高频开关电源设计.doc

毕 业 论 文（设 计）题 目： 高频开关电源设计 （英文）：High Frequency Switching Power Supply 院 别： 自动化学院 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 摘要本文分析了国内外高频开关电源的发展和现状，研究了高频开关电源的基本原理以及高频开关电源在电力直流操作电源系统中的应用，设计出一种实用于电力系统的高频开关电源，以替代传统的相控电源。该系统以MOSFET作为功率开关器件，构成桥式BACK开关变换器，采用脉宽调制PWM技术，PWM控制信号由集成控制器UC3825产生，从输出实时采样电压反馈信号，以控制输出电压的变化，控制电路和主电路之间通过变压器或光电藕合器进行隔离，并设计了软启动和过流保护电路。通过实验证明该系统能安全、可靠运行，达到了设计要求。【关键词】:高频开关电源，Buck变换器，PWM，MOSFETAbstraCtThe PaPer analyze the Present situation and development of h1gh_frequeney Switehing power supply(HF SPS) domestieally and overseas，study and researeh the basal prineiple of HF SPS and its applieation in electric power system，then design HF SPS applied in e1eetric power system in order to replace the old supply controlled by phase angle。The buek full_brige converter is made of four MOSFET， and the theory of PWM is used。The signal of PWM is offered by controller UC3825. The feedbaek voltage achieved from output is used to control the change of the output.The primary circuit and the control cireuit are insulated by transformer or photocoupler. The Soft_Start and the Over Current Self_protcetion are also designed。The experimental results show that the system can work safely and reliably。Keywords:HF Switch power Supply，Buck-Convertor，PWM，MOSFET第一章绪论1 概述1.1 .1开关电源概述随着工业的发展，工业粉尘治理成为急于解决的问题。常见的除尘设备有沉降除尘、惯性除尘、旋风除尘、水膜除尘、布袋除尘及电除尘。静电除尘的原理是:在电极间加上高电压，使气体放电，产生电子与正离子，气体中的尘粒获得电子而带负电荷，它在电场的作用下被吸向带正电荷的大电极而附着在大电极上，然后用振动、刮削或冲洗的方法将其清除。静电除尘装置具有净化效率高、压力损失小、耐高温、处理气体量大等特点，又能使混合粉尘分离，达到回收贵重材料的目的，所以获得了广泛的应用。为了形成电场和电晕电流，必须设置配套的高压电源。电源装置的容量、供电方式和供电特性将直接影响到静电除尘器的除尘效率。传统的静电高压电源根据输出功率大小，常采用工频变压器直接升压整流方式或电容倍压电路方式来实现。功率输出大者则选用前者方式，输出较小者选用后者来实现。随着电力电子技术的发展，新一代功率电子器件，如MOSFET、IGBT等应用，高频逆变技术越来越成熟，各种不同类型和特点的电路，广泛地应用于直流直流变换，直流交流逆变等场合，并使用户系统总体的体积减小，重量减轻，系统的效率也将得到一定程度的提高。国际上，从20世纪20年代开始发展起来的常规电除尘器，其输出的高压电源是采用工频22ov(或38ov)通过铁芯变压器把电压升高至几万伏，在经过整流器变成脉动直流。由于这种电源内阻很小，属于硬特性电源，不随负载加重而跌落。变压器体积较大，高压绝缘技术要求较高，用于工业现场，高压需有短路保护措施，并常需要在输出高压端串电抗器件以限制短路电流的变化率，同样由于频率较低，电感体积也较大。随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅谏发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源3。