学期论文（设计）-高频开关电源的设计.doc

学校代码 10126 学号 00812032 分 类 号 密级 本科学期论文（设计） 高频开关电源的设计 学院、系 电子信息工程学院电子工程系 专业名称 电子信息科学与技术 年 级 2008 级 学生姓名 指导教师 2010 年 9 月 28 日 内蒙古大学本科学年论文(设计) 高频开关电源的设计 摘要： 通信电源是电信网的能源，其供电质量的好坏直接关系到整个电信网的畅通， 本课题首先分析了近年来国内外高频通信开关电源的发展状况，在理论分析和电路 实验的基础上，开发出了一种新型的高频通信开关电源（交流配电模块、直流配电 模块、4只高频开关整流模块和监控模块置于同一机架内） ，该电源优化了电路的主 要参数，设计了相移脉宽调制零电压开关谐振（ps-zvs pwm）全桥变换器电路和 以集成控制器uc3875芯片为核心的控制电路，实现了功率开关管的零电压开通和近 似零电压关断，研制出高效率（达93%） 、高稳定度(0.5%） 、高可靠性、低电磁干 扰的高频开关整流模块。同时文中还提到了以mcs-51单片机电路为核心的的电源监 控模块与监控设计思路。保证了整机能够安全可靠工作。 关键词：高频开关电源，相移脉宽调制，模块 内蒙古大学本科学年论文(设计) high frequency switching power supplys design author: sun zhe qi tutor: dou hai feng abstract： the correspondence power switch is the telecommunication network energy, its power supply quality relates directly to the entire telecommunication network unimpededness, this topic has first analyzed the recent years domestic and foreign communications switching power supply development condition, tests in the theoretical analysis and the electric circuit in the foundation, developed one kind of new communication switching power supply (alternating-current distribution module, direct current power distribution module, 4 high frequency switches rectification module and monitoring module puts in identical rack), this power source optimized the electric circuit main parameter, has designed the phase-shift pulse-duration modulation zero potential switch resonance (ps-zvs pwm) the entire bridge converter electric circuit and take integrates the controller uc3875 chip as the core control circuit, realized the power switching valve zero potential to clear with the approximate zero potential shuts off, develops the high efficiency (to reach 93%), the high stability (0.5%), redundant reliable, the low electronmagetic interference high frequency