【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)的基本工作原理，即使用軟件算法實(shí)現(xiàn) PWM 脈寬調(diào)制；分析了 EMI 濾波原理；重點(diǎn)分析了變壓器的設(shè)計(jì)方法和使用 AP 法完成高頻變壓器的設(shè)計(jì)；分析設(shè)計(jì)了功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET 的參數(shù) ； 使用 Pspice 仿真軟件進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。本文的具體行文結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章 緒論 第二章 系統(tǒng)方案的確定 第三章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第四章 控制及仿真 第五章 結(jié)論及展望 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第二章 高頻開(kāi)關(guān)電源方案的確定 方案的的分析和選擇 相關(guān)技術(shù)指標(biāo)： 輸入電壓： 交流 220V 輸出電壓： 直流 0 60V 輸出功率： 1000W? 頻率要求： 10kHz 紋波要求： 1V? 按照上述參數(shù)要求，分析多種多種高頻開(kāi)關(guān)電源的主電路拓?fù)浜推淇刂品绞?，大概提出以下四種總設(shè)計(jì)方案。 方案一： 圖 正激式 本方案采用單管正激式轉(zhuǎn)換器作為主電路，用單片機(jī)軟件算法的方式實(shí)現(xiàn) PWM 波形的控制以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，其系統(tǒng) 方框圖如圖 所示。正激式轉(zhuǎn)換器中高頻變壓器實(shí)現(xiàn)了輸入與輸出之間的電器隔離，變壓器采用增加復(fù)位繞組的方式實(shí)現(xiàn)磁復(fù)位。單管正激式轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)管承受的電壓為 2iU （ iU 為輸入電壓）。正激式轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路較為簡(jiǎn)單、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性較高，適合各種中小功率的電源。 方案二： 本方案采用半橋式轉(zhuǎn)換器作為主電路拓?fù)洌到y(tǒng)方框圖如圖 所示，半橋式實(shí)際上就是兩個(gè)正激式 PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器的結(jié)合，每個(gè)正激式轉(zhuǎn)換器的輸入電 壓為 iU ，因此，其開(kāi)關(guān)管承受的電壓為 iU ，其工作原理與正激式轉(zhuǎn)換器相似。半橋式轉(zhuǎn)換器的變壓器雙向勵(lì)磁，沒(méi)有變壓 器 偏磁問(wèn)題，適合各種工業(yè)用電源和計(jì)算機(jī)用電源，但其驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜，有直通問(wèn)題。 整流濾波 正激轉(zhuǎn)換器 調(diào)整方波整流濾波 隔離反饋 AC 單片機(jī)控制 驅(qū)動(dòng)電路 DCCCCC 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 圖 半橋式 方案三： 本方案的系統(tǒng)方框圖如圖 所示，以全橋轉(zhuǎn)換器做為主電路，它是由四只開(kāi)關(guān)管V1～ V4，和其反并聯(lián)二極管 D1～ D4，以及變壓器其 T 組 成的。變壓器 T 的初級(jí)繞組接于兩橋臂的中點(diǎn)，全橋逆變器的控制方式有：雙極性控制方式、有限雙極性控制方式以及移相控制方式。 D1D3D2D4TV1V3 V4V2RUiGNDIs 圖 全橋轉(zhuǎn)換器主電路圖 圖 全橋式 整流濾波 全橋轉(zhuǎn) 換器 輸出濾 波 隔離驅(qū)動(dòng) 電路 單片機(jī)控制 隔離反饋 ACC DC 整流濾波 半橋轉(zhuǎn)換 器 輸出濾 波 隔離驅(qū)動(dòng)電路 單片機(jī)控制 隔離反饋 ACC DC 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 是全橋式轉(zhuǎn)換器主電路模型，開(kāi)關(guān)管 V1～ V4 采用 PWM 控制方式。在單個(gè)周期內(nèi) Ts 內(nèi)，前半個(gè)周期 V1 和 V4 導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間為 Ton ；后半個(gè)周期 V2 和 V3 導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間同為 Ton 。