【導(dǎo)讀】開關(guān)電源具有效率高、體積小、重量輕等顯著特點。目前世界各國都有廣泛的應(yīng)用，特別是對大容量高頻開關(guān)電源的研究和開發(fā)已成為當今電力電子學(xué)的主要研究領(lǐng)域，并派生了很多新的研究方向。本文的主要內(nèi)容就是研制一種高性能、大功率直流開關(guān)電源。本文詳細分析了高性能、大功率直流開關(guān)電源的工作原理，并提出了主電路和控制電路的詳細設(shè)計方案。在此基礎(chǔ)上，完成了整個系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件程序的編制，并對電源裝置的硬件和軟件進行了調(diào)試和修改。本文還探討了多個電源模塊并聯(lián)運行時的自動均流技術(shù)，并詳細介紹了基于平均值的自動均流電路。本文研制的直流開關(guān)電源具有輸出電壓可調(diào)、輸出電流大、紋波小等特點，而且還具有換檔、遠程控制等功能。實驗結(jié)果表明它基本達到設(shè)計要求，從而驗證了理論分析的正確性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　

【正文】 為了保護負載，開關(guān)電源需要設(shè)計輸出過電壓保護電路，過電壓保護電路如圖413所示。圖中表示光耦合器，選用TIL117, 表示一個可編程的精密電壓基準43IL，主電路的輸出電壓過、分壓后加入到精密電壓基準的基準(R)端，的陰極接到光耦合器的3端，從圖413中可以知道，陰極電流突然增大，使得光耦合器工作，變?yōu)榈碗娖?，而連接到UC3825的輸入啟動端(SS)，這樣迫使啟動電容放電，系統(tǒng)重新軟啟動，實現(xiàn)過壓保護的目的，保護負載的安全。圖413 過壓保護電路 輔助電源輔助電源是給控制部分供電的，分為兩部分:一部分是UC3825以及其它控制部分的電源，另一部分是電壓反饋環(huán)節(jié)的電源。因為反饋環(huán)節(jié)和控制部分是通過線性光禍合器隔離的，所以工作電源也是兩個不共地的電源。圖414輔助電源電路圖(控制部分)第一部分電源是從三相電源中取線電壓經(jīng)過工頻變壓器變壓后全波整流，然后由摩托羅拉公司的專用DCtoDC變換器控制電路芯片MC33063A提供+12V的直流工作電源供給控制電路。具體電路如圖414所示。MC33063A是一系列單片控制電路，包含直流到直流變換器所要求的主要功能，這些器件由一內(nèi)部溫度補償基準、比較器、帶激勵電流限制電路的控制占空比振蕩器、驅(qū)動器及大電流輸出開關(guān)組成。有如下的特點:..低備用電流.電流限制..輸出電壓可調(diào).1 OOKHZ工作頻率.基準精度2%第二部分的電源是由UC3825的CLK端經(jīng)過觸發(fā)以后，通過高頻變壓器隔離變壓后整流輸出。如圖415所示。由圖中知，此電源因為有高頻變壓器的隔離，所以和UC3825是隔離的，與第一部分的電源也不共地。圖中的CLK由UC3825的時鐘提供，+12V是控制部分的輔助電源，如圖415中的，電壓反饋電路的電源為圖415中的。圖415輔助電源電路圖(反饋部分) 均流電路設(shè)計 概述大功率電源系統(tǒng)需要采用若干臺開關(guān)電源并聯(lián)，以滿足負載功率的要求，并聯(lián)系統(tǒng)中，每個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。由于大功率負載需求和分布式電源系統(tǒng)的發(fā)展，開關(guān)電源并聯(lián)技術(shù)的重要性日益增加。但是并聯(lián)的開關(guān)變換器模塊間需要采用均流(Current sharing)措施，它是實現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)的關(guān)鍵。用以保證模塊間電流應(yīng)力和熱應(yīng)力的均勻分配，防止一臺或多臺模塊運行在電流極限(限流)狀態(tài)。對若干個開關(guān)變換器模塊并聯(lián)的電源系統(tǒng)，基本要求是:(1)各模塊承受的電流能自動平衡，實現(xiàn)均流；(2)為提高系統(tǒng)的可靠性，盡可能不增加外部均流控制的措施，并使均流與冗余技術(shù)結(jié)合。(3)當輸入電壓或負載電流變化時，應(yīng)保持輸出電壓穩(wěn)定，并且均流的瞬態(tài)響應(yīng)好。 開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)常用的均流方法開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)的均流方法很多，常用的有:(1) 輸出阻抗法調(diào)節(jié)開關(guān)變換器的外特性傾斜度(即調(diào)節(jié)輸出阻抗)，以達到并聯(lián)模塊接近均流的目的。有的文獻中稱為電壓調(diào)整率法，國外文獻中稱為Droop法。這種方法是最簡單的實現(xiàn)均流的方法，本質(zhì)上屬于開環(huán)控制，在小電流時電流分配特性差。