【文章內容簡介】 情況，及時反饋給振蕩電路調整振蕩頻率，從而達到穩(wěn)定電壓的目的，為了避免電路的干擾，反饋回振蕩電路的電壓會用光電耦合器隔離。 電源開關的主要類型 現(xiàn)代開關電源有兩種：一種是直流開關電源；另一種是交流開關電源。本書要介紹的只是直流開關電源，其功能是將電能質量較差的原生態(tài)電 源（粗電），如市電電源或蓄電池電源，轉換成滿足設備要求的質量較高的直流電壓（精電）。直流開關電源的核心是 DC/DC 轉換器。因此直流開關 電源的分類是依賴 DC/DC 轉換器分類的。也就是說，直流開關電源的分類與 DC/DC 轉換器 的分類是基本相同的， DC/DC 轉換器的分類基本上就是直 流開關電源的分類。 直流 DC/DC 轉換器按輸人與輸出之間是否有電氣隔離可以分為兩類：一類是有隔離的稱為隔離式 DC/DC 轉換器；另一類是沒有隔離的稱為非隔離 式 DC/DC 轉換器。 西安鐵路職業(yè)技術學院畢業(yè)設計論文 11 隔離式 DC/DC 轉換器也可以按有源功率器件的個數(shù)來分類。單管的 DC/DC 轉換器有正激式（ Forward）和反激式（ Flyback）兩種。雙管 DC/DC 轉換器 有雙管正激式（ DoubelTransistor Forward Converter ），雙管反激式（ Double Transistr F1yback Converter）、推挽式（ PushPull Converter） 和半橋式（ Ha1fBridge Converter）四種。四管 DC/DC 轉換器就是全橋 DC/DC 轉換器（ FullBridge Converter）。 非隔離式 DC/DC 轉換器，按有源功率器件的個數(shù)，可以分為單管、雙管和四管三類。單管 DC/DC 轉換器共有六種，即降壓式（ Buck） DC/DC 轉換器 ，升壓式（ Boost）DC/DC轉換器、升壓降壓式（ Buck Boost） DC/DC轉換器、 Cuk DC/DC轉換器、 Zeta DC/DC轉換器和 SEPIC DC/DC 轉換器。在這六種 單管 DC/DC 轉換器中， Buck 和 Boost 式DC/DC 轉換器是基本的， BuckBoost、 Cuk、 Zeta、 SEPIC 式 DC/DC 轉換器是從中派生出來的。雙管 DC/DC 轉換 器有雙管串接的升壓式（ BuckBoost） DC/DC 轉換器。四管DC/DC 轉換器常用的是全橋 DC/DC 轉換器（ FullBridge Converter）。 隔離式 DC/DC 轉換器在實現(xiàn)輸出與輸入電氣隔離時，通常采用變壓器來實現(xiàn)，由于 變壓器具有變壓的功能，所以有利于擴大轉換器的輸出應用 范圍，也便于實現(xiàn)不同電壓的多路輸出，或相同電壓的多種輸出。 在功率開關管的電壓和電流定額相同時，轉換器的輸出功率通常與所用開關管的數(shù)量成正比。所以開關管數(shù)越多， DC/DC 轉換器的輸出功率越 大，四管式比兩管式輸出功率大一倍，單管式輸出功率只有四管式的 1/4。 非隔離式轉換器與隔離式轉換器的組合，可以得到單個轉換器所不具各的一些特性。 按能量的傳輸來分， DC/DC 轉換器有單向傳輸和雙向傳輸兩種。具有雙向傳輸功能的 DC/DC 轉換器，既可以從 電源側向負載側傳輸功率，也可 以從負載側向電源側傳輸功率。 DC/DC 轉換器也可以分為自激式和他控式。借助轉換器本身的正反饋信號實現(xiàn)開關管自持周期性開關的轉換器，叫做自激式轉換器，如洛耶爾 （ Royer）轉換器就是一種典型的推挽自激式轉換器。他控式 DC/DC 轉換器中的開關器件控制信號，是由外部專門的控制電路產生的。 j 按照開關管的開關條件， DC/DC 轉換器又可以分為硬開關（ Hard Switching）和軟開關（ Soft Switching）兩種。硬開關 DC/DC 轉換器的開關器件 是在承受電壓或 流過電流的情況下，開通或關斷電路的，因此在開通或關斷過程中將會產生較大的交疊損耗，即所謂的開關損耗（ Switching loss）。當轉換器的工作狀態(tài)一定時開關損耗也是一定的，而且開關頻率越高，開關損耗越大，同時在開關過程中還會激起電路分布電感和寄生 電開關電源電路設計 12 容的振蕩，帶來附加損耗，因此，硬開關 DC/DC 轉換器的開關頻率不能太高。軟開關DC/DC 轉換器的開關管，在開通或關斷過程中，或是加于 其上的電壓為零，即零電壓開關（ ZeroVoltageSwitching， ZVS），或是通過開關管的電流為零，即零電流開關（ ZeroCurrent?Switching， ZCS）。