調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，即調(diào)節(jié)占空比 Du 以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓有效值的目的，本方案設(shè)計(jì)電路較為復(fù)雜，成本高，適合大功率工業(yè)用電源。 方案四： 圖 推挽式 本方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示，其主電路采用推挽式轉(zhuǎn)換器。推挽式 PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器也可以看成是兩個(gè)正激式轉(zhuǎn)換器的組合，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管輪流導(dǎo)通。兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的輪流導(dǎo)通是變壓器的鐵心交替地磁化和去磁，以完成電 能從初級(jí)繞組到次級(jí)繞組的傳輸。由于兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通絕對(duì)時(shí)間可能不同，會(huì)產(chǎn)生直流偏磁問(wèn)題。推挽式轉(zhuǎn)換器適合低壓輸入電源。 方案的確定 各方案的分析比較如 下 表 所示，結(jié)合本論文設(shè)計(jì)的參數(shù)要求最終選用方案一，即選用正激式為主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用單片機(jī)通過(guò)軟件算法的方式產(chǎn)生設(shè)定頻率的PWM 波形，通過(guò)脈寬調(diào)制技術(shù)對(duì)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到輸出電壓在設(shè)定范圍內(nèi)可調(diào)的目的。 整流濾波 推挽式轉(zhuǎn)換器 調(diào)整方波整流濾波 隔離反饋 AC 單片機(jī)控制 驅(qū)動(dòng)電路 DCCCCC 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 表 各方案優(yōu)缺點(diǎn)比較 方案 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 功率范圍 應(yīng)用領(lǐng)域 一 電路簡(jiǎn)單，成本較低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單 變壓 器單向勵(lì)磁，利用率較低 幾百瓦～幾千瓦 適合各種中小功率電源 二 變壓器雙向勵(lì)磁，沒(méi)有變壓偏磁問(wèn)題， 開(kāi)關(guān)較少，成本低 有直通問(wèn)題，可靠性較低，需要復(fù)雜的隔離驅(qū)動(dòng)電路 幾百瓦～幾千瓦 適合各種工業(yè)用電源，計(jì)算機(jī)用電源 三 變壓器雙向勵(lì)磁，容易達(dá)到大功率 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，有直通問(wèn)題，可靠性較低，需要負(fù)載的多組隔離驅(qū)動(dòng)電路 幾百瓦～幾千瓦 適合大功率工業(yè)用電源、焊接電源、電解電源等 四 變壓器雙向勵(lì)磁，驅(qū)動(dòng)較為簡(jiǎn)單 有磁偏問(wèn)題 幾百瓦～幾千瓦 適合低輸入電壓的電源 正激式（ Forward） PWM 轉(zhuǎn)換器 正激式轉(zhuǎn)換器是典型的帶有隔離變壓器的直流 PWM轉(zhuǎn)換器，其實(shí)際上就是在 Buck降壓式 PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器中再加入了一個(gè)隔離變壓器構(gòu)成的，圖 給出了正激式PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器的主電路。開(kāi)關(guān)管 Q 按照 PWM 方式工作，二極管 1D 是輸出整流二極管、 2D 是續(xù)流二極管，電感 fL 是輸出濾波電感，電容 fC 是輸出濾波電容。隔離變壓器帶有三個(gè)繞組：初次繞組 1W 、次級(jí)繞組 2W 和復(fù)位繞組 3W 。圖中繞組標(biāo)有 “”符號(hào)的一端表示是繞組的始端。二極管 3D 是復(fù)位繞組 3W 串聯(lián)的二極管。正激式 PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器變壓器的磁芯復(fù) 位的方法有：增加復(fù)位繞組法、 RCD 復(fù)位法、 LCD 復(fù)位法和有源鉗位等磁復(fù)位方法。在這里采取的是在輸入端接復(fù)位繞組的方法。 