【正文】 .. . . ..畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)）題 目： 高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) （英文）：High Frequency Switching Power Supply 院 別： 自動(dòng)化學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 日 期： 摘要本文分析了國(guó)內(nèi)外高頻開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展和現(xiàn)狀，研究了高頻開(kāi)關(guān)電源的基本原理以及高頻開(kāi)關(guān)電源在電力直流操作電源系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)出一種實(shí)用于電力系統(tǒng)的高頻開(kāi)關(guān)電源，以替代傳統(tǒng)的相控電源。該系統(tǒng)以MOSFET作為功率開(kāi)關(guān)器件，構(gòu)成橋式BACK開(kāi)關(guān)變換器，采用脈寬調(diào)制PWM技術(shù)，PWM控制信號(hào)由集成控制器UC3825產(chǎn)生，從輸出實(shí)時(shí)采樣電壓反饋信號(hào)，以控制輸出電壓的變化，控制電路和主電路之間通過(guò)變壓器或光電藕合器進(jìn)行隔離，并設(shè)計(jì)了軟啟動(dòng)和過(guò)流保護(hù)電路。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能安全、可靠運(yùn)行，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求?！娟P(guān)鍵詞】:高頻開(kāi)關(guān)電源，Buck變換器，PWM，MOSFETAbstraCtThe PaPer analyze the Present situation and development of h1gh_frequeney Switehing power supply(HF SPS) domestieally and overseas，study and researeh the basal prineiple of HF SPS and its applieation in electric power system，then design HF SPS applied in e1eetric power system in order to replace the old supply controlled by phase angle。The buek full_brige converter is made of four MOSFET， and the theory of PWM is used。The signal of PWM is offered by controller UC3825. The feedbaek voltage achieved from output is used to control the change of the primary circuit and the control cireuit are insulated by transformer or photocoupler. The Soft_Start and the Over Current Self_protcetion are also designed。The experimental results show that the system can work safely and reliably。[Keywords]:HF Switch power Supply，BuckConvertor，PWM，MOSFET第一章緒論1 概述 .1開(kāi)關(guān)電源概述隨著工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)粉塵治理成為急于解決的問(wèn)題。常見(jiàn)的除塵設(shè)備有沉降除塵、慣性除塵、旋風(fēng)除塵、水膜除塵、布袋除塵及電除塵。靜電除塵的原理是:在電極間加上高電壓，使氣體放電，產(chǎn)生電子與正離子，氣體中的塵粒獲得電子而帶負(fù)電荷，它在電場(chǎng)的作用下被吸向帶正電荷的大電極而附著在大電極上，然后用振動(dòng)、刮削或沖洗的方法將其清除。靜電除塵裝置具有凈化效率高、壓力損失小、耐高溫、處理氣體量大等特點(diǎn)，又能使混合粉塵分離，達(dá)到回收貴重材料的目的，所以獲得了廣泛的應(yīng)用。為了形成電場(chǎng)和電暈電流，必須設(shè)置配套的高壓電源。電源裝置的容量、供電方式和供電特性將直接影響到靜電除塵器的除塵效率。傳統(tǒng)的靜電高壓電源根據(jù)輸出功率大小，常采用工頻變壓器直接升壓整流方式或電容倍壓電路方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。功率輸出大者則選用前者方式，輸出較小者選用后者來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，新一代功率電子器件，如MOSFET、IGBT等應(yīng)用，高頻逆變技術(shù)越來(lái)越成熟，各種不同類型和特點(diǎn)的電路，廣泛地應(yīng)用于直流直流變換，直流交流逆變等場(chǎng)合，并使用戶系統(tǒng)總體的體積減小，重量減輕，系統(tǒng)的效率也將得到一定程度的提高。國(guó)際上，從20世紀(jì)20年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的常規(guī)電除塵器，其輸出的高壓電源是采用工頻22ov(或38ov)通過(guò)鐵芯變壓器把電壓升高至幾萬(wàn)伏，在經(jīng)過(guò)整流器變成脈動(dòng)直流。由于這種電源內(nèi)阻很小，屬于硬特性電源，不隨負(fù)載加重而跌落。變壓器體積較大，高壓絕緣技術(shù)要求較高，用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，高壓需有短路保護(hù)措施，并常需要在輸出高壓端串電抗器件以限制短路電流的變化率，同樣由于頻率較低，電感體積也較大。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開(kāi)可靠的電源，進(jìn)入80年代計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代，進(jìn)入90年代開(kāi)關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開(kāi)關(guān)電源，更促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的迅諫發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源[3]。