其缺點是:電壓調(diào)整率下降，為達到均流，每個模塊個別調(diào)整；對于不同額定功率的并聯(lián)模塊，難以實現(xiàn)均流。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。(2) 主從設(shè)置法這一方法適用于有電流型控制的并聯(lián)開關(guān)系統(tǒng)中。它是在并聯(lián)的n個變換器模塊中，人為指定其中一個為“主模塊”(Master Module)，而其余各模塊跟從主模塊分配分配電流，稱為從模塊(Slave Modules)。用主從設(shè)置法的均流的主要缺點是:①主從模塊間必需有通訊聯(lián)系，使系統(tǒng)復(fù)雜。②如果主模塊失效，則整個電源系統(tǒng)不能工作，因此這種方法不適用于冗余并聯(lián)系統(tǒng)。③電壓環(huán)的帶寬大，容易受外界噪聲干擾。(3) 按平均電流值自動均流法應(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電阻R接到一條公用母線上，稱為均流母線(Share Bus)。通過電阻R上的電壓差，由均流控制器產(chǎn)生均流控制電壓,與基準電壓綜合后再與反饋電壓進行比較放大后，產(chǎn)生電壓誤差，控制PWM及驅(qū)動器。平均電流法可以精確的實現(xiàn)均流，但具體應(yīng)用時，會出現(xiàn)一些特殊問題。例如，當均流母線發(fā)生短路，或接在母線上的任一個模塊不能工作時，母線電壓下降，將促使各模塊電壓下調(diào)，甚至到達其下限，結(jié)果造成故障。最大電流法自動均流圖416最大電流法自動均流法電路原理圖這是一種自動設(shè)定主模塊和從模塊的方法，即在個并聯(lián)的模塊中，輸出電流最大的模塊，將自動成為主模塊，而其余的模塊則成為從模塊，它們的電壓誤差依次被整定，以校正負載電流分配的不平衡。這種方法現(xiàn)在技術(shù)比較成熟，效果比較好，是本系統(tǒng)擬采用的方法。這種方法的原理如圖416所示。由于二極管D的作用，均流母線上的電壓反映的是并聯(lián)各模塊的中的最大值。由于二極管的單向性，只有對電流最大的模塊，二極管才導(dǎo)通，a點方能通過它與均流母線相連。設(shè)正常情況下，各模塊分配的電流是均衡的，如果某個模塊電流突然增大，成為n個模塊中最大的一個，于是，上升，該模塊自動成為主模塊，其它模塊為從模塊，這時=，而各從模塊的與=比較，通過調(diào)整放大器調(diào)整基準電壓，自動實現(xiàn)均流。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有誤差。為了減少主模塊的這種誤差，根據(jù)最大電流法自動均流的原理，Unitrode IC公司開發(fā)的“均流控制器集成電路”UC3907設(shè)計了一個單向緩沖器代替二極管。UC3907根據(jù)對模塊電流的監(jiān)控，由均流母線電壓確定哪個模塊的輸出電流最大，指定它為主模塊，主模塊狀態(tài)指示器工作，而其余均為從模塊，它們的電流跟隨主模塊的輸出電流，%之內(nèi)。這種均流方法，均流母線開路或短路都不會影響各電源模塊的獨立工作。第5章 鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池由于其制造成本低，容量大，價格低廉而得到了廣泛的使用。但是，若使用不當，其壽命將大大縮短。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。 蓄電池充電理論基礎(chǔ)上世紀60年代中期，美國科學(xué)家馬斯對蓄電池的充電過程作了大量的試驗研究，并提出了以最低出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電電流曲線，如圖51所示。圖51最佳充電曲線即:在保持微量出氣的情況下，鉛酸蓄電池能夠接受的最大充電電流是一條指數(shù)規(guī)律衰減曲線—鉛酸蓄電池最大受力特性曲線。其方程式為:式中:i為充電電流；Io為初始最大充電電流；a為最大接受力比，a=i/c；t為充電時間。對鉛酸蓄電池而言，該理論提供了最好的充電方法:用最大速度而又不出氣的在一定溫度下充入放電容量的90%以上，而后充電速度按蓄電池最大接受力特性曲線下降。實驗表明，如果充電電流按這條曲線變化，就可以大大縮短充電時間，并且對電池的容量和壽命也沒有影響。原則上把這條曲線稱為最佳充電曲線，從而奠定了快速充電方法的研究方向。 蓄電池的常規(guī)充電方法蓄電池一般應(yīng)在5℃35℃范圍內(nèi)進行充電，低于5℃或高于35℃都會降低壽命，充電的設(shè)定電壓應(yīng)在指定范圍內(nèi)，如超出指定范圍將造成蓄電池損壞、容量降低、壽命縮短。 恒壓充電方式其充電曲線如圖52所示。充電時，充電電壓為一固定值，充電電流隨著蓄電池電壓的升高而減小，充電電壓適當，可避免過度充電。此時要求開關(guān)電源充電機有良好的穩(wěn)壓特性。圖 52 恒壓充電方式曲線 恒流充電方式其充電曲線如圖53所示。它是用調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方法，來保持充電電流不變的充電方法。