【文章內(nèi)容簡介】 各 種 工 作狀態(tài)的目 的，進而提前對系統(tǒng)做 出調(diào)整和處理，解決了目前大功率 IGBT 逆變電源可靠性。國外逆變焊機己可做 到額定焊接電流 300A，負載持續(xù)率 60%，全載電壓 6039。75V，電流調(diào)節(jié)范圍 539。 300A，重 量 29kg。 ③ 大功率開 關 型 高壓直流開關電源 大功率開關型高壓直流電源廣泛應 用 于 靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用 X 光機 和 CT 機等大型設備。電壓高達 到 39。159kV，電流達到 以上，功率可達到 100kW。 自從上個世紀 70 年代開始，日本的一些公司開始采用逆變技術(shù)，將市電整 流后逆 變?yōu)? 3kHz 左右的中頻，然后升壓。進入 80 年 代 ， 高頻開關電源技術(shù)迅速 發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件，將電源的開關頻率提高到 20旺 Iz 以上，并將干式變壓器技術(shù)成功地應 用 于 高頻高壓電源，取消了高壓變 壓器油箱，使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。 國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進行了研制，市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷鳎捎萌? 橋零電流開關串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓，然后由高頻變壓器 升壓，最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下，輸出直流電壓達到 55kV，電流達 到 15時 ， 工 作頻率為 z。 ④ 電力操作電源 在上個世紀 90 年代之前，電力操作電源幾乎全部選用相控電 源 ， 即采用 可控硅整流充電設備， 由 于 可控硅整流在紋波、效率、體積等方面不盡人意，監(jiān) 控系統(tǒng)也不夠完善，尤其現(xiàn)在變電所逐步采用微機保護和監(jiān)控，對直流系統(tǒng)的 性能和可靠性要求更高，因 此 90 年代之后更新?lián)Q代為開關電源。 變電所中的電力操作電源是保證可靠供電必不可少的，它的主要任務是為繼 電保護、開關分合閘及控制等提供可靠的直流操作電源。它的性能優(yōu)劣直接關系 到變電所的正常安全供電，進而關系到生產(chǎn)設備的正常運行。采用高頻 開關后， 輸出電壓精度高，其輸出紋波系數(shù)從 2%提高到 %，電源穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度從 2%減小 到 %，能夠保證對蓄電池的平穩(wěn)充放電，延長了電池使用壽命。 由于 采用模塊化結(jié)構(gòu)和 N+l 備份方式，可根據(jù)實際負載容量的大小，選擇合適的整 流模塊數(shù)量。當 1 臺電源故障時，只需將該模塊退出檢 修 ， 而其它模塊仍可繼 續(xù)運行，在保證系統(tǒng)充電容量的前提下，為負載的正常供電提供了更加可靠的 保障。以往的可控硅整流相控電源系統(tǒng)，其備件需要 1 個同樣大小的硅整流模 青島 理 工 大學畢業(yè)設計 (論文〉 塊，而改用高頻開關后，只需備 139。39。2 個高頻開關單元就可以了，減少了備件 儲備成本。 由 于 高頻開關電源的功率因數(shù) 大 于 ， 而常規(guī)整流功率因數(shù)僅為 左右，對同樣的負載，采用高頻開關模塊可節(jié)省輸入功率 30%。 開關穩(wěn)壓電源發(fā)展趨勢及優(yōu)點 (1)非隔離 DC / DC 技術(shù)迅速發(fā)展近年 來 ， 非隔離 DC / DC 技術(shù)發(fā)展迅速。 現(xiàn)在的非隔離的 DC， DC 基本上分成兩大 類 。一是 在內(nèi) 部 含有功率開關元 件 ， 稱 DC， DC 轉(zhuǎn)換器 :二是不含功率開 關 . 需要外接功率 MOSFET， 稱 DC， DC 控制器按照電路功能劃分有降壓的 BUCK、升壓的 BOOST， 還有升降壓的 BUCK BOOST 等 . 以 及 正壓轉(zhuǎn)負壓的 的 VERTOR 等 。 其中品種最多發(fā)展最 快的是 BUCK 型。控制方式以 PWM 為主。 (2) 初 級 PWM控 制 IC不斷優(yōu)化有源箱位技 術(shù) 自 從 2021年 VICOR公司此項專 利技術(shù)到期解禁之后新型有源辛苦位控 制 IC紛紛涌現(xiàn)。在大功率領域，全橋移相 ZVS軟開關技術(shù)在解決 開關電源的效率上功不可沒 。 