开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制集成芯片IC和绝缘栅场效应管MOsFET构成。开关电源不仅体积小而且损耗低，故几乎己应用在所有的电子设备中。随着许多电器尺寸不断减小，供电电源所占尺寸变得大得多，人们在降低开关电源的体积、重量等方面做了不少工作。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。开关电源经历了三个重要发展阶段。第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GTO)发展为MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等)，使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。第二个阶段自20世纪80年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。第三个阶段从20世纪90年代中期开始，集成电力电子系统和集成电力电子模块(IPEM)技术开始发展，它是当今国际电力电子界函待解决的新问题之一。目前市场上的高压开关电源大多采用晶闸管驱动，开关速度低、损耗大、噪声也大，并且使高压开关电源的频率受到限制，从而缩小了它的使用范围。虽然国内已有少数厂家生产高频高压开关电源，但价格昂贵，因此设计、开发价格低廉的高频高压开关电压是大势所趋，具有良好的市场。1.1.2开关电源技术的发展方向1955年美国罗耶(GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛(JenSen)发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25千赫的开关电源#。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体(Mn一Zn)材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度(BS)下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术6。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的的可靠性大大提高。模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N+1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展v。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。(l)高频化是电源技术发展的主流电源技术的精髓是电能变换，即利用电能变化技术，将市电或电池等一次电源变换成适用于各种用电对象的二次电源。开关电源在电源技术中占有重要地位，从10kHZ发展到高稳定度、大容量、小体积、开关频率达到兆赫级的高频开关电源。为高频变换提供了物质基础，促进了现代电源技术的繁荣和发展。高频化带来了最直接的好处是降低原材料消耗、电源装置小型化、加快系统的动态反应，进一步提高电源进入更广阔的领域特别是高新技术领域，进一步扩展了它的应用范围。(2)新理论、新技术的指导谐振变换、移相谐振、零开关PWM、零过渡PWM等电路拓扑理论;功率因数校正、有源箱位、并联均流、同步整流、高频磁放大器、高速编程、遥感遥控、微机监控等新技术。指导了现代电源技术的发展。(3)新器件、新材料的支撑绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、功率场效应晶体管(MOSFET)、智能IGBT功率模块(IPM)、MOS栅控晶闸管(MCT)、静电感应晶体管(sIT)、超快恢复二极管、无感电容器、无感电阻器、新型铁氧体、非晶和微晶软磁合金、纳米晶软磁合金等元器件，装备了现代电源技术，促进产品升级换代。(4)控制的智能化控制电路、驱动电路、保护电路采用集成组件。控制电路采用全数字化。控制手段用微处理器和单片机组成的软件控制方式，达到了较高的智能化程度，并且进一步提高了电源设备的可靠性。(5)电源电路的模块化、集成化电源技术发展的特点是电源电路的模块化、集成化。单片电源和模块电源取代整机电源，功率集成技术简化了电源的结构。已经在通讯、电力获得广泛的应用，并且派生出新的供电体制一分布式供电，是集中供电单一体制走向多元化。(6)电源设备的标准规范电源设备要进入市场，今天的市场意识超越区域融贯全球的一体化市场，必须遵从能源、环境、电磁兼容、贸易协定等共同准则，电源设备生产厂家必须接受安全、EMC、环境、质量体系等种种标准规范的认证。自从石油危机以来，世界各国都在节约能源问题方面积极探讨，开关电源符合节能的原则。