[硕士论文精品]高能、大容量可调acdc直流开关电源的研究

I摘要开关电源具有效率高体积小重量轻等显著特点目前世界各国都有广泛的应用,特别是对大容量高频开关电源的研究和开发已成为当今电力电子学的主要研究领域,并派生了很多新的研究方向本文的主要内容就是研制一种高性能大容量可调ACDC直流开关电源本文详细分析了高性能大容量可调ACDC直流开关电源的工作原理并提出了主电路和控制电路的详细设计方案在此基础上完成了整个系统的硬件电路设计和软件程序的编制并对电源装置的硬件和软件进行了调试和修改在分析原理的基础上本文从三相桥式不控整流全桥变换器高频变压器滤波电路等环节对该系统的主电路进行了阐述同时探讨了该电源系统实现大容量的解决方案即采用多个电源模块并联运行本文还探讨了多个电源模块并联运行时的自动均流技术,并详细介绍了基于平均值的自动均流电路在电压调节环节上详细分析了基于SG1525控制芯片的PWM控制电路本文研制的直流开关电源具有输出电压可调输出电流大纹波小等特点而且还具有换档远程控制等功能它主要用于各种直流电机性能测试实验结果表明它基本达到设计要求从而验证了理论分析的正确性具有广阔的应用前景关键词DCDC变换器开关电源均流高频变压器PWM控制IIABSTRACTSWITCHINGPOWERHASMANYREMARKABLECHARACTERISTICSSUCHASHIGHEFFICIENCY,SMALLNESSANDLIGHTNESSCOUNTRIESALLOVERTHEWORLDHAVEEXTENSIVEAPPLICATIONINSWITCHINGPOWER,ESPECIALLYRESEARCHONLARGECAPACITYHIGHFREQUENCYSWITCHINGPOWERNOWADAYSHASALREADYBECOMETHEMAINRESEARCHFIELDOFPOWERELECTRONICSANDMANYNEWRESEARCHDIRECTIONSHASDERIVEDFROMITTHEMAINCONTENTOFTHISPAPERISTODEVELOPAKINDOFHIGHPERFORMANCE,LARGECAPACITYADJUSTABLEACDCSWITCHINGPOWERTHISPAPERHASANALYZEDTHETHEORYOFHIGHPERFORMANCE,LARGECAPACITYADJUSTABLEACDCSWITCHINGPOWERINDETAIL,ANDHASPROPOSEDTHEMAINCIRCUITANDCONTROLCIRCUITDESIGNATIONONTHISBASIS,THISPAPERSCHEMEDOUTTHEHARDWARECIRCUITANDSOFTWAREANDHASCARRIEDONTHEDEBUGGINGANDMODIFICATIONOFTHEHARDWAREANDSOFTWAREOFTHESWITCHINGPOWERONTHEBASISOFANALYZINGTHETHEORY,THISPAPERHASDISCUSSED3PHASEUNCONTROLLEDRECTIFIER,THEFULLBRIDGECONVERTER,HIGHFREQUENCYTRANSFORMER,ANDFILTEROFTHEMAINCIRCUITOFTHISSWITCHINGPOWERSYSTEMTHISPAPEREXPLAINEDTHESOLUTIONOFTHISLARGECAPACITYPOWERSYSTEMATTHESAMETIME,NAMELYSOMEPOWERMODULESARETOBECONNECTEDINPARALLELTHISPAPERALSOHASSTUDIEDCURRENTSHARINGCIRCUITWHILESOMEPOWERMODULESWEREBEINGCONNECTEDINPARALLEL,INTHEPARTOFCURRENTSHARINGCIRCUIT,THISPAPERHASINTRODUCEDCURRENTSHARINGCIRCUITONTHEBASEOFAVERAGECURRENTINDETAILONTHEVOLTAGEREGULATIONPART,THISPAPERHASANALYZEDPWMCONTROLCIRCUITONTHEBASISOFSG1525INDETAILDIRECTCURRENTSWITCHINGPOWERSTUDIEDINTHISPAPERHASMANYCHARACTERISTICSSUCHASADJUSTABLEOUTPUTVOLTAGE,HEAVYOUTPUTCURRENT,LOWVOLTAGERIPPLEANDSOONITALSOHASTHEFUNCTIONSOFCHANGINGOUTPUTVOLTAGEGEAR,REMOTECONTROLETCITISMAINLYUSEDTOTESTMANYKINDSOFDIRECTCURRENTMACHINE,THEEXPERIMENTALRESULTINDICATEDTHATTHESWITCHINGPOWERHASREACHEDTHEDESIGNDEMAND,THUSITHASPROVEDTHEEXACTNESSOFTHETHEORYANALYSES,SO,THISSWITCHINGPOWERHASWIDEAPPLICATIONFIELDSKEYWORDSDCDCCONVERTER,SWITCHINGPOWER,CURRENTSHARING,HIGHFREQUENCYTRANSFORMER,PWMCONTROLIII独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知除文中已经标明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担学位论文作者签名日期年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文保密在_年解密后适用本授权书不保密请在以上方框内打学位论文作者签名指导教师签名日期年月日日期年月日本论文属于11绪论11开关电源简介169随着电力电子技术的高速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二十世纪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二十世纪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力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速发展开关电源是利用现代电力电子技术控制半导体开关器件开通和关断的时间比率维持输出电压稳定的一种电源开关电源一般由主电路和控制电路构成开关电源主要应用领域有计算机通信办公设备控制设备等产品以及电视摄像机电子游戏机等消费类产品与传统采用工频变换技术的相控电源相比采用大功率开关管的高频整流电源在技术上是一次飞跃它不但可以方便地得到不同的电压等级更重要的是甩掉了体积大笨重的工频变压器及滤波电感电容由于采用高频功率变换使电源装置显著减小了体积和重量而有可能和设备的主机体积相协调并且使电性能得到进一步提高因此开关电源取代线性电源和相控电源是必然的发展趋势12国内外对开关电源的研究现状由于开关电源具有功率转换效率高稳压范围宽功率密度大重量轻等特点已经取代线性电源相控电源成为新一代电源的主体在传统开关电源中由于功率器件工作在开关状态器件常常在高电压下开通在大电流下关断所以也存在一些问题如射频干扰和电磁干扰大开关损耗大输出纹波大器件的安全工作区窄电路对分布系数比较敏感等等缺点随着技术的进步特别是功率器件的更新换代功率变换技术的不断改进新型电磁材料的不断使用控制方法的不断进步以及相关科学的不断融合开关电源的缺点正逐步得到克服射频干扰和电磁干扰已经被抑制在一个很低的水平上输出纹波降低到几毫伏以下已经不成问题开关电源的技术进步主要得益于以下三个方面的技术进步21电力电子器件的迅速发展和换代促进了变流技术和变流装置的现代化自上个世纪五十年代未第一只晶闸管问世以来电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台以此为