【正文】 不斷發(fā)展的需要，因此，直到 70 年代，發(fā)達國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。因此 ，自 1947 年肖克萊發(fā)明晶體管，并在隨后的幾年內(nèi)對晶體管的質(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行高頻變換的方案。Roger)發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，是實現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)換電路的開始 , 1957 年美國查賽 (JJ在此基礎(chǔ)上， 1964 年，美國科學(xué)家提出了取消工頻變壓器的串聯(lián)開關(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，為使電源實現(xiàn)體積和重量的大幅下降提供了一條根本途徑。電源界把開關(guān)電源的頻率提高到20kHz 以上稱為電源技術(shù)的 “20kHz 革命 ”。在電路拓撲型式上開發(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。 在隨后的幾年中，大功率晶體管 (GTR)和功率場效應(yīng)管 (MOSFET)相繼被研制出來，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。 隨著微電子學(xué)的發(fā)展和元器件生產(chǎn)技術(shù) 的提高，相繼開發(fā)出了耐壓高的功率場效應(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。 隨著通信用開關(guān)電源技術(shù)的廣泛應(yīng)用和不斷深入，實際工作中人們對開關(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、 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 穩(wěn)定、高效、小型、安全。采用這種工作原理，大大減小了開關(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分布參數(shù)的敏感性，拓寬了開關(guān)器件的安全工作區(qū)，在一定程度上降低了對器件的要求，從而顯著提高了開關(guān)電源 的可靠性。在引進原民主德國 FGD 系列和前蘇聯(lián)BCC51 系列自動化硒整流器基礎(chǔ)上，借鑒國外先進技術(shù)，與工廠共同研制成功國產(chǎn) XZL系列自動化硒整流器，并在武漢通信電源廠批量生產(chǎn)，開始用硒整流器裝備通信局 (站 )，替換原有的電動發(fā)電機組，這標志著我國國產(chǎn) 開關(guān) 電源設(shè)備躍到一個新的水平。 1963 年開始研制和采用可控硅 (SCR)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，當時與發(fā)達國家相比只落后五六年 .后由于十年動亂，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開始形成系列化生產(chǎn)，供通信設(shè)備作一次電源使用，并不斷得到改進，性能和質(zhì)量逐步提高外，其它方面進展十分緩慢。只是作為通信設(shè)備的二次電源使用(二次電源對元器件的耐壓及電流要求較低 )。這種電源工作于工頻 50Hz，有龐大的工頻變壓器、電感線圈、電解電容等，笨重龐大、效率低、噪聲大、性能指標低，不易實現(xiàn)集中監(jiān)控。郵電部武漢電源廠、通信儀表廠等 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 廠家開發(fā)出了自己的以 PWM 方式工作的開關(guān)電源 ,并推向電信行業(yè)應(yīng)用，取得了較好的效果 .隨后郵電部對電源提出了更新?lián)Q代和實現(xiàn)監(jiān)控 (包括遠程監(jiān)控 )的要求，眾多廠家都投入力量研制開發(fā)，推出了采用 PWM 技術(shù)的高頻開關(guān)電源，有些廠家還推出了實現(xiàn)遠程監(jiān)控的解決方案，短短幾年后，電信部門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、功率場效應(yīng)管、絕緣柵雙極晶體管的半橋或全橋電路，其開關(guān)頻率為幾十～ 100kHz、效率高于90%、功率因數(shù)接近 1。 總的說來，開關(guān)電源的發(fā)展趨勢為 :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。最后對開關(guān)電源整流濾波電路進行了簡單介紹。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。開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖可如圖 所示。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)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 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 計要求。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。功率開關(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)。 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。 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。對全橋變換器來說，只有對角線上兩只開關(guān)管同時導(dǎo)通時，變換器才輸出功率，所以可通過調(diào)節(jié)對角線上的兩只開關(guān)管導(dǎo)通重合角的寬度來實現(xiàn)穩(wěn)壓控制，而在功率器件環(huán)流期間，它又利用變壓器的漏感、功率半導(dǎo)體器件的結(jié)電容或外加的附加電感電容的諧振來實現(xiàn)零電壓或零電流的開關(guān)換流。 控制電路是開關(guān)電源系統(tǒng)的另一重要部分。如果控制電路不完善，主電路設(shè)計得再好也無法發(fā)揮其自身的功能，例如 :如果控制電路輸出的觸發(fā)信號不穩(wěn)定，或者出現(xiàn)誤觸發(fā)，有可能引起開關(guān)橋的直通，導(dǎo)致短路，從而損壞開關(guān)元件。從圖 可以看出，脈沖產(chǎn)生 電路是控制電路的核心。 圖 電源控制電路框圖 電壓反饋控制電路通過檢測電壓的大小，對輸出電壓進行采樣，然后將采樣電壓和參考電壓相比較得出誤差信號，反饋控制電路將誤差信號進行 PI 處理后得到一控制電壓。 控制電路輸出的 PWM 信 號，電平幅值和功率能力均不足以驅(qū)動大功率開關(guān)元件，因此選擇合適的驅(qū)動電路是必須的。 