它在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义8。1.1.3开关电源国内外发展趋势传统的工频(50Hz)高压开关电源技术，在国内已经使用了十几年，但具有以下的缺点:(l)工作频率低，转换效率低至75%以下，耗费电能。(2)变压器和滤波器体积大，重量重，耗费大量的铜和铁。(3)电源输入为两相交流工频电源，又是工频相位调节，致使输入功率因数低至0.7以下，对电网造成很大的电磁干扰，电磁兼容性差。(4)体积庞大的电源控制调节机箱和隔离升压用的工频变压器分居两处，耗费空间，增加基建费用。(5)输出纹波大，致使电晕电压低下，波形又是单一的工频波，使得无法适应高比电阻的工况，达不到环保新要求。这些缺点使其远远不能满足当今环境保护的发展要求。随着电力电子技术和高频开关技术的发展，特别是新一代功率电子器件如IGBT和MOSFET等的应用，高频逆变技术越来越成熟，各种不同类型和特点的电路广泛应用于直流一直流变换、直流一交流逆变等场合，使得电除尘用高频电源供电方式进入商业化应用已成为可能。由于开关集成电源应用了比常规变压整流器更高的频率，变压器体积可以大为减少。同时开关集成电源中开关技术的应用提高了电源转换效率。在一台新的电除尘器中安装开关集成电源，不需要对除尘设备进行改动，而且其安装成本低于常规的变压整流器。开关集成电源是以高频开关为基础的。该系统的电源由经过整流和滤波的供电电压供给。这个直流电流输给系统的核心是谐振变换器，它的输出接到升压高压变压器，然后经整流供给电除尘器的放电极。由于开关集成电源的“电流脉冲”频率是常规电源的几百倍，电压波动对它来说很小，即电压的算术平均值与电压的峰值、谷值相差无几。因此开关集成电源具有在火花发生前提供更大电流驱动能力，可以使供电功率成倍增长，从而提高了除尘效率。此外高频开关电源的功率因数高，对配电系统来说是一个很好的负载。它是一个与线路频率无关的可变脉动电源，可以给电除尘器提供一个接近从纯直流方式到脉动幅度很大的各种电压波形。这些特点都决定了高频开关电源是供电的理想方式，在除尘、净化烟气等方面都有应用前景，是一项具有广阔发展前途的技术产业。国外在近十年已经开始高效节能中高频电除尘器的研制，上世纪九十年代末，国外瑞典ALSTOM等公司已经将高频开关电源(20-50KHz)用于电除尘器，取代目前国内仍在使用的工频电源(50Hz)。月一麦史密斯公司的脉冲激能电除尘器也成功用于水泥厂废气和立磨废气的净化处理。与工频电源相比，高频开关电源体积小，重量轻，电损耗小。在产品量产化后，最终可以使其成本低于常规电源。最重要的是在处理高比电阻粉尘，提高电除尘效率等方面比常规电源性能优越。基于高频电除尘器的上述优点，如果能将产品国产化，就能极大的降低各种高频用电源成本。而目前国外高频电除尘器的技术水平是比较高的，尤其是高频电源中的变压器技术比较突出。国外先进变压器上都采用了国际上先进的铁芯材料、导线材料。采用了低损耗设计，损耗大幅降低，平均较国内同类产品的降低损耗30%以上。国内以高频变压器技术为依托的高频高压电除尘器的研究起步较晚，对高效节能中高频变压器研发还处于比较空白的状态，目前通用的中高频变压器产品的实际输出效率一般只能达到40%-60%，国内还没有成功的生产出大功率的高效节能的中高频变压器的生产厂家，中高频变压器的研发也没有重大技术突破。同时国际上这种技术也处于非普及的研究试用阶段，还没有全面的进行推广与应用，这个时候应该是我国进行这个领域研究最佳的时期，学习在国际上的先进技术经验努力迎头赶上。当前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOSFET制成的500kHZ电源，虽己实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启一闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对IMHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。1.1.4高频开关电源概述八十年代，国内高频开关电源只在个人计算机、电视机等若干设备上得到应用。由于开关电源在重量、体积、用铜用铁及能耗等方面都比线性电源和相控电源有显著减少，而且对整机多相指标有良好影响，因此它的应用得到了推广。年来许多领域，例如电力系统、邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等都越来越多应用开关电源，取得了显著效益。究其原因，是新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件(简称五新)不断地出现并应用到开关电源的缘故。五新使开关电源更上一层搂，达到了频率高、效率高、功率密度高、功率因数高、可靠性高(简称五高)。