【正文】 青島理工大學畢業(yè)設計摘 要開關電源具有效率高、體積小、重量輕等顯著特點。目前世界各國都有廣泛的應用，特別是對大容量高頻開關電源的研究和開發(fā)已成為當今電力電子學的主要研究領域，并派生了很多新的研究方向。本文的主要內容就是研制一種高性能、大功率直流開關電源。本文詳細分析了高性能、大功率直流開關電源的工作原理，并提出了主電路和控制電路的詳細設計方案。在此基礎上，完成了整個系統(tǒng)的硬件電路設計和軟件程序的編制，并對電源裝置的硬件和軟件進行了調試和修改。在分析原理的基礎上，本文從三相橋式不控整流、全橋變換器、高頻變壓器、濾波電路等環(huán)節(jié)對該系統(tǒng)的主電路進行了闡述，同時探討了該電源系統(tǒng)實現(xiàn)大功率的解決方案，即采用多個電源模塊并聯(lián)運行。本文還探討了多個電源模塊并聯(lián)運行時的自動均流技術，并詳細介紹了基于平均值的自動均流電路。在電壓調節(jié)環(huán)節(jié)上，詳細分析了基于UC3825控制芯片的PWM控制電路。本文研制的直流開關電源具有輸出電壓可調、輸出電流大、紋波小等特點，而且還具有換檔、遠程控制等功能。實驗結果表明它基本達到設計要求，從而驗證了理論分析的正確性，具有廣闊的應用前景。關鍵詞:DCDC變換器，開關電源，均流，高頻變壓器，PWM控制目 錄摘 要 IABSTRACT II第1章 緒論 1 開關電源的發(fā)展及國外現(xiàn)狀 1 國內開關電源的發(fā)展及現(xiàn)狀 2第2章 系統(tǒng)的整體分析和選擇 4 系統(tǒng)整體概述 4 DCDC變換器的選擇 5 硬開關式全橋變換器 5 諧振式全橋變換器 6 移相式全橋變換器 7 控制電路的實現(xiàn) 7 整流濾波回路的選擇 9 輸入整流濾波回路 9 輸出整流濾波回路 9第3章 開關電源主電路的設計 10 開關電源的設計要求 10 主電路組成框圖 10 輸入整流濾波電路 11 單相逆變橋 12 輸出整流濾波電路 12 輸入整流濾波電路設計 12 整流橋 12 輸入整流電容 13 輸入濾波電感 13 逆變電路的設計 14 功率轉換電路的選擇 14 確定電路工作頻率f 14 高頻變壓器的計算 14 選用高壓開關管 18 隔直電容的選擇 18 輸出整流濾波電路 19 輸出整流二極管 19 輸出濾波電感 19 輸出濾波電容 20第4章 控制電路的設計 21 PWM集成控制器的基本原理 21 高速脈寬調制器UC3825 22 主要特點: 22 極限參數(shù): 22 內部電路工作原理 23 UC3825的調試 27 反饋電路的設計 29 31 31 32 輔助電源 34 均流電路設計 36 概述 36 開關電源并聯(lián)系統(tǒng)常用的均流方法 36第5章 鉛酸蓄電池 39 蓄電池充電理論基礎 39 蓄電池的常規(guī)充電方法 39 恒壓充電方式 40 恒流充電方式 40 恒流恒壓充電方式 40 快速充電技術 41 脈沖式充電法 41 變電流間歇充電法 41 變電壓間歇充電法 42第6章 總結與展望 43致 謝 44參考文獻 45附錄 4647第1章 緒論 開關電源的發(fā)展及國外現(xiàn)狀開關電源在通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，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)展又極大地推動了開關電源的發(fā)展。在通信領域中，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，開關電源也在各種電子信息設備中，如計算機、充電電源等得到了廣泛的應用。自1957年第一只可控硅(SCR)問世后，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備的一次電源使用。在隨后的20年內，由于半導體工藝的進步，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，滿足了通信設備不斷發(fā)展的需要，因此，直到70年代，發(fā)達國家還一直將可控硅整流器作為大多數(shù)通信設備的一次電源使用。雖然可控硅整流器工作穩(wěn)定，能滿足通信設備的要求，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，并在隨后的幾年內對晶體管的質量和性能不斷完善提高后，人們就著力研究利用晶體管進行高頻變換的方案。