【正文】 橋型，適合大功率電源的有正激型、半橋型和全橋型，正激型電路又可以分為單開(kāi)關(guān)正激型、雙開(kāi)關(guān)正激型等多種。 方案選擇 開(kāi)關(guān)電源常用的基本拓?fù)浼s 14 種。這種布置與電源可以在何種環(huán)境下安全工作以及可以給負(fù)載提供的最大功率密切相關(guān)。 主電路拓?fù)浞桨傅?論證 在開(kāi)始設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)，主要考慮的是采用何種基本拓?fù)洹? 所以 PWM 開(kāi)關(guān)電源的 成本和效率是本設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題。 本 課題（研究）的目的和主要內(nèi)容：為培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)和技能解決實(shí)際問(wèn)題的能力，實(shí)際動(dòng)手能力，查閱文獻(xiàn)資料的能力與工程設(shè)計(jì)的基本能力。因?yàn)閷?duì)于相同的輸出功率，開(kāi)關(guān)電源的散熱器要小的多。我們可以在航空和自動(dòng)化產(chǎn)品、儀器儀表、離線式產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)它們的蹤影，它們通常應(yīng)用于要求效率和多組電源電壓輸出的場(chǎng)合。 另外，開(kāi)關(guān)電源 按開(kāi)關(guān)器件、儲(chǔ)能電感與負(fù)載的連接方式可分為串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源和并聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源 ； 按電源的啟動(dòng)方式可分為自激式開(kāi)關(guān)電源和它激式開(kāi)關(guān)電源 ； 按穩(wěn)壓形式可分為調(diào)寬式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源和調(diào)頻式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。 當(dāng)今軟開(kāi)關(guān)技術(shù)使得 DC/DC 發(fā)生了質(zhì)的飛躍，美國(guó) VICOR 公司設(shè)計(jì)制造的多種 ECI 軟開(kāi)關(guān) DC/DC 變換器，其最大輸出功率有 300W、 600W、 800W等，相應(yīng)的功率密度為 （ 17） W/cm3，效率為（ 8090） %。 （ 3） BuckBoost 電路 —— 降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓 Uo 大于或小于輸入電壓 Ui，極性相反，電感傳輸。其具體的電路由以下幾類(lèi)： （ 1） Buck 電路 —— 降壓斬波器，其輸出平均電壓 Uo 小于輸入 電壓 Ui，極性相同。這種軟開(kāi)關(guān)方式可以顯著地減小開(kāi)關(guān)損耗，以及開(kāi)關(guān)過(guò)程中激起的振蕩，使開(kāi)關(guān)頻率可以大幅度提高，為轉(zhuǎn)換器的小型化和模塊化創(chuàng)造 了條件。當(dāng)轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)一定時(shí)開(kāi)關(guān)損耗也是一定的，而且開(kāi)關(guān)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗越大，同時(shí)在開(kāi)關(guān)過(guò)程中還會(huì)激起電路分布電感和寄生 電容的振蕩，帶來(lái)附加損耗，因此，硬開(kāi)關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率不能太高。 按照開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)條件， DC/DC 轉(zhuǎn)換器又可以分為硬開(kāi)關(guān) （ Hard Switching） 和軟開(kāi)關(guān) （ Soft Switching） 兩種。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。 AC/DC 變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全波電路。 AC/DC 變換 AC/DC 變換是將交流變換為直流，其功率流向可以使雙向的，功率流由電邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 源流向負(fù)載稱(chēng)為“整流”，功率流由負(fù)載流向電源的稱(chēng)為“有源逆變”。 開(kāi)關(guān)電源的工作原理是 : （ 1） 交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流 ； （ 2） 通過(guò)高頻 PWM(脈沖寬度調(diào)制 )信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管 ,將直流加到開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)上 ； （ 3） 開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)感應(yīng)出高頻電壓 ,經(jīng)整流濾波供給負(fù)載 ； （ 4） 輸出部分通過(guò)一定的電路反饋給控制電路 ,控制 PWM 占空比 ,以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的 。 正激式變換器的優(yōu)點(diǎn)式：輸出電壓的紋波峰峰值比升壓式變換器低，同時(shí)可以輸出比較高的功率，正激式變換器可以提供數(shù)千瓦的功率。 開(kāi)關(guān)電源有兩種主要的工作方式： 正激式變換和升壓式變換。