【正文】 分 院： 電信分院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 05 電氣（ 4）班 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 起訖日期： 華東交通大學(xué)理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性申明 本人鄭重申明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行的研究工作所取得的研究成果。設(shè)計(jì)（論文）中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖件、資料，均已在設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，除此之外，本設(shè)計(jì)（論文）不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本申明的法律后果由本人承擔(dān)。本人授權(quán)華東交通大學(xué)理工學(xué)院可以將本設(shè)計(jì)（論文）的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）。任何電子設(shè)備都離不開可靠的電源，它們對(duì)電源的要求也越來越高。 開關(guān)電源具有高頻率、高功率密度、高效率等優(yōu)點(diǎn) , 被稱作高效節(jié)能電源。 本設(shè)計(jì)主要介紹了開關(guān)電源的發(fā)展歷程，未來發(fā)展趨勢，以及開關(guān)電源的優(yōu)缺點(diǎn)。采用場效應(yīng)管作為開關(guān)器件，其導(dǎo)通和截止速度很快，導(dǎo)通損耗小，這就為開關(guān)電源的高效性提供保障。另外，對(duì)控制系統(tǒng)的過電流保護(hù)、過壓保護(hù)、過熱保護(hù)電路等保護(hù)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 開關(guān)電源是利用現(xiàn) 代電力電子技術(shù)，控制 晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關(guān)電源不僅體積小而且損耗低，故幾乎己應(yīng)用在所有的電子設(shè)備中。 開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。 開關(guān)電源經(jīng)歷了三個(gè)重要發(fā)展階段。 第二個(gè)階段自 20 世紀(jì) 80年代開始，高頻化和軟開關(guān)技術(shù)的研究開發(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 年代中期開始，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊 (IPEM)技術(shù)開始發(fā) 展，它是當(dāng)今國際電力電子界函待解決的新問題之一。 電源裝置是電力電子技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，其中高頻開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源由于具有效率高、體積小和重量輕等突出優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛的應(yīng)用。 開關(guān)電源的 前身是線性穩(wěn)壓電源，由于主要功率調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，固而稱之為線性穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源的工作原理是 :將來自電網(wǎng)的交流電壓經(jīng)過工頻變壓器降壓后，再經(jīng)過整流、濾波和線性穩(wěn)壓及輸出濾波、反饋電路處理，最后輸出一個(gè)紋波電壓和穩(wěn)定性能均符合要求的直流電壓。 (2) 體積大，重量重，不能微小型化 。 造成這些缺點(diǎn)的原因是 : (1)從圖 11 的線性穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)框圖可以看到，線性穩(wěn)壓電源使用了 50Hz 工頻降壓變壓器，這種變壓器效率通常只有 80%～ 90%， 所以這樣不但增加了電源 的 體積和重量，而且 還 大大降低了電源效率。這樣調(diào)整管本身的功耗就會(huì)隨電源的輸出功率的增大而增大，使調(diào)整管急劇發(fā)熱。 整 流濾 波電 路基 準(zhǔn)電 路取 樣電 路UU0RL工 頻變 壓器交 流2 2 0 V串 聯(lián) 調(diào) 整 器 件比 較 放大 器V 圖 11線性穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)框圖 (3)線性穩(wěn)壓電源工作頻率較低，為 50Hz，所以要降低輸出電壓中紋波電壓的 峰值，就必須增大濾波電容的容量。特別是在發(fā)生世界性能源危機(jī)的年代，如何節(jié)能降耗引起人們廣泛關(guān)注。 開關(guān)電源 開關(guān)電源是應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，在一個(gè)電路拓?fù)渲羞\(yùn)行于“開關(guān)狀態(tài) ，按一定規(guī)華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 律控制開 通和關(guān)斷 ，對(duì)電能進(jìn)行處理變換而構(gòu)成的電源。 