有了五高，开关电源就有更强的竞争实力，应用也更为扩大，反过来又遇到更多问题和更实际的要求。这些问题和要求可归纳为以下五个方面: (l)能否全面贯彻电磁兼容各项标准?(2)能否大规模稳定生产或快捷单件特殊生产?(3)能否组建大容量电源?(4)电气额定值能否更高(如功率因数)或更低(如输出电压)?(5)能否使外形更加小型化、外形适应使用场所要求?这五个问题是开关电源能否在更广泛领域应用的关键，是五个挑战。(简称五挑战)把挑战看成开关电源发展的动力和机遇，一向是电源科技工作者的态度。以功率因数为例，AC一DC开关电源或其他电子仪器输入端产生功率因数。下降问题，用什么办法来解决?毫无疑问，利用开关电源本身的工作原理来解决开关电源应用中产生的问题是最积极的态度。实践中，用DC一DC开关电源和有源功率因数校正的开关电源，(成本比单机增加20%):成功解决了这个问题。现在，又进一步发展成单级有功率因数校正的开关电源，(成本只增加5%);在三相升压式单开关整流器中减少谐波方法，有人采用注入六次谐波调脉宽控制，抑制住输入电流的五次谐波，解决了电流谐波畸变率小于100k的要求。这样的事例，不断从近年发表的科研论文中反映出来。开关电源干扰技术及防止电网污染技术以引起国内外专家注意。在21世纪，分布式电源系统的组成将强调“系统集成，、“电力电子封装技术”等。现在新的器件(能低压工作、降压很小)陆续进入市场，因而可得到1V的低压输出和功率小到IOmW的开关电源、功率密度达5-6W/cm3，为便携装置微型化提供了条件。现在可以用软开关一PWM技术、印刷电路、折叠绕组变压器，可以采用非晶、纳米晶合金软磁材料的铁芯，小功率开关电源整机效率可达到90%，大功率电源可达到95%左右。开关频率以ZOKHz为下限，几十、几百倍的提高。体积设备、重量越来越显著下降。外形也可以作成轻、薄、短、小。总之，电源再不是大、粗、笨的设备，而是精致、灵巧可设计成兼有“智慧”的装置了。九十年代以来，美国、德国等西方国家新建电厂和变电站已全部采用高频开关电源，近几年来，国内开关电源技术已经有了长足的进展，理论、研究、生产、应用等已有相当的成果或规模，采用了有效的均流技术和软开关技术，如大家所熟悉的朝阳电源就是一种较为完善的开关电源，但是，现在的开关电源都是为邮电通讯系统设计的低电压的模块，象电力系统的操作电源所用的22OV/11OV的电源则研究较少，深圳华为公司的电源模块有用于电力系统的智能型高频开关电源，质量不错，但是，它的三次和五次谐波较大，我们知道谐波对电网有危害作用，大量的谐波分量倒流入电网，造成对电网的谐波“污染”，一方面产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波电压降，反过来使电网电压也发生畸变;另一方面，会造成电路故障，使用电设备损坏。例如线路和配电变压器过热;谐波电流会引起电网LC谐振，或高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过流、过热而爆炸;在三相电路中，中线流过三相三次谐波电流的叠加，使中线过流而损坏。另外，因为它没有采用有源功率因数校正，功率因数较低，只达到0.9，如果采用有效的功率因数校正，功率因数可以达到0.99以上。2课题简介 1.2.1课题的意义发电厂和变电所中，为了供给控制、信号、保护、自动装置、事故照明、直流油泵和交流不停电电源装置等的用电，要求有可靠的直流电源。为此，发电厂和lloKv以上的变电所通常用蓄电池作为直流电源，对上述的电源要求有高度的可靠性和稳定性，电源容量和电压质量均应在最严重的事故情况下保证用电设备的可靠工作。根据电力系统的要求，蓄电池直流系统的电压等级为: 1、控制负荷专用的蓄电池组的电压采用11Ov。2、动力负荷和直流事故照明专用的电压采用220V。3、国内的发电厂和变电所的直流电压大多采用220V。所以，22OV直流电源在电力系统的操作电源系统中占有非常重要的地位。目前，直流电源主要包括三种:相控电源、线性电源、开关电源。相控电源即相位控制型稳压电源，它的主要原理就是将市电直接经过整流滤波提供直流，由改变晶闸管的导通相位角来控制整流器的输出电压，所以如果采用适当的控制电路使晶闸管的导通相位根据输入电压或负载电流变化自动调整，整流器的输出电压就能稳定不变。线性电源也是一种常用的稳压电源，通过串联调整管可以连续控制，它的功率调整管总是工作在放大区，流过的电流是连续的。线性稳压电源通常包括：调整管、比较放大器、反馈采样部分以及基准电压部分。开关电源的功率调整管工作在开关状态，功率损耗小，效率高，由于开关工作频率高，变压器的体积大大减小，滤波电感、电容数值较小。在目前的电力系统中，大部分用的都是相控电源，但是，相控电源用的是工频变压器，体积大，而且输出电压的纹波系数大，监控系统不完善，采用主从备份方式，用户使用不方便，对电力系统新的要求也达不到标准，另外，由于充电设备与蓄电池并联运行，纹波系数较大，会出现蓄电池脉动充电放电，影响蓄电池的使用寿命。