基础开发的可控硅整流装置是电气传动领域的一次革命使电能的变换和控制从旋转变流机组和静止变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代这标志着电力电子学的诞生进入七十年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品普通晶闸管不能自关断的半控型器件被称为第一代电力电子器件随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展是电力电子技术的又一次飞跃先后研制出GTRGTO功率MOSFET等自关断全控型第二代电力电子器件而以绝缘栅双极晶体管IGBT为代表的第三代电力电子器件开始向大容量高频率响应快低损耗方向发展进入九十年代电力电子器件正朝着复合化标准模块化智能化功率集成的方向发展在国际上电力电子技术是竞争最激烈的高新技术领域之一2变换器主电路拓扑结构的研究开关电源主电路主要有六种基本变换电路,即降压式BUCK变换电路升压式BOOST变换电路升降压BUCK/BOOST变换电路CUK变换电路ZETA变换电路SEPIC变换电路如果在以上六种电路中加上隔离变压器就可以派生出很多变换器拓朴如BUCK变换电路加上隔离变压器可以派生出正激FORWARD变换电路推挽PUSHPULL变换电路半桥HALFBRIDGE变换电路全桥FULLBRIDGE变换电路BUCKBOOST变换电路加上隔离变压器可以派生出反激FLYBACK变换电路一般说来正激反激推挽半桥全桥这几种拓朴是常用的不同的拓朴适用于不同的场合正激变换器电路简单元件数量少保护容易实现缺点是开关器件电压应力高输出电压纹波比较大变压器磁芯工作在第一象限磁芯利用率低而且需要附加磁复位电路适用于小功率场合反激变换器元件数量少输出电压纹波小缺点是磁芯利用率低适用于小功率场合推挽变换器磁芯工作在一三象限利用率高但是开关器件电压应力是输入电压的两倍因此只适合低压输入场合半桥变换器开关器件电压应力等于输入电压但电流是相同条件下推挽变换器的两倍因此只适用于中小功率场合半桥变换器最大的优点在于其对电路不平衡有自动的抑制作用因此使用非常广泛全桥变换器开关器件电压应力等于输入电压输入电流是相同条件下半桥变换器的一半适用于高压大功率场合缺点是开关器件数量多控制复杂33微型计算机控制技术与专用控制芯片的迅速发展和广泛应用为开关电源的成功应用提供了技术手段和保证随着微电子技术和超大规模集成电路技术迅速发展使得微型计算机速算速度更快体积更小性价比更高同时功耗大大降低可靠性比以前更高使得对电源系统的监控的实时性更高更方便另一方面随着开关电源的广泛应用全球一些知名厂家都竞相开发出各种电力电子电路控制用的集成电路专用集成电路相对于分立器件控制电路来说集成电路性能更优越可靠性更高成本更低这为开关电源的成功应用提供了技术手段和保证13开关电源技术的发展方向27进入21世纪开关电源技术将有更大的发展主要集中在一以下几个方面1高性能碳化硅SIC功率半导体器件可以预见碳化硅将是21世纪最有可能成功应用的新型功率半导体器件材料碳化硅的优点是禁带宽工作温度高可达600通态电阻小导热性能好漏电流极小PN结耐压高等等2高频磁技术高频开关电源中用了多种磁元件有许多基本问题需要研究如磁芯损耗的数学建模磁滞回线的仿真建模高频变压器一维和二维仿真模型等此外高频磁元件的设计决定了高频开关电源的性能损耗分布和波形因此人们希望给出设计准则方法磁参数和结构参数与电路性能的依赖关系明确设计的自由度与约束条件等同时人们将研究损耗更小散热性能更好磁性能更优越的高频磁性材料高频磁技术的研究还包括磁电混合集成技术即将铁氧体或其它薄膜材料高密度集成在硅片上或者将硅材料集成在铁氧体上3新型电容器研究开发适用于功率电源系统用的新型电容器和超大电容要求电容量大等效串联电阻ESR小体积小等20世纪90年代末美国已经开发出330F新型固体钽电容其ESR显著下降4高频开关电源的电磁兼容研究高频开关电源的电磁兼容问题通常涉及到开关过程产生的DI/DT,DU/DT,它引起4强大的传导型电磁干扰和谐波干扰有些情况还会引起强电磁场辐射不但严重污染周围电磁环境