開關(guān)電源工作原理不同于傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源，它是采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件，通過周期性 開通和關(guān)斷 ， 通過 控制開關(guān)元件的占空比來調(diào)整輸出電壓。 整 流濾 波電 路脈 沖 調(diào) 寬電 路開 關(guān) 脈 沖比 較 放大 器基 準(zhǔn) 電 路取 樣電 路濾 波電 路UU0RL交 流2 2 0 VV 圖 12開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)框圖 與線性電源相比開關(guān)電源有如下優(yōu)點(diǎn) : (1)功耗小，效率高 由圖 12知，功率半導(dǎo)體器件在激勵(lì)控制信號(hào)的激勵(lì)下交替工作在導(dǎo)通 截止和截止 導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度快，頻率高。 (2)體積小，重量輕 從開關(guān)電源基本結(jié)構(gòu)框圖可以清楚看到，這里沒有采用笨重的工頻變壓器，再加上調(diào)整管 上耗散功率大幅度降低以后又省去了較大的散熱片。 (3)濾波的效率大為提高，濾波電容的體積和容量大為減小 開關(guān)電源工作頻率目前基本上是在 50kHz，是線性穩(wěn)壓電源的 1000 倍，這使整流后濾波效率幾乎也提高了 1000 倍。 (4)穩(wěn)壓范圍寬 開關(guān)電源的輸出電壓是由激勵(lì)控制信號(hào)的占空比來調(diào)節(jié)的。這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時(shí)，它仍能保證穩(wěn)定的輸出電壓，所以開關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果好。所以開關(guān)電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓方法也較多。設(shè)計(jì)者可發(fā)揮各種電路特長，設(shè)計(jì)出能滿足不同場合所需的開關(guān)電源。到了 1969 年由于大功率硅晶體管的耐壓提高，二極管反向恢復(fù)時(shí)間的縮短等元器件改善，終于做成了 25 千赫的開關(guān)電源。 高頻開關(guān)電源自問世至今，已 經(jīng)經(jīng)歷了五十多年的發(fā)展，高頻化、小型化、模塊化、集成化、智能化、環(huán)保化仍是 21 世紀(jì)開關(guān)電源的發(fā)展方向。開關(guān)電源在電源技術(shù)中占有重要地位，從 10kHZ 發(fā)展到高穩(wěn)定度、大容量、小體積、開關(guān)頻率達(dá)到兆赫級(jí)的高頻開關(guān)電源。高頻化帶來了最直接的好處是降低原材料消耗、電源裝置小型化、加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)，進(jìn)一步提高電源進(jìn)入更廣 闊的領(lǐng)域特別是高新技術(shù)領(lǐng)域，進(jìn)一步擴(kuò)展了它的應(yīng)用范圍。高頻化的結(jié)果，使開關(guān)損耗顯著增加。軟開關(guān)技術(shù)理論上可使開關(guān)損耗降為零。 （ 3）電源電路的模塊化、集成化 電源技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)是電源電路的模塊化、集成化。已經(jīng)在通訊、電力獲得廣泛的應(yīng)用 ，并且派生出新的供電體制 — 分布式供電，是集中供電單一體制走向多元化。 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo) 衡量一臺(tái)穩(wěn)壓電源的好壞，一方面要從功能角度來看，即容量大小 (輸出電壓和輸出電流 )、調(diào)節(jié)范圍大小、效率高低等，人們稱其為使用指標(biāo)或性能指標(biāo) ； 另一方面要從外觀、形狀、體積、重量等直觀形象來 看，這些稱為電氣指標(biāo) ； 更重要的是要看它的質(zhì)量高低，即輸出電壓的穩(wěn)定度等，一般稱為質(zhì)量指標(biāo)。 （ 1） 穩(wěn)壓系數(shù) 穩(wěn)壓系數(shù)有絕對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)和相對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)兩種。與輸入交流電壓變化量△ Ui之比，即 oiK?ΔUΔU （ 11） 它表示輸入交 流電壓變化△ Ui引起輸出電壓變化△ U。這種表示方法在工程中常常用到相對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)表示負(fù)載不變時(shí)，穩(wěn)壓電源輸出直流電壓 U。與輸入交流電壓 Ui的相對(duì)變化量△ Ui/Ui之比，即 ： ooiiUUK UU?ΔΔ （ 12） （ 2） 電壓調(diào)整率 電壓調(diào)整率表示負(fù)載電流為額定值時(shí)輸入交流電壓在額定值上下變化 177。有的也可以用絕對(duì)值表示。則輸出電阻 為 ooR=LΔUΔI （ 15） （ 5） 最大紋波電壓 在額定輸出電壓和額定輸出電流條件下，輸出紋波 (包括噪聲 )電壓的絕對(duì)值大小，通常以峰值或有效值表示。之比，即 ： rmso 100%?UΥ = U （ 16） （ 7） 溫度漂移和溫度系數(shù) 環(huán)境溫度的變化 會(huì)影響元器件參數(shù)的變化，從而引起穩(wěn)壓電源輸出電壓的變化，稱為溫度漂移。溫度每變化 1℃ 所引起的輸出電壓相對(duì)變化△ UoT/UoT稱為相對(duì)溫度系數(shù)。在一般使用中只考慮漂移就可以了?？疾炱茣r(shí)間可以定為 1 分鐘、 10分鐘、 1 小時(shí)、 8 小時(shí)或更長 [4]。 