【正文】 .................................................... 39 附錄 C ............................................................................................................................... 40 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一章 緒論 高頻開(kāi)關(guān)電源的誕生 在開(kāi)關(guān)電源的誕生以前，人們主要采取的是開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器式直流穩(wěn)壓電源和線性調(diào)節(jié)器式直流穩(wěn)壓電源，這類直流電源有只能降壓不能升壓、體積大、功耗大、散熱難等缺點(diǎn)，又由于其輸出和輸入之間有公共端，需要外 加電路來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的隔離等等，這都不適應(yīng)電路小型化的趨勢(shì)。這兩篇文章為直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展提供了方向。在高頻開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展過(guò)程中先后出現(xiàn)的典型轉(zhuǎn)換器有： Buck 轉(zhuǎn)換器、 Boost 轉(zhuǎn)換器、 BuckBoost 轉(zhuǎn)換器、 Zeta 轉(zhuǎn)換器、 Cuk轉(zhuǎn)換器、 SEPIC 轉(zhuǎn)換器，其后又有正激式（ Forward）轉(zhuǎn)換器、反激式（ Flyback）轉(zhuǎn)換器、推挽式（ PushPull）轉(zhuǎn)換器、半橋式（ HalfBridge）轉(zhuǎn)換器、全橋式（ FullBridge）轉(zhuǎn)換器、雙管正激式（ Switchces Forward）轉(zhuǎn)換器等等。本文要介紹的只是直流開(kāi)關(guān)電源，其功能是將市電（粗電）轉(zhuǎn)換成精度要求較高的電壓以滿足各種設(shè)備對(duì)電壓的要求。 直流 DC/DC 轉(zhuǎn)換器按輸入與輸出之間是否有電隔離可為兩類：其一是隔離式DC/DC 轉(zhuǎn)換器，其二是非隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。單管的 DC/DC轉(zhuǎn)換器有正激式（ Forward）和反激式（ Flyback）兩種，本文重點(diǎn)研究單管正激式（ Forward）。四管 DC/DC 轉(zhuǎn)換器就是全橋 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（ FullBridgeConverter）。單管 DC/DC 轉(zhuǎn)換器共有：降壓式（ Buck） DC/DC 轉(zhuǎn)換器，升壓式（ Boost） DC/DC 轉(zhuǎn)換器、升降壓式（ BuckBoost） DC/DC 轉(zhuǎn)換器、 Cuk DC/DC 轉(zhuǎn)換器、 Zeta DC/DC 轉(zhuǎn)換湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 器、 SEPIC DC/DC 轉(zhuǎn)換器。雙管轉(zhuǎn)換器有雙管串接的升壓式（ BuckBoost） DC/DC 轉(zhuǎn)換器。 高頻開(kāi)關(guān)電源的研發(fā)現(xiàn)狀 目前市場(chǎng)上開(kāi)關(guān)電源中功率管大多采用的是雙極型晶體管，其開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到幾十千赫茲；而采用 MOSFET 的開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換頻率可以達(dá)到幾百千赫，想要提高開(kāi)關(guān)的頻率就必須采用快速開(kāi)關(guān)器件。諧振開(kāi)關(guān)方式可以最大限度地提高開(kāi)關(guān)的速度，降低開(kāi)關(guān)管的損耗，其噪聲也很小，這是提高開(kāi)關(guān)工作頻率的一種方式。 開(kāi)關(guān)電源電路器件 電力電子技術(shù)的進(jìn)步必須依靠新型的電力電子器件。制造半導(dǎo)體的材料從硅材料到砷化鎵、半導(dǎo)體金剛石、碳化硅， SiC 功率 MOSFET的導(dǎo)通壓降已經(jīng)降到了 1V 以下，關(guān)斷時(shí)間小于 10ns 。新型平面變壓器近幾年的發(fā)展也有效地推動(dòng)了開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展，它具有能量密度高、體積 小、頻率高、漏感低、電磁干擾低等優(yōu)點(diǎn)。硬開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)開(kāi)關(guān)上的電壓和電流都不為零，開(kāi)關(guān)在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中，電壓和電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交疊區(qū)產(chǎn)生損耗，被稱為開(kāi)關(guān)損耗。