对附近的电气设备造成电磁干扰还可能危及附近操作人员的安全同时开关电源内部的控制电路也必须能承受主电路及工业应用现场电磁噪声的干扰显然在电磁兼容领域有许多前沿课题有待人们研究如典型电路与系统的传导干扰和辐射干扰建模印制板电路和开关电源EMC优化设计软件大功率开关电源EMC测量方法的研究等5开关电源的设计测试技术建模仿真和CAD是一种新的方便且节省的设计工具为了仿真开关电源首先要进行建模仿真模型中应包括电力电子器件变换器电路数字和模拟控制电路以及磁元件和磁场分布模型电路分布参数模型等还要考虑开关管的热模型可靠性模型和EMC模型开关电源的CAD包括主电路和控制电路设计器件选择参数优化磁设计热设计EMI设计和印制电路板设计可靠性预估计算机辅助综合和优化设计等此外开关电源的热测试EMI测试可靠性测试等技术的开发研究与应用也是应大力发展的6低电压大电流的开关电源的开发数据处理系统的速度和效率日益提高新一代处理器的逻辑电压低达1118V而电流达50100A其供电电源低电压大电流输出DCDC变换器模块将会成为开关电源新的研究方向之一14本文的主要工作本文的主要工作是设计一种用于直流电机性能测试用的高性能大容量可调ACDC直流开关电源其主要技术要求如表11所示5表11直流开关电源设计技术要求1输入电压380V15三相三线制输入特性2频率50HZ51额定电压285V2电压调节范围两档A035V,B070V3额定电流035V时600A070V时300A4稳压精度05包括源效应负载效应在电压20V时测量5动态性能超调8010操作及显示具有本机与远控两种模式本机LED触摸面板双视窗4位数码分别显示电压电流远控通过RS485接口与PC机通讯在PC机上操作及显示11测量精度电压和电流的测量精度为05输出特性12接口通讯接口采用RS485具有被测参数的计量接口此电源具有如下一些特点1输出功率大最大输出功率可达21KW2输出电流大输出电流高达600A63输出电压可调电压分为两档调节范围为070V4输出电压纹波小输出电压纹波小于100MV5过载能力强可达25倍过载能力6稳压精度高稳压精度可达0515全文的内容安排第一章绪论阐述了开关电源的基本原理特点及发展的一般趋势介绍了本文的主要内容第二章系统总体设计方案系统地介绍了大容量高性能可调ACDC直流开关电源的设计思路与方法确定了本文的总体设计方案第三章系统主电路设计详细地阐述了系统主电路设计包括三相桥式不控整流滤波全桥变换器高频变压器输出整流滤波吸收电路等等第四章驱动及控制电路设计详细阐述辅助电源PWM控制电路保护电路电流电压反馈电路以及负载均流电路的设计第五章监控与通信系统设计阐述了基于80C196单片机的监控系统包括显示电路键盘输入电路与远程PC机的通信等等第六章实验结果及分析对样机的各个关键部分进行测试并对实验数据进行分析72系统总体设计方案21ACDC直流开关电源的基本构成30ACDC直流开关电源的基本构成如图21所示输入滤波器输出滤波DCDC变换器电容滤波器整流器PWM驱动器比较器反馈电路给定电路保护电路交流市电UO图21ACDC直流开关电源的基本构成框图在图21中市电经过输入滤波以后首先经过整流滤波电路变成含有一定脉动成分的直流电压然后进入高频变换部分高频变换部分的核心是DCDC变换器它主要由高频功率开关和高频变压器组成高频功率开关将直流电压斩波并由高频变压器转换成所需的电压范围内的方波最后将这个方波电压整流滤波得到所需直流电压211PWM控制电路系统采用了PWM电路PWM是PULSEWIDTHMODULATION脉冲宽度调制的简称PWM控制器的作用是通过反馈电路对直流电压进行取样控制功率开关器件的驱动脉冲宽度从而调整开通时间以使输出电压稳定PWM控制电路是开关电源的核心部分一般应具有以下功能固定频率振荡器频率可在较宽范围内预调占空比可调节的脉宽调制功能死区时间校准一路或两路具有一定驱动功率的输出禁止软启动和电流电压保护功能PWM控制电路8组成部分有基准源振荡器误差放大器脉宽调制器分频器分频器门电路基准源振荡器误差放大器VFEDOUT1OUT2门电路脉宽调制器锯齿波驱动驱动图22PWM控制电路组成框图PWM电路如图22所示由检测电路得到的反