V i nTQD3D1D2LfCf RW1 W2W3 圖 正激轉(zhuǎn)換器原理圖 當(dāng)開(kāi)關(guān)管 Q 導(dǎo)通時(shí)，變壓器次級(jí)整流二極管 1D 導(dǎo)通，續(xù)流二極管 2D 關(guān)斷，直流電源功率是通過(guò)變壓器傳送到負(fù)載的，同時(shí)濾波電感 fL 儲(chǔ)能；當(dāng)開(kāi)關(guān) Q 關(guān)斷時(shí)，變壓器湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 次級(jí)整流二極管 1D 關(guān)斷，續(xù)流二極管 2D 導(dǎo)通，濾波電感的儲(chǔ)能向負(fù)載釋放。繞組 3W 的極性與初級(jí)繞組 1W 相反，一般情況下 1W = 3W ， 3W 與整流二極管串聯(lián)后并接于直流輸入電源 iV 的正極上。開(kāi)關(guān) Q 導(dǎo)通時(shí)， 3W 回路中的二極管 3D 阻斷，因此沒(méi)有電流流過(guò)，磁心從原始狀態(tài)被磁化（ Magization）。當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，復(fù)位繞組的電流使磁心去磁（ Demagionzation）。當(dāng)勵(lì)磁電流下降到零時(shí)，磁心復(fù)位到原始磁狀態(tài)，以 便下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期磁心重復(fù)勵(lì)磁。 如果變壓器沒(méi)有復(fù)位措施，經(jīng)過(guò)若干個(gè)周期后，磁心就會(huì)不斷被勵(lì)磁并逐漸進(jìn)入飽和狀態(tài)時(shí)，這樣轉(zhuǎn)換器就不能正常工作了。因此，在正激轉(zhuǎn)換器中變壓器復(fù)位十分重要，為確保鐵心復(fù)位，在開(kāi)關(guān)管 Q 導(dǎo)通時(shí)，鐵心的磁通增加量應(yīng)等于開(kāi)關(guān) Q 關(guān)斷時(shí)磁通的減少量。 錯(cuò)誤 !未指定書(shū)簽。 在電流連續(xù)模式（ CCM）條件下，正激式轉(zhuǎn)換器的輸出 /輸入的電壓轉(zhuǎn)換比為： ouiV nDV ?…………………………………………… （ ） 其中 n = 1W / 2W ， 1W 、 2W 分別為變壓器的一次繞組匝數(shù)和二次繞組匝數(shù)， Du 為開(kāi)關(guān)管的占空比。 正激式電路由于接入了隔離變壓器，從而實(shí)現(xiàn)了電源側(cè)與負(fù)載側(cè)之間的電氣隔離，這使得轉(zhuǎn)換器的輸出電壓可以高于或低于輸入電源的電壓，這也可以方便地實(shí)現(xiàn)多路輸出。而且開(kāi)關(guān)的占空比可以在設(shè)定的范圍內(nèi)變化以實(shí)現(xiàn)輸出電壓在一定范圍內(nèi)變化。 正激式（ Forward）轉(zhuǎn)換器可以在電感電流連續(xù)的條件下工作，也可以在電感電流斷續(xù)的條件下工作。這時(shí)二極管 1D 和 2D 的反向恢復(fù)條件可以得到改善，同時(shí)也改善了開(kāi)關(guān) 管 Q 的開(kāi)通條件。 本章小結(jié) 本章主要是按照設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)要求，考慮了幾種可行的方案并對(duì)各方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。根據(jù)分析結(jié)果最終確定使用單管正激式轉(zhuǎn)換器作為本設(shè)計(jì)的主電路并對(duì)其工作原理進(jìn)行了分析。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本文關(guān)于電壓可調(diào)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)主要包括：主電路的選擇、變壓器的設(shè)計(jì)、輸出整流濾波器的設(shè)計(jì)、功率開(kāi)關(guān)管的選擇、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、控制器的選擇、以及輸出反饋的設(shè)計(jì)等。 本文設(shè)計(jì)的高頻開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中的主要元器件有功率開(kāi)關(guān)管（ MOSFET 管 ）、變壓器、電感和電容等。其中，電感和電容是互為對(duì)偶的儲(chǔ)能元件，理想條件下電感和電容都是無(wú)損，并且所儲(chǔ)能也是單一形式的，即電感儲(chǔ)存磁場(chǎng)能，電容儲(chǔ)存電場(chǎng)能。但實(shí)際上電感和電容都有寄生電阻的存在，高頻情況下要考慮渦流、集膚效應(yīng)等因素，這些都會(huì)產(chǎn)生損耗。另外電感和電容的性質(zhì)也會(huì) 受 到頻率的影響，例如，當(dāng) 頻率 高到甚高頻，電感可能會(huì)表現(xiàn)出電容的性質(zhì)；電容也可能會(huì)表現(xiàn)出電感的性質(zhì)。 