這種軟開關方式可以顯著地減小開關損耗，以及開關過程中激起的振蕩，使開關頻率可以大幅度提高，為轉換器的小型化和模塊化創(chuàng)造 了條件。功率場效應管（ MOSFET）是應用較多的開關器件，它有較高的開關速度，但同時也有較大的寄生電容。它關斷時，在外電壓的作用下， 其寄生電容充滿電，如果在其開通前不將這一部分電荷放掉，則將消耗于器件內部，這就是容性開通損耗。為了減小或消除這種損耗，功率場 效應管宜采用零電壓開通方式（ ZVS）。絕緣柵雙極性晶體管（ Insu1ated Gate Bipo1ar tansistor， IGBT）是一種復合開關器件，關斷時的電流拖 尾會導致較大的關斷損耗，如果在關斷前使流過它的電流降到零，則可以顯著地降低開關損耗，因此 IGBT 宜采用零電流（ ZCS）關斷方式。 IGBT 在 零電壓條件下關斷，同樣也能減小關斷損耗，但是 MOSFET 在零電流條件下開通時，并不能減小容性開通損耗。諧振轉換器（ ResonantConverter ， RC）、準諧振轉換器（ QunsiTesonant Converter，QRC）、多諧振轉換器（ Mu1tiResonantConverter， MRC）、零電壓開關 PWM 轉換器（ ZVS PWM Converter）、零電流開關 PWM 轉換器（ ZCS PWM Converter）、零電壓轉換（ ZeroVo1tageTransition ， ZVT ） PWM 轉 換 器 和 零 電 流 轉 換 （ Zero Vo1tageTransition， ZVT） PWM 轉換器等，均屬于軟開關直流轉換器。電力電子開關器件和零開關轉換器技術的發(fā)展，促使了高頻開關電源的發(fā) 展。 西安鐵路職業(yè)技術學院畢業(yè)設計論文 13 4 反饋 電路的設計 電壓反饋電路 圖 3 電壓反饋電路 電壓反饋電路如圖所示。輸入電壓通過集成穩(wěn)壓器 TL431 和光電耦合器反饋到UC3842 的①腳，調節(jié) R R2的分壓比可設定和調節(jié)輸出電壓，達到較高的穩(wěn)壓精度。如果輸出電壓 U0升高，則集成穩(wěn)壓器 TL431 的陰極到陽極的電流增大，使光電耦合輸出的三極管電流增大，即 UC3842①腳對地的分流變大， UC3842 的輸出脈寬相應變窄，輸出電壓 U0減小。同樣，如果輸出電壓 U 減小，則可通過反饋調節(jié)使之升高。 參數(shù)計算：分壓電阻取 27KΩ， 光耦器件選擇 PC817 穩(wěn)壓管選擇 TL341 開關電源電路設計 14 輸出電流反饋 圖 5 過流保護電路 過流保護電路是由 R R9 以及 C9 組成。 R9 上的電壓反映了電流瞬間時值，當開關電源發(fā)生過流時，開關管 S1 漏級的電流會增大， UR9接入 UC3842 的保護輸入端③腳，當 UR9=1V 時， UC3842 芯片的輸出脈沖將關斷。通過調節(jié) R10 和 R9 的分壓比可改變開關管的限流值，實現(xiàn)電流瞬時值的逐周期保護比較，屬于限流式保護。輸出脈沖關斷，實現(xiàn)對電流平均值的保護，屬于截流式的 保護。 原邊輸出電流 I1=52mA, UC3842 輸出電流 I=200 mA，所以三極管漏級電流 I 漏=I1+I=252 mA。假設 R10=1 KΩ，濾波電容 C9=470pf。所以流過 R9 的電流 IR9=I 漏 – /1 KΩ=2521=25。所以 R9=1V/IR9=1V/251mA=4Ω 西安鐵路職業(yè)技術學院畢業(yè)設計論文 15 5 驅動與整流 經過 T1 的隔離，通過調整電阻 R13 使輸入 V21 的脈沖寬度變化從而達到調壓的目的。其中加速電容 C電阻 R13 按 V21 的穩(wěn)態(tài)驅動電流確定。 驅動與整流電路如圖 4 所示。 能量回授線圈（消磁線圈 ）將變壓器多余的能量通過整流二極管 V24（ 2CK29）回授到電源中去可提高效率。由于晶體管 V21 關斷過程是開關管最易損壞的時間，因此采取的措施為在晶體管關斷，集電極電壓上升的同時，需較快的減少集電極電流。 圖 4 中使用 RC 緩沖器接在晶體管的 CE 兩端時，在關斷晶體管時以減少晶 體管集電極電流，其工作原理是當晶體管關斷時，電容 C10 通過二極管 V22 被充電到 Vc－ 1． 4，這樣集電極電流有了分路，集電極電流能較快地減少。當晶體管 V21 導通時， C10 通過電阻 R23 和晶體管 V21 放電。