【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 情況，及時(shí)反饋給振蕩電路調(diào)整振蕩頻率，從而達(dá)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(huì)用光電耦合器隔離。 電源開(kāi)關(guān)的主要類(lèi)型 現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源有兩種：一種是直流開(kāi)關(guān)電源；另一種是交流開(kāi)關(guān)電源。本書(shū)要介紹的只是直流開(kāi)關(guān)電源，其功能是將電能質(zhì)量較差的原生態(tài)電 源（粗電），如市電電源或蓄電池電源，轉(zhuǎn)換成滿足設(shè)備要求的質(zhì)量較高的直流電壓（精電）。直流開(kāi)關(guān)電源的核心是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。因此直流開(kāi)關(guān) 電源的分類(lèi)是依賴(lài) DC/DC 轉(zhuǎn)換器分類(lèi)的。也就是說(shuō)，直流開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi)與 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 的分類(lèi)是基本相同的， DC/DC 轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)基本上就是直 流開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi)。 直流 DC/DC 轉(zhuǎn)換器按輸人與輸出之間是否有電氣隔離可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是有隔離的稱(chēng)為隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器；另一類(lèi)是沒(méi)有隔離的稱(chēng)為非隔離 式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。 西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器也可以按有源功率器件的個(gè)數(shù)來(lái)分類(lèi)。單管的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器有正激式（ Forward）和反激式（ Flyback）兩種。雙管 DC/DC 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器就是全橋 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（ FullBridge Converter）。 非隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，按有源功率器件的個(gè)數(shù)，可以分為單管、雙管和四管三類(lèi)。單管 DC/DC 轉(zhuǎn)換器共有六種，即降壓式（ Buck） DC/DC 轉(zhuǎn)換器 ，升壓式（ Boost）DC/DC轉(zhuǎn)換器、升壓降壓式（ Buck Boost） DC/DC轉(zhuǎn)換器、 Cuk DC/DC轉(zhuǎn)換器、 Zeta DC/DC轉(zhuǎn)換器和 SEPIC DC/DC 轉(zhuǎn)換器。在這六種 單管 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中， Buck 和 Boost 式DC/DC 轉(zhuǎn)換器是基本的， BuckBoost、 Cuk、 Zeta、 SEPIC 式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是從中派生出來(lái)的。雙管 DC/DC 轉(zhuǎn)換 器有雙管串接的升壓式（ BuckBoost） DC/DC 轉(zhuǎn)換器。四管DC/DC 轉(zhuǎn)換器常用的是全橋 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（ FullBridge Converter）。 隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在實(shí)現(xiàn)輸出與輸入電氣隔離時(shí)，通常采用變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于 變壓器具有變壓的功能，所以有利于擴(kuò)大轉(zhuǎn)換器的輸出應(yīng)用 范圍，也便于實(shí)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(kāi)關(guān)管的電壓和電流定額相同時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸出功率通常與所用開(kāi)關(guān)管的數(shù)量成正比。所以開(kāi)關(guān)管數(shù)越多， DC/DC 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器與隔離式轉(zhuǎn)換器的組合，可以得到單個(gè)轉(zhuǎn)換器所不具各的一些特性。 按能量的傳輸來(lái)分， DC/DC 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，既可以從 電源側(cè)向負(fù)載側(cè)傳輸功率，也可 以從負(fù)載側(cè)向電源側(cè)傳輸功率。 DC/DC 轉(zhuǎn)換器也可以分為自激式和他控式。借助轉(zhuǎn)換器本身的正反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管自持周期性開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換器，叫做自激式轉(zhuǎn)換器，如洛耶爾 （ Royer）轉(zhuǎn)換器就是一種典型的推挽自激式轉(zhuǎn)換器。他控式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)器件控制信號(hào)，是由外部專(zhuān)門(mén)的控制電路產(chǎn)生的。 j 按照開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)條件， DC/DC 轉(zhuǎn)換器又可以分為硬開(kāi)關(guān)（ Hard Switching）和軟開(kāi)關(guān)（ Soft Switching）兩種。