1955年美國羅耶(GHRoger)發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，是實現(xiàn)高頻轉換電路的開始, 1957年美國查賽(JJJen Sen)又發(fā)明了自激式推挽雙變壓器變換器電路。在此基礎上，1964年，美國科學家提出了取消工頻變壓器的串聯(lián)開關電源的設想，并在NEC雜志上發(fā)表了“脈寬調制應用于電源小型化”等文章，為使電源實現(xiàn)體積和重量的大幅下降提供了一條根本途徑。隨著大功率硅晶體管的耐壓提高和二極管反向恢復時間的縮短等元器件性能的改善，1969年終于做成了25KHz的開關電源。電源界把開關電源的頻率提高到20KHz以上稱為電源技術的“20KHz革命”。經過幾年的努力，從開關電源的電路拓撲型式到相配套的元器件等研究都取得了相當大的進展。在電路拓撲型式上開發(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，以適應不同應用場合、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年美國硅通用公司第一個做出了型號為SG1524的脈寬調制(PWM, Pulse Width Modulation)控制芯片，極大地提高了開關電源的可靠性，并進一步減小了體積。在隨后的幾年中，大功率晶體管(GTR)和功率場效應管(MOSFET)相繼被研制出來，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)已研制出來并投入了市場，各種通信設備所需的一次電源大多采取PWM 集成控制芯片、雙極型晶體管、場效應管、絕緣柵雙極晶體管。隨著微電子學的發(fā)展和元器件生產技術的提高，相繼開發(fā)出了耐壓高的功率場效應管(VMOS管)和高電壓、大電流的絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)，具有軟恢復特性的大功率高頻整流管，各種用途的集成脈寬調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。主要元器件技術性能的提高，為高頻開關電源向大功率、高效率、高可靠性方向發(fā)展奠定了良好基礎。隨著通信用開關電源技術的廣泛應用和不斷深入，實際工作中人們對開關電源提出了更高的要求，提出了應用技術的高頻化、硬件結構的模塊化、軟件控制的數(shù)字化、產品性能的綠色化、新一代電源的技術含量大大提高，使之更加可靠、穩(wěn)定、高效、小型、安全。在高頻化方面，為提高開關頻率并克服一般的PWM和準諧振、多諧振變換器的缺點，又開發(fā)了相移脈寬調制零電壓開關諧振變換器，這種電路克服了PWM方式硬開關造成的較大的開關損耗的缺點，又實現(xiàn)了恒頻工作，克服了準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。采用這種工作原理，大大減小了開關管的損耗，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分布參數(shù)的敏感性，拓寬了開關器件的安全工作區(qū)，在一定程度上降低了對器件的要求，從而顯著提高了開關電源的可靠性。 國內開關電源的發(fā)展及現(xiàn)狀建國初期，我國郵電部門的科研技術人員開發(fā)了以國產大功率電動發(fā)電機組為主的成套設備作為通信電源。在引進原民主德國FGD系列和前蘇聯(lián)BCC51系列自動化硒整流器基礎上，借鑒國外先進技術，與工廠共同研制成功國產XZL系列自動化硒整流器，并在武漢通信電源廠批量生產，開始用硒整流器裝備通信局(站)，替換原有的電動發(fā)電機組，這標志著我國國產通信電源設備躍到一個新的水平。但后來，我國的通信電源發(fā)展相當緩慢。1963年開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，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始形成系列化生產，供通信設備作一次電源使用，并不斷得到改進，性能和質量逐步提高外，其它方面進展十分緩慢。一直到80年代才開始生產20KHz DC/DC變換器，但由于受元器件性能的影響，質量很不穩(wěn)定，無法作為通信設備的一次電源使用。只是作為通信設備的二次電源使用(二次電源對元器件的耐壓及電流要求較低)。