【正文】 d 相當(dāng)于集電極 c，源極 s 相當(dāng)于發(fā)射極 e，柵極 g 相當(dāng)于基極 b。本設(shè)計采用 560uF 的電解電容并聯(lián)一只 的小電容，以平滑輸出和濾除高頻波的作用。電容容量應(yīng)滿足式（ ） [6] ? ?35 2L TRC ? .........................................................................................() 其中 T 為交流周期，此處為 20ms ， LR 為負(fù)載電阻，考慮到最大電流為 10A ， 可假定負(fù)載為 1000 歐，那么估算出電容容值應(yīng)當(dāng)大于 500uF 。 （ a） 單相橋式整流電路原理圖 （ b）簡化畫法 圖 單相橋式整流電路 單相橋式整流后的的電壓平均值為： 0 2 2 201 2 22 s in w t 0 . 9V V d w t V V???? ? ??………………………… （ ） 單相橋式整流電路波形圖如圖 所示，經(jīng)過整流橋后的直流電流值為： 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 202 R? …………………………………………………………… （ ） 在橋式整流電路中二極管 1D 、 3D 和 2D 、 4D 是輪流導(dǎo)通的，所以，流過每個二極管的平均電流為 0I ；每個二極管承受的最大反向電 22DRMVV? 。結(jié)合各項參數(shù)，本設(shè)計最終選用 DOREXS湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 公司的 DAA110A 的單相交流電源濾波器。 xC 則安裝在 L 和 N 之間，用來消除差模干擾，常選用高容量的金屬皮膜電容，被稱為 X 電容。本設(shè)計采用的濾波器電路如圖 所示。 驅(qū)動電路和控制電路的好壞也會影響到系統(tǒng)的整體性能，在設(shè)計中也需要謹(jǐn)慎考慮之。 對于功率開關(guān)管， PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器常用的開關(guān)管包括：功率場效應(yīng)管 MOSFET、絕緣柵雙極晶體管 IGBT。 對高頻電磁現(xiàn)象的分析需要考慮的因素很 多，包括：電壓、電流、頻率、能量、匝數(shù)、漏磁、磁 心 氣隙、溫度、加工工藝等。另外電感和電容的性質(zhì)也會 受 到頻率的影響，例如，當(dāng) 頻率 高到甚高頻，電感可能會表現(xiàn)出電容的性質(zhì)；電容也可能會表現(xiàn)出電感的性質(zhì)。其中，電感和電容是互為對偶的儲能元件，理想條件下電感和電容都是無損，并且所儲能也是單一形式的，即電感儲存磁場能，電容儲存電場能。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 第三章 系統(tǒng)設(shè)計 本文關(guān)于電壓可調(diào)開關(guān)電源的設(shè)計主要包括：主電路的選擇、變壓器的設(shè)計、輸出整流濾波器的設(shè)計、功率開關(guān)管的選擇、驅(qū)動電路的設(shè)計、控制器的選擇、以及輸出反饋的設(shè)計等。 本章小結(jié) 本章主要是按照設(shè)計的相關(guān)參數(shù)要求，考慮了幾種可行的方案并對各方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。 正激式（ Forward）轉(zhuǎn)換器可以在電感電流連續(xù)的條件下工作，也可以在電感電流斷續(xù)的條件下工作。 正激式電路由于接入了隔離變壓器，從而實現(xiàn)了電源側(cè)與負(fù)載側(cè)之間的電氣隔離，這使得轉(zhuǎn)換器的輸出電壓可以高于或低于輸入電源的電壓，這也可以方便地實現(xiàn)多路輸出。 錯誤 !未指定書簽。 如果變壓器沒有復(fù)位措施，經(jīng)過若干個周期后，磁心就會不斷被勵磁并逐漸進(jìn)入飽和狀態(tài)時，這樣轉(zhuǎn)換器就不能正常工作了。當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時，復(fù)位繞組的電流使磁心去磁（ Demagionzation）。繞組 3W 的極性與初級繞組 1W 相反，一般情況下 1W = 3W ， 3W 與整流二極管串聯(lián)后并接于直流輸入電源 iV 的正極上。