【正文】 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 前 言 電源是實(shí)現(xiàn)電能變換和功率傳遞的主要設(shè)備。此外，本文最后提到了蓄電池的充電技術(shù)，這是因?yàn)闀r代的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，使得快速充電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文從大功率開關(guān)電源的方向著手設(shè)計(jì)，分析了開關(guān)電源的組成與工作原理，了解了開關(guān)電源的主要結(jié)構(gòu)、輔助技術(shù)以及開關(guān)器件的選擇與驅(qū)動等方面。洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 1000W 大功率開關(guān)電源設(shè)計(jì) 摘 要 隨著電源技術(shù)的不斷發(fā)展，開關(guān)電源作為一種新型電源設(shè)備得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。伴隨著這種趨勢，人們也在期待著開關(guān)電源的大功率化。從而掌握了開關(guān)電源的相關(guān)知識，理解了人們對大功率開關(guān)電源的迫切需求。因此作為一名電源工作者，應(yīng)當(dāng)有所了解。在信息時代，各行業(yè)的迅猛發(fā)展對電源產(chǎn)品提出了更多、更 高的要求，如節(jié)能、節(jié)電、節(jié)材、縮體、減重、環(huán)保、安全等，這就迫使電源工作者在電源的研發(fā)過程中不斷探索，尋求各種相關(guān)技術(shù)。開關(guān)電源是一種新型電源設(shè)備，較之于傳統(tǒng)的線性電源，其技術(shù)含量高、能耗低、使用方便。然而近年來，伴隨大量電源工作者的辛苦研發(fā)工作，開關(guān)電源在通信設(shè)備、數(shù)控裝置、儀器儀表、視頻音響、家用電器等電路中得到了廣泛應(yīng)用。本次論文主要分析了開關(guān)電源的橋式整流、濾波回路、 PWM 集成控制部分等的分析。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 第 1 章 開關(guān)電源的基本原理 開關(guān)電源中的功率調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，具有功耗小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬、溫升低、體積小等突出優(yōu)點(diǎn)，在通信設(shè)備、數(shù)控裝置、儀器儀表、視頻音響、家用電器等電子電路中得到廣泛應(yīng)用。圖中輸入的直流不穩(wěn)定電壓iU經(jīng)開關(guān) S 加至輸入端， S 為受控開關(guān)，是一個受脈沖控制的開關(guān)調(diào)整管。這個脈沖電壓經(jīng)過濾波電路進(jìn)行平滑濾波就可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓o。 開關(guān)電源直流輸出電壓oU與輸入電壓iU之間具有如下關(guān)系： DUio ? （ 12） 由上面兩式可以看出： （ 1） 若開關(guān)周期 T 一定，改變開光 S 的導(dǎo)通時間ont，即可改變脈沖占空比 D，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的，這種保持 T 不變而只改變ont來實(shí)現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)的方式，稱為脈沖寬度調(diào)節(jié)（ ＰＷＭ ）。 （ 2） 若保持ont不變，利用改變開關(guān)頻率Tf 1?來實(shí)現(xiàn)脈沖占空比調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓oU穩(wěn)壓的方式，稱為脈沖頻率調(diào)制 （ＰＦＭ ）。 （ 3） 既改變ont，有改變 T，從而實(shí)現(xiàn)脈沖占空比的調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式，稱為脈沖調(diào)頻調(diào)寬方式。 