而高频开关电源体积小、重量轻、频率高、输出纹波小、模块叠加、N+1热备份设计、便于计算机管理等优点，符合现代电源的潮流。所以，电力系统中的操作电源有高频开关电源取代相控电源的趋势。1.2.2本课题的研究方法高频开关电源性能优于相控整流电源，它能否得到广泛工业应用的关键是其可靠性，特别是输出直流电压较高时应能可靠工作。除元器件及生产工艺等因素外，开关电源的可靠性主要取决于其主电路拓扑结构及控制方法。在本系统中，先通过对高频开关电源的主电路拓扑结构的分析，并结系统的技术参数，确定系统的主电路拓扑，设计出主电路;然后，通过用ATLAB对系统的动态性能进行仿真分析，并结合系统的具体情况，设计出滤、整流、软启动和保护控制部分。本课题所要研究的就是一种用于电力系统的智能高频开关电源。本系统要到的技术指标如下:输入电压：380V20%电网频率：50HZ20%功率因数:0.99输入过压告警:437V5V输入欠压告警:320V5V输出电压:浮冲:198290V均冲:230320V稳压精度:0.5%稳流精度:0.5%纹波系数:0.1%均流不平衡度:3%输出标称电压:220VDC输出额定电流:5A输出过压保护:325V5V输出欠压保护:195V5V效率:90%绝缘电阻:10M绝缘耐压:输出对机壳2KVAC漏电流30mA时间lmin无飞弧第二章高频开关电源的工作原理2.1高频开关电源的基本原理高频开关电源是将交流输入(单相或三相)电压变成所需的直流电压的装置。基本的隔离式高频开关电源的原理框图如图2-1-1所示，高频开关电源主要由输入电网滤波器、输入整流滤波器、高频变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路、辅助电源等几部分组成。其基本原理是:交流输入电压经电网滤波、整流滤波得到一直流电压，通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压，再经高频变压器隔离变换，输出所需的高频交流电压，最后经过输出整流滤波电路，将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的高质量、高品质的直流电压。EMI滤波器整流滤波高频变化器高频变压器高频整流滤波输出电压取样取样误差比较放大器PWM调制器辅助电源基准电压保护电路图2-1-1开关电源基本原理框图以全桥式变换器高频开关电源为例，图2-1-2表示了交流输入电压到最后输出所需直流电压的各环节波形变换流程。图2-1-2 高频开关电源的波形变化下面就图2-1-1中每一部分的作用、原理分别简述如下:(1)、输入电网滩波器:消除来自电网的各种干扰，如电动机起动，电器开关的合闸与关断，雷击等产生的尖峰干扰。同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散而污染电网。一个典型的三相输入电网滤波器如图2-1-3所示: 图2-1-3三相电网滤波器示意图(2)、输入整流滤波器:将电网输入的交流电进行整流滤波，为变换器提供波纹较小的直流电压。而且，当电网瞬时停电时，滤波电容器储存的能量能使开关电源输出维持一定的时间。对三相交流电输入，其典型电路如图2-1-4所示:图2-1-4 输入整流滤波器电路图(3)、高频开关变换器(DC/AC):它是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频交流电，经过高频变压器再变成所需要的隔离输出交流电压。 (4)、输出整流滤波:将变换器输出的高频交流电压滤波得到需要的直流电压。同时还防止高频噪音对负载的干扰。电路原理与输入滤波器相同。(5)、控制电路:检测输出直流电压，与基准电压比较，进行隔离放大，调制振荡器输出的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。一般控制电路还包括启动及禁止电路。(6)、保护电路:在开关电源发生过电压、过电流或短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和开关电源本身。有的还有发出报警信号的功能。 (7)、辅助电源:为控制电路和保护电路提供满足一定技术要求的直流电源，以保证它们工作稳定可靠。辅助电源可以是独立的，也可以由开关电源本身产生。2.2高频开关变换器在高频开关电源中，高频开关变换器是核心部分，围绕开关变换器将会有很多的控制和保护电路，变换器的种类的选取将会影响整个功率器件耐压程度等很多参数，也会对系统的其它各部分产生相应的影响，所以，高频开关变换器的设计是很重要的一个环节，我们在后面的章节将会对它进行详细地分析和介绍。按电力电子技术的习惯称谓，AC-DC称为整流，包括整流及离线式变换， DC-AC称为逆变，AC-AC称为交-交变频(包括变压)，DC-DC称为直流一直流变换。