switch rectification module. at the same time in the article also proposed based on mcs-51 is the core power source monitoring module and monitoring design mentality. it has guaranteed entire machine safe reliable work. keywords: high frequency switching power, phase-shifting pwm zvs, modules 内蒙古大学本科学年论文(设计) 目 录 1 绪论1 1.1 开关电源的发展及国外现状.1 1.2 国内通信电源的发展及现状.2 1.3 研究内容.3 2 电路原理方案分析和选择 .5 2.1 高频开关整流模块.5 2.2 直流配电模块.8 2.3 监控模块.9 3 主要电路设计.12 3.1 高频开关整流模块主电路的设计.12 结论 17 致谢 18 参 考 文 献19 内蒙古大学本科学年论文(设计) 第 1 页 1 绪论 1.1 开关电源的发展及国外现状 开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的导通与截止将直流电变为高 频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压的电源。 通信设备发生故障时，可能会影响部分用户或使接通率下降。而电源发生故障时， 将会造成通信全部中断，所以人们一直将电源视为整个通信系统的心脏，受到足够 的重视。通信电源分为一次电源和二次电源两大类，一次电源将交流电转换成稳定 的直流电接入通信设备，二次电源一般位于通信设备内部，将一次电源的直流电转 换成多种电压值的稳定直流电以供通信设备内部各部分使用。自 1957 年第一只可 控硅(scr)问世后，可控硅取代了笨重而且效率低下的硒或氧化亚铜整流器件，可控 硅整流器就作为通信设备的一次电源使用。在随后的 20 年内，由于半导体工艺的进 步，可控硅的电压、电流额定值及其它特性参数得到了不断提高和改进，满足了通 信设备不断发展的需要，因此，直到 70 年代，发达国家还一直将可控硅整流器作为 大多数通信设备的一次电源使用。虽然可控硅整流器工作稳定，能满足通信设备的 要求，但其是相控电源，工作于工频，有庞大笨重的电源变压器、电感线圈、滤波 电容，噪声大，效率低，功率因数低，稳压精度也较低。因此，自 1947 年肖克莱发 明晶体管，并在随后的几年内对晶体管的质量和性能不断完善提高后，人们就着力 研究利用晶体管进行高频变换的方案。1955 年美国罗耶（ghroger）发明的自激振 荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换电路的开始，1957 年美国查赛 （j. j. jen sen.）又发明了自激式推挽双变压器变换器电路。在此基础上，1964 年， 美国科学家提出了取消工频变压器的串联开关电源的设想，并在 nec 杂志上发表了 “脉宽调制应用于电源小型化”等文章，为使电源实现体积和重量的大幅下降提供 了一条根本途径。随着大功率硅晶体管的耐压提高和二极管反向恢复时间的缩短等 元器件性能的改善，1969 年终于做成了 25khz 的开关电源。电源界把开关电源的频 率提高到 20khz 以上称为电源技术的“20khz 革命” 。开关电源技术的这一新的发 展，在世界上引起了强烈的反响和重视，开关电源的研究成了国际会议的热门话题。 内蒙古大学本科学年论文(设计) 第 2 页 经过几年的努力，从开关电源的电路拓扑型式到与其相配套的元器件等研究都取得 了相当大的进展。 随着通信用开关电源技术的广泛应用和不断深入，实际工作中人们对开关电源 提出了更高的要求，提出了应用技术的高频化、硬件结构的模块化、软件控制的数 字化、产品性能的绿色化、新一代电源的技术含量大大提高，使之更加可靠、稳定、 高效、小型、安全。