開關(guān)電源的構(gòu)成 開關(guān)電源由以下四個基本環(huán)節(jié)組成（如圖 12）： （ 1） DC/DC 變換 器：用以進(jìn)行功率變換，是開關(guān)電源的核心部分。 （ 2） 驅(qū)動器：開關(guān)信號的放大部分，對來自信號源的開關(guān)信號放大、整形，以適應(yīng)開關(guān)管的驅(qū)動要求。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 （ 4） 比較放大器：對給定信號和輸出反饋信號進(jìn)行比較運(yùn)算，控制開關(guān)信號的幅值、頻率、波形等，通過驅(qū)動器控制開關(guān)器件的占空比，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。 開關(guān)電源與線性電源相比，輸入的瞬態(tài)變換比較多地表現(xiàn)在輸出端，在提高開關(guān)頻率的同時，由于反饋放大器的頻率特性得到改善，開關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)也能得到改善。所以可以通過提高開關(guān)頻率、降低輸出濾波器 LC 的值的方法改善瞬態(tài)響應(yīng)特性。開關(guān)電源的功率開關(guān)調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，所以調(diào)整管的功耗小、效率高。 （ 2） 重量輕。 （ 3） 穩(wěn)壓范圍寬。 2%以下。 （ 4） 安全可靠。 （ 5） 元件數(shù)值小。 （ 6） 功率小。采用開關(guān)電源可以提高整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性。 控制方式 由開關(guān)電源輸出直流電壓表達(dá)式DUU io ?可知，控制開關(guān)管的導(dǎo)通時間ont，可以調(diào)整輸出電壓oU，達(dá)到輸出穩(wěn)壓的目的。開關(guān)器件的開關(guān)頻率 f 由自激或它激方式產(chǎn)生。 這種控制方式是 利用反饋控制回路，既控制脈沖寬度ont，又控制脈沖開關(guān)周期 T，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)脈沖占空比 D，從而達(dá)到輸出穩(wěn)壓的目的。 它激式開關(guān)電源需要外部振蕩器，用以產(chǎn)生開關(guān)脈沖來控制開關(guān)管，使開關(guān)電源工作，輸出直流電壓。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 連接分類 電源以功率開關(guān)管的連接方 式分類，可分為單端正激開關(guān)電源、單端反激開關(guān)電源、半橋開關(guān)電源和全橋開關(guān)電源；以功率開關(guān)管與供電電源、儲能電感的連接方式以及電壓輸出方式分類，可分為串聯(lián)開關(guān)電源和并聯(lián)開關(guān)電源。 （ 1） 直接取樣電路。 （ 2） 間接取樣電路。當(dāng)輸出電壓因輸入電壓等原因發(fā)生突變時，輸出電壓的變化需經(jīng)過開關(guān)變壓器耦合才能反映到取樣 繞組兩端，所以穩(wěn)壓的動態(tài)結(jié)果一般。并據(jù)此分析，選擇相應(yīng)的電路元器件。然而該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還應(yīng)有輔助電路，主要為控制電路部分，其功能是產(chǎn)生電路所需的控制脈沖和提供各種保護(hù)。 E M I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A C輔 助 電源P W M 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D C 圖 21 開關(guān)電 源結(jié)構(gòu)框圖 開關(guān)電源的主電路通過輸入整流濾波、 DC/DC 變換、輸出整流濾波將交流電壓轉(zhuǎn)換為所需的直流電壓。其作用是將交流電通過整流模塊變成具有脈沖的直流電，然后通過濾波電容將其變?yōu)檩^平滑的直流電。其作用是將濾波得到較平滑的直流電變?yōu)楦哳l的方波電壓，再通過高頻變壓器送到輸出端。其作用是將高頻方波電壓轉(zhuǎn)變成為所需要的直流電壓或者電流。所以，開關(guān)電源主回路進(jìn)行正常的功率變換所需的觸發(fā)脈沖是由系統(tǒng)的控制電路部分提供的。 