馈电压与芯片内部的基准源通过误差放大器产生一个输出送入脉宽调制器与锯齿波进行比较当放大器输出电压大于锯齿波电压时脉宽调制器输出低电平反之则输出高电平因此脉宽调制器的输出脉冲宽度由误差放大器的输出决定从而在脉宽调制器的输出端得到一个随反馈电压而改变宽度的方波脉冲再将此方波脉冲送至门电路和驱动电路即可得PWM输出信号212DCDC变换器DCDC变换器包括高频功率开关和高频变压器主要有正激反激推挽半桥全桥等拓扑结构开关变换电路中的功率开关器件在PWM信号的控制下开通关断将直流电压变换成为高频脉冲电压功率开关器件包括晶体管晶闸管MOSFET场效应晶体管IGBT绝缘栅双极功率晶体管等在中小功率的开关电源中开关器件主要采用MOSFET高频变压器将高频脉冲电压变为另一等级的电压这样系统的电压调节就不完全依靠调节开关元件的PWM驱动信号从而可以更方便的得到各种电压等级的电压而且通过变压器可以将输出与输入进行隔离通过增加副方绕组可以很方便的实现多路输出高频变压器中的磁芯所采用的软磁性材料具有较高的磁导率较低的矫顽力和较高的电阻率磁导率高在一定线圈匝数时通过不大的激磁电流就可以有较高的磁感应强度因此线圈可以承受较高的外加电压在输出一定功率要求下可以减小磁芯体积矫顽力低则磁滞回环面积小铁耗也小电阻率高则涡流小铁耗小9213驱动电路驱动电路的主要功能是将脉宽控制器输出的PWM信号进行功率放大以作为高压功率开关器件的驱动信号驱动电路的形式多种多样一般有TTL电路驱动CMOS电路驱动用线性电路驱动以及用隔离变压器驱动等等在大功率的开关电源中驱动电路一般都具有隔离作用常用变压器耦合方式来实现对高压功率开关器件的驱动和隔离214整流电路与滤波电路整流电路及滤波电路将功率变换器输出的高频脉冲电压转换成为稳定的直流输出电压整流电路有半波全波全桥倍流等多种形式电路如图23所示整流器件一般采用快恢复二极管或者肖特基二极管A半波整流B全波整流C全桥整流D倍流整流图23整流电路滤波器一般采用LC滤波器电路如图24所示滤波器中的电容要求等效串连电阻ESR小峰值电流大发热少温升低便于多个并联LC图24LC滤波器22直流开关电源大容量的实现根据本文所研究的高性能大容量可调直流电源的技术要求其输出电流高达600A考虑到目前电力电子器件的使用水平单台电源的最大输出电流不太容易达到10600A因此为了实现直流开关电源的大功率输出满足负载功率的要求电源主电路结构采用多路直流电源模块并联构成如图25所示ACDCDCDCACDCDCDCACDCDCDCAC380VDC070V模块1模块2模块N图25多电源模块并联原理框图这种模块化设计的优点是提高系统的灵活性使得各个模块的开关器件的电流应力减小提高了系统的可靠性另外还可方便地实现冗余电源工作过程中某一模块发生故障退出运行不会导致整个电源装置的停机为了保证各个电源模块间电流应力和热应力的均匀分配采用了开关电源并联均流技术由于并联运行的各个电源模块特性并不一致有的模块可能承担更多的电流甚至过载从而使其它模块处于轻载甚至基本上是空载其结果必然是分担电流多的模块热应力大降低了可靠性甚至因过载而损坏因此在每个模块中必须设计负载均流电路保证各模块均流输出考虑到目前市场上开关电子器件的耐压水平和承受电流的能力本文所研究的高性能大容量可调ACDC直流开关电源主电路结构采用6个额定输出电流为100A的电源模块并联而成23100A电源模块的主电路方案如图25所示单个100A电源模块主电路主要由三相ACDC整流DCDC变换器两部分组成11231ACDC整流滤波环节由于输入交流电源为三相三线制因此整流电路可为三相桥式整流三相桥式整流按整流器件的类别又可分为可控整流和不控整流由于本文所研究的电源系统的输出电压可以通过DCDC环节调节所以为了降低系统的复杂性和降低成本采用三相不控整流电路如图26所示ABCUOD5D3D1D2D6D4CU2图26三相不控整流电路三相市电经过三相桥式不控整流将交流电转化为直流脉动电压然后经过电容稳压滤波环节减小直流输出电压的纹波和脉动在这种情况下输出电压的平均值范围为21其中2U为交流电源相电压有效值电容滤波的不控整流电路其输出电压平均值不是一个定数它随负载电流和滤波电容C的