開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制集成芯片IC和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管MOsFET構(gòu)成。開(kāi)關(guān)電源不僅體積小而且損耗低，故幾乎己應(yīng)用在所有的電子設(shè)備中。隨著許多電器尺寸不斷減小，供電電源所占尺寸變得大得多，人們?cè)诮档烷_(kāi)關(guān)電源的體積、重量等方面做了不少工作。開(kāi)關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開(kāi)關(guān)電源小型化，并使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。開(kāi)關(guān)電源經(jīng)歷了三個(gè)重要發(fā)展階段。第一個(gè)階段是功率半導(dǎo)體器件從雙極型器件(BPT、SCR、GTO)發(fā)展為MOS型器件(功率MOSFET、IGBT、IGCT等)，使電力電子系統(tǒng)有可能實(shí)現(xiàn)高頻化，并大幅度降低導(dǎo)通損耗，電路也更為簡(jiǎn)單。第二個(gè)階段自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是過(guò)去20年國(guó)際電力電子界研究的熱點(diǎn)之一。第三個(gè)階段從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊(IPEM)技術(shù)開(kāi)始發(fā)展，它是當(dāng)今國(guó)際電力電子界函待解決的新問(wèn)題之一。目前市場(chǎng)上的高壓開(kāi)關(guān)電源大多采用晶閘管驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度低、損耗大、噪聲也大，并且使高壓開(kāi)關(guān)電源的頻率受到限制，從而縮小了它的使用范圍。雖然國(guó)內(nèi)已有少數(shù)廠家生產(chǎn)高頻高壓開(kāi)關(guān)電源，但價(jià)格昂貴，因此設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)價(jià)格低廉的高頻高壓開(kāi)關(guān)電壓是大勢(shì)所趨，具有良好的市場(chǎng)。1955年美國(guó)羅耶()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)高頻轉(zhuǎn)換控制電路的開(kāi)端，1957年美國(guó)查賽(JenSen)發(fā)明了自激式推挽雙變壓器，1964年美國(guó)科學(xué)家們提出取消工頻變壓器的串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)想，這對(duì)電源向體積和重量的下降獲得了一條根本的途徑。到了1969年由于大功率硅晶體管的耐壓提高，二極管反向恢復(fù)時(shí)間的縮短等元器件改善，終于做成了25千赫的開(kāi)關(guān)電源[]。目前，開(kāi)關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化由于開(kāi)關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此國(guó)外各大開(kāi)關(guān)電源制造商都致力于同步開(kāi)發(fā)新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體(Mn一Zn)材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度(BS)下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[6]。SMT技術(shù)的應(yīng)用使得開(kāi)關(guān)電源取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，在電路板兩面布置元器件，以確保開(kāi)關(guān)電源的輕、小、薄。開(kāi)關(guān)電源的高頻化就必然對(duì)傳統(tǒng)的PWM開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)已成為開(kāi)關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開(kāi)關(guān)電源工作效率。對(duì)于高可靠性指標(biāo)，美國(guó)的開(kāi)關(guān)電源生產(chǎn)商通過(guò)降低運(yùn)行電流，降低結(jié)溫等措施以減少器件的應(yīng)力，使得產(chǎn)品的的可靠性大大提高。模塊化是開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢(shì)，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)成N+1冗余電源系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴(kuò)展[v]。針對(duì)開(kāi)關(guān)電源運(yùn)行噪聲大這一缺點(diǎn)，若單獨(dú)追求高頻化其噪聲也必將隨著增大，而采用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，在理論上即可實(shí)現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍存在著技術(shù)問(wèn)題，故仍需在這一領(lǐng)域開(kāi)展大量的工作，以使得該項(xiàng)技術(shù)得以實(shí)用化。(l)高頻化是電源技術(shù)發(fā)展的主流電源技術(shù)的精髓是電能變換，即利用電能變化技術(shù)，將市電或電池等一次電源變換成適用于各種用電對(duì)象的二次電源。開(kāi)關(guān)電源在電源技術(shù)中占有重要地位，從10kHZ發(fā)展到高穩(wěn)定度、大容量、小體積、開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到兆赫級(jí)的高頻開(kāi)關(guān)電源。為高頻變換提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，促進(jìn)了現(xiàn)代電源技術(shù)的繁榮和發(fā)展。