這種硬開(kāi)關(guān)技術(shù)限制了轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率的提高，從而限制了轉(zhuǎn)換器的小型化和輕量化。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中沒(méi)有電壓和電流的交疊，如零電壓開(kāi)關(guān)（ Zero Voltage Switching， ZVS）和零電流開(kāi)關(guān)（ Zero Current Switching， ZCS），有時(shí)也近似的把 ZVS 和 ZCS 叫做軟開(kāi)關(guān)。 PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)大致可以分為以下幾類 ： （ 1）全諧振轉(zhuǎn)換器，也被稱為諧振轉(zhuǎn)換器（ Resonant Converters）。 （ 3）零開(kāi)關(guān) PWM 轉(zhuǎn)換器（ Zero Switching PWM converter） （ 4）零轉(zhuǎn)換 PWM 轉(zhuǎn)換器（ Zero Transition Converters）。（ 2）由諧波電流引起的電路故障，會(huì)損壞設(shè)備。（ 4）諧波電流對(duì)產(chǎn)生諧波電流的設(shè)備及同一系統(tǒng)中的其他電子設(shè)備產(chǎn)生極大的影響。常用功率因素校正的方法有：多脈沖整流、無(wú)源濾波、有源功率因 素校正等。功率半導(dǎo)體器件件則把驅(qū)動(dòng)、控制、檢測(cè)、保護(hù)電路封裝在一個(gè)模塊中。第二代產(chǎn)品的變壓器也得到很大改良，采用了屏蔽式結(jié)構(gòu)和 鍍 銅磁芯，共模噪聲和寄生電容得到降低，變壓器的處理功率密度大幅提高。英特處理器的工作電壓，已經(jīng)降到了 1V 以下，處理速度也大幅提升，有關(guān)專家提出了將開(kāi)關(guān)電源和微處理器結(jié)合在一起的構(gòu)想，而英特公司也在努力促成此事，但這樣的開(kāi)關(guān)電源的大小就得與微處理器相近，但是如今的開(kāi)關(guān)電源仍然要比微處理器大幾十倍甚至更多，如何進(jìn)一步減小體積則是面臨的新問(wèn)題。這一技術(shù)將 成為 今后一段時(shí)間內(nèi)電力電子界內(nèi)的熱點(diǎn)，它的研究?jī)?nèi)容非常廣泛，有負(fù)載大信號(hào)動(dòng)態(tài)問(wèn)題，有控制技術(shù)研究，有電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究等等。 低壓大電流 DC/DC 變換技術(shù)的關(guān)鍵是尋找到合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)似的變壓器的副邊波形能直接驅(qū)動(dòng)代替二極管的同步整流 MOSFET，這樣既能保持簡(jiǎn)單性又能實(shí)現(xiàn)高效率。最好的肖特基二極管也有 正向壓降，將產(chǎn)生巨大的導(dǎo)通損耗，所以整流器件的唯一選擇是用同步整流 MOSFET，副邊的研究便主要集中在如何驅(qū)動(dòng)這些同步整流 MOSFET 上。目前 與 自驅(qū)動(dòng)同步整流技術(shù)相匹配的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只有兩種，一是有源鉗位正激變換器，二是互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)半橋電路。高頻開(kāi)關(guān)電源電磁兼容預(yù)設(shè)計(jì)分析和研究 [5]針對(duì)開(kāi)關(guān)電源的電磁兼電源容問(wèn)題，系統(tǒng)地分析轉(zhuǎn)換器 EMI 的作用機(jī)理， 運(yùn)用專業(yè)軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，提出合適的電磁兼也容設(shè)計(jì)方法。一個(gè)開(kāi)關(guān)電源的品質(zhì)除了電性能指標(biāo)外，還有看許多其他指標(biāo)，如環(huán)境溫度、外形尺寸、EMI 要求、抗震動(dòng)要求、可靠性指標(biāo)、集成度和美觀性等，總體來(lái)說(shuō)開(kāi)關(guān)電源的研發(fā)方向是高頻率、高 效率 、小體積。但是對(duì)于輸出電壓可調(diào)的高頻開(kāi)關(guān)電源的研究不多，市場(chǎng)上的電壓可調(diào)開(kāi)關(guān)電源成品也很少，針對(duì)這個(gè)現(xiàn)象，本文在分析了各種高頻開(kāi)關(guān)電源的基礎(chǔ)上，主要著手中小功率電壓可調(diào)開(kāi)關(guān)電源的研發(fā)并充分考慮其經(jīng)濟(jì)性與總體性能，本論文設(shè)計(jì)的高頻開(kāi)關(guān)電源是基于單片機(jī)控制的，利用高頻脈寬調(diào)制技術(shù)（ PWM），主電路拓?fù)洳扇≌な诫娐?