【正文】 護(hù)，且安裝、增加非常方便。因通信容量的不斷增加，通信電源容量也將不斷增加。由于IGBT大容量模塊的商用化，這種電源更有著廣闊的應(yīng)用前景。50Hz 交流電經(jīng)全橋整流變成直流，IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz 的高頻矩形波，經(jīng)高頻變壓器耦合，整流濾波后成為穩(wěn)定的直流，供電弧使用。采用微處理器作為脈沖寬度調(diào)制( PWM) 的相關(guān)控制器，通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析，達(dá)到預(yù)知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的，進(jìn)而提前對系統(tǒng)做出調(diào)整和處理，解決了目前大功率IGBT 逆變電源可靠性。大功率開關(guān)型高壓直流電源廣泛應(yīng)用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X 光機(jī)和CT 機(jī)等大型設(shè)備。自從上個(gè)世紀(jì)70 年代開始，日本的一些公司開始采用逆變技術(shù)，將市電整流后逆變?yōu)?kHz 左右的中頻，然后升壓。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關(guān)元件，將電源的開關(guān)頻率提高到20kHz 以上，并將干式變壓器技術(shù)成功地應(yīng)用于高頻高壓電源，取消了高壓變壓器油箱，使變壓器系統(tǒng)的體積進(jìn)一步減小。在電阻負(fù)載條件下，輸出直流電壓達(dá)到55kV，電流達(dá)到15mA。變電所中的電力操作電源是保證可靠供電必不可少的，它的主要任務(wù)是為繼電保護(hù)、開關(guān)分合閘及控制等提供可靠的直流操作電源。采用高頻開關(guān)后，輸出電壓精度高，其輸出紋波系數(shù)從2%%，電源穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度從2%%，能夠保證對蓄電池的平穩(wěn)充放電，延長了電池使用壽命。當(dāng)1 臺(tái)電源故障時(shí)，只需將該模塊退出檢修，而其它模塊仍可繼續(xù)運(yùn)行，在保證系統(tǒng)充電容量的前提下，為負(fù)載的正常供電提供了更加可靠的保障。 左右，對同樣的負(fù)載，采用高頻開關(guān)模塊可節(jié)省輸入功率30%。隨著電力電子器件開關(guān)頻率的不斷提高，使得開關(guān)電源的頻率進(jìn)一步提高，小功率DC—DC 變換器的開關(guān)頻率已將現(xiàn)在的200～500kHz 提高到1MHz 以上。 微米向50 納米工藝邁進(jìn)，但輸出電流將朝著大電流方向發(fā)展。日本TDK 公司的分布式隔離型DC—DC 轉(zhuǎn)換器，輸出電壓12V、輸出電流27A、效率為95%，功率密度已達(dá)每立方英寸236W?？傮w來講可概括為五個(gè)方面：高頻化技術(shù)隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)變換器的體積也隨之減少，功率密度也得到大幅提升，動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到改善。但隨著開關(guān)頻率的不斷提高，開關(guān)元件和無源元件損耗的增加、高頻寄生參數(shù)以及高頻EMI等新的問題也將隨之產(chǎn)生。目前，在整個(gè)的電子模擬電路系統(tǒng)中，電視、音響設(shè)備、照片處理、通訊、網(wǎng)絡(luò)等都逐步實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，而最后一個(gè)沒有數(shù)字化的堡壘就是電源領(lǐng)域。在電源數(shù)字化方面走在前面的公司主要有TI和Microchip。采用軟開關(guān)技術(shù)可以有效地降低開關(guān)損耗和開關(guān)應(yīng)力，有助于變換器變換效率的提高。采用PFC(功率因數(shù)校正)變換器，～，輸入電流THD小于20%。這一技術(shù)稱為有源功率因數(shù)校正APFC單相，APFC國內(nèi)外開發(fā)較早，技術(shù)已較成熟。模塊化技術(shù)模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。實(shí)際上，由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴(yán)重，對器件造成更大的電應(yīng)力(表現(xiàn)為過電壓、過電流、毛刺)。由此可見，模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機(jī)體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性。