所以，广义地说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成另一种形态的主电路叫作开关变换器电路。转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称开关电源(SwitchingPowerSuPply)。开关电源的主要部分是DC-DC变换器，它是转换的核心，涉及频率变换。值得指出，常见到离线式开关变换器(off-lineSwitehingConverter)名称，是AC-DC变换，也常称开关整流器，它不单是整流的意义，而且整流后又作了DC-DC变换，离线是指变器中有高频变压器隔离。隔离式直流开关变换器分为如下的几种:1、单端反激型开关电源变换器图2-2-1所示为单端反激型开关电源的主回路，当功率晶体管T导通时，高频变压器的原边电压等于输入电源电压U，其极性为上正下负。与之对应的高频变压器副边电压为上负下正，此时整流二极管D承受的是反向偏置电压，故不导通。负载R:上的电流是靠输出电容C。的放电电流来提供，此时，高频变压器将电能变为磁能储存起来，而在晶体管受控截止时，高频变压器原、副边电压极性改变。整流二极管D(和反相型开关电源中的续流二极管相对应)由反偏变为正偏导通，高频变压器就将原先储存的磁能变为电能，通过整流二极管向负载供电和向输出电容C。充电。此电路的整流二极管D是在功率晶体管截止时才导通的。故称此电路为反激型电路。 图2-2-1单端反激型开关电源主回路2、单端正激型开关电源变换器图2-2-2所示为单端正激型开关电源的主回路。当功率晶体管T导通时，整流二极管Dl也同时导通。输入电能通过整流二极管Dl传递给负载，同时将部分能量储存在输出回路(即高频变压器副边回路)中的储能电感L中，故这种开关电源称为单端正激型开关电源。当功率晶体管T截止时，电感L中的储能流经负载并通过二极管DZ续流释放。 图2-2-2单端正激型开关电源主回路3、多端式变换器多端式变换器的主要回路最基本的有以下三种:推挽、半桥、全桥。如图2-2-3所示:1、 推挽式开关电源主回路2、 半桥式开关电源主回路 3、 全桥开关电源主回路 图2-2-3（1.2.3）三种多端式变换器这里以全桥变换器说明它的功率变换原理:全桥式开关电源变换器的原理图如图2-2-3(3)所示，VT1、VT4与VT2、VT3由基极激励驱动而轮流通断，从而将直流电压Vi变换成高频矩形波交流电压，然后通过Dl、D2整流，L、C2滤波后给负载提供稳定的直流电压。四个功率开关管组成桥的四臂，桥的一对交点输入直流电压，另一对交点接高频变压器原边绕组。VT1和VT4由一组开关信号驱动，VT1和VT4导通时电流方向对原边绕组是又上向下。过半个周期，VT1和VT4截止，VT2和VT3在另一组驱动信号下导通，导通电流由电源Vi正端经VT3，原边绕组由下向上，VT2流向电源负端。两对开关管是轮流导通，导通时绕组电压近似等于Vi。每只开关管均为并联一只高速功率二极管，其钳位作用以减小开关管由导通转换为截止时，变压器产生的电压尖峰，以保护开关管不被击穿。全桥式变换器的优点是:主变压器原边绕组比推挽式少了一半，变压器利用率提高;开关管可用低耐压(如400V)、大电流的功率管输出功率大。DC-DC可分为PWM式、谐振式和它们的结合式。为保证输出电压不随输入电压和负载变化，谐振式主要靠调节开关频率，属于调频系统。PWM型开关电源具有控制简单，稳态直流增益，与负载无关等优点，缺点是开关损失随开关频率的提高而增加。调频系统不如PWM开关那样易控，加上谐振电压和电流峰值高，开关应力大。根据我们的设计要求，我们选用PWM，即脉宽调制型变换器。2.3控制电路控制电路是高频开关电源的很重要的部分，是电源系统可靠工作的保证，在图2-3-1的原理框图中，虚线框内为控制部分电路。开关电源的控制方式基本上都采用时间比率控制(TRC)方式。这种方式又大致分为三大类:l、脉冲宽度调制(Pulsewidthmodulation简称PWM)方式。它用调整脉冲宽度和控制占空比的方法来达到输出电压的稳定。2、脉冲频率调制(PulsefrequeneyModulation即PFM)方式，它采用脉冲频率来改变脉冲占空比来控制输出电压的稳定。3、混合调制方式，即前二者兼而有之的方式，既控制脉冲宽度，又改变脉冲频率，用综合技术来改变脉冲占空比和脉冲周期来控制输出电压的稳定。目前，以脉冲调制PWM应用最多。图2-3-1是脉宽调制器的基本原理图。 门电路门电路振荡器分频器基准电压脉宽调制 图2-3-1脉宽调制原理图基准电压:芯片内大部分电路由它供电，同时，兼作误差放大器的基准电压输入。振荡器:由恒流充电快速放电电路以及电压比较器组成，振荡频率由外接RC元件所决定，频率f=1/RC。误差放大器:将取样电压和基准电压比较放大，送至脉宽调制电路输入端。脉宽调制器:输入为误差放大器输出。输出分两路，一路送给门电路，另一路送给振荡器输入端。