DC/DC 變換器的選擇 將一種直流電壓變換成另一種直流電壓（可調(diào)或固定）的過程稱為DC/DC 變換， DC/DC 變換是開關(guān)電源的主要功能之一，隨著電子技術(shù)的發(fā)展， DC/DC 變換專用電路成為設(shè)計(jì)者常用的器件，稱之為 DC/DC 變換器。全橋式電路可以使變壓器磁芯和繞組 得到最優(yōu)利用；使效率等得到優(yōu)化。但是，由于系統(tǒng)中的功率元器件比較多的緣故，功率損耗也會很大。 硬開關(guān)式全橋變換器 硬開關(guān)式 PWM 電路（如圖 22） 具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便的優(yōu)點(diǎn) 。但是系統(tǒng)總的損耗并沒有減少，只是單純地將開關(guān)損耗 轉(zhuǎn)移到了緩沖電路中。所以，當(dāng)開關(guān)器件在高頻下運(yùn)行時，器件中的極間電容將占有不可忽略的地位。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 V c cQ 1Q 2D 1D 2Q 3Q 4D 4D 3D 5D 6L fR lC f 圖 22 硬開關(guān)式全橋變換電路 諧振式全橋變換器 硬開關(guān)式電路在頻率較高時受到的影響較大，所以，我們可以考慮應(yīng)用諧振式軟開關(guān)電路。其主要作用是利用諧振作用控制開關(guān)器件的導(dǎo)通或關(guān)斷。其基本電路結(jié)構(gòu)如圖 23 所示。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，諧振網(wǎng)絡(luò)接通并產(chǎn)生諧振，此時電流按正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流諧振到零時，令開關(guān)管關(guān)斷，使諧振停止。當(dāng)洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 開關(guān)管關(guān)斷時，諧振元件串聯(lián)并產(chǎn)生諧振，此時電壓按正弦規(guī)律變化，當(dāng)電壓諧振過零時，將開關(guān)管 S導(dǎo)通。因?yàn)樨?fù)載對諧振變換電路的影響較大，所以為了保證輸出直流電壓穩(wěn)壓的方式，采用了脈沖頻率調(diào)制 (PFM)。其功能是指保持每個開關(guān)管的導(dǎo)通時間不變，每個橋臂的功率管互補(bǔ)導(dǎo)通成 180176。因此它是通過調(diào)節(jié)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓的。 由以上分析可知，采用 移相式全橋變換電路較好。如果控制電路輸出的觸發(fā)信號不穩(wěn)定，或者誤觸發(fā)，則會導(dǎo)致短路，損壞開關(guān)器件。我們從圖 24 中 可以看出，脈沖產(chǎn)生電路是由保護(hù)電路和軟啟動電路控制產(chǎn)生脈沖信號，然后經(jīng)過觸發(fā)電路作用于電源的主電路。 驅(qū)動電路作為執(zhí)行部分，其工作原理是將控制電路輸出的 PWM 脈沖信號驅(qū)動大功率開關(guān)管。 因?yàn)殡娫吹妮敵鰹V波電容較大，開始時會產(chǎn)生非常大的充電電流。若為了避過流保護(hù)的誤動作而將保護(hù)電路的動作時間延長，這 將會降低過流保護(hù)的安全可靠性。因此，軟啟動電路可以消除這種沖擊，在啟動時提供一個逐漸上升的電壓信號給脈沖產(chǎn)生電路，使其得到緩沖而慢慢建立起電壓。其中，過流保護(hù)和過壓保護(hù)是為了保護(hù)負(fù)載和電源兩者而設(shè)置的；欠壓保護(hù)和溫度保護(hù)是為了電源本身而設(shè)置的。 輸入整流濾波回路 本文設(shè)計(jì)的是 1000W 大功率電源。 輸出整流濾波回路 在大功率電源的設(shè)計(jì)中，常用的輸出整流濾波分為橋式整流和全波整流。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 第 3 章 開關(guān)電源主電路的設(shè)計(jì) 開關(guān)電源的設(shè)計(jì)要求 本文 設(shè)計(jì)的大功率開關(guān)電源主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)的高頻開關(guān)電源 ，確定 技術(shù)指標(biāo)如下 : :380V? 20%； :50Hz? 10%； : 以上； :437V? 5V； :320V? 5V； :220V； 7. 