在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中，磁性元件的應(yīng)用是十分廣泛的，如濾波電感、諧振電感、吸收電路中的限流電感、隔離變壓器等。 對(duì)高頻電磁現(xiàn)象的分析需要考慮的因素很 多，包括：電壓、電流、頻率、能量、匝數(shù)、漏磁、磁 心 氣隙、溫度、加工工藝等。與此相對(duì)應(yīng)的對(duì)高頻磁性元件的綜合是比較困難的，同樣的分析 可 能有不同的綜合，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)結(jié)合體積、成本、效率等因素，選擇合適的設(shè)計(jì)方案。 對(duì)于功率開(kāi)關(guān)管， PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器常用的開(kāi)關(guān)管包括：功率場(chǎng)效應(yīng)管 MOSFET、絕緣柵雙極晶體管 IGBT。這兩類開(kāi)關(guān)管都能進(jìn)行快速關(guān)斷、快速開(kāi)通，考慮到經(jīng)濟(jì)性等因素，本設(shè)計(jì)采用功率場(chǎng)效應(yīng)管 MOSFET 作為高頻開(kāi)關(guān)。 驅(qū)動(dòng)電路和控制電路的好壞也會(huì)影響到系統(tǒng)的整體性能，在設(shè)計(jì)中也需要謹(jǐn)慎考慮之。 輸入 AC/DC 電路設(shè)計(jì) 輸入 EMI 濾波器設(shè)計(jì) 濾波是抑制干擾的一種較為有效措施，特別是對(duì)開(kāi)關(guān)電源 EMI 信號(hào)的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，在電源線上的傳導(dǎo)干擾都可以用差模 信號(hào)與 共模信號(hào)來(lái)表示，把 EMII 信號(hào)控制在有關(guān) EMC 標(biāo)準(zhǔn)的極限電平下，最有效的方法便是在開(kāi)關(guān)電源的輸入電路中加裝EMI 濾波器。本設(shè)計(jì)采用的濾波器電路如圖 所示。 圖中 yC 是用來(lái)消除共模干擾的，其對(duì)裝在 NG 和 LG 之間，被稱為 Y 電容。 xC 則安裝在 L 和 N 之間，用來(lái)消除差模干擾，常選用高容量的金屬皮膜電容，被稱為 X 電容。濾波器 cL 是用來(lái)抑制共模電流噪聲的電感，由于電感線圈對(duì)稱地繞在同一個(gè)螺旋管上，因此在正常工作電流范圍內(nèi)，對(duì)稱電流產(chǎn)生的磁性是相互抵消的，因而對(duì)差模電流和電源電流呈現(xiàn)低阻抗，不會(huì)有衰減的效果。結(jié)合各項(xiàng)參數(shù)，本設(shè)計(jì)最終選用 DOREXS湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 公司的 DAA110A 的單相交流電源濾波器。 Cx CxCyCyRLcLcLNGLN 圖 輸入濾波電路 整流濾波器設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用單相橋式整流電路將經(jīng)過(guò) EMI 濾波后的交流電進(jìn)行整流，其電路原理圖如圖 （ a）所示，圖 （ b）是其簡(jiǎn)化的畫(huà)法。 （ a） 單相橋式整流電路原理圖 （ b）簡(jiǎn)化畫(huà)法 圖 單相橋式整流電路 單相橋式整流后的的電壓平均值為： 0 2 2 201 2 22 s in w t 0 . 9V V d w t V V???? ? ??………………………… （ ） 單相橋式整流電路波形圖如圖 所示，經(jīng)過(guò)整流橋后的直流電流值為： 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 202 R? …………………………………………………………… （ ） 在橋式整流電路中二極管 1D 、 3D 和 2D 、 4D 是輪流導(dǎo)通的，所以，流過(guò)每個(gè)二極管的平均電流為 0I ；每個(gè)二極管承受的最大反向電 22DRMVV? 。 圖 單相橋式整流電路波形圖 結(jié)合本設(shè)計(jì)的參數(shù)要求最終選擇 RS2021M 整流橋作為整流器，經(jīng)過(guò)整流后的 最大電壓約為 310V ，實(shí)際運(yùn)用中當(dāng)考慮留有一定的裕量，所以濾波電容耐壓值選擇 400V以上的電解電容。電容容量應(yīng)滿足式（ ） [6] ? ?35 2L TRC ? .........................................................................................() 其中 T 為交流周期，此處為 20ms ， LR 為負(fù)載電阻，考慮到最大電流為 10A ， 可假定負(fù)載為 1000 歐，那么估算出電容容值應(yīng)當(dāng)大于 500uF 。同時(shí)，濾波電容又不能過(guò)大導(dǎo)致電源的瞬態(tài)響應(yīng)變差。本設(shè)計(jì)采