【正文】 致 謝本文是在朱文杰老師的悉心指導(dǎo)和鼓勵(lì)下完成的。圖57 變電壓間歇充電法曲線與變電流間歇充電方法不同之處在于第一階段的不是間歇恒流，而是間歇恒壓。充電時(shí)，蓄電池端電壓逐漸升高，充電電壓隨時(shí)調(diào)整，以使充電電流不變。這種均流方法，均流母線開路或短路都不會(huì)影響各電源模塊的獨(dú)立工作。用主從設(shè)置法的均流的主要缺點(diǎn)是:①主從模塊間必需有通訊聯(lián)系，使系統(tǒng)復(fù)雜。如圖415所示。限流—切斷式保護(hù)電路分兩個(gè)階段進(jìn)行，當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到某設(shè)定值時(shí)，保護(hù)電路動(dòng)作，輸出電壓下降，負(fù)載電流被限制；如果負(fù)載電流增大至第二個(gè)設(shè)定值時(shí)，保護(hù)電路進(jìn)一步動(dòng)作，將電源切斷。另一部分時(shí)穩(wěn)壓電源輸出電壓亦需要軟啟動(dòng)，因?yàn)橐话鉖WM型穩(wěn)壓電源的輸出濾波電容較大，輸出電壓的突然建立將會(huì)形成非常大的電容充電電流，疊加在負(fù)載電流上，它不僅會(huì)使高壓開關(guān)管負(fù)擔(dān)過重而可能損壞，而且由于持續(xù)時(shí)間長，往往會(huì)引起過流保護(hù)電路發(fā)生誤動(dòng)作，若為了避免由此引起的誤動(dòng)作而將保護(hù)電路調(diào)的非常遲鈍，則將會(huì)增加過流保護(hù)的不安全性，所以PWM型穩(wěn)壓電源必須具有輸出電壓軟啟動(dòng)功能。該信號(hào)可用來調(diào)節(jié)LED的驅(qū)動(dòng)電流，這種技術(shù)可用來補(bǔ)償LED的時(shí)間和溫度特性的非線性。該二極管可將輸出電壓的幅值鉗位在電源電壓，這對(duì)任何電感性和電容性負(fù)載都是必要的。為此，在限流(I LIM)腳需接入噪音濾波電容器。UC3825A、B的兩個(gè)輸出端交替輸出脈沖，因此，每個(gè)輸出端輸出脈沖的頻率是振蕩器頻率的1/2，振蕩器的頻率為200KHZ，所以輸出PWM脈沖的頻率為10OKHZ，輸出脈沖占空比在O%～50%以內(nèi)調(diào)整，實(shí)際橋式變換器的應(yīng)用中一般達(dá)不到50%，因?yàn)闃蚴阶儞Q器在PWM脈沖的占空比為50%時(shí)，由于功率管截止時(shí)間的問題，使得橋臂容易短路，這在以后的部分將詳細(xì)介紹。有些控制器僅有一個(gè)輸出端，而多數(shù)控制器都設(shè)有用觸發(fā)器和“與”門電路組成的相位分離器，用它來將單脈沖變換成交替變化的二路脈沖輸出，用于供驅(qū)動(dòng)推挽和橋式變換器中的功率開關(guān)管，此時(shí)變換器的工作頻率等于控制器內(nèi)部鋸齒波振蕩器振蕩頻率的一半。的平均值為=/2= 因此，原邊繞組等效矩形波電流幅值為 = += += 其有效值為:===，電流密度J=3A/mm。E為電網(wǎng)電壓最低時(shí)輸入三相橋式整流電路的輸出平均電壓:E==Ea其中Ea為交流輸入線電壓。虛線以上是主電路，主電路主要分為輸入整流濾波、逆變開關(guān)電路、逆變變壓器和輸出整流濾波；虛線以下為控制回路，控制回路主要包括信息檢測(cè)電路、控制和保護(hù)單元、監(jiān)控單元和輔助電源。 整流濾波回路的選擇整流濾波回路是開關(guān)電源的重要組成部分，它可以提高電壓、電流的穩(wěn)定度，減小干擾。脈沖產(chǎn)生電路根據(jù)電壓反饋控制電路、保護(hù)電路以及軟啟動(dòng)電路等提供的控制信號(hào)產(chǎn)生出所需的脈沖信號(hào)，然后該脈沖信號(hào)經(jīng)過觸發(fā)電路的放大后去驅(qū)動(dòng)開關(guān)元件，使開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷。Lr和Cr之間的諧振是靠S的導(dǎo)通來激勵(lì)的，利用Lr和Cr諧振形成開關(guān)器件導(dǎo)通期間的正弦波電流波形，電流過零點(diǎn)時(shí)即將開關(guān)S關(guān)斷。由于三相整流橋提供的直流電壓較高，工作電流相對(duì)較低，這些損耗還是可以接受的。電源的主電路是負(fù)責(zé)進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換的部分，通過適當(dāng)?shù)目刂齐娐房梢詫⑹须娹D(zhuǎn)換為所需的直流輸出電壓。 