硬開(kāi)關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)器件 是在承受電壓或 流過(guò)電流的情況下，開(kāi)通或關(guān)斷電路的，因此在開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生較大的交疊損耗，即所謂的開(kāi)關(guān)損耗（ Switching loss）。當(dāng)轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)一定時(shí)開(kāi)關(guān)損耗也是一定的，而且開(kāi)關(guān)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗越大，同時(shí)在開(kāi)關(guān)過(guò)程中還會(huì)激起電路分布電感和寄生 電開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì) 12 容的振蕩，帶來(lái)附加損耗，因此，硬開(kāi)關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率不能太高。軟開(kāi)關(guān)DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)管，在開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程中，或是加于 其上的電壓為零，即零電壓開(kāi)關(guān)（ ZeroVoltageSwitching， ZVS），或是通過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流為零，即零電流開(kāi)關(guān)（ ZeroCurrent?Switching， ZCS）。這種軟開(kāi)關(guān)方式可以顯著地減小開(kāi)關(guān)損耗，以及開(kāi)關(guān)過(guò)程中激起的振蕩，使開(kāi)關(guān)頻率可以大幅度提高，為轉(zhuǎn)換器的小型化和模塊化創(chuàng)造 了條件。功率場(chǎng)效應(yīng)管（ MOSFET）是應(yīng)用較多的開(kāi)關(guān)器件，它有較高的開(kāi)關(guān)速度，但同時(shí)也有較大的寄生電容。它關(guān)斷時(shí)，在外電壓的作用下， 其寄生電容充滿電，如果在其開(kāi)通前不將這一部分電荷放掉，則將消耗于器件內(nèi)部，這就是容性開(kāi)通損耗。為了減小或消除這種損耗，功率場(chǎng) 效應(yīng)管宜采用零電壓開(kāi)通方式（ ZVS）。絕緣柵雙極性晶體管（ Insu1ated Gate Bipo1ar tansistor， IGBT）是一種復(fù)合開(kāi)關(guān)器件，關(guān)斷時(shí)的電流拖 尾會(huì)導(dǎo)致較大的關(guān)斷損耗，如果在關(guān)斷前使流過(guò)它的電流降到零，則可以顯著地降低開(kāi)關(guān)損耗，因此 IGBT 宜采用零電流（ ZCS）關(guān)斷方式。 IGBT 在 零電壓條件下關(guān)斷，同樣也能減小關(guān)斷損耗，但是 MOSFET 在零電流條件下開(kāi)通時(shí)，并不能減小容性開(kāi)通損耗。諧振轉(zhuǎn)換器（ ResonantConverter ， RC）、準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器（ QunsiTesonant Converter，QRC）、多諧振轉(zhuǎn)換器（ Mu1tiResonantConverter， MRC）、零電壓開(kāi)關(guān) PWM 轉(zhuǎn)換器（ ZVS PWM Converter）、零電流開(kāi)關(guān) PWM 轉(zhuǎn)換器（ ZCS PWM Converter）、零電壓轉(zhuǎn)換（ ZeroVo1tageTransition ， ZVT ） PWM 轉(zhuǎn) 換 器 和 零 電 流 轉(zhuǎn) 換 （ Zero Vo1tageTransition， ZVT） PWM 轉(zhuǎn)換器等，均屬于軟開(kāi)關(guān)直流轉(zhuǎn)換器。電力電子開(kāi)關(guān)器件和零開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器技術(shù)的發(fā)展，促使了高頻開(kāi)關(guān)電源的發(fā) 展。 西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 4 反饋 電路的設(shè)計(jì) 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(guò)集成穩(wěn)壓器 TL431 和光電耦合器反饋到UC3842 的①腳，調(diào)節(jié) R R2的分壓比可設(shè)定和調(diào)節(jié)輸出電壓，達(dá)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(yáng)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(duì)地的分流變大， UC3842 的輸出脈寬相應(yīng)變窄，輸出電壓 U0減小。同樣，如果輸出電壓 U 減小，則可通過(guò)反饋調(diào)節(jié)使之升高。 參數(shù)計(jì)算：分壓電阻取 27KΩ， 光耦器件選擇 PC817 穩(wěn)壓管選擇 TL341 開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì) 14 輸出電流反饋 圖 5 過(guò)流保護(hù)電路 過(guò)流保護(hù)電路是由 R R9 以及 C9 組成。 R9 上的電壓反映了電流瞬間時(shí)值，當(dāng)開(kāi)關(guān)電源發(fā)生過(guò)流時(shí)，開(kāi)關(guān)管 S1 漏級(jí)的電流會(huì)增大， UR9接入 UC3842 的保護(hù)輸入端③腳，當(dāng) UR9=1V 時(shí)， UC3842 芯片的輸出脈沖將關(guān)斷。通過(guò)調(diào)節(jié) R10 和 R9 的分壓比可改變開(kāi)關(guān)管的限流值，實(shí)現(xiàn)電流瞬時(shí)值的逐周期保護(hù)比較，屬于限流式保護(hù)。輸出脈沖關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流平均值的保護(hù)，屬于截流式的 保護(hù)。 