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大功率直流開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)畢業(yè)論文-展示頁(yè)

2025-07-06 22:38本頁(yè)面
  

【正文】 開(kāi)關(guān)電源中實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換的部分。一般控制電路應(yīng)具有以下功能:控制脈沖產(chǎn)生電路、驅(qū)動(dòng)電路、電壓反饋控制電路、各種保護(hù)電路、輔助電源電路。最后,由輸出整流濾波回路將高頻方波電壓濾波成為所需要的直流電壓或電流,主回路進(jìn)行正常的功率變換所需的觸發(fā)脈沖由控制電路提供。輸入整流濾波回路將交流電通過(guò)整流模塊變換成含有脈動(dòng)成分的直流電,然后通過(guò)輸入濾波電容使得脈動(dòng)直流電變?yōu)檩^平滑的直流電。電源主電路通過(guò)輸入整流濾波、DCDC變換、輸出整流濾波將市電轉(zhuǎn)為所需要的直流電壓。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(zhǔn)電壓保護(hù)電路控制電路ACDC圖21開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖從圖中可以看出,這幾部分是相輔相成的統(tǒng)一整體。而控制電路則根據(jù)實(shí)際的需要產(chǎn)生主電路所需的控制脈沖和提供各種保護(hù)功能。機(jī)箱既可起到固定的作用,也可起到屏蔽的作用。最后對(duì)開(kāi)關(guān)電源整流濾波電路進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。總的說(shuō)來(lái),開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)為:繼續(xù)向高頻、高效、高可靠、高密度化、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化發(fā)展。郵電部武漢電源廠(chǎng)、通信儀表廠(chǎng)等廠(chǎng)家開(kāi)發(fā)出了自己的以PWM方式工作的開(kāi)關(guān)電源,并推向電信行業(yè)應(yīng)用,(包括遠(yuǎn)程監(jiān)控)的要求,眾多廠(chǎng)家都投入力量研制開(kāi)發(fā),推出了采用PWM技術(shù)的高頻開(kāi)關(guān)電源,有些廠(chǎng)家還推出了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的解決方案,短短幾年后,電信部門(mén)所用的一次通信電源幾乎都更換成了采用PWM 集成控制芯片、大功率晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)管、絕緣柵雙極晶體管的半橋或全橋電路,其開(kāi)關(guān)頻率為幾十~100KHZ、效率高于90%、功率因數(shù)接近1。這種電源工作于工頻50Hz,有龐大的工頻變壓器、電感線(xiàn)圈、電解電容等,笨重龐大、效率低、噪聲大、性能指標(biāo)低,不易實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。只是作為通信設(shè)備的二次電源使用(二次電源對(duì)元器件的耐壓及電流要求較低)。1963年開(kāi)始研制和采用可控硅(SC R)整流器,1965年著手研制逆變器和晶體管直流—直流(DC/DC)變換器,研制工作一直停滯不前,除了可控硅整流器于1967年在武漢通信電源廠(chǎng)開(kāi)始形成系列化生產(chǎn),供通信設(shè)備作一次電源使用,并不斷得到改進(jìn),性能和質(zhì)量逐步提高外,其它方面進(jìn)展十分緩慢。在引進(jìn)原民主德國(guó)FGD系列和前蘇聯(lián)BCC51系列自動(dòng)化硒整流器基礎(chǔ)上,借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù),與工廠(chǎng)共同研制成功國(guó)產(chǎn)XZL系列自動(dòng)化硒整流器,并在武漢通信電源廠(chǎng)批量生產(chǎn),開(kāi)始用硒整流器裝備通信局(站),替換原有的電動(dòng)發(fā)電機(jī)組,這標(biāo)志著我國(guó)國(guó)產(chǎn)通信電源設(shè)備躍到一個(gè)新的水平。采用這種工作原理,大大減小了開(kāi)關(guān)管的損耗,不但提高了效率也提高了工作頻率,減小了體積,更重要的是降低了變換電路對(duì)分布參數(shù)的敏感性,拓寬了開(kāi)關(guān)器件的安全工作區(qū),在一定程度上降低了對(duì)器件的要求,從而顯著提高了開(kāi)關(guān)電源的可靠性。隨著通信用開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的廣泛應(yīng)用和不斷深入,實(shí)際工作中人們對(duì)開(kāi)關(guān)電源提出了更高的要求,提出了應(yīng)用技術(shù)的高頻化、硬件結(jié)構(gòu)的模塊化、軟件控制的數(shù)字化、產(chǎn)品性能的綠色化、新一代電源的技術(shù)含量大大提高,使之更加可靠、穩(wěn)定、高效、小型、安全。