國內(nèi)開關(guān)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(shù)人員開發(fā)了以國產(chǎn)大功率電動(dòng)發(fā)電機(jī)組為主的成套設(shè)備作為通信電源。1955年美國羅耶(GH目前世界各國都有廣泛的應(yīng)用，特別是對(duì)大容量高頻開關(guān)電源的研究和開發(fā)已成為當(dāng)今電力電子學(xué)的主要研究領(lǐng)域，并派生了很多新的研究方向。在隨后的20年內(nèi)，由于半導(dǎo)體工藝的進(jìn)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(jìn)，滿足了通信設(shè)備不斷發(fā)展的需要，因此，直到70年代，發(fā)達(dá)國家還一直將可控硅整流器作為大多數(shù)通信設(shè)備的一次電源使用。隨著通信用開關(guān)電源技術(shù)的廣泛應(yīng)用和不斷深入，實(shí)際工作中人們對(duì)開關(guān)電源提出了更高的要求，提出了應(yīng)用技術(shù)的高頻化、硬件結(jié)構(gòu)的模塊化、軟件控制的數(shù)字化、產(chǎn)品性能的綠色化、新一代電源的技術(shù)含量大大提高，使之更加可靠、穩(wěn)定、高效、小型、安全。最后對(duì)開關(guān)電源整流濾波電路進(jìn)行了簡單介紹。 DCDC變換器的選擇DCDC 變換器是開關(guān)電源中實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換的部分。諧振變換電路有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但其基本組成部分還是通過開關(guān)器件和諧振元件L、C之間串聯(lián)或并聯(lián)實(shí)現(xiàn)的，再配以適當(dāng)?shù)目刂撇呗詠韺?shí)現(xiàn)開關(guān)器件的零電壓或零電流動(dòng)作。如果控制電路不完善，主電路設(shè)計(jì)得再好也無法發(fā)揮其自身的功能，例如:如果控制電路輸出的觸發(fā)信號(hào)不穩(wěn)定，或者出現(xiàn)誤觸發(fā)，有可能引起開關(guān)橋的直通，導(dǎo)致短路，從而損壞開關(guān)元件。輔助電源的類型有很多種，既可以采用串聯(lián)線性調(diào)整型電源，也可以采用開關(guān)電源。 開關(guān)電源的設(shè)計(jì)要求本文設(shè)計(jì)的大功率直流開關(guān)電源主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)的高頻開關(guān)電源，確定技術(shù)指標(biāo)如下:1. 輸入電壓: 380V20%2. 電網(wǎng)頻率: 50Hz10%3. 功率因數(shù): 4. 輸入過壓告警: 437V5V5. 輸入欠壓告警: 320V5V6. 輸出標(biāo)稱電壓: 220VDC7. 輸出電壓范圍: 176286VDC8. 輸出紋波電壓: 10mV9. 輸出額定電流: 5A10. 輸出過壓保護(hù): 325V5V11. 輸出欠壓保護(hù): 195V5V12. 便于生產(chǎn)和維護(hù)在本課題研究的過程中，主要對(duì)大功率開關(guān)直流電源的工作原理、電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式進(jìn)行了深入研究，并結(jié)合系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，確定系統(tǒng)主電路的拓?fù)?，設(shè)計(jì)出主電路，即分別設(shè)計(jì)出濾波、整流、DCDC變換器、軟啟動(dòng)和保護(hù)控制等部分。(1) 整流橋的耐壓:考慮最大輸入電壓==380=456V整流二極管的峰值電壓為=380(1＋20%)=640V取50%的裕量 640(1+50%)=960V根據(jù)整流橋的實(shí)際電壓等級(jí)，我們選擇整流橋的耐壓為1200V(2) 整流橋的額定電流因?yàn)殡娫吹妮斎牍β孰S效率變化，所以應(yīng)取電源效率最差時(shí)的數(shù)值。為繞制方便。 