，?shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓可調(diào)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。本文的具體行文結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章 緒論 第二章 系統(tǒng)方案的確定 第三章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第四章 控制及仿真 第五章 結(jié)論及展望 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第二章 高頻開(kāi)關(guān)電源方案的確定 方案的的分析和選擇 相關(guān)技術(shù)指標(biāo)： 輸入電壓： 交流 220V 輸出電壓： 直流 0 60V 輸出功率： 1000W? 頻率要求： 10kHz 紋波要求： 1V? 按照上述參數(shù)要求，分析多種多種高頻開(kāi)關(guān)電源的主電路拓?fù)浜推淇刂品绞剑蟾盘岢鲆韵滤姆N總設(shè)計(jì)方案。正激式轉(zhuǎn)換器中高頻變壓器實(shí)現(xiàn)了輸入與輸出之間的電器隔離，變壓器采用增加復(fù)位繞組的方式實(shí)現(xiàn)磁復(fù)位。正激式轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路較為簡(jiǎn)單、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性較高，適合各種中小功率的電源。半橋式轉(zhuǎn)換器的變壓器雙向勵(lì)磁，沒(méi)有變壓 器 偏磁問(wèn)題，適合各種工業(yè)用電源和計(jì)算機(jī)用電源，但其驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜，有直通問(wèn)題。變壓器 T 的初級(jí)繞組接于兩橋臂的中點(diǎn)，全橋逆變器的控制方式有：雙極性控制方式、有限雙極性控制方式以及移相控制方式。在單個(gè)周期內(nèi) Ts 內(nèi)，前半個(gè)周期 V1 和 V4 導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間為 Ton ；后半個(gè)周期 V2 和 V3 導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間同為 Ton 。 方案四： 圖 推挽式 本方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示，其主電路采用推挽式轉(zhuǎn)換器。兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的輪流導(dǎo)通是變壓器的鐵心交替地磁化和去磁，以完成電 能從初級(jí)繞組到次級(jí)繞組的傳輸。推挽式轉(zhuǎn)換器適合低壓輸入電源。 整流濾波 推挽式轉(zhuǎn)換器 調(diào)整方波整流濾波 隔離反饋 AC 單片機(jī)控制 驅(qū)動(dòng)電路 DCCCCC 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 表 各方案優(yōu)缺點(diǎn)比較 方案 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 功率范圍 應(yīng)用領(lǐng)域 一 電路簡(jiǎn)單，成本較低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單 變壓 器單向勵(lì)磁，利用率較低 幾百瓦～幾千瓦 適合各種中小功率電源 二 變壓器雙向勵(lì)磁，沒(méi)有變壓偏磁問(wèn)題， 開(kāi)關(guān)較少，成本低 有直通問(wèn)題，可靠性較低，需要復(fù)雜的隔離驅(qū)動(dòng)電路 幾百瓦～幾千瓦 適合各種工業(yè)用電源，計(jì)算機(jī)用電源 三 變壓器雙向勵(lì)磁，容易達(dá)到大功率 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，有直通問(wèn)題，可靠性較低，需要負(fù)載的多組隔離驅(qū)動(dòng)電路 幾百瓦～幾千瓦 適合大功率工業(yè)用電源、焊接電源、電解電源等 四 變壓器雙向勵(lì)磁，驅(qū)動(dòng)較為簡(jiǎn)單 有磁偏問(wèn)題 幾百瓦～幾千瓦 適合低輸入電壓的電源 正激式（ Forward） PWM 轉(zhuǎn)換器 正激式轉(zhuǎn)換器是典型的帶有隔離變壓器的直流 PWM轉(zhuǎn)換器，其實(shí)際上就是在 Buck降壓式 PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器中再加入了一個(gè)隔離變壓器構(gòu)成的，圖 給出了正激式PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器的主電路。隔離變壓器帶有三個(gè)繞組：初次繞組 1W 、次級(jí)繞組 2W 和復(fù)位繞組 3W ?！狈?hào)的一端表示是繞組的始端。正激式 PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器變壓器的磁芯復(fù) 位的方法有：增加復(fù)位繞組法、 RCD 復(fù)位法、 LCD 復(fù)位法和有源鉗位等磁復(fù)位方法。 