在高频化方面，为提高开关频率并克服一般的 pwm 和准谐振、 多谐振变换器的缺点，又开发了相移脉宽调制零电压开关（ps pwm zvs，phase shift pulse width modulation zero voltage switch） （零电流）谐振变换器，这种电路 克服了 pwm 方式硬开关造成的较大的开关损耗的缺点，又实现了恒频工作，克服了 准谐振和多谐振变换器工作频率变化及电压、电流幅度大的缺点。采用这种工作原 理，大大减小了开关管的损耗，不但提高了效率也提高了工作频率，减小了体积， 更重要的是降低了变换电路对分布参数的敏感性，拓宽了开关器件的安全工作区， 在一定程度上降低了对器件的要求，从而显著提高了开关电源的可靠性。 1.2 国内通信电源的发展及现状 早期，科研技术人员开发了以国产大功率电动发电机组为主的成套设备作为通 信电源。在引进原民主德国 fgd 系列和前苏联 bcc51 系列自动化硒整流器基础上， 借鉴国外先进技术，与工厂共同研制成功国产 xzl 系列自动化硒整流器，并在武汉 通信电源厂批量生产，开始用硒整流器装备通信局（站） ，替换原有的电动发电机组， 这标志着我国国产通信电源设备跃到一个新的水平。我国 80 年代开始生产 20khz dc/dc 变换器，但由于受元器件性能的影响，质量很不稳定，无法作为通信设备的 一次电源使用。只是作为通信设备的二次电源使用（二次电源对元器件的耐压及电 流要求较低） 。直到上世纪 90 年代初，我国大多数通信设备所用的一次电源仍然是 可控硅整流器。这种电源工作于工频 50hz，有庞大的工频变压器、电感线圈、电解 电容等，笨重庞大、效率低、噪声大、性能指标低，不易实现集中监控。由于通信 事业发展的需要，八十年代后期，邮电部加强了通信电源技术发展的各项工作，制 订了“通信基础电源系统设备系列暂行规定” ， “通信局（站）电源系统总技术要求” 和电源设备行业标准等文件，多次派代表参加国际电信能源会议，并在八十年代后 期才第一批引进了澳大利亚生产的 48v/50a（开关频率为 40khz）和 48v/100a（开 关频率为 20khz）的高频开关电源，在吸收国外先进技术的基础上，投入较大的力 内蒙古大学本科学年论文(设计) 第 3 页 量，开始研制自己的开关电源。邮电部武汉电源厂、通信仪表厂等厂家开发出了自 己的以 pwm 方式工作的开关电源，并推向电信行业应用，取得了较好的效果。随后 邮电部对电源提出了更新换代和实现监控（包括监控）的要求，众多厂家都投入力 量研制开发，推出了采用 pwm 技术的高频开关电源，有些厂家还推出了实现远程监 控的解决方案，短短几年后，电信部门所用的一次通信电源几乎都更换成了采用 pwm 集成控制芯片、大功率晶体管、功率场效应管、绝缘栅双极晶体管的半桥或全 桥电路，其开关频率为几十至 100khz、效率高于 90%、功率因数接近 1、稳压精度 优于 0.5%、模块化组合的高频开关电源，电信行业成套电源技术提高到了一个崭新 的水平。最近几年来，为了提高开关电源的可靠性，进一步提高转换效率，提高工 作频率，减小体积，并降低电磁干扰，在吸收国外最新进展的基础上，开始了准谐 振、多谐振开关变换器和相移脉宽调制零电压（零电流）谐振变换器的研究实验工 作。尤其是由于后者具有较多的优点，受到了大家的重视，投入了较多的研究力量， 取得了一些进展，提高了效率、可靠性，降低了电磁干扰，并已有少量应用，但总 的来说仍处于研究探索阶段。从整体性能看，我国通信电源设备与国外同类产品相 比存在一定的差距。主要差距在工作的可靠性、稳定性和技术性能等方面。因此， 组织力量研制开发具有自主知识产权、技术含量高的新一代通信电源，对振兴民族 工业，提高产品的质量和市场竞争力，提高开发队伍的研究水平都具有重要意义。 1.3 研究内容 he 型程控交换机系列（备用）电源采用可控硅整流技术，将交、直流屏组合到 一个机架内成为组合电源，主要在乡镇邮电局程控机房使用。后根据邮电部对通信 电源更新换代的要求，于 1997 年，he48 型高频开关电源又研制成功，这种电源 主要用于乡镇程控交换机房。采用 pwm 脉宽调制高频开关变换技术，开关频率为 50khz，取消了庞大的工频电源变压器，电感和电容的尺寸也大为减小，交直流屏、 整流器和监控部分都实现了模块化，并置于同一机架内（图 1.1） 。 