也就是說(shuō)控制器的功能模塊電壓參考和誤差放大器，可以設(shè)計(jì)成與線性調(diào)節(jié)器相同。最后這些交流波形經(jīng)過(guò)整流濾波后就得到直流輸出電壓。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過(guò)變壓器來(lái) 升 高或降低。 邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 與線性電源相比 ， PWM 開(kāi)關(guān)電源更為有效的工作過(guò)程是通過(guò)“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在 這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏安乘積總是很小的（在導(dǎo)通時(shí)，電壓低，電流大；關(guān)斷時(shí)，電壓高，電流?。?。 PWM 開(kāi)關(guān)電源的基本原理 開(kāi)關(guān)電源的工作過(guò)程相當(dāng)容易理 解。 （ 8） 計(jì)算機(jī)輔助 設(shè)計(jì)（ CAD） 利用計(jì)算機(jī)對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行 CAD 設(shè)計(jì)和模擬試驗(yàn)，十分有效，是最為快速經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方法。 （ 7） 電源系統(tǒng)的管理和控制 應(yīng)用微處理器或微機(jī)集中控制和 管理，可以及時(shí)反映開(kāi)關(guān)電源環(huán)境的各種變化。但諧振變換技術(shù)也有其難點(diǎn)，如果難準(zhǔn)確地控制開(kāi)關(guān)頻率、諧振時(shí)增大了 元器件負(fù)荷、場(chǎng)效應(yīng)管的寄生電容易引起短路損耗元器件熱應(yīng)力轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)管等問(wèn)題難以解決。 （ 5） 低噪聲 開(kāi)關(guān)電源又一缺點(diǎn)時(shí)噪聲大，單純追求電源高頻化，噪聲也隨之增大。 （ 4） 模塊化 可用模塊電源組成分布式電源系統(tǒng)；可以設(shè)計(jì)成 N+1 余電源系統(tǒng)，從而提高可靠性；可以做成插入式，實(shí)現(xiàn)熱交換，從而在運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)能快速更換模塊插件；多臺(tái)模塊并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)。 （ 3） 高可靠性 可用模塊電源使用的元器件比線性工作電源多數(shù)十倍，因此，降低了可靠性。 （ 2） 高效率 開(kāi)關(guān)電源高頻化使傳統(tǒng)的 PWM 開(kāi)關(guān)（硬開(kāi)關(guān)）功耗加大，效率降低，噪聲也增大了，達(dá)不到高頻、高效的預(yù)期效益，因此，實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)將成為開(kāi)關(guān)電源未來(lái)的主流。由于計(jì)算機(jī)等電子裝置的集成度不斷增加，功能越來(lái)越強(qiáng)，它們的體積越來(lái)越小，因此迫切需要體積小、重量輕 、效率高、性能好的新型電源，這就成了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。 開(kāi)關(guān)電源的前身是線性穩(wěn)壓電源。 開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)特點(diǎn) 開(kāi)關(guān)電源以半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的啟閉為基本原理，即通過(guò)控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開(kāi)關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開(kāi)關(guān)電源小型化、 輕便化。廣泛應(yīng)用于生活、生產(chǎn)、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。新穎的電流型 PWM 克服了傳統(tǒng)的電壓型 PWM 的缺點(diǎn)，使開(kāi)關(guān)電源具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)、高度的穩(wěn)定性、更好的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，特別是其內(nèi)在的限流能力，使過(guò)載及短路保護(hù)簡(jiǎn)單可靠。在許多中等容量范圍內(nèi)，開(kāi)關(guān)電源逐步取代了 相 控 電源，例如：通信電源領(lǐng) 域、電焊機(jī)、電鍍裝置等的電源。 目前除了對(duì)直流輸出電壓的紋波要求極高的場(chǎng)合外，開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)全面取代邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 了線性穩(wěn)壓電源，主要用于小功率場(chǎng)合。高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是過(guò)去 20 年國(guó)際電力電子界研究的熱點(diǎn)之一。 四十年來(lái)，開(kāi)關(guān)電源經(jīng)歷了三個(gè)重要的發(fā)展階段： 第一個(gè)階段是功率半導(dǎo)體器件從雙極型器件 (BPT、 SCR、 GT0)發(fā)展為 MOS型器件（功率 MOSFET、 IGBT、 IGCT 等），使電力電子系統(tǒng)有可能實(shí)現(xiàn)高頻化，并大幅度降低導(dǎo)通損耗，電路也更為簡(jiǎn)單 。