直到上世紀90年代初，我國大多數(shù)通信設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、性能指標低，不易實現(xiàn)集中監(jiān)控。由于通信事業(yè)發(fā)展的需要，八十年代后期，郵電部加強了通信電源技術發(fā)展的各項工作，制訂了“通信基礎電源系統(tǒng)設備系列暫行規(guī)定”，“通信局(站)電源系統(tǒng)總技術要求”和電源設備行業(yè)標準等文件，多次派代表參加國際電信能源會議，并在八十年代后期才第一批引進了澳大利亞生產的48V/5OA(開關頻率為40KHz)和48V/100A(開關頻率為20KHz)的高頻開關電源，在吸收國外先進技術的基礎上，投入較大的力量，開始研制自己的開關電源。郵電部武漢電源廠、通信儀表廠等廠家開發(fā)出了自己的以PWM方式工作的開關電源,并推向電信行業(yè)應用，(包括遠程監(jiān)控)的要求，眾多廠家都投入力量研制開發(fā)，推出了采用PWM技術的高頻開關電源，有些廠家還推出了實現(xiàn)遠程監(jiān)控的解決方案，短短幾年后，電信部門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、功率場效應管、絕緣柵雙極晶體管的半橋或全橋電路，其開關頻率為幾十～100KHZ、效率高于90%、功率因數(shù)接近1。%,模塊化組合的高頻開關電源，電信行業(yè)成套電源技術提高到了一個嶄新的水平?？偟恼f來，開關電源的發(fā)展趨勢為: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。第2章 系統(tǒng)的整體分析和選擇本章從整體上對開關電源的各種功能模塊進行了介紹，主要闡述了各模塊的結構、功能以及相互之間的關系，其中重點介紹了主變換器和控制電路，對當前開關電源常用的變換器的結構、優(yōu)缺點、適用范圍等進行了分析，在此基礎上，結合本文的實際情況，選擇了合適的變換器結構；在控制電路部分，介紹了開關電源控制電路各控制單元的功能以及實現(xiàn)方法。最后對開關電源整流濾波電路進行了簡單介紹。 系統(tǒng)整體概述按照各部分的功能劃分，從大的方面講，開關電源可分成:機箱(或機殼)、電源主電路、電源控制電路三部分。機箱既可起到固定的作用，也可起到屏蔽的作用。電源的主電路是負責進行功率轉換的部分，通過適當?shù)目刂齐娐房梢詫⑹须娹D換為所需的直流輸出電壓。而控制電路則根據(jù)實際的需要產生主電路所需的控制脈沖和提供各種保護功能。開關電源的結構框圖可如圖21所示。EMI濾波器整流濾波高頻變換器高頻變壓器高頻整流濾波輸出輔助電源PWM調節(jié)器誤差比較放大器電壓電流取樣電路基準電壓保護電路控制電路ACDC圖21開關電源的結構框圖從圖中可以看出，這幾部分是相輔相成的統(tǒng)一整體。在電源的研制和開發(fā)過程中必須對每一部分都進行認真的分析和研究，才能使所研制的開關電源滿足設計要求。電源主電路通過輸入整流濾波、DCDC變換、輸出整流濾波將市電轉為所需要的直流電壓。開關電源的主回路可以分為:輸入整流濾波回路、功率開關橋、輸出整流濾波三部分。輸入整流濾波回路將交流電通過整流模塊變換成含有脈動成分的直流電，然后通過輸入濾波電容使得脈動直流電變?yōu)檩^平滑的直流電。功率開關橋將濾波得到的直流電變換為高頻的方波電壓，通過高頻變壓器傳送到輸出側。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，主回路進行正常的功率變換所需的觸發(fā)脈沖由控制電路提供?？刂齐娐肥钦麄€電源的大腦，它控制整個裝置工作并實現(xiàn)相應的保護功能。一般控制電路應具有以下功能:控制脈沖產生電路、驅動電路、電壓反饋控制電路、各種保護電路、輔助電源電路。為了使開關電源設備正常的工作，使電源的各個組成部分都能發(fā)揮其最大的效能，就必須讓電源的各個組成部分相互協(xié)調、相互協(xié)作、在電源的研制與設計過程中應對這方面的問題給予足夠的重視。 DCDC變換器的選擇DCDC 變換器是開關電源中實現(xiàn)功率轉換的部分。DCDC 變換器的輸入電壓為三相整流電壓，電壓較大，對開關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，使效率、功率密度等得到優(yōu)化；另一方面，功率開關在較安全的情況下運行，最大的反向電壓不會超過輸入整流濾波電路的輸出電壓。但是需要的功率元件較多，在開關導通的回路上，至少有兩個管的壓降，因此功率損耗也