在這里采取的是在輸入端接復(fù)位繞組的方法。二極管 3D 是復(fù)位繞組 3W 串聯(lián)的二極管。圖中繞組標(biāo)有 “開關(guān)管 Q 按照 PWM 方式工作，二極管 1D 是輸出整流二極管、 2D 是續(xù)流二極管，電感 fL 是輸出濾波電感，電容 fC 是輸出濾波電容。 方案的確定 各方案的分析比較如 下 表 所示，結(jié)合本論文設(shè)計的參數(shù)要求最終選用方案一，即選用正激式為主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用單片機(jī)通過軟件算法的方式產(chǎn)生設(shè)定頻率的PWM 波形，通過脈寬調(diào)制技術(shù)對占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到輸出電壓在設(shè)定范圍內(nèi)可調(diào)的目的。由于兩個開關(guān)管的導(dǎo)通絕對時間可能不同，會產(chǎn)生直流偏磁問題。推挽式 PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器也可以看成是兩個正激式轉(zhuǎn)換器的組合，兩個開關(guān)管輪流導(dǎo)通。調(diào)節(jié)開關(guān)管的導(dǎo)通時間，即調(diào)節(jié)占空比 Du 以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓有效值的目的，本方案設(shè)計電路較為復(fù)雜，成本高，適合大功率工業(yè)用電源。 D1D3D2D4TV1V3 V4V2RUiGNDIs 圖 全橋轉(zhuǎn)換器主電路圖 圖 全橋式 整流濾波 全橋轉(zhuǎn) 換器 輸出濾 波 隔離驅(qū)動 電路 單片機(jī)控制 隔離反饋 ACC DC 整流濾波 半橋轉(zhuǎn)換 器 輸出濾 波 隔離驅(qū)動電路 單片機(jī)控制 隔離反饋 ACC DC 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 圖 是全橋式轉(zhuǎn)換器主電路模型，開關(guān)管 V1～ V4 采用 PWM 控制方式。 整流濾波 正激轉(zhuǎn)換器 調(diào)整方波整流濾波 隔離反饋 AC 單片機(jī)控制 驅(qū)動電路 DCCCCC 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 圖 半橋式 方案三： 本方案的系統(tǒng)方框圖如圖 所示，以全橋轉(zhuǎn)換器做為主電路，它是由四只開關(guān)管V1～ V4，和其反并聯(lián)二極管 D1～ D4，以及變壓器其 T 組 成的。 方案二： 本方案采用半橋式轉(zhuǎn)換器作為主電路拓?fù)?，系統(tǒng)方框圖如圖 所示，半橋式實際上就是兩個正激式 PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器的結(jié)合，每個正激式轉(zhuǎn)換器的輸入電 壓為 iU ，因此，其開關(guān)管承受的電壓為 iU ，其工作原理與正激式轉(zhuǎn)換器相似。單管正激式轉(zhuǎn)換器開關(guān)管承受的電壓為 2iU （ iU 為輸入電壓）。 方案一： 圖 正激式 本方案采用單管正激式轉(zhuǎn)換器作為主電路，用單片機(jī)軟件算法的方式實現(xiàn) PWM 波形的控制以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，其系統(tǒng) 方框圖如圖 所示。 論文主要工作 本文詳細(xì)分析了單端正激式開關(guān)電源的工作原理和使用單片機(jī)實現(xiàn)輸出電壓可調(diào)的基本工作原理，即使用軟件算法實現(xiàn) PWM 脈寬調(diào)制；分析了 EMI 濾波原理；重點(diǎn)分析了變壓器的設(shè)計方法和使用 AP 法完成高頻變壓器的設(shè)計；分析設(shè)計了功率場效應(yīng)管MOSFET 的參數(shù) ； 使用 Pspice 仿真軟件進(jìn)行仿真，驗證了系統(tǒng)的可行性。 課題研究的意義 本課題主要研究的是輸出電壓可調(diào)高頻開關(guān)電源，目前開關(guān)電源界的發(fā)展欣欣向榮，其頻率已達(dá)到百兆級，各類開關(guān)電源的研發(fā)能滿足輸出電壓從低壓到高壓，輸出電流從小電流到大電流，紋波較小 的要求。 