對于參數(shù)的選擇可按經驗公式求得： 其中： Ic 為最大的集電極電流（ A）； Vce 為最大的集電極－發(fā)射極電壓（ V）； Tf 為最大的集電極電壓上升時間（ μs ）； Tr 為最大的集電極電流下降時間（ μs ）； 注：計算的電阻值，必須限制放電電流 Idis（ Idis＝ Ic1 ／ 4）。 開關電源電路設計 16 6 過流與過壓保護 圖 5 輸出過電壓保護電路 當負載過流時，經脈沖變壓器次級耦合，其初級也過流，流過 R24 的壓降增大，光耦 PHT 導通， SG1524 的 10 腳電壓被抬高， SG1524 關閉，無輸出電壓，從而保護電源。 當負載過壓時，反饋到 SG1524 的 1 腳電壓流經發(fā)光二極管 V6，使 SG1524 的 10 腳電壓被抬高， SG1524 關閉，無輸出電壓，從而保護電源 。 西安鐵路職業(yè)技術學院畢業(yè)設計論文 17 7 電源開關的發(fā)展反向 開關電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了開關電源的發(fā)展前進，每年以超過兩位數(shù)字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關電源可分為 AC/DC 和 DC/DC 兩大類， DC/DC 變換器現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化，且設計技術及生產工藝在國內外均已成熟和標準化，并已得到用戶的認可，但 AC/DC 的模塊化，因其自身的特 性使得在模塊化的進程中，遇到較為復雜的技術和工藝制造問題。另外，開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。 開關電源中應用的電力電子器件主要為二極管、 IGBT 和 MOSFET。 SCR 在開關電源輸入整流電路及軟啟動電路中有少量應用， GTR 驅動困難，開關頻率低，逐漸被 IGBT 和 MOSFET 取代。技術發(fā)展動向 開關電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關電源輕、小、薄的關鍵技術是高頻化，因此國外各大開關電源制造商都致力于同步開發(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?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關鍵技術。 SMT 技術的應用使得開關電源取得了長足的進展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關電源的輕、小、薄。開關電源的高頻化就必然對傳統(tǒng)的 PWM 開關技術進行創(chuàng)新，實現(xiàn) ZVS、 ZCS的軟開關技術已成為開關電源的主流技術，并大幅提高了開關電源的工作效率。對于高可靠性指標，美國的開關電源生產商通過降低運行電流，降低結溫等措施以減少器件的應力，使得產品的可靠 性大大提高。 模塊化是開關電源發(fā)展的總體趨勢，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設計成 N+1 冗余電源系統(tǒng)，并實現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴展。針對開關電源運行噪聲大這一缺點，若單獨追求高頻化其噪聲也必將隨著增大，而采用部分諧振轉換電路技術，在理論上即可實現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉換技術的實際應用仍存在著技術問題，故仍需在這一領域開展大量的工作，以使得該項技術得以實用化。 電力電子技術的不斷創(chuàng)新，使開關電源產業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國開關電源產業(yè)的發(fā)展速度，就必須走技術創(chuàng)新之路，走出有中國 特色的產學研聯(lián)合發(fā)展之路，為我國國民經濟的高速發(fā)展做出貢獻。開關電源的發(fā)展和趨勢 1955 年美國羅耶（ )發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，是實現(xiàn)高頻轉換控制電路的開端， 1957 年美國查賽（ Jen Sen)發(fā)明了自激式推挽雙變壓器， 1964 年美國 開關電源科學家們提出取消工頻變壓器的串聯(lián)開關電源的設想，這對電源向體積和開關電源電路設計 18 重量的下降獲得