充電時，蓄電池端電壓逐漸升高，充電電壓隨時調(diào)整，以使充電電流不變。此方法充電速度快，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進行而逐漸下降的，到充電后期，沸騰現(xiàn)象強烈，既消耗電能，又損壞極板。此時則要求開關(guān)電源充電機有良好的穩(wěn)流特性。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。然后，改為恒電壓完成剩余的充電。圖54 恒流恒壓充電方式曲線 快速充電技術(shù)為了能夠最大限度地加快蓄電池的化學(xué)反應(yīng)速度，縮短蓄電池達到滿充狀態(tài)的時間，同時，保證蓄電池正負極板的極化現(xiàn)象盡量地少或輕，提高蓄電池使用效率，因此，快速充電技術(shù)近年來得到了迅速發(fā)展。下面介紹目前比較流行的幾種快速充電方法。這些方法都是圍繞著最佳充電曲線進行設(shè)計的，目的就是使其充電曲線盡可能地逼進最佳充電曲線。 脈沖式充電法這種充電法不僅遵循蓄電池固有的充電接受率，而且能夠提高蓄電池充電接受率，從而打破了蓄電池指數(shù)充電接受曲線的限制，這是蓄電池充電理論的新發(fā)展。脈沖式充電法是用脈沖電流對電池充電，然后讓電池停充一段時間，如此循環(huán)，如圖55所示。圖55 脈沖充電方式曲線 變電流間歇充電法這種充電方法建立在恒流充電和脈沖充電的基礎(chǔ)上，如圖56所示。其特點是將恒流充電段改為限壓變電流間歇充電段。充電前期的各段采用變電流間歇充電的方法，保證加大充電電流，獲得絕大部分充電量。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)。通過間歇停充，使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進行，使蓄電池可以吸收更多的電量。圖56變電流間歇充電法曲線 變電壓間歇充電法在變電流間歇充電法的基礎(chǔ)上又有人提出了變電壓間歇充電法，如圖57所示。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。比較圖56和圖57，可以看出:圖57的充電曲線更加符合最佳充電曲線。在每個恒壓充電階段，由于是恒壓充電，充電電流自然按照指數(shù)規(guī)律下降，符合電池電流可接受率隨著充電的進行逐漸下降的特點。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)備對直流電源系統(tǒng)的要求越來越高，不但輸出電流大，而且對電壓紋波、穩(wěn)壓精度、過載能力、效率等指標要求也很高，因此，研究大容量、高性能直流電源系統(tǒng)是很有必要的。本文提出了大功率直流開關(guān)電源系統(tǒng)主電路、控制電路以及監(jiān)控系統(tǒng)的詳細設(shè)計方案。在此基礎(chǔ)上完成了硬件電路的設(shè)計，得出以下幾點結(jié)論: (1)在高頻變壓器的設(shè)計中，磁芯的選擇、繞組的繞制等多個環(huán)節(jié)可能需要反復(fù)設(shè)計實驗才能達到理想的效果。(2)PWM驅(qū)動電路的設(shè)計是非常關(guān)鍵的，MOSFET的驅(qū)動波形的好壞也直接關(guān)系到整個電源系統(tǒng)的整體性能。(3)此外，直流濾波環(huán)節(jié)參數(shù)的選取也很重要，需要反復(fù)試驗才能達到較好的濾波效果。(4)通過并聯(lián)均流控制，多個電源模塊并聯(lián)運行時，按平均值的均流方法可以得到很好的均流效果。由于時間的限制，還有以下一些后續(xù)工作有待完成:(1)高頻變壓器的更進一步優(yōu)化設(shè)計，高頻變壓器存在著溫升偏高的問題，開關(guān)噪聲偏大?？梢栽诖判具x擇，制作工藝上做一些優(yōu)化工作。(2)吸收回路的一些參數(shù)需要優(yōu)化，吸收回路的一些吸收電阻功率偏高，影響裝置的可靠性。(3)裝置的散熱風路有待重新設(shè)計，使得系統(tǒng)散熱效果加強，延長裝置使用壽命。(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。(5)電磁兼容的設(shè)計有待進一步深化。通過對高頻開關(guān)電源基本理論的研究，對開關(guān)變換器各種拓撲結(jié)構(gòu)的分析論證，期望設(shè)計出一種實用于電力系統(tǒng)直流操作電源的高頻開關(guān)電源整流模塊，以替代現(xiàn)在使用的相控整流電源，為電力系統(tǒng)提供一種重量更輕、體積更小、效率更高、安全性更好的一種整流模塊。致 謝感謝。參考文獻[1](2): 3～10[2]:電子工業(yè)出版社，1998: 295～302[3](修訂版).北京:電子工業(yè)出版社，2004: 6～15[4]:中國電力出版社，2002: 270～279[5]:科學(xué)出版社，2001: 1～10[6]，武漢大學(xué)碩士學(xué)位論文，2002[7]，1999(2):23～24[8]Andre A Jaecklin. 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