变化而变化若负载电流增大或当电容容量C减小则输出电压降低电压波动加大理论上分析在极限情况下当滤波电容C无穷大时有最大的输出电压平均值26U在另一种极限情况下电容C为零则整流电路有最小的输出电压平均值236UP232DCDC变换环节本文所研究的直流开关电源输入为380V三相市电ACDC环节采用三相桥式不控整流因此其DCDC环节为BUCK电路由于DCDC环节输入输出电压之比比较大且为了实现输入输出电气上的隔离本文在DCDC变换器中采用了高频变压器220663UUUP12带隔离变压器的BUCK电路有正激变换电路推挽变换电路半桥变换电路全桥变换电路以及反激变换电路正激变换器和反激变换器适用与小功率场合推挽变换器磁芯工作在一三象限利用率高但是元件电压应力是输入电压的两倍因此只适合低压输入场合半桥变换器元件电压应力等于输入电压但是电流是相同条件下推挽变换器的两倍因此只适用于中小功率场合全桥变换器电压应力等于输入电压输入电流是相同条件下半桥变换器的一半适用于高压大功率场合综上所述由于本文所设计的直流电源系统中100A电源模块的最大输出功率约为35KW,因此DCDC变换器选用全桥变换器比较合理C0I0U0UINABT1T3T2T4D1D1LFI1图27DCDC全桥变换器主电路全桥变换器如图27所示高频变压器一次绕组在开关T1T4同时导通时A端接至电源的正端B端接至电源的负端变压器工作在正半周期T2T3同时导通时B端接至电源的正端A端接至电源的负端,变压器工作在负半周期在一个工作周期内变压器正负交替激磁一次高频变压器的二次测交流电流通过零式双半波整流回路整流后再通过LC滤波回路滤波得到平滑的直流输出在稳态运行条件下输出电压和输入电压的关系为22其中N为高频变压器原副方绕组匝比ST为PWM波的周期ONT为开关管开通时间TA为占空比因此调节占空比TA就可以调节输出电压NUTTNUUINTSONINA013233电压换档电路本文中电源输出电压分为35V和70V两档为了实现档位的切换全桥变换器中的高频变压器可以设计成两个原边串联的高频变压器如图28所示当高频变压器原方的继电器触电断开此时高频变压器B101和B102的原边串联同时运行原边线圈分别承受1/2的交流方波电压他们的副边各承担1/2的负载电流此时电压档位为35V档位额定输出电流为100A当高频变压器原方的继电器触电闭合此时高频变压器B102因原边被短路而退出运行B101的原边线圈分别承受交流方波电压副边各承担全部的负载电流此时电压档位为70V档位额定输出电流为50AJD102B101B102D101L102L101D101D102D102C117UOUD图28电压换档主电路24100A电源模块的控制电路方案100A电源模块的控制电路主要包括辅助电源PWM控制电路输出电压反馈电路电流反馈电路保护电路自动均流电路等241辅助电源辅助电源是控制系统的心脏整个电源系统控制电路的电源都来自于辅助电源如单片机系统的5V电源,PWM控制电路的12V电源检测电流的霍尔传感器所用到的12V电源等等因此根据控制电路的需要本文中设计了4路控制用电源其中两路5V输出两路12V输出14242PWM驱动控制电路PWM控制电路是整个电源系统控制电路的核心部分主电路中的DCDC全桥变换器中开关管的开关频率占空比直接影响电源的输出电压大小及品质目前国际上很多大公司开发出许多专用的PWM控制芯片其中美国硅通公司设计了驱动MOSFET的第二代IC芯片其中型号为SG1525的控制芯片适用于N沟道MOSFET本文中的PWM控制芯片采用SG1525其PWM控制信号通过驱动电路去控制开关管的导通与截止基本原理如图29所示SG1525功率放大隔离驱动全桥变换电压反馈电压给定保护电路均流电路图29PWM控制电路原理图SG1525根据反馈电压和给定电压输出PWM波形经隔离变压器驱动全桥变换器的开关管另外均流控制电路也可以调节SG1525的PWM脉冲输出当电源系统出现故障时保护电路可以关断SG1525的脉冲输出243输出电压反馈电路由于电源输出功率大电源输出端到负载端有一定的电压降当电源负载较轻时电源输出端的电压和负载两端的电压基本相同因此反馈电压可以直接取自电源输出端当负载很大时电源输