V i nTQD3D1D2LfCf RW1 W2W3 圖 正激轉(zhuǎn)換器原理圖 當(dāng)開(kāi)關(guān)管 Q 導(dǎo)通時(shí)，變壓器次級(jí)整流二極管 1D 導(dǎo)通，續(xù)流二極管 2D 關(guān)斷，直流電源功率是通過(guò)變壓器傳送到負(fù)載的，同時(shí)濾波電感 fL 儲(chǔ)能；當(dāng)開(kāi)關(guān) Q 關(guān)斷時(shí)，變壓器湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 次級(jí)整流二極管 1D 關(guān)斷，續(xù)流二極管 2D 導(dǎo)通，濾波電感的儲(chǔ)能向負(fù)載釋放。開(kāi)關(guān) Q 導(dǎo)通時(shí)， 3W 回路中的二極管 3D 阻斷，因此沒(méi)有電流流過(guò)，磁心從原始狀態(tài)被磁化（ Magization）。當(dāng)勵(lì)磁電流下降到零時(shí)，磁心復(fù)位到原始磁狀態(tài)，以 便下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期磁心重復(fù)勵(lì)磁。因此，在正激轉(zhuǎn)換器中變壓器復(fù)位十分重要，為確保鐵心復(fù)位，在開(kāi)關(guān)管 Q 導(dǎo)通時(shí)，鐵心的磁通增加量應(yīng)等于開(kāi)關(guān) Q 關(guān)斷時(shí)磁通的減少量。 在電流連續(xù)模式（ CCM）條件下，正激式轉(zhuǎn)換器的輸出 /輸入的電壓轉(zhuǎn)換比為： ouiV nDV ?…………………………………………… （ ） 其中 n = 1W / 2W ， 1W 、 2W 分別為變壓器的一次繞組匝數(shù)和二次繞組匝數(shù)， Du 為開(kāi)關(guān)管的占空比。而且開(kāi)關(guān)的占空比可以在設(shè)定的范圍內(nèi)變化以實(shí)現(xiàn)輸出電壓在一定范圍內(nèi)變化。這時(shí)二極管 1D 和 2D 的反向恢復(fù)條件可以得到改善，同時(shí)也改善了開(kāi)關(guān) 管 Q 的開(kāi)通條件。根據(jù)分析結(jié)果最終確定使用單管正激式轉(zhuǎn)換器作為本設(shè)計(jì)的主電路并對(duì)其工作原理進(jìn)行了分析。 本文設(shè)計(jì)的高頻開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中的主要元器件有功率開(kāi)關(guān)管（ MOSFET 管 ）、變壓器、電感和電容等。但實(shí)際上電感和電容都有寄生電阻的存在，高頻情況下要考慮渦流、集膚效應(yīng)等因素，這些都會(huì)產(chǎn)生損耗。 在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中，磁性元件的應(yīng)用是十分廣泛的，如濾波電感、諧振電感、吸收電路中的限流電感、隔離變壓器等。與此相對(duì)應(yīng)的對(duì)高頻磁性元件的綜合是比較困難的，同樣的分析 可 能有不同的綜合，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)結(jié)合體積、成本、效率等因素，選擇合適的設(shè)計(jì)方案。這兩類開(kāi)關(guān)管都能進(jìn)行快速關(guān)斷、快速開(kāi)通，考慮到經(jīng)濟(jì)性等因素，本設(shè)計(jì)采用功率場(chǎng)效應(yīng)管 MOSFET 作為高頻開(kāi)關(guān)。 輸入 AC/DC 電路設(shè)計(jì) 輸入 EMI 濾波器設(shè)計(jì) 濾波是抑制干擾的一種較為有效措施，特別是對(duì)開(kāi)關(guān)電源 EMI 信號(hào)的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，在電源線上的傳導(dǎo)干擾都可以用差模 信號(hào)與 共模信號(hào)來(lái)表示，把 EMII 信號(hào)控制在有關(guān) EMC 標(biāo)準(zhǔn)的極限電平下，最有效的方法便是在開(kāi)關(guān)電源的輸入電路中加裝EMI 濾波器。 圖中 yC 是用來(lái)消除共模干擾的，其對(duì)裝在 NG 和 LG 之間，被稱為 Y 電容。濾波器 cL 是用來(lái)抑制共模電流噪聲的電感，由于電感線圈對(duì)稱地繞在同一個(gè)螺旋管上，因此在正常工作電流范圍內(nèi)，對(duì)稱電流產(chǎn)生的磁性是相互抵消的，因而對(duì)差模電流和電源電流呈現(xiàn)低阻抗，不會(huì)有衰減的效果。 Cx CxCyCyRLcLcLNGLN 圖 輸入濾波電路 整流濾波器設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用單相橋式整流電路將經(jīng)過(guò) EMI 濾波后的交流電進(jìn)行整流，其電路原理圖如圖 （ a）所示，圖 （ b）是其簡(jiǎn)化的畫(huà)法。 圖 單相橋式整流電路波形圖 結(jié)合本設(shè)計(jì)的參數(shù)要求最終選擇 RS2021M 整流橋作為整流器，經(jīng)過(guò)整流后的 最大