輸出濾波電感根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的公式可以得到:L﹥選為額定負(fù)載電流的5%，即= 55% =T=1/=1/3010==(*T)/2== 此時(shí)的電感電流增量不得大于2，所以L===10H10H 輸出濾波電容(1) 根據(jù)輸出紋波電壓來計(jì)算濾波電容的大小:C===10F(2) 根據(jù)輸出電壓動(dòng)態(tài)幅度來求出濾波電容的大小C=其中，為輸出電流的最大值取5A，Vp為電源從滿載突變到空載時(shí)輸出電壓的上沖幅度，取該值為22lV因此，輸出濾波電容為:C==334uF取以上兩者最大值，并考慮一定裕量，最后取C= 5OOuF第4章 控制電路的設(shè)計(jì) PWM集成控制器的基本原理PWM集成控制器通常分為電壓型控制器和電流型控制器兩種。在實(shí)際的應(yīng)用中，選為2nf，工作頻率為2OOKHZ。但是，過流比較器不能采用前沿封鎖。該輸出電流在20ns內(nèi)可使1000pF電容兩端的電壓上升15V。在圖48中，指的是一個(gè)精密線性光禍，因?yàn)榉答侂妷菏侵苯訌闹麟娐返妮敵龆瞬蓸?，由于主電路和控制電路是需要隔離的，所以光耦隔離是必不可少的，但是，一般光禍的輸出是不能反應(yīng)輸入的大小的，我們選用線性光耦合器，即可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離，又可以實(shí)現(xiàn)比例傳輸，為了實(shí)現(xiàn)精確地控制，我們選用了一種精密線性光禍合器。 ，由()的比例部分知靜態(tài)時(shí)，==12，所以的范圍為: ，這樣反饋比例系數(shù)就可以確定了。電流信號(hào)電流檢測(cè)和I/V轉(zhuǎn)換電壓比較電路去V/W電路取代誤差放大器圖411限流式保護(hù)電路原理框圖限流式保護(hù)電路和切斷式保護(hù)電路的差別在于電壓比較電路的輸出不是使整個(gè)控制電路失效，而是取代誤差放大器控制V/W電路輸出的脈沖寬度。具體電路如圖414所示。所以一般在電壓調(diào)整率要求高的電源系統(tǒng)中不能應(yīng)用。但是，由于二極管的正向壓降總是存在的，所以主模塊的均流會(huì)有誤差。此時(shí)要求開關(guān)電源充電機(jī)有良好的穩(wěn)壓特性。充電后期采用定電壓充電段，獲得過充電量，將電池恢復(fù)至完全充電態(tài)。(4)電源效率還有較大的提高余地，離高效率電源還有較大差距。在此，謹(jǐn)向朱老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。第6章 總結(jié)與展望近年來，隨著電力電子技術(shù)飛速的發(fā)展，一些直流用電設(shè)備對(duì)直流電源系統(tǒng)的要求越來越高，不但輸出電流大，而且對(duì)電壓紋波、穩(wěn)壓精度、過載能力、效率等指標(biāo)要求也很高，因此，研究大容量、高性能直流電源系統(tǒng)是很有必要的。圖53 恒流充電方式曲線 恒流恒壓充電方式采用恒流和恒壓相結(jié)合的快速充電方法，如圖54所示充電初期用較大電流充電，隨著蓄電池電壓升高()，充電電流減少一半。影響鉛酸蓄電池壽命的因素很多，而采用正確的充電方式，能有效延長蓄電池的使用壽命。(3) 按平均電流值自動(dòng)均流法應(yīng)用這一方法，要求并聯(lián)各模塊的電流放大器輸出端通過一個(gè)電阻R接到一條公用母線上，稱為均流母線(Share Bus)。圖415輔助電源電路圖(反饋部分) 均流電路設(shè)計(jì) 概述大功率電源系統(tǒng)需要采用若干臺(tái)開關(guān)電源并聯(lián)，以滿足負(fù)載功率的要求，并聯(lián)系統(tǒng)中，每個(gè)變換器只處理較小的功率，降低了應(yīng)力，還可以應(yīng)用冗余技術(shù)，提高了系統(tǒng)的可靠性。外部電路只需完成電流檢測(cè)和I/V轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)輸入到UC3825的第9腳。對(duì)于前一種軟啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，如圖49所示。光電流的值滿足: =/，此電流與LED的電流成正比，比例系數(shù)為反饋傳輸增量，即=，運(yùn)算放大器向LED提供足夠的電流以保持運(yùn)放的正向和反向輸入端等電壓。OutA和OutB輸出的兩個(gè)PWM信號(hào)是相互之間有死區(qū)時(shí)間的互補(bǔ)信號(hào)。