【正文】 5cm， 由相關(guān)文獻查得 導(dǎo)線的銅心截面積為 mm2 ，所以其截面積2S 為 : 2S = 23 = mm2 單個 繞組的電阻 2R 為 2R = 22lS? = (15 ) 79/=? 純銅 在 25℃ 時的電阻率為 ? mm2/m 式中 (15 )是把厘米換算成公式需要的米度量單位 . 副邊 繞組的功耗為 : 2Pr = 222IR? = = 設(shè)原 邊繞組的平均匝長約為 12cm，由相關(guān)文獻查得 導(dǎo)線的銅心截面積為 mm2，所以其截面積 1S 為 : 1S = 20 = 其中，電阻 1R 為； 1R = 11lS? = 12 65/=? 原邊 繞組的功耗為 : 1Pr = 211IR? = = 變壓 器得到繞組的總損耗 PB : PB = 1Pr + 2Pr = += 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 18 選用高壓開關(guān)管 (1) 耐壓 根據(jù) 相關(guān)文獻可以查到，全橋功率轉(zhuǎn)換電路高壓開關(guān)管上施加的最高電壓為VCEM =E，對應(yīng)于最高輸入電網(wǎng)電壓的輸入整流電路的直流輸出電壓 EM : EM = 2 38 0 (1 20 % ) 2m a xU in ? ? ? ? ?=640V 考慮 各種因素的影響取 50%的裕量 640 (l+50%)=960V (2) 開關(guān) 電流 在一 些參數(shù)尚不知道的情況下，我們需要估算開關(guān)管的電流，以便選擇開關(guān)管和 計算輸出濾波電路。 Iu 的平均值 Iuave 為 Iuave =Iu /2= 因此 ，原邊繞組等效矩形波電流幅值 1Im 為 1Im = 21I +Iuave = += 其有 效值為 : It = 1 maxIDm = = 原邊 線徑仍取 ，電流密度 J=3A/mm2 ，單根導(dǎo)線載流量為 ，因而 需用 ，取整數(shù)選用 高強度漆包圓銅線 20 根絞合而成。取電 流密度 J=3A/mm2 ，單根導(dǎo)線載流量為 ，因而需用 根， 因而選用 24根絞合而成。 (4) 計算實際占空比 在輸入電壓最低，輸出電壓最高時有最大占空比 maxD 1minV = 380 (120%) =410V 2minV = 2N 1minV / 1N = 79 410/65= 498V maxD = 3 2 5 .3 2 0 .6m a x 0 .6 5 84982 m inV V Vo o D o r LV ???? 在輸入電壓最高，輸出電壓最低的時候有最小占空比 minD 2maxV = 2N 1maxV / 1N = 79 640/65= 777V 設(shè)此時 VoD +IorL = 1V minD = 1 9 5 1m in 0 . 2 5 27772 m a xVV IroLo o DV?? ??? 相應(yīng)的導(dǎo)通脈寬 : maxtON ? maxD T/2= 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 16 mintON ? minD T/2= (5) 選擇繞組導(dǎo)線線徑 取負載電流為額定負載電流的 105%，則流過輸出電感的電流平均值為 5 120% =，流過副邊繞組的電流幅值即為流過電感的電流幅值，即為 2Im =其平均值 2I ave = 其有 效值 2I = 考慮 到存在集膚效應(yīng)，根據(jù)相關(guān)文獻， 3OKHz 時的穿透深度為 ，因此， 選用的導(dǎo)線線徑不得大于 。 (3) 計算副邊繞組匝數(shù) 按設(shè) 計要求，輸出電壓最大值為 286V，考慮從電源輸出端到負載之間傳輸線青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 15 的 壓降 (取壓降 )，因此，該電源的最高輸出電壓為 : maxVo =325+= 輸出整流二極管的壓降取 2V: 濾波電感的壓降取 ； 我們暫取開關(guān)橋 的最大占空比 maxD =； 因此，最高輸出電壓、額定負載時高頻變壓器副邊繞組最低電壓幅值為 : 2minV = (+2+)/ = 因此，根據(jù)公式 : 2N = 2min 11minV NV 其中， 1minV = 380 (120%) =410V 得到副邊繞組匝數(shù) 2N 為 : 2N = 65 ? ? 