輸出電壓范圍 :176286V； : Vo? 為 10mV； :5A； :325V? 5V； :195V? 5V； 在該 課題 的設(shè)計(jì) 過程中，主要對大功率開關(guān)電源的工作原理、電路結(jié)構(gòu)作了分析 ，并結(jié)合 開關(guān)電源 的 相關(guān) 參數(shù)，確定 并設(shè)計(jì)出了開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)。 通過圖 31 可以看出 主電路 和控制電路的基本組成。控制電路洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 包括監(jiān)控單元、控制和保護(hù)單元、輔助電源和反饋四個部分。該電路分為 輸入整流濾波 電路、 單相逆變橋 和 輸出整流濾波電路 。然后再將信號送到全橋整流濾波電路，它采用了 LC 濾波， 其主要 作用是 延長了電流導(dǎo)通時間，限制了電流峰值，從而達(dá)到提高電源的輸入功率因數(shù)的目的。而高頻電容與電解電容的并聯(lián)是為了濾除高頻諧波，同時也彌補(bǔ)了電解電容在高頻特性方面的不足。其中，電容 C7 和 C8 并聯(lián)在兩個橋臂之間，起到了降低兩個橋臂之間的尖峰的干擾的作用 。為了檢測原邊電流是否滿足要求，變壓器的原邊需要添加交流互感器。其中，高頻濾波電感 L4，電解電容（ C C1 C15）和高頻電容（ CC14）是為了濾除高頻諧波分量。電流采樣電阻和輸出二極管 D3 是為了防止電池電流反灌。 整流橋電路 工作頻率為 50Hz，輸入電壓為 380V 三相交流電壓，采用三相整流橋。 （ 2） 額定電流 因?yàn)殡娫吹男蕰S著輸入功率的變化而變化，所以我們應(yīng)選擇電源的效率的最小值。 輸入功率為 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 WP p n ???? （ 33） 因?yàn)樽畲筝斎腚娏鬟x取的是交流輸入電壓的下限，所以 VU in 3 0 4%803 8 0m a x. ??? （ 34） 最大輸入線電流 AUPIinmin m a x.???? （ 35） 取整流橋的額定電流為 10A。當(dāng)系統(tǒng)電壓最低時接在三相橋式整流電路兩端的平均輸出電壓 E 為 aEE π 23? （ 36） 其中，aE為交流輸入線電壓。因此，三相電路的濾波電容為： IC avm 200~133? （ 310） 代入相關(guān)參數(shù)得 uFC m ??? （ 311） 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，我們選擇 4 個 1000μF/400V 的電解電容?？紤]到濾波電感的作用，則其 電感越大，電流脈沖就越小，輸入功率因素越高。 逆變電路的設(shè)計(jì) 功率轉(zhuǎn)換電路 通過第二章的分析可以知到，本文設(shè)計(jì)的開關(guān)電源為功率電源一類，選用全橋式功率轉(zhuǎn)換電路較好。 高頻變 壓器的計(jì)算 （ 1）選取工作磁通密度 考慮到高頻變壓器的相關(guān)參數(shù)，我們應(yīng)選取的磁芯為 MX0200 鐵氧體材料，那么它的工作磁通密度為 900Gs。 那么，選用的環(huán)形磁芯的規(guī)格為： mmhdD 20601 2 0 ????? 式中： D—— 環(huán)形磁芯的外徑； d—— 環(huán)形磁芯的內(nèi)徑； h—— 環(huán)形磁芯的厚度。那么max1V應(yīng)當(dāng)取值為： VV %)201(380m a x1 ????? （ 313） 磁芯截面積cS為： 2600202 601202 mmhdDS C ??????? （ 314） 那么，高頻變壓器原邊繞組的匝數(shù) 1N為： ??? ???N （ 315） 高頻變壓器原邊繞組的匝數(shù)應(yīng)當(dāng)取整，結(jié)果為 66。 考慮到線路傳輸?shù)膲航?，選取該壓降為 。那么，當(dāng)滿足輸出電壓最大值與額定負(fù)載時，高頻變壓器副邊繞組電壓最小值為： VV )(m in2 ???? （ 317） 又因?yàn)槔硐胱儔浩鞯脑⒏边叺碾妷罕扰c其繞組的匝數(shù)比相等，所以得高頻變壓器的副邊繞組匝數(shù)的計(jì)算公式為： 1min1min22 NVVN ?