原邊輸出電流 I1=52mA, UC3842 輸出電流 I=200 mA，所以三極管漏級(jí)電流 I 漏=I1+I=252 mA。假設(shè) R10=1 KΩ，濾波電容 C9=470pf。所以流過(guò) 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(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 5 驅(qū)動(dòng)與整流 經(jīng)過(guò) T1 的隔離，通過(guò)調(diào)整電阻 R13 使輸入 V21 的脈沖寬度變化從而達(dá)到調(diào)壓的目的。其中加速電容 C電阻 R13 按 V21 的穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)電流確定。 驅(qū)動(dòng)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(guò)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(guān)斷過(guò)程是開(kāi)關(guān)管最易損壞的時(shí)間，因此采取的措施為在晶體管關(guān)斷，集電極電壓上升的同時(shí)，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(shí)，在關(guān)斷晶體管時(shí)以減少晶 體管集電極電流，其工作原理是當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)，電容 C10 通過(guò)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(dāng)晶體管 V21 導(dǎo)通時(shí)， C10 通過(guò)電阻 R23 和晶體管 V21 放電。對(duì)于參數(shù)的選擇可按經(jīng)驗(yàn)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(shí)間（ μs ）； Tr 為最大的集電極電流下降時(shí)間（ μs ）； 注：計(jì)算的電阻值，必須限制放電電流 Idis（ Idis＝ Ic1 ／ 4）。 開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì) 16 6 過(guò)流與過(guò)壓保護(hù) 圖 5 輸出過(guò)電壓保護(hù)電路 當(dāng)負(fù)載過(guò)流時(shí)，經(jīng)脈沖變壓器次級(jí)耦合，其初級(jí)也過(guò)流，流過(guò) R24 的壓降增大，光耦 PHT 導(dǎo)通， SG1524 的 10 腳電壓被抬高， SG1524 關(guān)閉，無(wú)輸出電壓，從而保護(hù)電源。 當(dāng)負(fù)載過(guò)壓時(shí)，反饋到 SG1524 的 1 腳電壓流經(jīng)發(fā)光二極管 V6，使 SG1524 的 10 腳電壓被抬高， SG1524 關(guān)閉，無(wú)輸出電壓，從而保護(hù)電源 。 西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 7 電源開(kāi)關(guān)的發(fā)展反向 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)了開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展前進(jìn)，每年以超過(guò)兩位數(shù)字的增長(zhǎng)率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源可分為 AC/DC 和 DC/DC 兩大類(lèi)， DC/DC 變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國(guó)內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶的認(rèn)可，但 AC/DC 的模塊化，因其自身的特 性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問(wèn)題。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)電源中應(yīng)用的電力電子器件主要為二極管、 IGBT 和 MOSFET。 SCR 在開(kāi)關(guān)電源輸入整流電路及軟啟動(dòng)電路中有少量應(yīng)用， GTR 驅(qū)動(dòng)困難，開(kāi)關(guān)頻率低，逐漸被 IGBT 和 MOSFET 取代。技術(shù)發(fā)展動(dòng)向 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?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)。 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)電源的工作效率。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。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。 電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，使開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國(guó)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，就必須走技術(shù)創(chuàng)新之路，走出有中國(guó) 特色的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合發(fā)展之路，為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展做出貢獻(xiàn)。開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展和趨勢(shì) 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（ Jen Sen)發(fā)明了自激式推挽雙變壓器， 1964 年美國(guó) 開(kāi)關(guān)電源科學(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)電源向體積和開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì) 18 重量的下降獲得