因此，變壓器副邊繞組的匝數(shù)應(yīng)取整數(shù) 79T。電路工作頻率為 30KHz， T=， tON 為導(dǎo) 通時間，根據(jù)計算的占空比，我們暫取 11uS， 1V 為施加在原變繞組上的電壓幅值， 其最大值為電網(wǎng)電壓最大時的三相整流濾波輸出值 : 380 (1+ 20%) 2 =640V。選取工作磁通密度 B=900GS. (2) 計算磁芯規(guī)格并計算原變繞組匝數(shù) 根據(jù)電源所用高頻變壓器的設(shè)計經(jīng)驗，磁芯采用環(huán)形磁芯。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 14 逆變電路的設(shè)計 功率轉(zhuǎn)換電路的選擇 根據(jù) 第二章的分析可知，該電源屬于大功率電源，采用全橋式功率轉(zhuǎn)換電路 . 確定電路工作頻率 f 考慮 到開關(guān)管的參數(shù)、控制電路及主電路的特性等因素，選取開 關(guān)橋的工作頻率 為 30KHz。 輸入濾波電感 電感 中最大電流為交流輸入電壓下限時通過直流輸入電路的平均電流Iave = 理 論上輸入濾波電感越大，電流脈動越小，輸入功率因素越高，但受體積重量和價格的限制，并根據(jù)繞制廠家的現(xiàn)有工藝水平，選用 C15 32 l05 硅鋼片鐵心，線徑為 毫米，電感量為 18mH 的 工 頻電感。 E為電網(wǎng)電壓最低時輸入三相橋式整流電路的輸出平均電壓 : E=32?? =Ea 其 中 Ea為交流輸入線電壓。 在此，我們按一般開關(guān)電源的效率取值，取效率為 80% 電源的輸入功率 : P=Pn =220 5/=1375W 因最大輸入電流是在交流輸入電壓下限時，所以， .maxUin =380V 80%=304V, 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 13 最大輸入線電流 : .maxIin = ? = 1375304 3? = 取整 流橋的額定電流為 10A 。 整流橋 工作 頻率為 50Hz，輸入為三相交流電壓 380V，采用三相整流橋。 輸入整流濾波電路設(shè)計 該電 源的輸入整流濾波電路同 一 般大功率 PWM 型開關(guān)電源的輸入整流濾波電路 相似。無感電容 (C C8)并聯(lián)在兩橋臂之間，降低兩橋臂之間電壓尖峰的干擾，諧波電感 Lr ，隔直電容 15C 、16C 、 17C 防止變壓器的直流偏磁，原邊 箝 位二極管減輕副邊振蕩，主變壓器起到原、副邊 的隔離、耦合作用，原、副邊各一副繞組，以滿足副 邊采用全橋整流的要求，原邊加交流互感器，檢測原邊電流作保護用。電阻 R R2 是平 衡串聯(lián)電容上的電壓，高頻電容與電解電容并聯(lián)使用，濾除高頻諧波，彌補電解電容高頻 特性差的缺陷。濾波電路采用 LC 濾波，電感的作用是 拓開電流導(dǎo)通時間，限制電流峰值，可以提高電源的輸入功率因數(shù)。具體設(shè)計主電路如圖 32 所示，包括三個部 分 :(1) 輸入整流濾波 電路 ； (2) 單相逆變 橋； (3) 輸出整流濾波電路 . 輸入整流濾波電路 三相 交流電經(jīng)電源內(nèi)部 EMI 濾波后，加到整流濾波模塊。虛線以上是主電路，主電路主要 分為輸入整流濾波、逆變開關(guān)電路、逆變變壓器和輸出整流濾波 ；虛線以下為控制回 路，控制回路主要包括信息檢測電路、控制和保護單元、監(jiān)控單元和輔助電源。下面就對電源主電路的設(shè)計進行詳細說明。