圖21 單端反激式開關(guān)電源變換器電路（1）工作原理：圖中Ui是市電AC經(jīng)過整流濾波后的直流電，反激電路中的變壓器起著儲(chǔ)能元件的作用，可以看作是一對相互耦合的電感，當(dāng)開關(guān)管VT1 導(dǎo)通時(shí)，高頻變壓器Ｔ初級(jí)繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù)，整流二極管VD1處于截止?fàn)顟B(tài)，在初級(jí)繞組中儲(chǔ)存能量。（2）特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，低耗，輸出功率為20－100Ｗ，可以同時(shí)輸出不同的電壓，有較好的電壓調(diào)整率，但是輸出的紋波電壓較大，外特性差，適用于相對固定的負(fù)載。注：由于正激變換器的隔離元件T1純粹是個(gè)變壓器，因此輸出端要加一個(gè)電感器L作為能量的儲(chǔ)藏及傳遞元件。（2）特點(diǎn)：輸出功率范圍大，可輸出50－200 Ｗ的功率，但變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，正因?yàn)檫@個(gè)原因，這種電路的實(shí)際應(yīng)用較少。與此同時(shí)，感應(yīng)電壓給C1充電，隨著C1充電電壓的增高，VT1基極電位逐漸變低，致使VT1退出飽和區(qū)，Ic 開始減小，在L2 中感應(yīng)出使VT1 基極為負(fù)、發(fā)射極為正的電壓，使VT1 迅速截止，這時(shí)二極管VD1導(dǎo)通，高頻變壓器Ｔ初級(jí)繞組中的儲(chǔ)能釋放給負(fù)載。這里就像單端反激式開關(guān)電源那樣，由變壓器Ｔ的次級(jí)繞組向負(fù)載輸出所需要的電壓。電路中由于負(fù)載位于變壓器的次級(jí)且工作在反激狀態(tài)，具有輸人和輸出相互隔離的優(yōu)點(diǎn)。（2）特點(diǎn)：兩個(gè)開關(guān)管容易驅(qū)動(dòng)，但是開關(guān)管的耐壓達(dá)到兩倍電壓峰值，對器件的耐壓要求較高。此時(shí)，由于原邊繞組和漏電感的作用，電流續(xù)流流入原邊繞組黑點(diǎn)標(biāo)示端。如果原邊繞組漏電感儲(chǔ)存能量足夠大，二極管D4將導(dǎo)通，鉗位電壓進(jìn)一步變負(fù)。如果Tr2加有導(dǎo)通脈沖，Tr2導(dǎo)通，原邊繞組黑點(diǎn)處變?yōu)樨?fù)。當(dāng)Tr1導(dǎo)通時(shí)，副邊繞組電壓使D1導(dǎo)通，電流通過二極管D電感L、負(fù)載R構(gòu)成回路，當(dāng)Tr1關(guān)斷，兩個(gè)繞組電壓變?yōu)榱?。特點(diǎn)：晶閘管導(dǎo)通時(shí)，繞組電壓為電源電壓一半，關(guān)閉后開關(guān)管承受一半的電壓，但會(huì)出現(xiàn)偏磁現(xiàn)象，控制較為復(fù)雜。本設(shè)計(jì)電源設(shè)計(jì)參數(shù)如下：輸入電壓：AC220V；輸入電壓變化的范圍：120v~240v；輸入頻率：50HZ；輸出電壓：24v；輸出電流：5A；輸出效率按80%計(jì)算；綜合以上開關(guān)電源變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特點(diǎn)可知：單端正激開關(guān)電源由于變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，繞制方法困難，并且變壓器體積較大，每組輸出都需要額外加一個(gè)大的電感組成LC濾波來消除紋波，在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中很少運(yùn)用，所以本次設(shè)計(jì)不采用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。推挽式開關(guān)電源兩個(gè)開關(guān)器件需要很高的耐壓，其耐壓必須大于工作電壓的兩倍。而半橋式變換器雖然初級(jí)繞組只用一個(gè)，結(jié)構(gòu)簡單，但是兩個(gè)開關(guān)管可能會(huì)出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的狀態(tài)，并且電源利用率比較低，這里也不選用此變換器。由于開關(guān)電源的體積的大小很大一部分取決于開關(guān)頻率，開關(guān)頻率越大，所用的電容和變壓器體積越小，UC3842的開關(guān)頻率選擇100k。