门电路:门电路输入分别受分频器和脉宽调制器的输入控制。分频器:将振荡器的输入分频后输出，控制门电路输出脉冲的频率。从总体上说，开关电源的控制电路还包括过压、过流保护、均流控制等。第三章 高频开关电源主电路的设计3.1PWM开关变换器的设计3.1.1开关变换器结构一、拓扑结构的选择我们知道PWM开关变化器按工作方式可分为:1、单端反激变换器2、单端正激变换器3、推挽式变换器4、半桥式变换器5、全桥式变换器其中3、4、5统称为多端变换器，在以上的各种变换器中，通过第一章第二节的介绍，我们可知，全桥式变压隔离器开关承受最小的开关电压和最小的开关电流，根据我们所设计的高频开关电源的实际情况，输出功率较大(22OV、5A)，工作频率较高(100KHZ)，我们选用全桥隔离式PWM变换器。这种线路的优点:1、主变压器只需要一个原边绕组，通过正、反向的电压得到正、反向磁通，副边绕组采用全桥全波整流输出。因此，变压器铁芯和绕组最佳利用，使效率、功率密度得到提高。2、功率开关在非常安全的情况下运作。在一般情况下，最大的反向电压不会超过电源电压Vs，四个能量恢复(再生)二极管能消除一部分由漏感产生的瞬时电压。这样，无需设置能量恢复绕组，反激能量便得到恢复利用。缺点:1、需要功率元件较多;在导通回路上，至少有两个管压降，因此功率损耗也比双晶体管推挽式变换器大一倍。但是在高压离线开关系统中，这些损耗还是可以接受的。另外，能量恢复(再生)方式，由于四个二极管，因此，损耗略有增加。2、值得注意的是，全桥变换器易发生桥臂直流短路及变压器原边偏磁饱和，其可靠性难以保证。但是，这种缺点我们将采取一定的措施进行避免。图3-1-1MOSFET全桥式变换器整个变换器的电路如图3-1-1所示。图中每个MOSFET旁均并联有组容吸收回路(R、C)作为缓冲器，在MOSFET瞬间断开时，缓冲器元件R、C将通过提供交流通道减少功率管断开时的集电极电压应力。作为后级整流的二极管选用德国IXYS公司的DSIE30-10A。二、变换器工作原理在图3-l-1中，PI、P4和P2、P3分别构成全桥的两臂，我们设定PI、P4由驱动信号S1驱动，其中，Pl是驱动信号Sl通过变压器隔离后驱动的;P2、P3由驱动信号S2驱动，其中，P2是驱动信号S2通过变压器隔离后驱动的;驱动信号S1、S2是由PWM信号控制器UC3825产生的，(关于UC3825的情况，我们在后面的章节将详细地介绍。)它们是一对互补的、占空比都不超过50%的信号，也就是说，同一时间，不可能出现两个信号同时为高电平的情况。当Sl信号来时，Pl和P4导通，电流经过Pl进入变压器原边，再经P4形成回路;当52信号来时，P2和P3导通，电流经过P2进入变压器原边，再经P3形成回路，但是电压的极性与Sl驱动的相反。这样，直流电压K经过变换器变换以后，得到的为一高频变化的交流电压，完成了从DC到AC的变换。3.1.2变换器中的开关元件及其驱动电路一、开关器件前面已经介绍了高频变换器的分类和原理，根据它们的优缺点及课题设计的要求，功率变换部分选择由4只MOSFET管构成的全桥变换器，每一个MOSFET管源极与漏极间的电容和电阻用于吸收MOSFET管通断时所产生的尖脉冲，保护MOSFET管。根据设计要求，4只MOSFET功率管选用功率管SSH11N90，可替换元件为IRFPE50、IRFPE52、2SK684、2SK1032。由于全桥式变换器需要两路独立的驱动电路，所以电路较复杂，每路驱动信号选用PWM控制集成芯片输出控制。控制电路和主电路要通过变压器隔离。1.1场效应管的主要参数介绍:1、漏源击穿电压BVDS，表征功率管的耐压极限。2、最大漏极电流IDmax，在特性曲线饱和区中，漏极电流达到的饱和值。3、阀值电压VGs(th)，又称开启电压，是指功率MOSFET流过一定量的漏极电流时的最小栅源电压。当栅源电压大于阀值电压VGs(th)时，功率MOSFET开始导通。阀值电VGs(th)一般在1.5V-5V之间。4、导通电阻RON，导通电阻是指在确定的栅源电压VGS下，功率MOSFET处于恒流区的直流电阻，它与输出特性密切相关，在开关电源中， RON决定了输出电压和自身的损耗。一般导通电阻RON小，漏源击穿电压BVDs高的MOSFET好。现在的工艺水平可以达到1以下。5、跨导(互导)gm，表征功率MOSFET的放大性能。6、最高工作频率fm，在漏源电压VDS的作用下，电子从源区通过沟道到漏区是需要一定时间的。当栅源之间的控制信号的周期与此时间相当时，电子就来不及跟随控制信号。这个信号的频率就是最高工作频率。我们选用MOSFET的原因之一便是由于它的响应频率较高，一般达到几百KHZ。7、导通时间ton。和关断时间toff，MOSFET是依靠多数载流子传导电流的。一般来说，影响开关速度的主要因数是器件的输入电阻Rm、输入电容Ciss、输出电阻Ron、输出电容Cout，。