本章將根據(jù)大功率直流開關(guān)電 源的要求對主電路各部分進行性能分析并計算各項參數(shù)，根據(jù)計算所得的數(shù)據(jù)結(jié)果選擇各元器件，設(shè)計出各個獨立模塊，最后組裝成開關(guān)電源的主電路。在開關(guān)電源中通常采用一級 LC濾波電 路，當要求輸出紋波很小時，也可以采用兩級 LC濾波電路。輸出濾波電路一般可采用一級濾波也可采用兩級濾波。因為本文實驗要求輸出電壓為 220V。因此，本文試驗用電源電路采用三相橋式整流，電感和電容組成輸入整流濾波回路。 輸入整流濾波回路 本課題研究的電源額定工作狀態(tài)的技術(shù)要求為 :輸出電壓 220V，輸出電流 5A，輸出功率為 ，屬于大功率電源。 整流濾波回路的選擇 整流濾波回路是開關(guān)電源的重要組成部分，它可以提高電壓、電流的穩(wěn)定度，減小干擾。輔助電源也可以 通過高頻變壓器獲得輸出后反饋提供，輔助電源本身作為開關(guān)電源的一組負載。 輔助電源電路的功能是為控制電路供電。當前開關(guān)電源電路的主要保護功能有 :過流保護、過壓保護、欠壓保護、溫度保護。軟啟動電路在電源合閘和重新啟動時提供一個逐漸上升的電壓信號給脈沖產(chǎn)生電路，從而使控制電路的輸出脈沖有一個逐漸建立的過程。若為了避免由此引起的誤動作而將保護電路搞得非常遲鈍，這將會增加過流保護的不安全性。驅(qū)動電路是將控制電路輸出 PWM脈沖信號經(jīng)過電隔離后進行功率放大和電壓調(diào)整再去驅(qū)動大功率開關(guān)管，由于所提供的脈沖幅度以及波形關(guān)系到開關(guān)管的開關(guān)過程，直接影響到損耗，所以，應(yīng)該合理設(shè)計驅(qū)動電 路，實現(xiàn)開關(guān)管的最佳開通與關(guān)斷。最后，反饋控制電路將該控制電壓送給脈沖產(chǎn)生電路，進而調(diào)節(jié)輸出脈沖的脈寬達到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。脈沖產(chǎn)生電路根據(jù)電壓反饋控制電路、保護電路以及軟啟動電路等提供的控制信號產(chǎn)生出所需的脈沖信號，然后該脈沖信號經(jīng)過觸發(fā)電路的放大后去驅(qū)動開關(guān)元件，使開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷。 根據(jù)電路功能的分工可將控制電路分為幾大部分 :脈沖產(chǎn)生電路、觸發(fā)電路、電壓反饋控制電路、軟啟動電路、保護電路、輔助電源電路等，具體控制電路如圖 24所示。 DCDC變換器需要控制電路提供適當?shù)尿?qū)動脈沖，才能有效的工作。 本文根據(jù)實際技術(shù)要求開發(fā)的開關(guān)電源的主電路，應(yīng)該采用移相式全橋變換器的拓撲結(jié)構(gòu)。 移相式全橋變換器 近年來，移相控制全橋變換器由于具有恒頻軟開關(guān)運行、移相控制實現(xiàn)方便、電流和電壓應(yīng)力小、巧妙利用寄生元件等一系列突出優(yōu)點，倍受各方的廣泛關(guān)注 .移相控制方式作為全橋變換器特有的 種控制方式，它是指保持每個開關(guān)管的導(dǎo)通時間不變，同一橋臂兩只管子相位相差 180度。但是，諧振式變換器與負載關(guān)系青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 7 很大，對負載的變換很敏感，為保持輸出在各種運行條件下基本不變，必須采用脈沖頻率調(diào)制 (PFM)，因此，高頻變壓器、電感等磁元件要按最低頻率設(shè)計，不可能做的很小，實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計相當困難 ； 另外，其控制電路中需要 增加電壓 頻率轉(zhuǎn)換功能，電路要復(fù)雜許多。 只要將圖中 22中的硬開關(guān)換成諧振式軟開關(guān)，即為諧振式全橋變換器。 