利用 UC3842 模塊作為控制電路，反激電路為主電路拓?fù)洌偌有┍Ｗo(hù)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)一個(gè) 電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高 的 輸入為 交流 85V～265V,輸出為直流 12V 的 新型開關(guān)電源。 可見，電力電子裝置小型化、輕量化最直接的途徑是提高開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的高頻化。 研究開發(fā)低成本的 各項(xiàng)性能優(yōu)良的高頻 開關(guān)電源 ， 適應(yīng)微型電子設(shè)備的發(fā)展方向， 符合節(jié)約能源、可持續(xù)發(fā)展的基本國情，對(duì)加速國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。采用的是 PWM 控制方式，利用 UC3842 作為控制保護(hù)電路， 精密可調(diào) 穩(wěn)壓源 TL431 和線性光耦 PC817 作為反饋電路， 設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的開關(guān)電源。 鐘宏林：一種新型開關(guān)電源的設(shè)計(jì) 8 第 2 章 開關(guān)電源 的結(jié)構(gòu)形式 DC/DC變換器 DC/DC 變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。 非隔離式開關(guān)變換器 非隔離式開關(guān)變換器在電氣上輸入與輸出不隔離的。 (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。 (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。 隔離式 開關(guān)變換器 隔離式開關(guān)變換器 是高頻變壓器將變換器的一次側(cè)（輸入）與二次側(cè)（輸出）隔離。與之對(duì)應(yīng)的高頻變壓器副邊電壓為上負(fù)下正，此時(shí)整流二極管 VD1承受的是反向偏置電壓，故不導(dǎo)通。 而在晶體管受控截止時(shí)，高頻變壓器原、副邊電壓極性改變 ， 整流二極管 VD1(和反相型開關(guān)電源中的續(xù)流二極管相對(duì)應(yīng) )由反偏變?yōu)檎珜?dǎo)通，高頻變壓器就將原先儲(chǔ)存的磁能變?yōu)殡娔?，通過整流二極管向負(fù)載供電和向輸出電容 CO充電。故稱此電路為反激型電路。要提高性能指標(biāo)，可以增大濾波電容和輔助 LC 濾波器，或者在其二次測再串聯(lián)一線性集成穩(wěn)壓器，這樣勢必增大體積和成本，消弱了本來具有的優(yōu)點(diǎn)。 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 21 單端反激型開關(guān)電源主回路 單端正激型開關(guān)電源變換器 圖 22 所示為單端正激型開關(guān)電源的主回路， 當(dāng)功率晶體管 VT 導(dǎo)通時(shí)，整流二極管VD1也同時(shí)導(dǎo)通。當(dāng)功率晶體管 VT 截止時(shí)，電感 L 中的儲(chǔ)能流經(jīng)負(fù)載并通過二極管 VD2續(xù)流釋放。繞組 W3和 VD3構(gòu)成磁復(fù)位電路，反激時(shí)將磁化能量返回至電源。 （ 1） 推挽 電路 如圖 23 所示。開關(guān) VT1和 VT2均采用 PWM 控制方式，且開關(guān) VT1和 VT2交替導(dǎo)通。推挽電路可看成鐘宏林：一種新型開關(guān)電源的設(shè)計(jì) 10 是兩個(gè)正激電路的組合，這兩個(gè)正激電路的開關(guān) VT1和 VT2交替導(dǎo)通，故變壓器磁芯是交變磁化的。改變開關(guān) VT1和 VT2的占空比，就可改變二次整流電壓 Ud的平均值，也就改變了輸出電壓 Uo 。開關(guān) VT1或 VT2導(dǎo)通時(shí)，輸出濾波電感 L的電流逐漸上升；開關(guān) VT1和 VT2都關(guān)斷時(shí)，電感 L的電流逐漸下降。 圖 23 推挽式開關(guān)電源主回路 （ 2）半橋電路 如圖 24所示。兩個(gè)容量相等的電容 C1和 C2構(gòu)成一個(gè)橋臂，由于電容 C1和 C2的容量大，故 Uc1=Uc2=U2/2。變壓器右側(cè)的整流電路仍采用由二極管 VD1和 VD2構(gòu)成的全波整流電路， L 為輸出濾波電感， C4為輸出濾波電容。 在半橋型電路中，變壓器原邊繞組兩端分別連接在開關(guān) VT1 和 VT2 的連接點(diǎn)和電容 C1和 C2的連接點(diǎn)。開關(guān) VT1和 VT2交替導(dǎo)通，使變壓器原側(cè)形成幅值為 Ui/2 的交流電壓。開關(guān) VT1和 VT2關(guān)斷時(shí)承受的峰值電壓均為 Ui ，是推挽電路的 1/2。 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 24 半橋式開關(guān)電源主回路 （ 3）全橋電路 如圖 25 所示。開關(guān) VT1 、 VT2和開關(guān) VT3 、 VT4分別構(gòu)成一個(gè)橋臂， VT1 、 VT2 、 VT3 、 VT4均采用 PWM控制方式。變壓器右側(cè)的整流電路采用，由二級(jí)管 VD1 、 VD2 、VD3 、 VD4 構(gòu)成的全橋整流電路， L 為輸出電感， C2 為輸出濾波電容。 在全橋電路中，變壓器原邊繞組 W1兩端分別連接在開關(guān) VT1 、 VT2和開 關(guān) VT3 、 VT4的連接點(diǎn)。改變開關(guān) VT1 、 VT4和 VT2 、 VT3的占空比，就可以改變二次整流電壓 Ud的平均值，也就改變了輸出電壓 Uo 。故全橋電路也適應(yīng)在輸入電壓較高的場合。 表 21 各種不同的隔離 DCDC變換器的比較 [6] 電路類型 主要特點(diǎn) 輸入 輸出電壓關(guān)系 S承受的最高電壓