【正文】 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。(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。(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。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。(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。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。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。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。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。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)。其特點是將恒流充電段改為限壓變電流間歇充電段。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。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。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。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。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。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。此時要求開關(guān)電源充電機有良好的穩(wěn)壓特性。 恒壓充電方式其充電曲線如圖52所示。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。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。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。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。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。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)。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。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。這種方法的原理如圖416所示。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。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。(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)。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)。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)。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。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。 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。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。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。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。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。具體電路如圖414所示。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412中的電容C是噪音濾波電容器，用來濾掉干擾，以防止過流保護電路的誤動作。圖412過流保護電流采樣電路圖412中，表示待檢測的電流，指的是高頻變壓器的原邊輸入電流，是用來檢測電流的類似于電流互感器的電流變壓器，因為是高頻變化的交流，所以變壓器的副邊要經(jīng)過整流，接到UC3825的第九個端口，通過UC3825來控制過流后的系列動作。外部電路只需完成電流檢測和I/V轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換的電壓信號輸入到UC3825的第9腳。這是上述兩種保護方式相結(jié)合的產(chǎn)物。③ 限流—切斷式保護。電流信號電流檢測和I/V轉(zhuǎn)換電壓比較電路去V/W電路取代誤差放大器圖411限流式保護電路原理框圖限流式保護電路和切斷式保護電路的差別在于電壓比較電路的輸出不是使整個控制電路失效，而是取代誤差放大器控制V/W電路輸出的脈沖寬度。② 限流式保護。切斷式保護的原理框圖如圖410所示。下面將詳細介紹。輸出軟啟動和輸入軟啟動應(yīng)結(jié)合起來考慮，理想的配合是輸入電容充電完畢，限流電阻被短接后，輸出電壓才由零逐漸增大到額定值，以避免限流電阻上承受極大的損耗。對于前一種軟啟動電路的設(shè)計，如圖49所示。這兩種軟啟動電路都是非常重要的，前一種可稱為硬控制，后種可稱為軟控制。軟啟動電路分為兩部分內(nèi)容，其一是輸入電網(wǎng)分段啟動，在合閘時先接入限流電阻，將合閘浪涌電流限制在設(shè)定范圍內(nèi)，待輸入電容充滿電后(一般充電時間為26秒)，再將該電阻短接。 ，由()的比例部分知靜態(tài)時，==12，所以的范圍為: ，這樣反饋比例系數(shù)就可以確定了。圖48中，表示整定電壓，表示反饋電壓，由主電路輸出直接通過比例系數(shù)K反饋到慣性環(huán)節(jié)中，和C組成的比例積分電路構(gòu)成了PI調(diào)節(jié)器，以減少系統(tǒng)的超調(diào)，降低系統(tǒng)的調(diào)節(jié)靈敏度。實質(zhì)上，如果在應(yīng)用中，直接將反饋信號接入到輸入端，則效果并不是很好，所以，我們設(shè)計時，在反饋電路中，加入了一個慣性環(huán)節(jié)，以達到的對輸出的更好控制效果。選擇線性光耦合器能很好地完成隔離和比例傳輸?shù)墓δ埽似骷倪x用和外圍參數(shù)的選擇都很成功，實驗效果滿意。%。光電流的值滿足: =/，此電流與LED的電流成正比，比例系數(shù)為反饋傳輸增量，即=，運算放大器向LED提供足夠的電流以保持運放的正向和反向輸入端等電壓。輸出光二極管產(chǎn)生的輸出信號與LED發(fā)出的伺服光通量成線性比例。反饋光二極管吸收LED光通量的一部分而產(chǎn)生控制信號。在圖48中，指的是一個精密線性光禍，因為反饋電壓是直接從主電路的輸出端采樣，由于主電路和控制電路是需要隔離的，所以光耦隔離是必不可少的，但是，一般光禍的輸出是不能反應(yīng)輸入的大小的，我們選用線性光耦合器，即可以實現(xiàn)電氣隔離，又可以實現(xiàn)比例傳輸，為了實現(xiàn)精確地控制，我們選用了一種精密線性光禍合器。反饋電壓從主電路輸出端直接實時采樣，與整定電壓比較后輸入到比例積分放大器，其輸出值經(jīng)過隔離后輸入到UC3825的第2個管腳，以控制PWM信號的占空比從而控制主電路輸出電壓的變化。表41 UC3825輸入與輸出占空比的關(guān)系 反饋電路的設(shè)計高頻開關(guān)電源是一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是電流反饋控制，外環(huán)是電壓反饋控制。我們定義UC3825的2腳輸入為，輸出的PWM信號占空比為D。通過實驗可知，UC3825的2腳輸入和OutA、OutB輸出的PWM脈沖信號的占空比是滿足線性關(guān)系的。OutA和OutB輸出的兩個PWM信號是相互之間有死區(qū)時間的互補信號。 UC3825的調(diào)試UC3825是控制電路的核心，通過前面的介紹，我們知道，這種PWM集成控制器集成了很多的功能，以前需要用分立單元完成的功能，現(xiàn)在都可以通過UC3825來完成，它的般用法如圖57所示。每個輸出端(OUT)到和PGND之間，都應(yīng)加入一只3A的肖特基二極管(IN5120, USD245或相同性能的器件)，如圖46所示。該輸出電流在20ns內(nèi)可使1000pF電容兩端的電壓上升15V。(4) 大電流輸出電路圖46功率MOSFET的驅(qū)動電路功率MOSFET驅(qū)動電路如圖46所示。但是軟啟動腳外接電容在充足電之前不會放電。這時，故障鎖存器復(fù)位，芯片開始軟啟動過程。 一旦限流(I LIM)，故障鎖存器置位，輸出腳變?yōu)榈碗娖剑煌瑫r，軟啟動腳外接電容以250uA的電流放電。接通電源后，軟啟動腳外接電容放電，該腳處于低電平，誤差放大器輸出低電平，開關(guān)電源無輸出電壓。(3) 欠壓鎖定、軟啟動以及故障處理圖45軟啟動和故障處理波形 軟啟動和故障處理波形如圖45所示。在任何時間，只要限流(I LIM)，故障封鎖就起作用，從而使輸出端變?yōu)榈碗娖健５?，過流比較器不能采用前沿封鎖。上升沿封鎖也適用于限流比較器。為了更準確控制前沿封鎖時間，可在外部并聯(lián)一個2k(2%)電阻R。同時，由于采用了輸出脈沖上升沿封鎖，脈寬調(diào)制器的斜坡輸入就不需要再經(jīng)過濾波。因為采用了上升沿封鎖，在脈沖前沿的一定時間內(nèi)，脈寬調(diào)制比較器不起作用。輸出脈沖的下降沿由脈寬調(diào)制比較器、限流比較器和過流比較器聯(lián)合控制。為了限制最大占空比，在振蕩電容放電期間，內(nèi)部時鐘脈沖對兩路輸出進行封鎖。UC3823A、B的兩個輸出端可同時輸出脈沖，輸出脈沖的頻率與振蕩器頻率相等，脈沖占空比可在O%～100%內(nèi)調(diào)整。在實際的應(yīng)用中，選為2nf，工作頻率為2OOK