圖 23(b)為零電壓 (ZeroVoltageSwitching)開 關(guān)，它是通過電感 Lr和開關(guān) S的并聯(lián)實現(xiàn)的。 Lr和 Cr之間的諧振是靠 S的導(dǎo)通來激勵的，利用 Lr和 Cr諧振形成開關(guān)器件導(dǎo)通期間的正弦波電流波形，電流過零點時即將開關(guān) S關(guān)斷。其基本電路結(jié)構(gòu)如圖 23所示。利用諧振電感和諧振電容的諧振作用，使開關(guān)器件在正弦波的零電壓或零電流處開通或關(guān)斷。青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 6 圖 22硬開關(guān)式全橋變換器結(jié)構(gòu) 諧振式全橋變換器 硬開關(guān)式電路在頻率不高時其缺點還不是很突出，隨著頻率的提高，開關(guān)損耗和電磁干擾將變成一個十分嚴重的問題，為了解決這一問題，有人提出了諧振式軟開關(guān)的概念。極間電容電壓轉(zhuǎn)換時的 du/dt會藕合到輸入端，產(chǎn)生較強的電磁干擾，影響電源本身和電網(wǎng)中其他電器設(shè)備的運行。并且頻率越高，開關(guān)損耗越大，使系統(tǒng)效率大大降低。它可以限制開通時的 du/dt和關(guān)斷時的 di/dt，使功率器件安全正常運行。 硬開關(guān)式全橋變換器 硬開關(guān) PWM電路曾以結(jié)構(gòu)簡單、控制方便得到廣泛應(yīng)用，其電路結(jié)構(gòu)如圖 22所示 .在硬開關(guān) PWM電路中，開關(guān)管工作在硬開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)器件在高電壓下導(dǎo)通，大電流下關(guān)斷，因此，在開關(guān)瞬間必然有大量損耗。由于三相整流橋提供的直流電壓較高，工作電流相對較低，這些損耗還是可以接受的。 DCDC 變換器的輸入電壓為三相整流電壓，電壓較大，對開關(guān)器件因此選用全橋式電路較為合適，可使變壓器磁芯和繞組得到最優(yōu)利用，使效率、功率密度等得到優(yōu)化；另一方面，功率開關(guān)在較安全的情況下運行，最大的反向電壓不 會超過輸入整流濾波電路的輸出電壓。 為了使開關(guān)電源設(shè)備正常的工作，使電源的各個組成部分都能發(fā)揮其最大的效能，就必須讓電源的各個組成部分相互協(xié)調(diào)、相互協(xié)作、在電源的研制與設(shè)計過程中應(yīng)對這方面的問題給予足夠的重視。 控制電路是整個電源的大腦，它控制整個裝置工作并實現(xiàn)相應(yīng)的保護功能。功率開EMI 濾波器 整流濾波 高頻變換器 高頻變壓器 高頻整流濾波輸出 輔助電源 PWM 調(diào)節(jié)器 誤差比較放大器 電壓電流取樣電路 基準電壓 保護電路 控制電路 AC DC 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 5 關(guān)橋?qū)V波得到的直流電變換為高頻的方波電壓，通過高頻變壓器傳送到輸出側(cè)。開關(guān)電源的主 回路可以分為 :輸入整流濾波回路、功率開關(guān)橋、輸出整流濾波三部分。在電源的研制和開發(fā)過程中必須對每一部分都進行認真的分析和研究，才能使所研制的開關(guān)電源滿足設(shè)計要求。開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖可如圖 21所示。電源的主電路是 負責(zé)進行功率轉(zhuǎn)換的部分，通過適當?shù)目刂齐娐房梢詫⑹须娹D(zhuǎn)換為所需的直流輸出電壓。 系統(tǒng)整體概述 按照各部分的功能劃分，從大的方面講，開關(guān)電源可分成 :機箱 (或機殼 )、電源主電路、電源控制電路三部分。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)