监控模块以单片机为核心，可监控交、直流屏及多个整流模块的工作参数，并 可通过其 rs232 接口实现集中监控。但经过几年的运行发现，整流模块的功率管发 热较严重，个别模块出现故障时，发现基本都是功率管击穿烧毁。针对以上情况， 我认为应该从以下方面加以改善：将原来整流模块所采用的脉宽调制（pwm）半桥式 电路改为相移脉宽调制零电压开关(谐振)全桥变换器。该变换器同时具有 pwm 方式 内蒙古大学本科学年论文(设计) 第 4 页 和准谐振、多谐振开关变换器的优点，只是在开关转换时采用谐振方式，开关转换 后仍采用 pwm 工作方式，既实现了软开关，大大降低了开关损耗，又以恒频方式工 作，避免了准谐振、多谐振开关变换器工作频率变化及正弦波电流峰值大的缺点。 经运行表明，整流模块的功率开关管发热情况显著改善，整流模块效率提高了 3- 4%，整机可靠性大为提高，在此基础上研制了新型高频开关电源。主要研究内容为： 新型高频开关电源整机由 4 个 48v/25a 高频开关整流模块、交流配电模块、 直流配电模块、监控模块组成，置于同一机柜内。具有多路直流稳压输出，可分别 给程控交换机、光端机等通信设备供电。由于该电源全自动化工作，又具有集中监 控功能。 48v/25a 相移脉宽调制零电压（零电流）谐振全桥变换器电路和以集成相移 脉宽调制控制器为核心的控制电路。经反复实验优化主要电路参数，使高频开关整 流模块稳定可靠工作，转换效率达 93%，稳压精度达0.5%。 以 mcs-51 单片机电路为核心的监控模块，实现对交、直流屏，多个高频开 关整流模块的监控，并可通过互联网实现县邮电局对各个县镇邮局电源的集中监控， 实现遥信、遥测、遥控三遥功能。 图 1.1 开关电源整机框图 远程监控模块 整流模块 1 整流模块 2 整流模块 3 整流模块 4 直流配电模块 交流配电模块 内蒙古大学本科学年论文(设计) 第 5 页 2 电路原理方案分析和选择 程控交换机等通信设备一旦安装开通，就长期连续工作，不能间断，因此要求 通信电源第一应具有高效率、高可靠性，并能长期连续稳定工作，第二应实现全自 动化，无需工作人员直接操作，第三应具有监控和三遥（遥测、遥信、遥控）功能。 为了减小整机体积和重量，并增加备份，方便扩容，电表单元、交流配电模块、高 频开关整流模块、直流配电模块、监控模块等部分置于同一机框内。根据电源容量 需要，装入适当块数的高频开关整流模块，随着交换机容量的扩大，还可陆续增加 整流模块，以满足通信设备的需要。 2.1 高频开关整流模块 由于该电源的高频开关整流模块的输出既对通信设备供电也同时给额定电压为 48 蓄电池组充电，因此其最高输出电压可达 56.4v 定输出电流为 25a，其输出的最 大功率为，属于中等功率，鉴于此，可采用单相交流电对其供电。 56.4 251410aw 开关电源采用常规的 pwm 方式工作，在开关转换期间，功率器件上会同时承受 高电压和大电流，造成转换时功率损耗较大，有时功率器件发热严重，影响可靠性， 而且随着工作频率的提高，这种现象更为严重。为了减少开关损耗，提高工作频率 并增加可靠性，人们在 pwm 硬开关的基础上提出几种软开关电路拓扑，主要有准谐 振开关变换器（qrc） ，多谐振开关变换器（mrc）以及相移脉宽调制零电压（零 电流）谐振变换器。准谐振变换器和多谐振变换器优点是工作在谐振状态，实现了 软开关，大大降低了开关损耗，而且可以吸收电路的寄生参数（不在乎电路的寄生 参数存在） ，几乎不产生电磁干扰。缺点是输出同样功率时，与 pwm 方式相比，其 正弦波电流峰值较大，对开关器件要求较高，此外其正弦波较高的峰值电流引起的 正向导通损耗增大，在一定程度上又抵消了一些降低开关损耗的好处，而且工作频 率随输入电压和负载变化有一定的变化范围，不便设计输出滤波电路的参数。相移 脉宽调制零电压开关(谐振)变换器仍采用 pwm 工作方式，只在开关转换时采用谐振 内蒙古大学本科学年论文(设计) 第 6 页 方式，这样既克服了 pwm 方式硬开关造成的较大开关损耗问题，又实现了恒频工作， 避免了准谐振和多谐振开关变换器工作频率变化及正弦波电流峰值大的缺点。 相移脉宽调制零电压开关(谐振)变换器必须用全桥电路实现，其原理电路如图 2.1 所示。 