导通时间ton定义为:从输入信号波形上升至幅值的10%到输出信号下降至幅值的90%所需时间;关断时间toff定义为:从输入信号波形下降至幅值的90%到输出信号上升至幅值的10%所需时间:开关时间几乎与温度变化无关，但与栅极驱动电源以及漏极所接的负载性质、大小有关。一般导通时间ton为几十纳秒，关断时间toff为几百到几千纳秒。ton随ID增加而增加，toff却随ID增加而减小。8、极间电容，极间电容是影响开关频率的主要因数。定义为： 输入电容：Ciss=CGS+CGD 输出电容：Coss=CDS+CGD 反馈电容：Crss=CGD图3-1-3MOSFET的极间电容示意图1.2功率场效应管的静态特性:输出特性以栅源电压VGS为参变量，漏极电流ID与漏-源电压VDS的关系称为输出特性。当漏源电压VDS较小时，VDS增加，ID线性增加，这段区域基本保持不变，可称为恒阻区，标为I区，当VDS较大时，VDS增加，ID缓慢增加，直至靠近漏区一端的沟道被夹断为特性曲线有微小的弯曲，离开恒阻区，VDS继续增加，ID保持不变，称为恒流区II，VDS超过时，曲线急剧上挠，称为雪崩区III，相应于非正常工作，应免发生。我们选用的MOSFET, 例如SSHllN90是属于N沟道增强型，它存着一个阀值电压VDS(th)，在阀值电压以下，漏电流值很小，MOSFET属于截状态。转移特性是指栅源电压VGS与漏极电流ID的关系曲线。曲线的斜率表示管子的放大能力。称为跨导gm。1.3功率MosFET与功率晶体管的比较:功率MOSFET比功率晶体管有如下的优点:1、开关速度非常快;功率MOSFET是多数载流子器件，不存在功率BJT的少数载流子存贮效应，所以具有非常快的开关速度。一般低压器件开关时间为10ns数量级，高压器件为100ns数量级。特别适合于制作高频开关，可以大大减少元件的损耗、尺寸和重量。2、高输入阻抗和低驱动电流;直流电阻达40M。以上，因而它的输入阻抗极高，是一种理想的电压控制器件。平均直流驱动电流很小，在100nA数量级。3、安全工作区大;功率MOSFET没有二次击穿。4、漏极电流为负的温度系数有良好的热稳定性。可以简单地并联以增加其电流容量。二、MOSFET的驱动:由上所知，功率MOSFET工作频率可以达到很高，但是，当功率MOSFET工作在高频时，就会出现振荡。为了防止振荡，应注意两点:1、尽可能减少功率MOSFET各端点的连线长度，特别是栅极引线。或者在靠近栅极处串联一个小电阻以便抑制寄生振荡;2、由于功率MOSFET的输入阻抗高，驱动电源的阻抗必须比较低，以避免正反馈所引起的振荡。功率MOSFET的驱动我们采用UC3825的输出直接驱动，在桥路的高电压端采用变压器隔离驱动。具体电路图如图3-1-5所示。图中的隔离变压器要求频率响应要好，能量的传输效率要高，磁芯一般采用铁氧体，使得变压器不容易出现磁饱和。图3-1-5MOSFET的驱动电路由SS11N90的参数可知，MOSFET的关断时间与开通时间比较起来，要大很多，所以，MOSFEF的关断比较慢，这样将导致同一桥臂上两个开关管同时导通而造成短路的严重情况，特别是在频率很高的时候。我们通过查阅资料和实验，发现在电阻R，的两端加上如图3-1-5中的由二极管D和三极管T组成的电路，对于缩短MOSFET的截止时间很有效，从波形图上看，下降沿沿明显地陡峭了。电路中，D为防止三极管T雪崩击穿的，T为PNP管，整个工作波形图如图3-1-6所示。图3-1-6中，气、表示驱动波形，其占空比小于50%，VO1表示未加快恢复电路的输出波形，VO2表示加了快恢复电路的输出波形，tdl表示VO1对应的截止延迟时间，td2表示VO2对应的截止延迟时间，由图可以看出，td1明显地大于td2，实验证明，MOSFET管的截止时间较长，驱动电路需要加合适的快恢复电路，以防止两路同时导通造成电路短路的情况的发生。 图3-1-6MOSFET驱动波形图3.2离频变压器的设计一、概述在前面的章节我们已经分析了升压和降压等变换器，它们可以完成直流电压的变换，但是，它们实际上存在着转换功能上的局限性，例如，输入输出不隔离，输入输出电压比或电流比不能过大以及无法实现多路输出等。这些局限只能通过变压隔离器来克服。高频变压器在电路中，主要起隔离和降压的作用。理想的变压隔离器有如下的特征:(1)从输入到输出能够通过所有的信号的频率，即从理想的直流到不理想的直流都能变换;(2)变换时可不考虑能量损耗;(3)能使输入输出之间完全隔离;(4)变换中，无论从原边到副边，或副边到原边，都是一样方便有效。二、变压器的设计步骤桥式变压器的设计相对比较容易，两个半周期都用同一个原边绕组，磁芯和绕组使用率都比较高。为了减少磁化电流，最好原边绕组匝数较多，电感量大，为此，选用高导磁率合金材料的磁芯是合适的，而且磁芯不带气隙。具体设计步骤如下:1、选择铁芯型号根据输出功率、效率求出输入功率。我们设计的电源为220V、SA的直流电源，用于电力系统的直流操作电源系统。输出功率为:PO=220*S=1100W效率按90%计算，