隨著微電子學(xué)的發(fā)展和元器件生產(chǎn)技術(shù)的提高,相繼開(kāi)發(fā)出了耐壓高的功率場(chǎng)效應(yīng)管(VMOS管)和高電壓、大電流的絕緣柵雙極性晶體管(IGBT),具有軟恢復(fù)特性的大功率高頻整流管,各種用途的集成脈寬調(diào)制控制器和高性能的鐵氧體磁芯,高頻用的電解電容器,低功耗的聚丙烯電容等。在隨后的幾年中,大功率晶體管(GTR)和功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)相繼被研制出來(lái),其電壓、電流額定值大為提高,工作頻率也提高較多,可靠性也顯著增加。在電路拓?fù)湫褪缴祥_(kāi)發(fā)出了單端貯能式反激電路、雙反激電路、單端正激式電路、雙正激電路、推挽電路、半橋電路、全橋電路,以適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合、不同功率檔次的需要;在元器件方面,功率晶體管和整流二極管的性能也有了較大的提高。電源界把開(kāi)關(guān)電源的頻率提高到20KHz以上稱(chēng)為電源技術(shù)的“20KHz革命”。在此基礎(chǔ)上,1964年,美國(guó)科學(xué)家提出了取消工頻變壓器的串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)想,并在NEC雜志上發(fā)表了“脈寬調(diào)制應(yīng)用于電源小型化”等文章,為使電源實(shí)現(xiàn)體積和重量的大幅下降提供了一條根本途徑。Roger)發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器,是實(shí)現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)換電路的開(kāi)始, 1957年美國(guó)查賽(JJ因此,自1947年肖克萊發(fā)明晶體管,并在隨后的幾年內(nèi)對(duì)晶體管的質(zhì)量和性能不斷完善提高后,人們就著力研究利用晶體管進(jìn)行高頻變換的方案。在隨后的20年內(nèi),由于半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步,可控硅的電壓、電流額定值及其它特性參數(shù)得到了不斷提高和改進(jìn),滿(mǎn)足了通信設(shè)備不斷發(fā)展的需要,因此,直到70年代,發(fā)達(dá)國(guó)家還一直將可控硅整流器作為大多數(shù)通信設(shè)備的一次電源使用。同時(shí),開(kāi)關(guān)電源也在各種電子信息設(shè)備中,如計(jì)算機(jī)、充電電源等得到了廣泛的應(yīng)用。第1章 緒論 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展及國(guó)外現(xiàn)狀開(kāi)關(guān)電源在通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用,并已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流,而通信業(yè)的迅速發(fā)展又極大地推動(dòng)了開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展。在通信領(lǐng)域中,通常將高頻整流器稱(chēng)為一次電源而將直流直流(DC/DC)變換器稱(chēng)為二次電源。自1957年第一只可控硅(SCR)問(wèn)世后,可控硅取代了笨重而且效率低下的硒或氧化亞銅整流器件,可控硅整流器就作為通信設(shè)備的一次電源使用。雖然可控硅整流器工作穩(wěn)定,能滿(mǎn)足通信設(shè)備的要求,但它是相控電源,工作于工頻,有龐大笨重的電源變壓器、電感線(xiàn)圈、濾波電容,噪聲大,效率低,功率因數(shù)低,穩(wěn)壓精度也較低。1955年美國(guó)羅耶(GHJen Sen)又發(fā)明了自激式推挽雙變壓器變換器電路。隨著大功率硅晶體管的耐壓提高和二極管反向恢復(fù)時(shí)間的縮短等元器件性能的改善,1969年終于做成了25KHz的開(kāi)關(guān)電源。經(jīng)過(guò)幾年的努力,從開(kāi)關(guān)電源的電路拓?fù)湫褪降较嗯涮椎脑骷妊芯慷既〉昧讼喈?dāng)大的進(jìn)展。1976年美國(guó)硅通用公司第一個(gè)做出了型號(hào)為SG1524的脈寬調(diào)制(PWM, Pulse Width Modulation)控制芯片,極大地提高了開(kāi)關(guān)電源的可靠性,并進(jìn)一步減小了體積。到80年代中后期,絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)已研制出來(lái)并投入了市場(chǎng),各種通信設(shè)備所需的一次電源大多采取PWM 集成控制芯片、雙極型晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、絕緣柵雙極晶體管。主要元器件技術(shù)性能的提高,為高頻開(kāi)關(guān)電源向大功率、高效率、高可靠性方向發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。