電源的輸出濾波電容較大，輸出電壓的突然建立將會形成非常大的電容充電電流，疊加在負載電流上，它不僅使開關(guān)管的負擔(dān)過重而可能損壞，而且，由于持續(xù)時間長，往往會引起過流保護電路發(fā)生誤動作。 輸出電壓在合閘時容易出現(xiàn)過沖，這種過沖，合閘時可能發(fā)生，在關(guān)閉電源時也可能產(chǎn)生，只要達到足夠的幅度將會給負載造成損害，而且，反復(fù)的大電流沖擊對電容器本身也不利，同時還會引起干擾，因此，開關(guān)電源必須具備輸出電電源主電路 觸發(fā)電路 保護電路 電壓反饋控制電路 脈沖產(chǎn)生電路 軟啟動電路 輔助電源 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 源軟啟動的功能。 保護電路是控制電路的一個重要組成部分，為了提高電源的可靠性必須不斷完善保護電路的功能。過流保護和過壓保護是為了保護負載和電源兩者而設(shè)置的，而欠壓保護和溫度保護是為了電源本身而設(shè)置的。輔助電源的類型有很多種，既可以采用串聯(lián)線性調(diào)整型電源，也可以采用開關(guān)電源。選取輔助電源電路形式時，只要該電源能滿足控制電路的要求即可。開關(guān) 電源中分別存在輸入和輸出整流濾波回路。為了保持三相交流電源的對稱性和減小電源的輸入濾波電容等原因，大功率電源一般采用三相電源作為供電電源。 輸出整流濾波回路 在大功率電源中，常用的輸出整流電路有橋式整流電路和全波整流電路。橋式整流電路適用于輸出電壓較高的場合，還可以使 變壓器結(jié)構(gòu)簡單，降低整流管的電壓定額，所以我們采用橋式整流電路作為輸出整流電路。輸出濾波電路的作用是濾除二次側(cè)整流電路輸出的脈動直流中的交流成分，得到平滑的直流輸出。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。下面就對電源主電路的設(shè) 計進行詳細說明。虛線以上是主電路，主 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 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。 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。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)。電阻 1R 、 2R 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。 圖 輸入整流濾波電路 交流輸入 整流濾波 高頻逆變 整流濾波 直流輸出 輔助電源 控制和保護單元 反饋 監(jiān)控單元 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 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。工作頻率為 50Hz，輸入為三相交流電壓 380V，采用三相整流橋。因為電源的輸入功率隨效率變化，所以應(yīng)取電源效率最差時的數(shù)值。 電源的輸入功率 : P= nP =22050/=13750W 因最大輸入電流是在交流輸入電壓下限時，所以， =380V80%=304V, 最大輸入線電流 : = 3min. ?innU P = 330413750? = 取整流橋的額定電流為 100A 。 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， aE 為交流輸入線電壓 : E= ?23? aE (31) 即： E= 380(1－ 20%)= 410V 通過直流輸入電路的平均電流 aveI 為： aveI =EPn = 41013750 = 計算單相全波整流電路濾波電容的經(jīng)驗公式為 : mC =400～ 600 aveI (32) 由于三相全波整流電路的基波頻率為單向電路的 3 倍，因此計算三相電路濾波電路的公式為 : 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 mC =133～ 200 aveI (33) 所以： mC = 200= 6700uF 根據(jù)計算結(jié)果，在實際電路中，我們選用 10000uF/400V 的電解電容 4 只兩兩串聯(lián)后再并聯(lián)組成濾波電容組。 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 C1532l05硅 鋼片鐵心，線徑為 毫米，電感量為 18mH 的工頻電感。 移相式 全橋 變 換電路 如圖 所示 。無感電容 ( 7C 、 8C )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 rL ，隔直電容 15C 、 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 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。 高頻變壓器的計算： (1) 選擇工作磁通密度 B 磁芯選用 MX0200 鐵氧體材料。 磁芯規(guī)格 :Ddh= 1206020 mm D 為環(huán)形磁芯的外直徑 ， d 為環(huán)形磁芯的內(nèi)直徑 ， h為環(huán)形磁芯的厚度 。電路工作頻率為 30kHz， T=， ONt 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 : 即為： 380(1+ 20%)2 =640V。 (3) 計算 原 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的壓降 (取壓降 )，因此，該電源的最高輸出電壓為 : maxoV =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 : min2V = (+2+)/ = 因 為 : 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 1min1min22 NVVN ? (35) 其中 min1V = 380(120%)=410V 得到 原 邊繞組匝數(shù) : 2N = ? = 因此，變壓器 原 邊繞組的匝數(shù)應(yīng)取整數(shù) 79T。為繞制方便，選用線徑為 的 銅導(dǎo)線。 因 此 需用 ，因而選用 40 根 線徑為 。 uI 的平均值 ： ??? uu a v e II A 因此，原邊繞組等效矩形波電流幅值 mI1 為 ： uavem III ?? 211 = += 其有效值為 : max1 DII mt ? = ? = 原邊線徑仍取 ，電流密度 J=3A/mm2 ，單根導(dǎo)線載流量為 。 (6) 校核窗口面積 ? 1206020 磁芯窗口面積為 : 0S = 42d? =2826mm2 副 邊繞組占有的標稱面積 1S 為 : 1S = 22 1 1 8 mm????? 原 邊繞組占有的標稱面積 2S 為 : 2S = 22 1 1 4 mm????? 占空系統(tǒng) ? 為 : ? = ( 1S + 2S )/