第三章 開關(guān)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì) 開關(guān)電源主電路設(shè)計(jì)隨著電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)和家用電器的大量涌現(xiàn)，電磁干擾成為一種公害，這種干擾可能導(dǎo)致電子設(shè)備無法正常工作，特別是瞬間電磁干擾，其電壓幅度高、上升速率快、持續(xù)時(shí)間短、隨機(jī)性強(qiáng)容易對數(shù)字電路產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，這引起國內(nèi)外電子界的高度重視。他的兩個(gè)線圈分別繞在低損耗、高磁導(dǎo)率的氧化體磁環(huán)上。其中，L的電感量與EMI濾波器的額定電流有關(guān)，參考下表31：額定電流I（A）136101215電感量范圍L(mH)8~232~4~~~~圖31 電感量范圍與額定電流關(guān)系C1~C2采用薄膜電容器，~，主要用來濾除串模干擾。此次設(shè)計(jì)采用成品整流橋KBPC610，它是將四只硅整流管接成橋路形式，再用塑料封裝成半導(dǎo)體器件，它具有體積小使用方便，各整流管的參數(shù)一致性好等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于開關(guān)電源整流電路。其最大耐壓可達(dá)1000v，允許通過電流10A。（1）單端反激式開關(guān)電源變換器如下圖所示：單端反激式變壓器又稱電感儲(chǔ)能式變壓器，當(dāng)高壓開關(guān)管VT1 被脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）脈沖信號(hào)激勵(lì)而導(dǎo)通時(shí)，直流輸入電壓施加到高頻變壓器T 的原邊繞組上，在變壓器次級(jí)繞組上感應(yīng)出的電壓使整流管VD1 反向偏置而阻斷，此時(shí)電源能量以磁能形式存儲(chǔ)在初級(jí)電感中；當(dāng)開關(guān)管VT1 截止時(shí)，原邊繞組兩端電壓極性反向，副邊繞組上的電壓極性顛倒，使D1 導(dǎo)通，儲(chǔ)存在變壓器中的能量釋放給負(fù)載。當(dāng)磁芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度小于時(shí)，磁芯的相對磁導(dǎo)率可取：，磁芯磁導(dǎo)率為：……（32）其中開關(guān)管最大占空比：（33）其中， Vor是副邊折射到原邊的反射電壓大小為135v；Vdcmin為最小輸入直流電壓，大小為120v；Vds是開關(guān)管漏源極電壓，大小為10v；將以上數(shù)據(jù)代入后，得到輸入占空比為50%；開關(guān)電源效率=80%；則所需要變壓器面積乘積：（34）這里取窗口面積利用系數(shù)Kw=；電流密度J=400A/cm^2；磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm=；脈動(dòng)電流和峰值電流比例系數(shù)為Krp=；由于骨架需要，這里選擇EI40磁芯，EI40參數(shù)：A=40mm ，B= ，C=，D=， E=， F=；其磁芯截面積為：Ac=*=^2；窗口面積為：Am=*=^2；磁路長度為：L=*10^2m磁芯面積乘積：App=Ac*Am=*=^2；綜合以上計(jì)算，EI40型鐵芯滿足設(shè)計(jì)要求。（4）反饋繞組匝數(shù)的計(jì)算根據(jù)公式（36）可得，反饋繞組匝數(shù)N2’=，這里取N2’=9匝。為防止變壓器磁芯發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，要在磁芯中留有氣隙。（6）繞組線徑的計(jì)算：A．初級(jí)電流有效值Irms： （310）將數(shù)據(jù)代入公式等于：Irms=；初級(jí)線徑大小為:； （311）其中，j是導(dǎo)線的電流密度，大小為2A/mm^2；將值代入公式可得： d=；根據(jù)一二次側(cè)電流關(guān)系式子： （312）Np=50，Ns=10；將數(shù)據(jù)代入公式可得：Isp=10A. 根據(jù)公式： （313）可得二次電流有效值:Isrms=。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析可得：原邊繞組 N1 用 線徑繞 50 匝；輸出繞組 N2 線徑雙線，并繞10 匝； 線徑繞9 匝。有根據(jù)輸出電流5A的要求，此次選擇肖特基二極管MBR745，相關(guān)參數(shù)如下表32所示：二極管型號(hào)反向電壓值工作電流制造廠家MBR74545VMOTOROLA表32肖特基二極管參數(shù)表 控制電路分析設(shè)計(jì)此次設(shè)計(jì)控制芯片采用功能完善的單端輸出驅(qū)動(dòng)集成電路UC3842芯片，其特點(diǎn)是除內(nèi)部PWM 系統(tǒng)外，還設(shè)有多路保護(hù)輸入和穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓發(fā)生器，同時(shí)還具有小電流啟動(dòng)功能，性能可靠