在高頻化方面,為提高開(kāi)關(guān)頻率并克服一般的PWM和準(zhǔn)諧振、多諧振變換器的缺點(diǎn),又開(kāi)發(fā)了相移脈寬調(diào)制零電壓開(kāi)關(guān)諧振變換器,這種電路克服了PWM方式硬開(kāi)關(guān)造成的較大的開(kāi)關(guān)損耗的缺點(diǎn),又實(shí)現(xiàn)了恒頻工作,克服了準(zhǔn)諧振和多諧振變換器工作頻率變化及電壓、電流幅度大的缺點(diǎn)。 國(guó)內(nèi)開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展及現(xiàn)狀建國(guó)初期,我國(guó)郵電部門(mén)的科研技術(shù)人員開(kāi)發(fā)了以國(guó)產(chǎn)大功率電動(dòng)發(fā)電機(jī)組為主的成套設(shè)備作為通信電源。但后來(lái),我國(guó)的通信電源發(fā)展相當(dāng)緩慢。一直到80年代才開(kāi)始生產(chǎn)20KHz DC/DC變換器,但由于受元器件性能的影響,質(zhì)量很不穩(wěn)定,無(wú)法作為通信設(shè)備的一次電源使用。直到上世紀(jì)90年代初,我國(guó)大多數(shù)通信設(shè)備所用的一次電源仍然是可控硅整流器。由于通信事業(yè)發(fā)展的需要,八十年代后期,郵電部加強(qiáng)了通信電源技術(shù)發(fā)展的各項(xiàng)工作,制訂了“通信基礎(chǔ)電源系統(tǒng)設(shè)備系列暫行規(guī)定”,“通信局(站)電源系統(tǒng)總技術(shù)要求”和電源設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等文件,多次派代表參加國(guó)際電信能源會(huì)議,并在八十年代后期才第一批引進(jìn)了澳大利亞生產(chǎn)的48V/5OA(開(kāi)關(guān)頻率為40KHz)和48V/100A(開(kāi)關(guān)頻率為20KHz)的高頻開(kāi)關(guān)電源,在吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,投入較大的力量,開(kāi)始研制自己的開(kāi)關(guān)電源。%,模塊化組合的高頻開(kāi)關(guān)電源,電信行業(yè)成套電源技術(shù)提高到了一個(gè)嶄新的水平。第2章 系統(tǒng)的整體分析和選擇本章從整體上對(duì)開(kāi)關(guān)電源的各種功能模塊進(jìn)行了介紹,主要闡述了各模塊的結(jié)構(gòu)、功能以及相互之間的關(guān)系,其中重點(diǎn)介紹了主變換器和控制電路,對(duì)當(dāng)前開(kāi)關(guān)電源常用的變換器的結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍等進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上,結(jié)合本文的實(shí)際情況,選擇了合適的變換器結(jié)構(gòu);在控制電路部分,介紹了開(kāi)關(guān)電源控制電路各控制單元的功能以及實(shí)現(xiàn)方法。 系統(tǒng)整體概述按照各部分的功能劃分,從大的方面講,開(kāi)關(guān)電源可分成:機(jī)箱(或機(jī)殼)、電源主電路、電源控制電路三部分。電源的主電路是負(fù)責(zé)進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換的部分,通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂齐娐房梢詫⑹须娹D(zhuǎn)換為所需的直流輸出電壓。開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖可如圖21所示。在電源的研制和開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須對(duì)每一部分都進(jìn)行認(rèn)真的分析和研究,才能使所研制的開(kāi)關(guān)電源滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。開(kāi)關(guān)電源的主回路可以分為:輸入整流濾波回路、功率開(kāi)關(guān)橋、輸出整流濾波三部分。功率開(kāi)關(guān)橋?qū)V波得到的直流電變換為高頻的方波電壓,通過(guò)高頻變壓器傳送到輸出側(cè)??刂齐娐肥钦麄€(gè)電源的大腦,它控制整個(gè)裝置工作并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的保護(hù)功能。為了使開(kāi)關(guān)電源設(shè)備正常的工作,使電源的各個(gè)組成部分都能發(fā)揮其最大的效能,就必須讓電源的各個(gè)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(jì)過(guò)程中應(yīng)對(duì)這方面的問(wèn)題給予足夠的重視。