o 图 2.1 相移脉宽调制零电压开关（谐振）变换器原理框图 从电路形式上看，它与常规的 pwm 全桥变换器电路完全相同。pwm 变换器采用 两个对角开关器件同时驱动导通，将输入电压交错加到高频变压器的初级，并用改 变占空比即导通时间的方法实现调整。而在相移 pwm 电路中，四个开关管连续工作 在约 50%（略小于 50%）的固定占空比上，然后控制左右两个半桥支路之间的相位 关系，通过改变输出脉冲的宽度进行调整，当对角开关管同时导通时才输出功率。 当接于电源正端的上部开关管（v1、v3）或接于负端的下部开关管（v2、v4）同 时导通时，变压器初级实质上被短路，并被钳位于相应的输入电源母线端。由变压 器漏感维持电流，创造了实现谐振转换的条件。因此，相移脉宽调制全桥电路同时 具有脉宽调制电路和谐振电路的优点，选用此种电路，不但电路简单，而且容易获 得较高的技术性能，也可显著提高开关变换器的可靠性。 功率器件主要有双极型晶体管（gtr） ，功率场效应管（mosfet）和绝缘栅双 极型晶体管（igbt）等。作为开关功率器件，双极型晶体管因出现的早，过去用的 内蒙古大学本科学年论文(设计) 第 7 页 较多，价格较低，饱和压降较小，但这种管子的输入是电流驱动，基极驱动功率较 大，驱动电路也较复杂，而且这种器件由饱和状态到关断状态时，由于要将过量的 少数载流子从基区除去，所以有一个过渡的存储时间（一般常达几个 s） ，只有经 过此段存储时间以后，器件才开始关断，集电极上才可以承受电压。因此限制了该 种器件的工作频率不可能很高，如果要提高工作频率，就要采用抗饱和电路，则增 加了电路的复杂性，而且工作频率提高也很有限，另外，在器件的额定工作范围内 会产生二次击穿现象，安全工作区窄，器件并联使用时，均流比较麻烦。场效应管 是电压驱动器件，输入阻抗很高，几乎不需要驱动功率，大大减化了驱动电路，有 时可由 cmos 电路和集成电路直接驱动，该种器件不像双极型晶体管有少数载流子储 存在基区电荷中，而是多数载流子器件，它不存在存储效应，没有存储时间，高的 开关速度使器件在高频下可有效工作，提高了开关电源的工作频率。这种器件不存 在二次击穿现象，它的安全工作区范围宽，由电压、电流的额定值和功率负荷所决 定。场效应功率管和双极型功率管安全工作区的比较如图 2.2 所示， 从图中可看出，在额定电压电流相同情况下，场效应管的安全工作区明显较大。 由于该种器件的漏源导通电阻 rds（on）具有正温度系数，当温度升高时， rds（on）增大，当器件并联应用时，有自动均流作用，均流电路可以非常简单。 该种器件的缺点是导通压降较大，而且对静电感应敏感，需要适当的静电放电保护 措施。绝缘栅双极型晶体管（igbt）是新出现的一种器件，是由场效应管和双极型 晶体管组合而成，其输入电路如同场效应管，输出电路如同双极型晶体管，因此其 输入阻抗高、输出阻抗低、饱和压降小，具有双极型晶体管和场效应管所具有的一 些优点，而且耐压高，额定电流大，但其开关输出脉冲的后沿有一个 1s 长的拖尾 电流，工作频率不能做的太高，而且价格较贵，通常认为，在中、小功率范围内， 采用场效应管是适宜的，其开关频率很高，可以减少整个电源的体积、重量和成本， 驱动可以采用简单的脉冲变压器，通过管子并联的方案可解决其容量不足问题，其 耐压值较低适合单相输入的情况。绝缘栅晶体管输出容量大、耐压高、饱和压降小， 是大功率开关电源的首选器件。综上所述，考虑到属于中小功率范围，采用单相交 流电供电，全桥变换电路，对功率器件耐压和额定电流要求较低，并且应尽量使电 路简化，工作可靠，尽可能提高工作频率，使体积缩小，重量减轻，我们选择了 vmos 场效应管。 内蒙古大学本科学年论文(设计) 第 8 页 由于功率转换电路工作在较高频率，接在高频变压器后的整流二极管也工作 在 较高频率，整流二极管也需用高频大功率管。大功率高频整流二极管工作在高频状 态，应使用具有低的正向压降，小的反向电流，低的反向恢复时间和软恢复特性， 同时具有足够的耐压，较高的浪涌能力的整流二极管。肖特基二极管的正向压降很 低，其它方面的性能也比较好，但其耐压较低（50v） ，在本电源中无法使用，因此 选用具有软恢复特性的快恢复二极管，以减小电源所产生的噪声。