出电流很大由于线路压降较大使得负载端电压较电源输出端电压低因此为了保证负载端电压稳定反馈电压必须取自负载端由此设计了反馈电压自动切换回路如图210所示反馈电压经过霍尔传感器变换成05V15信号直流开关电源M电压选择反馈电压负载输出端电压负载端电压图210电压反馈电路原理框图244电流反馈电路为了实现逆变器过流保护和检测电源输出电流电流反馈包括高频变压器原方电流检测和电源输出电流检测高频变压器原方电流为交流信号因此可以采用电流互感器检测而输出直流电流可以采用霍尔传感器检测245保护电路保护电路包括输入欠压保护输入过压保护输入缺相保护输出过压保护逆变器过流保护等当某一保护动作时将关断PWM输出使电源系统停止工作246自动均流电路负载均流电路的基本原理如图211所示16DCDCSCPWMVEVRVFVCBVIVO均流母线图211负载均流控制电路原理图在每一个100A电源模块的控制电路中设计一个均流控制电路用以检测并联各模块电流不平衡的情况产生的反馈信号VE调节每个单元的电流从而达到各模块间输出均流的目的在这种情况下每个模块间应有公共总线图中SC为均流控制器其输入为反应模块负载电流的信号VISC输出VC与基准电压VR和反馈电压VF综合比较后输出VE经过电压放大器控制PWM及驱动电路这种控制方法均流效果较好可使多个并联模块的电流不均衡度降至很低25监控与通信系统方案图212监控电路原理框图如图212所示通信与监控电路包括人机接口输出电流电压采样输出电压给80C196继电器控制开关机电压给定计算机通信接口电压采样键盘显示电流采样通信接口17定与PC机通信实现远程控制等电源的输出电压和电流通过80C196采样后可以通过数码管显示出来同时可以将数据上传到PC机另一方面电源可以接受PC机的控制指令调整SG1525的电压给定从而实现输出电压可调同时CPU检测出故障就会控制电源停止工作26整个电源装置结构设计30根据设计要求采用19标准机箱结构18U高度外形尺寸418800550MM宽高深6个100A电源模块分层安装每个电源模块的主电路的发热比较严重的器件都安装在散热基板上如开关器件整流桥整流二极管以及吸收电阻等等机箱后面安装6个散热风扇侧面开孔保持风路畅通使得整个电源系统保持良好的散热环境有利于系统的稳定可靠运行机箱顶部安装CPU控制板和辅助电源变压器机箱面板设置有电流电压显示数码管及操作键盘和运行指示灯背板安装有输入输出接线端子以及测量端口和通信接口机箱内部布置如图213所示CPU控制板1单元100A2单元100A3单元100A辅助电源4单元100A5单元100A6单元100A面板风扇风扇风扇图213机箱内部结构图183系统主电路设计由于600A直流电源是由六个100A电源模块并联组成那么本章先详细阐述100A模块电源的主电路设计YM1YM3YM2C101C103C102ABCZL101C105C106R101R102R103JD101T101T102C109JD102B101B102D101L102L101D101D102D102C117GROUNDYM4YM5C120C121T103T104图31100A电源模块主电路原理图31ACDC环节的电路设计ACDC环节是将三相交流市电经输入滤波三相桥式不控整流后再滤波给后续DCDC环节的全桥变换器提供稳定的直流电压311输入滤波器22市电由于受各种干扰信号的影响其正弦波电压中含有多种干扰信号输入滤波器的功能就是滤除这些干扰信号使正弦波形光滑稳定如图所示31所示在ABC三相之间接入了电容C101103,组成输入滤波器用于滤掉三相电源中的高次谐波相当于一个高通滤波器因此其电容值可以取得比较小考虑到耐压水平本文中的三个输入滤波电容可选用参数为10/1600NFV的金属化电容312输入电源瞬时过压保护36电源投切时容易产生瞬时过电压为了保护整流后的电路不受过高电压的冲击使电路元器件发生故障很有必要限制输入电源的电压因此本文中的三相电源输入端设计了瞬时过压保护电路如图31所示在ABC三相之间分别并联了三个压敏电阻YM1YM3压敏电阻起到一个可变阻抗的作用也就是说当高压尖峰瞬时出现在压敏电阻两端时它的阻抗急剧减小到一个低值消除了尖峰电压使输入电压