DCDC 變換器的輸入電壓為三相整流電壓,電壓較大,對(duì)開(kāi)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(kāi)關(guān)在較安全的情況下運(yùn)行,最大的反向電壓不會(huì)超過(guò)輸入整流濾波電路的輸出電壓。由于三相整流橋提供的直流電壓較高,工作電流相對(duì)較低,這些損耗還是可以接受的。 硬開(kāi)關(guān)式全橋變換器硬開(kāi)關(guān)PWM電路曾以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便得到廣泛應(yīng)用,開(kāi)關(guān)管工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài),開(kāi)關(guān)器件在高電壓下導(dǎo)通,大電流下關(guān)斷,因此,在開(kāi)關(guān)瞬間必然有大量損耗。它可以限制開(kāi)通時(shí)的du/dt和關(guān)斷時(shí)的di/dt,使功率器件安全正常運(yùn)行。并且頻率越高,開(kāi)關(guān)損耗越大,使系統(tǒng)效率大大降低。極間電容電壓轉(zhuǎn)換時(shí)的du/dt會(huì)藕合到輸入端,產(chǎn)生較強(qiáng)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(yùn)行。圖22硬開(kāi)關(guān)式全橋變換器結(jié)構(gòu) 諧振式全橋變換器硬開(kāi)關(guān)式電路在頻率不高時(shí)其缺點(diǎn)還不是很突出,隨著頻率的提高,開(kāi)關(guān)損耗和電磁干擾將變成一個(gè)十分嚴(yán)重的問(wèn)題,為了解決這一問(wèn)題,有人提出了諧振式軟開(kāi)關(guān)的概念。利用諧振電感和諧振電容的諧振作用,使開(kāi)關(guān)器件在正弦波的零電壓或零電流處開(kāi)通或關(guān)斷。其基本電路結(jié)構(gòu)如圖23所示。Lr和Cr之間的諧振是靠S的導(dǎo)通來(lái)激勵(lì)的,利用Lr和Cr諧振形成開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通期間的正弦波電流波形,電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)即將開(kāi)關(guān)S關(guān)斷。圖23(b)為零電壓(ZeroVoltageSwitching)開(kāi)關(guān),它是通過(guò)電感Lr和開(kāi)關(guān)S的并聯(lián)實(shí)現(xiàn)的。只要將圖中22中的硬開(kāi)關(guān)換成諧振式軟開(kāi)關(guān),即為諧振式全橋變換器。但是,諧振式變換器與負(fù)載關(guān)系很大,對(duì)負(fù)載的變換很敏感,為保持輸出在各種運(yùn)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(jì),不可能做的很小,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)相當(dāng)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。 移相式全橋變換器近年來(lái),移相控制全橋變換器由于具有恒頻軟開(kāi)關(guān)運(yùn)行、移相控制實(shí)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(diǎn),它是指保持每個(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間不變,同一橋臂兩只管子相位相差180度。本文根據(jù)實(shí)際技術(shù)要求開(kāi)發(fā)的開(kāi)關(guān)電源的主電路,應(yīng)該采用移相式全橋變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。DCDC變換器需要控制電路提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)脈沖,才能有效的工作。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(dòng)電路、保護(hù)電路、輔助電源電路等,具體控制電路如圖24所示。脈沖產(chǎn)生電路根據(jù)電壓反饋控制電路、保護(hù)電路以及軟啟動(dòng)電路等提供的控制信號(hào)產(chǎn)生出所需的脈沖信號(hào),然后該脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)觸發(fā)電路的放大后去驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)元件,使開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通或關(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(jìn)而調(diào)節(jié)輸出脈沖的脈寬達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。驅(qū)動(dòng)電路是將控制電路
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