高频变压器是变 换器电路的关键部件之一，由于功率器件性能的改善以及软开关技术等的采用使得 开关器件损耗大为降低，因此，降低高频变压器的损耗已成为提高开关电源效率的 重要因素。硅（硒）钢片磁感应强度虽然很高，但在高频下损耗大不能使用。铁氧 体磁性材料电阻率高、高频损耗小，但它的饱和磁感应强度太低，所以使用时，需 要较大的磁芯面积，且具有易碎性，制造大型磁芯有一定难度。非晶态合金是近年 来发展起来的新材料，其磁感应强度高，电阻率大，对涡流阻力大，矫顽力小，损 耗低，但以 u 型供货的磁芯磁感应强度大大降低，而以环形供货的磁芯绕制线圈比 较困难，并且尺寸不够大，要满足较大容量的开关电源需求还有待进一步解决。鉴 于以上分析，我们选用 e 型铁氧体磁芯绕制高频变压器，考虑到工作频率较高，为 减小趋肤效应的影响，采用铜箔绕制。 电压（） 电压（ ） （直流） 图 2.2 irf306 功率 mosfet 和 2n6545 双极型功率管安全工作区的比较 内蒙古大学本科学年论文(设计) 第 9 页 2.2 直流配电模块 该部分将 4 块高频开关整流模块的输出汇合后分成两路，一路直接给蓄电池充 电，另一路经电压调整后输出，给程控交换机等通信设备供电（图 2.3） 。如果市电 中断，蓄电池能自动对通信设备供电，若停电时间过长，蓄电池电压降至 44v 时， 检测控制电路立即将蓄电池的供电电路自动切断，防止蓄电池过放，以保护蓄电池。 该部分还应将充电电压、总电流、输出电压、电流转换成相应的直流信号，供监控 模块检测。 整流 模块1 整流 模块n 蓄电 池组 稳压 电路 检测控 制电路 电压/电流 检测输出 直流 输出 图 2.3 直流配电模块原理框图 2.3 监控模块 监控模块的功能应为： 检测 4 只高频开关整流模块，交流配电模块以及直流配电模块的电压、电流 等参数并显示某些重要参数。 通过对整流模块工作状态的检测，判断其工作状态是否正常，当工作不正常， 而整流模块的本身控制保护电路又没有动作时，监控模块可使其自动停止工作，并 产生声光报警信号，实现双重保护，以保证电路安全；通过对交流电压的测量，在 其电压过高或过低时也使整流模块自动停止工作，当市电电压恢复正常时，又能使 整流模块自动开始工作。当市电停电时间较长，蓄电池出现欠压时，可自动切断其 供电，防止蓄电池过放，当市电来电，蓄电池电压上升后，又可自动恢复供电。 还应具有本地监控功能。本地监控时通过其 rs232 串行接口和本地计算机相 内蒙古大学本科学年论文(设计) 第 10 页 连实现；当电源的某部分出现故障时，监控模块的面板上会点亮相应的指示灯，并 主动将故障情况报告给本地监控计算机，计算机可以巡检并显示电源各部分的电压 值、电流值、运行状态和故障内容，也可实现对电源的开机、关机、浮充/均充等工 作状态转换和异常情况告警。为完成上述功能，监控模块的电路以单片计算机 80c31 为核心，扩展输入、输出 i/o 接口和 a/d 转换，液晶显示等外围电路，由于 要检测的模拟量多达 20 多个，因此采用具有多路输入的 adc0809 进行模/数转换。 由于农村乡镇的工作环境恶劣，供电情况也差，为保证可靠工作，在硬件和软件方 面都应采取措施， 增强抗干扰能力。监控模块的电路方框图如图 2.4 所示。 整机 系统组成电原理框图如图 2.5 所示。单相交流电接入交流配电模块，经分配后，给 4 只高频开关整流模块提供单相交流电，高频开关整流模块将交流电转换成电压稳 定的直流电，接入直流配电模块汇总后，给蓄电池充电，并时对程控交换机等通信 设备供电。监控模块对整机各部分进行检测，执行控制、保护、告警及显示等项功 能。并可通过 rs232 接口与本地进行通信，实现集中监控。 图 2.4 监控模块电路方框图 内蒙古大学本科学年论文(设计) 第 11 页 单片机监控模块 整流模块1 整流模块 交流 配电 单元 直流 配电 单元 本地pc机 rs232 图 2.5 整机组成原理框图 由于采用 vmos 场效应功率管，其工作频率可以很高，但随着工作频率的提高， 虽然变压器及滤波元器件尺寸将缩小，而磁芯损耗和开关损耗却都会增大。综合考 虑所使用的功率开关管的性能、变压器及滤波元件的尺寸大小，磁芯损耗和开关损 耗，确定开关频率为 50khz。 