此外，還要求開(kāi)關(guān)電源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。隨著超大規(guī)模集成芯片尺寸的不斷減小，電源的尺寸與微處理器相比要大得多；而航天、潛艇、軍用開(kāi)關(guān)電源以及 用電池的便攜式電子設(shè)備 (如手提計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話等 )更需要小型化、輕量化的電源。隨著脈寬調(diào)制（ PWM）技術(shù)的發(fā)展， PWM 開(kāi)關(guān)電源問(wèn)世，它的特點(diǎn)是用 20kHz 的載波進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，電源的效率可達(dá) 65%～70%，而線性電源的效率只有 30%～ 40%。 并且自開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源問(wèn)世后，在很多領(lǐng)域逐步取代了線性穩(wěn)壓電 源和晶閘管相控電源。 20 世紀(jì) 80 年代，計(jì)算機(jī)全面實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代。邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 課題背景及前言 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展歷史 20 世紀(jì) 50 年代，美國(guó)宇航局以小型化、重量輕為目標(biāo)，為搭載火箭開(kāi)發(fā)了開(kāi)關(guān)電源。在近半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展過(guò)程中，開(kāi)關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代傳統(tǒng)技術(shù)制造的連續(xù)工作電源，并廣泛應(yīng)用于電子整機(jī)與設(shè)備中 。 20 世紀(jì) 90 年代，開(kāi)關(guān)電源在電子、電器設(shè)備、家電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展期。早期出現(xiàn)的是串聯(lián)型開(kāi)關(guān)電源，其主電路拓?fù)渑c線性電源相仿，但功率晶體管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)。因此，用工作頻率為 20kHz 的 PWM開(kāi)關(guān)電源替代線性電源，可大幅度節(jié)約能源，從而引起了人們的廣泛關(guān)注，在電源技 術(shù)發(fā)展史上被譽(yù)為 20kHz 革命 。因此，對(duì)開(kāi)關(guān)電源提出了小型輕量要求，包括磁性元件和電容的體積重量也要小。這一切高新要求便促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源的不斷發(fā)展和進(jìn)步 。 第二個(gè)階段 自 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)始，高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。 第三個(gè)階段從 20 世紀(jì) 90 年代中期開(kāi)始，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊 (IPEM)技術(shù)開(kāi)始發(fā)展，它是當(dāng)今國(guó)際電力電子界亟待解決的新問(wèn)題之一 。例如：計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、各種電子儀器的電源。 近年來(lái)，開(kāi)關(guān)電源在通信、工業(yè)自動(dòng)化、航空、儀表儀器等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。開(kāi)關(guān)電源是一種高效率、高可靠性、小型化、輕型化的穩(wěn)壓電源，是電子設(shè)備的主流電源。各種計(jì)算機(jī)設(shè)備、彩色電視機(jī)等家用電器等都大量采用了開(kāi)關(guān)電源。另外開(kāi)關(guān)電源發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。 PWM 型開(kāi)關(guān)電源的換能電路將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓，再將脈沖電壓經(jīng) LC 濾波轉(zhuǎn)換成直流電壓 。在開(kāi)關(guān)電源出現(xiàn)以前，許多控制設(shè)備的工作電源都采用線性穩(wěn)壓電源。 （ 1） 小型、薄型、輕量化 由于電源輕、小、薄的關(guān)鍵使高頻化，因此，國(guó)外目前都在致力于同步開(kāi)發(fā)新型元器件，特別 是 改善二次整流管的損耗、變壓器及電容小型化，并同時(shí)采用表面安裝 （ SMT） 技術(shù)在電路板兩面布置元器件以確保開(kāi)關(guān)電源的輕、小、薄。采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以使 效率達(dá)到85％～ 88％。邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 追求壽命的延長(zhǎng)要從設(shè)計(jì)方面著手，而不是從使用方面著想。此外，還可以在電源系統(tǒng)建成后，根據(jù)發(fā)展需要不斷擴(kuò)大容量。采用部分諧振變換技 術(shù)，在原理上說(shuō)明可以高頻化，又可以低噪聲。 （ 6） 抗電磁干擾（ EMI） 當(dāng)開(kāi)關(guān)電源在高頻下工作時(shí)，其噪聲通過(guò)電源線產(chǎn)生對(duì)其他電子設(shè)備干擾，世界各國(guó)已有抗 EMI 的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。