高頻化帶來(lái)了最直接的好處是降低原材料消耗、電源裝置小型化、加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)，進(jìn)一步提高電源進(jìn)入更廣闊的領(lǐng)域特別是高新技術(shù)領(lǐng)域，進(jìn)一步擴(kuò)展了它的應(yīng)用范圍。(2)新理論、新技術(shù)的指導(dǎo)諧振變換、移相諧振、零開(kāi)關(guān)PWM、零過(guò)渡PWM等電路拓?fù)淅碚?。功率因?shù)校正、有源箱位、并聯(lián)均流、同步整流、高頻磁放大器、高速編程、遙感遙控、微機(jī)監(jiān)控等新技術(shù)。指導(dǎo)了現(xiàn)代電源技術(shù)的發(fā)展。(3)新器件、新材料的支撐絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、智能IGBT功率模塊(IPM)、MOS柵控晶閘管(MCT)、靜電感應(yīng)晶體管(sIT)、超快恢復(fù)二極管、無(wú)感電容器、無(wú)感電阻器、新型鐵氧體、非晶和微晶軟磁合金、納米晶軟磁合金等元器件，裝備了現(xiàn)代電源技術(shù)，促進(jìn)產(chǎn)品升級(jí)換代。(4)控制的智能化控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路采用集成組件?？刂齐娐凡捎萌珨?shù)字化。控制手段用微處理器和單片機(jī)組成的軟件控制方式，達(dá)到了較高的智能化程度，并且進(jìn)一步提高了電源設(shè)備的可靠性。(5)電源電路的模塊化、集成化電源技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)是電源電路的模塊化、集成化。單片電源和模塊電源取代整機(jī)電源，功率集成技術(shù)簡(jiǎn)化了電源的結(jié)構(gòu)。已經(jīng)在通訊、電力獲得廣泛的應(yīng)用，并且派生出新的供電體制一分布式供電，是集中供電單一體制走向多元化。(6)電源設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范電源設(shè)備要進(jìn)入市場(chǎng)，今天的市場(chǎng)意識(shí)超越區(qū)域融貫全球的一體化市場(chǎng)，必須遵從能源、環(huán)境、電磁兼容、貿(mào)易協(xié)定等共同準(zhǔn)則，電源設(shè)備生產(chǎn)廠家必須接受安全、EMC、環(huán)境、質(zhì)量體系等種種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的認(rèn)證。自從石油危機(jī)以來(lái)，世界各國(guó)都在節(jié)約能源問(wèn)題方面積極探討，開(kāi)關(guān)電源符合節(jié)能的原則。它在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義[8]。傳統(tǒng)的工頻(50Hz)高壓開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)使用了十幾年，但具有以下的缺點(diǎn):(l)工作頻率低，轉(zhuǎn)換效率低至75%以下，耗費(fèi)電能。(2)變壓器和濾波器體積大，重量重，耗費(fèi)大量的銅和鐵。(3)電源輸入為兩相交流工頻電源，又是工頻相位調(diào)節(jié)，對(duì)電網(wǎng)造成很大的電磁干擾，電磁兼容性差。(4)體積龐大的電源控制調(diào)節(jié)機(jī)箱和隔離升壓用的工頻變壓器分居兩處，耗費(fèi)空間，增加基建費(fèi)用。(5)輸出紋波大，致使電暈電壓低下，波形又是單一的工頻波，使得無(wú)法適應(yīng)高比電阻的工況，達(dá)不到環(huán)保新要求。這些缺點(diǎn)使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)今環(huán)境保護(hù)的發(fā)展要求。隨著電力電子技術(shù)和高頻開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展，特別是新一代功率電子器件如IGBT和MOSFET等的應(yīng)用，高頻逆變技術(shù)越來(lái)越成熟，各種不同類型和特點(diǎn)的電路廣泛應(yīng)用于直流一直流變換、直流一交流逆變等場(chǎng)合，使得電除塵用高頻電源供電方式進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用已成為可能。由于開(kāi)關(guān)集成電源應(yīng)用了比常規(guī)變壓整流器更高的頻率，變壓器體積可以大為減少。同時(shí)開(kāi)關(guān)集成電源中開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用提高了電源轉(zhuǎn)換效率。在一臺(tái)新的電除塵器中安裝開(kāi)關(guān)集成電源，不需要對(duì)除塵設(shè)備進(jìn)行改動(dòng)，而且其安裝成本低于常規(guī)的變壓整流器。開(kāi)關(guān)集成電源是以高頻開(kāi)關(guān)為基礎(chǔ)的。該系統(tǒng)的電源由經(jīng)過(guò)整流和濾波的供電電壓供給。這個(gè)直流電流輸給系統(tǒng)的核心是諧振變換器，它的輸出接到升壓高壓變壓器，然后經(jīng)整流供給電除塵器的放電極。由于開(kāi)關(guān)集成電源的“電流脈沖”頻率是常規(guī)電源的幾百倍，電壓波動(dòng)對(duì)它來(lái)說(shuō)很小，即電壓的算術(shù)平均值與電壓的峰值、谷值相差無(wú)幾。因此開(kāi)關(guān)集成電源具有在火花發(fā)生前提供更大電流驅(qū)動(dòng)能力，可以使供電功率成倍增長(zhǎng)，從而提高了除塵效率。此外高頻開(kāi)關(guān)電源的功率因數(shù)高，對(duì)配電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的負(fù)載。它是一個(gè)與線路頻率無(wú)關(guān)的可變脈動(dòng)電源，可以給電除塵器提供一個(gè)接近從純直流方式到脈動(dòng)幅度很大的各種電壓波形。這些特點(diǎn)都決定了高頻開(kāi)關(guān)電源是供電的理想方式，在除塵、凈化煙氣等方面都有應(yīng)用前景，是一項(xiàng)具有廣闊發(fā)展前途的技術(shù)產(chǎn)業(yè)。國(guó)外在近十年已經(jīng)開(kāi)始高效節(jié)能中高頻電除塵器的研制，上世紀(jì)九十年代末，國(guó)外瑞典ALSTOM等公司已經(jīng)將高頻開(kāi)關(guān)電源(2050KHz)用于電除塵器，取代目前國(guó)內(nèi)仍在使用的工頻電源(50Hz)。月一麥?zhǔn)访芩构镜拿}沖激能電除塵器也成功用于水泥廠廢氣和立磨廢氣的凈化處理。與工頻電源相比，高頻開(kāi)關(guān)