隨著各領(lǐng)域?qū)τ秒婋妷汉碗娏骶鹊牟粩嗵岣?，對開關(guān)電源的要求也愈來愈高。文獻(xiàn) [4]介紹了高頻開關(guān)電源的 EMC 設(shè)計，包括輸入濾波器的 EMC 設(shè)計、高頻逆變電路的 EMC 設(shè)計、輸出整流電路的 EMC 設(shè)計和輸出直流濾波電路的 EMC 設(shè)計，為抑制高頻開關(guān)電源的電磁干擾提供了解決方案。一種辦法是采用外部控制電路，產(chǎn)生合適時序的驅(qū)動信號，去驅(qū)動這些同步整流 MOSFET，湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 簡稱外驅(qū)動技術(shù)；另一種辦法便是選擇拓?fù)?，直接用副邊波形來?qū)動這些同步整流MOSFET，這種技術(shù)被稱為自驅(qū)動技術(shù)。在低壓大電流輸出的電源中，副邊整流環(huán)節(jié)的損耗占整個損耗的極大部分。同時，低壓大電流 DC/DC變換技術(shù)也面臨著許多挑戰(zhàn)。 低壓大電流 DC/DC 變換技術(shù)的發(fā)展動態(tài) 低壓大電流高功率 DC/DC 變換技術(shù)，已從前些年的 降至現(xiàn)在的 左右，電流目前已可達(dá)到幾十安到幾百安等，同時電源的輸出指標(biāo)，如紋波、精度、效率、欠沖、等技術(shù)指標(biāo)也得到進(jìn)一步的提高 [3] 。系統(tǒng)集成改變了現(xiàn)在 的半自動化、半人工化的組裝工藝而達(dá)到完全自動化生產(chǎn)，有利于成本的降低和這項技術(shù)的推廣。電路集成則是朝系統(tǒng)集成化方向進(jìn)一步發(fā)展，近幾年已經(jīng)推出模塊化內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二代電源模塊，已達(dá)到全面微控化 和 高度集成化。 電路集成和系統(tǒng)集成及封裝工藝 模塊化、集成化和智能化是開關(guān)電源的發(fā)展方向，各種專用功能芯片在近幾年內(nèi)發(fā)展迅速，如功率因素校正（ PFC）電路用的芯片，并聯(lián)均流控制芯片，電流反饋控制芯片。因此，如何抑制諧波，提高功率因素已經(jīng)成為當(dāng)今國內(nèi)外電源界研究的重要課題。（ 3）在三相四線制電路中，三次諧波與中性線中的電流同位，合成電流很大，可能超過相電流，可能導(dǎo)致中性線過熱，引起火災(zāi)導(dǎo)致電氣設(shè)備的損壞。 高頻開關(guān)電源的功率因素校 正 [3] 由于諧波電流對電網(wǎng)有極大的危害：（ 1）諧波的 “二次效應(yīng) ”，即電流流過線路阻抗而造成諧波降壓，反過來使電網(wǎng)波形發(fā)生畸變。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 （ 2）準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器（ QuasiResonant Converters ， QRCs）和多諧振轉(zhuǎn)換器（ MultiResonant Converters， MRCs）。軟開關(guān)技術(shù)是在不斷認(rèn)識與提高中得到發(fā)展的，在以高頻的促使下，以諧振技術(shù)和 PWM 技術(shù)為基礎(chǔ)的發(fā)展條件下提出來的，是使常規(guī) PWM 技術(shù)與諧振技術(shù)相結(jié)合，并吸收兩者的優(yōu)點(diǎn)，由此產(chǎn)生了軟開關(guān) PWM 技術(shù)，目前此類技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外多種 PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器中得到廣泛 應(yīng)用。軟開關(guān)技術(shù)在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生了，軟開關(guān)技術(shù)就是指開關(guān)上的電壓 電流都為零，或者其中一個為零的自然開關(guān)過程。轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗與開關(guān)的頻率成正比，開關(guān)頻率越高，總的損耗越大，這不但降低了轉(zhuǎn)換器的效率，也浪費(fèi)了大量的能量。 