INTERSIL公司推出 的 PWM 對稱全橋 的 ZVS控 制 ICISL6752，既能控制初級側(cè)的四 個 MOS開關 為 ZVS工 作 狀 態(tài) ， 又能準確地給出控制二次側(cè)的同步整流 為 ZVS工 作狀態(tài)的驅(qū)動信號。采用 這 種 IC制作的 100W 的 DC， DC再 加上先進的功 率 MOSFET， 轉(zhuǎn)換效率可達到 95% 。 小 功 率的開關電源仍用反激變換器 的 PWM 來控 制 IC。低 壓 DC， DC領 域 Linear公司 的 LTC3806不僅能控制 好 PWM， 還 給出準確的二次側(cè)同步整流驅(qū)動 信號，是比較好的低壓小功率電源控 制 IC 。 (3)數(shù)字化開關穩(wěn)壓電源，傳統(tǒng)的開關穩(wěn)壓電源中最基本的穩(wěn)壓電源有六種 : BUCK、 BOOST、 BUCK BOOST、 CUK 、 ZETA 、 SEPIC 。其中以 BUCK 和 BOOST 最基 本 ， 其它四種是從中派生的。許多模擬電源系統(tǒng)能滿足當今 電 子 系統(tǒng)的要求。但以目前電子信息發(fā)展趨勢，未來電源系統(tǒng)將朝向兩極化方向發(fā) 展 : 模塊化微型電源和具有多功能用途的大型電源。大型電源的發(fā)展將趨向大型 化 、 模 塊 化、智能化、網(wǎng)絡化。 大 型電源設備組成復 雜 ， 同時又需要以模塊化方式滿 足不同的應用需 求 ， 因此應用數(shù)字控制 技 術(shù) 于 電源控制將是未來發(fā)展的趨勢。數(shù) 字化開關穩(wěn)壓電源是數(shù)字信號處理與模擬技術(shù)的新結(jié)合點。數(shù)字信號處理近年來 在理論取得了重大的發(fā)展而且在應用上日益擴大 。 DSP 是為實現(xiàn)數(shù)字信號處理的 專用處理 器 ， DSP 器件具有較高的集成度以及更高的效率可以高速處理極為大 量的數(shù)字化數(shù) 據(jù) ， 因而應用到廣泛數(shù)字化器件當中。其中 TI 推出的數(shù)字電源的 新產(chǎn)品包括 UCD9K、 UCD8K 及 UCD7K 系列輔助器件。 青島 理 工 大學畢業(yè)設計 (論文〉 6 開關穩(wěn)壓電源的應用前景越來越 廣，技術(shù)也在不斷提高，有著下列優(yōu) 點 : (1)可編程 :比如 通 訊、檢測、遙測等所有功能都可用軟件編程實現(xiàn) (2) 易 于 設計配置穩(wěn)定調(diào)節(jié) :通過編寫幾行簡單的代碼，就可以將數(shù)字集成電 路配置成各種需要的穩(wěn)壓 器 ， 如升壓、降 壓 ， 負輸出 、 SEPIC、 反激式等。 (3) 有直接監(jiān)控、處理并適應系統(tǒng)條件的能力，能滿足任何復雜的電源要求。 ( 4 ) 通過遠程診斷確保持續(xù)的系統(tǒng)可靠 性 ， 包括故障管理、過電流保護以及避 免停機等。 研究意義內(nèi)容及技術(shù)要求 隨著我國開關穩(wěn)壓電源市場的迅猛發(fā)展，與之相關的核心生 產(chǎn)技術(shù)應用與研 發(fā)亦成為業(yè)內(nèi)關注的焦點。特別是電子計算機技術(shù)應用到 各 工 業(yè)、科研領域后， 各種電子設備都要求穩(wěn)定的電源供 電 ， 并 且電 網(wǎng) 直接供電己不能滿足需 要 ，因此 正向 著 小 功 率直流穩(wěn)壓電源發(fā)展。越來越多的人開始關注電源變換器的設計，高 效 DC DC 升 壓變換器可以方 便 、精確地由低 壓 變換到高 壓 ，在低損耗的同時 達到高效地為各種電子設備供電的目的。 高 效 DCDC升壓變換器主要 由 Boost升 壓電路的 拓 撲結(jié)構(gòu)與 脈 寬 調(diào)制 器 組 成 。 Boost升壓電路由升壓電感、續(xù)流二極管、濾波電容及全控型開關管 (增強 型 MOS管〉等幾部分組成。當關閉全控型開關管 時 ， 電 感將電能轉(zhuǎn)換為磁場能 儲存起 來 ， 當 MOS斷開后電感將儲存的磁場能轉(zhuǎn)換為電場 能 ， 這個能量在和輸 入電源電壓疊加后通過二極管和電容的濾波后得到平滑的直流電壓提供給負 載 ， 這個電壓是輸入電源電壓和電感的磁場能轉(zhuǎn)換為電能的疊加后形成的，所以達到 直流到直流的升壓目的。從而可以高效地將直流輸入電源電壓升到所要求的電壓 范圍，給電動車及其他直流設備供電。通過外 部 AD對 Boost電路取樣轉(zhuǎn)化為低壓 直流信 號 ， 送入誤差比較 器 ， 與內(nèi)部的基準電壓比較，根據(jù)比較結(jié)果通 過 PID調(diào) 節(jié) ， 從而 達到輸出穩(wěn)定電壓的目的。 本設計的技術(shù)指標要求 : 電 壓 U 可調(diào)范圍 : 30V ， ...。 ，步進值 lV。 