擇交錯(cuò)并聯(lián)式雙管正激變換器作為研究對(duì)象。其電路拓?fù)淙鐖D 所示。 電路 采用兩條支路交替工作，一方面降低了開(kāi)關(guān)應(yīng)力，另一方面省去了復(fù)雜的磁復(fù)位電路，本身就能可靠的給變壓器復(fù)位。電路的每一條支路