接通電源后，軟啟動(dòng)腳外接電容放電，該腳處于低電平，誤差放大器輸出低電平，開關(guān)電源無輸出電壓。輸出脈沖的下降沿由脈寬調(diào)制比較器、限流比較器和過流比較器聯(lián)合控制。下面將詳細(xì)介紹此芯片的主要特點(diǎn)、工作原理和應(yīng)用及調(diào)試。在高頻變壓器的計(jì)算中。電感量的確定較難精確計(jì)算，可通過實(shí)驗(yàn)確定。EMI濾波器的作用是濾除功率管開關(guān)產(chǎn)生的電壓電流尖峰和毛刺，減小電源內(nèi)部對(duì)電網(wǎng)的干擾，同時(shí)又能減小其他用電設(shè)備通過電網(wǎng)傳向電源的干擾。為了保持三相交流電源的對(duì)稱性和減小電源的輸入濾波電容等原因，大功率電源一般采用三相電源作為供電電源。控制電路輸出的PWM信號(hào)，電平幅值和功率能力均不足以驅(qū)動(dòng)大功率開關(guān)元件，因此選擇合適的驅(qū)動(dòng)電路是必須的。Lr和Cr之間的諧振是靠S的關(guān)斷來激勵(lì)的，利用Lr和Cr諧振形成開關(guān)器件關(guān)斷期間的正弦波電流波形，電壓過零點(diǎn)時(shí)即將開關(guān)S導(dǎo)通。因此，常常加入緩沖電路，如Rc吸收網(wǎng)絡(luò)。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(diào)節(jié)器誤差比較放大器電壓電流取樣電路基準(zhǔn)電壓保護(hù)電路控制電路ACDC圖21開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖從圖中可以看出，這幾部分是相輔相成的統(tǒng)一整體。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(chǎn)，供通信設(shè)備作一次電源使用，并不斷得到改進(jìn)，性能和質(zhì)量逐步提高外，其它方面進(jìn)展十分緩慢。在此基礎(chǔ)上，1964年，美國科學(xué)家提出了取消工頻變壓器的串聯(lián)開關(guān)電源的設(shè)想，并在NEC雜志上發(fā)表了“脈寬調(diào)制應(yīng)用于電源小型化”等文章，為使電源實(shí)現(xiàn)體積和重量的大幅下降提供了一條根本途徑。在此基礎(chǔ)上，完成了整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序的編制，并對(duì)電源裝置的硬件和軟件進(jìn)行了調(diào)試和修改。在通信領(lǐng)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。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(chǎng)，各種通信設(shè)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(chǎng)效應(yīng)管、絕緣柵雙極晶體管。%,模塊化組合的高頻開關(guān)電源，電信行業(yè)成套電源技術(shù)提高到了一個(gè)嶄新的水平。控制電路是整個(gè)電源的大腦，它控制整個(gè)裝置工作并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的保護(hù)功能。圖22硬開關(guān)式全橋變換器結(jié)構(gòu) 諧振式全橋變換器硬開關(guān)式電路在頻率不高時(shí)其缺點(diǎn)還不是很突出，隨著頻率的提高，開關(guān)損耗和電磁干擾將變成一個(gè)十分嚴(yán)重的問題，為了解決這一問題，有人提出了諧振式軟開關(guān)的概念。本文根據(jù)實(shí)際技術(shù)要求開發(fā)的開關(guān)電源的主電路，應(yīng)該采用移相式全橋變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)前開關(guān)電源電路的主要保護(hù)功能有:過流保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、溫度保護(hù)。在開關(guān)電源中通常采用一級(jí)LC濾波電路，當(dāng)要求輸出紋波很小時(shí)，也可以采用兩級(jí)LC濾波電路。 輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)該電源的輸入整流濾波電路同一般大功率