軟開關(guān)技術(shù)與高頻化 [2] 20 世紀(jì)中葉開始得到發(fā)展和應(yīng)用的 PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器技術(shù)，是一種硬開關(guān)技術(shù)。電壓達(dá) 300V 的 SiC 肖特基二極管的反向漏電壓小于 ，而反向恢復(fù)時間也幾乎降低到了零。功率場效應(yīng)管（ MOSFET）為單極性導(dǎo)電，大大地縮短了開關(guān)時間，可以很容易達(dá)到 1MHz 的 頻率。目前采用諧振開關(guān)方式的研究已經(jīng)進(jìn)入到實用階段 [1]。對于兆赫以上的開關(guān)電源可以利用諧振電路，這種工作方式被稱為諧振開關(guān)方式。四管的則是全橋式（ FullBridge Converter） DC/DC 轉(zhuǎn)換器。這幾種單管 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中， Buck 和 Boost 式是最基本的，BuckBoost、 Cuk、 Zeta、 SEPIC 式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器都是從中派生出來的。 非隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器也可以按有源功率器件的個數(shù)分為單管、雙管和四管三類。雙管 DC/DC 轉(zhuǎn)換器有雙管正激式（ Doubel Transistor Forward Converter）、雙管反激 式（ DoubleTransistorFlyback Converter）、推挽式 (PushPull Converter)和半橋式（ HalfBridge Converter）四種。 隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器也可以按有源功率器件的轉(zhuǎn)換器個數(shù)來分類。 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是 直流開關(guān)電源的核心，也正因為如此，大多數(shù)直流開關(guān)電源是根據(jù) DC/DC 轉(zhuǎn)換器而進(jìn)行分類的。 高頻開關(guān)電源的分類 現(xiàn)代開關(guān)電源有直流開關(guān)電源和交流開關(guān)電源兩種類型。到了七十年代，美國摩托羅拉公司發(fā)表了一篇題為： “觸發(fā)起20kHz 的革命 ”由此正式揭開了高頻開關(guān)電源的發(fā)展序幕，高頻化使得電源不但減小體積更重要的是減小了功耗，節(jié)約了大量的能源。 十九世紀(jì)六十年代年， NEC 發(fā)表了兩篇具有指導(dǎo)性的文章：一篇為 “用高頻技術(shù)使AC 變 DC 電源小型化 ”，另一篇為 “脈沖調(diào)制用于電源小型化 ”。 5 提交設(shè)計（論文）形式（設(shè)計說明與圖紙或論文等）及要求： （ 1）畢業(yè)設(shè)計論文字?jǐn)?shù)在 萬字以上，原理、方框圖符合規(guī)范，表格符合規(guī)范要求； （ 2）嚴(yán)格按畢業(yè)設(shè)計論文規(guī)范打印與裝訂； （ 3）按 0 號或 1 號圖紙準(zhǔn)備好答辯圖紙； （ 4）按時交畢業(yè)設(shè)計論文。 湖 南 科 技 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計（ 論 文 ） 題目 電壓可調(diào)開關(guān)電源的研發(fā) 作者 羅宵 學(xué)院 信息與電氣工程學(xué)院 專業(yè) 自動化 學(xué)號 0904020215 指導(dǎo)教師 吳新開 二零一三 年 六 月 三 日 湖 南 科 技 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 信息與電氣工程學(xué)院 院 自動化 系（教研室） 系（教研室）主任 : （簽名） 年 月 日 學(xué)生姓名 : 羅宵 學(xué)號 : 0904020215 專業(yè) : 自動化 1 設(shè)計（論文）題目及專題： 電壓可調(diào)開關(guān)電源的研發(fā) 2 學(xué)生設(shè)計（論文）時間：自 2021 年 2 月 25 日開始至 2021 年 6 月 8 日止 3 設(shè)計（論文）所用資源和參考資料： （ 2）電力電子技術(shù)； （ 2）開關(guān)電源； （ 3