中央處理單元實(shí)現(xiàn)智能控制，可自動(dòng)診斷故障，減少維護(hù)工作量，確保正常運(yùn)行。 （ 9） 產(chǎn)品更新加快 目前開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品要求輸入電壓通用（使用世界各國(guó)電網(wǎng)電壓規(guī)模），輸出電壓范圍擴(kuò)大（入計(jì)算機(jī)和工作站需要增加 這一擋電壓，程控需要增加直流 150V 電壓），輸入端功率 因數(shù)進(jìn)一步提高，具有安全、過(guò)壓保護(hù)等功能。在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是， PWM 開(kāi)關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)。功率器件上的伏安乘積就是功率半導(dǎo)體器件上所產(chǎn)生的損耗。脈沖的占空比是開(kāi)關(guān)電源的控制器來(lái)調(diào)節(jié)。通過(guò)增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓組數(shù)。 控制器的主要目的 是 保 持輸出電壓穩(wěn)定，其工作過(guò)程與線性形式的控制器很類(lèi)似。它們的不同之處在于，誤差放大器的輸出（誤差電壓）在驅(qū)動(dòng)功率管之前要經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓脈沖轉(zhuǎn)換單元。盡管它們各部分的布置差別很少，但是工作過(guò)程相差很大，在特定的場(chǎng)合下個(gè)有優(yōu)點(diǎn)。 升壓式變換器中峰值電流較高，因此只適合 功率不大于 150W 的應(yīng)用場(chǎng)合，在所有拓?fù)渲校@類(lèi)變換器所用的元器件最小，因而在中小功率的應(yīng)用場(chǎng)合中和流行。 開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi) 開(kāi)關(guān)電源可分為 AC/DC 和 DC/DC 兩大類(lèi)， DC/DC 變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生 產(chǎn)工藝在國(guó)內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶(hù)的認(rèn)可；但 AC/DC 的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問(wèn)題。 AC/DC變換器輸入為 50/60Hz 的交流電，因必須經(jīng)整流、濾波，因此體積相對(duì)較大的濾波電容器是必不可少的，同時(shí)遇到安全標(biāo)準(zhǔn)及 EMC 指令的限制，交流側(cè)必須加EMC 濾波及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)的元件，這樣就限制了 AC/DC 變換器模塊化的進(jìn)程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法才能使其工作效率達(dá)到一定的滿(mǎn)意程度。按電源相數(shù)可分為，單項(xiàng)、三相、多相。 DC/DC 變換 DC/DC 變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱(chēng)為直流斬波。硬開(kāi)關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)器件 是在承受電壓或流過(guò)電流的情況下，開(kāi)通或關(guān)斷電路的，因此在開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生較大的交疊損耗，即所謂的開(kāi)關(guān)損耗 （ Switching loss） 。軟開(kāi)關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)管，在開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程中，或是加于 其上的電壓為零，即零電壓開(kāi)關(guān)（ ZeroVoltageSwitching， ZVS） ，或是通過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流為零 ，即零電流開(kāi)關(guān)（ ZeroCurrent Switching， ZCS）。 直流 斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式 Ts 不變，改變 onT （通用） ，二是頻率調(diào)制方式 ， onT 不變 ， 改變 Ts（易產(chǎn)生干擾）。 （ 2） Boost 電路 —— 升壓斬波器 ， 其輸出平均電壓 Uo 大于輸入電壓 Ui，極性相同。 （ 4） Cuk 電路 —— 降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓 Uo 大于或小于輸入邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 電壓 Ui， 極性相反，電容傳輸。日本Nemic Lambda公司最新推出的一種采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的高頻開(kāi)關(guān)電源模塊 RM系列，其開(kāi)關(guān)頻率為（ 200~300） kHz，功率密度已達(dá)到 27W/cm3，采用同步整流器（ MOSFET 代替肖特基二極管），是整個(gè)電路效率提高到 90%。 邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 2 設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)