、電流的測量和數(shù)字顯示功能 : 青島 理 工 大學畢業(yè)設計 (論文〉 7 從 15V 變到 21V 時，電壓調(diào) 整 率 S230。%。 峰 峰值 Uopp三 lV。 變換 器 的 效 率 唯 85%。具有過流保護功 能 ， 動作電流 Io(由 )=:!:。 本 章 小結(jié) 本章主要介紹了開關電源的定義與分類，開關穩(wěn)壓電源 的 工 作原理及其在各 方面的廣泛應用，同時介紹了開關電源的發(fā)展趨勢及優(yōu)點。最 后 ， 本章說明了本 設計的設計目的以及主要設計內(nèi)容和各技術(shù)指標要求。 青島 理 工 大學畢業(yè)設計 (論文〉 8 。 第 2章 DCDC升壓拓撲選擇及原理分析 2. 1 升壓 斬 波電 路 的 基本原理 升壓斬波電路的原理圖 及 工 作波形如圖 所 示 ， 該電路中使用全控型 MOS 管。 L E RL (a) UGE t lO .. 口 門 門 I (b) 圖 21 升壓斬波電路原理及 其 工 作波形 a)電路圖 b) 波形 分析升壓斬波電路 的 工 作原理 時 ， 首先假設電路中電感 L 值很 大 ， 電容 C 的值也很大。當可控開關 V 處 于 通態(tài)時 ， 電源 E 向 電感 L 充 電 ， 充 電電流基本 恒定 為 人 39。 同時電容 C 上的電壓向負 載 R 供電。因 C 值很大，基本保持輸出電 壓 u。為恒定值，記 為 Uo 。設 V 處 于 通態(tài)的時間為切，此階段電感 L 上積蓄的 能量為 EIJtm。當 V 處 于 斷態(tài)時 E 和 L 共同向電容 C 充 電并向負載 R 提供能量。 青島 理 工 大學畢業(yè)設計 (論文〉 9 E 一 設 V 處 于 斷態(tài)的時間 為 to町 39。 則在此期間電感 L 釋放的能量 為 (U() E)IJtorf 。當電 路 工 作于穩(wěn)態(tài)時 ， 一個周期 T 中電感 L 積蓄的能量與釋放的能量相 等 ， 即 、 6 0 懺 化簡得 E1lO1J = (Uo E) ( ) UI=\= tOIl + toff E=E ( ) toff toff 式 中 ， 王 三 1，輸出電 壓 高 于 電 U源電 壓 ， 故稱該電路為升壓斬波電路，用英文名 = 稱稱之為即 boost 變換器 ( Boost Conβ一v1erter )。 式 ω 咔 表示升壓 比 ，調(diào) 節(jié) 其 大 小 ，即可 改 變輸出電 壓 磯的大小， EA唱 一α 根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不 同 ， 斬 E波電路可有三種控制方 式 : (1)保持開關周期 T 不變，調(diào)節(jié)開關導通時間 燦 ，稱為脈沖寬度調(diào)制 (Pulse Width Modulation， PWM ) 或脈沖 調(diào) 寬型。 (2保) 持開 關 導 通時間切不 變 ， 改變開關周 期 T，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。 (31on 和 T 都可 調(diào) ， 使占空比改變，稱為混合型。 將升壓比的倒數(shù)記 作 β ， 即 β=墜。 則 β 和占空 比 α 有如下關 系 : T 因此式 () 可表示為 α+β=1 () () 升壓斬波電 路 之 所 以能使輸出電 壓 高 于 電源電壓，關鍵有兩個原 因 :一是電 感 L 儲能之后具有使電壓泵升的作 用 ， 二 是電容 C 可 以將電壓保持住。在以上 的分析 中 ， 認為 V 處 于 通態(tài)期間因電容 C 的作用使得輸出電 壓 U。不 變 ， 但實際 上 C 值不可能為無窮 大 ， 在此階段其向負載放 電 ， u。. 必然會有下 降 ， 故實際輸 出 電 壓會略低與式 ( )所得 結(jié) 果。不 過 ，在 電 容 C 值足夠大 時 ， 誤差很小基 本可以忽略。 帶 隔 離 的直 流 一 直流變流電路 帶隔離的直 流 一 直流變流電路結(jié)構(gòu)如圖 所 示 ， 同直流斬波電路相比，直 青島 理 工 大學畢業(yè)設計 (論文〉 10 流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)，因此也稱為 直 一 交 直電路。 圖 帶隔離的直流 直 流變流電路的結(jié)構(gòu) 采用這種結(jié)構(gòu)較為復雜的電路來完成直 流 直流的變換有以下原 因 : (1) 輸出端與輸入端需要隔離。 (2)某些應用中需要相互隔離的多路輸出。 (3)輸出電壓與輸入電壓的比例 遠 小 于 1或遠 大 于 1。 (4)交流環(huán)節(jié)采用 較 高 的 工 作頻率，可以減小變壓器的濾波電 感 、 濾波電容的體積 和重量。通 常 ， 工 作頻率 應 高于 20kHz 這一人耳的昕覺 極限，以免變壓器和電 感產(chǎn)生刺耳的噪聲。隨著電力半導體器件和磁 性