内蒙古大学本科学年论文(设计) 第 12 页 3 主要电路设计 3.1 高频开关整流模块主电路的设计 根据开关电源对高频开关整流模块的技术要求及相应的电路方案选择，高频开 关整流模块采用如下的原理电路图（图 3.1）： 220v f1 d1-d4 c1 v1 v2 c2 lc b1 d5 c3 r2 d6 c4r1 v3 v4 c5 c6 f2 r3 r4 + - l1 l0 图 3.1 高频开关整流模块主电路原理电路图 相移脉宽调制零电压开关(谐振)全桥变换器的工作原理如图 3.2 的电路图和波 形图所示。如前所述，虽然在形式上它与常规的 pwm 全桥变换器电路相同，但开关 内蒙古大学本科学年论文(设计) 第 13 页 管的驱动和工作方法是完全不同的。实际上，每个半桥支路上的开关管（左支路 v1、v2，或右支路 v3、v4）的驱动波形的占空比略小于 50%，存在一定的死区时 间（即延迟时间） ，设置延迟时间既是为了防止桥路直通造成电源短路，也是实施谐 振的必要时间。图 3.2（a）中所示的开关管都是由理想的 mosfet 管、结电容、 本体二极管组成，相移谐振工作是利用开关管内部的结电容和本体二极管来进行工 作的。 在 to 时刻之前，假定开关管 v1、v4 导通，流过变压器初级的电流将功率传 递给负载。在 to 时刻，v4 管关断，由于输出电感 lo的反射作用，继续流动，v4 管已关断，流 v3 管的结电容，使 c4 电荷增加，c3 上电荷减小，节点 b 的电压 谐振上升，直到 t1 时刻，v3 管的本体二极管 vd3 正向偏置，vd3导通并钳位，直到 v3 导通，这样就实现了 v3 管的零电压导通。t2 时刻为 v4 管、v3 管之间转换，右 支路的死区时间的结束，此时电流继续流过 v1、 v3，但没有电压加到变压器初级 绕组。 a （a） 内蒙古大学本科学年论文(设计) 第 14 页 zvs区 v 死区时间 (b) (c) 图 3.2 相移 pwm 全桥电路及其波形 （a）电路；（b）波形；（c）右支路开关实现零电压开关的谐振机理 右支路开关实现零电压转换的谐振机理如图 3.2（c）所示。随后，v1 管关断， 在桥路的左支路死区时间内，节点 a 的电压谐振下降，直到 v2 管的本体二极管呈 正向偏置，这样 v2 管也能在零电压下实现无损耗开通，其作用机理与右支路类似。 虽然转换机理类似，但二者区别较大，在右支路 v3、v4 管转换前，变压器中流动 着负载电流，输出滤波电感折合到初级，该电流使节点 b 的电压迅速升高，而左支 路 v1、v2 管转换时，只有变压器的励磁电流和漏感起作用，因此，左支路比右支 路转换需要较长的死区时间。在设计和调整电路时应充分注意这一问题。 由于检测和控制的参量较多，其中需检测的模拟量为 22 个，开关量为 2 个，要 控制的开关输出量为 48 个，因此，在电路设计上，以单片机 80c31 为核心， 使用 部分 p2 口线和译码器扩展了数量较多的模拟输入接口和数字输入/输出接口以及键 盘输入接口、液晶显示接口等。电路原理框图如图 3.6 所示，只读存储器 27256（32k8）存储程序，静态随机存储芯片 62256 存储检测的数据，3 只 8 通道、 8 位 a/d 转换器 adc0809 对 4 个整流模块的输出电压、电流、蓄电池充电电压、电 流、整机输出电压、电流、输放电压等 22 个模拟量进行 a/d 转换，转换后的数字 量由 p0 口输入。80c31 接收到检测数据后，一方面驱动 lcd 分屏幕进行显示，另一 方面与额定值进行比较，判断整流模块的输出电压是否正常，蓄电池是否欠压，交 内蒙古大学本科学年论文(设计) 第 15 页 流输入电压是否过压、欠压、缺相，若出现异常，立即发命令关断相关整流模块， 或让蓄电池停止供电，并点亮（送出 5v 信号）相应告警发光管，驱动蜂鸣器发声告 警。若情况恢复正常，稍微延迟后，80c31 将（去掉 5v 信号）取消声光告警，并开 通相应的整流模块。均充/浮充转换由键盘输入命令，80c31 先将整流模块关断，再 进行转换，转换后再将整流模块开通。 液晶显示选用大屏幕高分辨率的汉字液晶显示模块 pda240160，该模块采用 先进的 sed13