19达到安全值瞬间的能量消耗在压敏电阻上压敏电阻的额定制一般比最大的电路电压稳定值大1020因此根据厂家提供的参数可选型号为JVR14N911K,其交流转折电压为550V,可承受45KA浪涌电流313三相桥式不控整流三相桥式不控整流中需要用6个整流二极管为了保证电路的可靠性三相桥式不控整流电路采用整流模块1确定整流二极管的反向电压二极管在三相桥式不控整流中承受的最大反向电压为22380537INVV31三相桥式整流模块额定电压值的确定原则0RRMINABVVKKA32式中INV交流线电压有效值AK电源电压波动系数取115AKBK交流峰值有效值转换系数2BK0A安全系数,取022ARRMV二极管反向重复峰值电压将INV380V代入式32则有3802115221360RRMVV332确定二极管的额定电流对于100A电源模块考虑25倍过载能力输出功率为3510025875KW取效率08H则全桥变换器的容量为875/081094PKVA额定电流值的确定原则3FAVIINPIKVB34式中FAVI二极管额定电流B电流安全系数取2BP全桥变换器容量VAIK电流变换系数取245IK20INV交流线电压有效值将1094PKVA代入34则有2109410001362453380FAVIA35通过上述计算三相整流桥采用德国POWERSEM公司的PSD31/16型三相整流模块其输出直流电流额定值为60A反向峰值电压为1600V314直流侧滤波电容的选择直流侧滤波电容具有滤波保持输出电压及抑制噪声的多重作用实际应用时一般按逆变器容量每10KVA配选10000FM综合考虑本设计中选用两个470/400FVM的电解电容器串联总耐压水平可达800V电容量为235UF如图31中的C105C106为了保持两个电容电压相等并在电源关断时构成电容器的放电回路每个电容并联一个阻值相等的电阻本文中均压电阻选为510K/1W此外为了滤去直流电压侧的高频分量在电路上还并联3个01FM的滤波电容315软启动电路为了防止主电路通电瞬间由于电容充电而引起过大的电流冲击有必要设计软启动电路如图31所示主电源上电时整流桥直流侧通过限流电阻R101向滤波电容C105C106电容器充电当这两个电容充电满以后软启动继电器JD101常开接点闭合将限流电阻R101短路此时全桥变换器才开始工作其控制电路如图32所示R80710KR8065KR80536KTL082R808510KR804R801T80112V5VC803321JD101图32软启动控制电路21当电源上电时5V电源通过电阻R807向电容C803充电其RC时间常数约为05S运放反相输入端的电压约为44V则此时运放TL082输出低电平电容电压不断升高约1S后电容电压高于44VTL082输出高电平继电器常开接点闭合限流电阻R101短路电路可以正常工作了32DCDC环节的电路设计DCDC环节的就是将三相不控整流后的直流电压经全桥变换和高频变压器变换成低压交流方波再经整流滤波变换成直流电压输出321全桥式变换器的设计全桥变换器的开关管一般可用MOSFET或IGBTMOSFET是一种单极性的电压控制器件有驱动功率小工作速度高无二次击穿安全工作区宽等显著优点目前存在的主要问题即低导通电阻与高耐压的矛盾正在逐步解决因此在中小功率的高性能开关电源斩波器逆变器中MOSFET已经得到越来越广泛的应用本文中的功率模块最多不超过5KW因此开关管关选用MOSFETMOSFET的参数计算如下1漏源额定电压DSSV的计算1三相桥式整流模块最大输出直流电压的计算考虑电网的波动三相桥式整流模块输出的最大峰值电压可由下式决定2DMINAEVK36式中AK电网电压波动系数取AK115INV交流线电压有效值将INV380代入上式计算得2380115618DMEV372MOSFET关断时峰值电压的计算MOSFET关断时峰值电压由下式决定3DSDMEVEVA38式中EV布线电感引起的DILDT尖峰电压取EV150V3A安全系数取1222将618DMEV代入上式得61815012922DSVV39因此取1000DSSVV2漏极额定电流DI的计算考虑到交流输入电源的波动以及整流滤波的效果直流侧电压最小值可由下式决定MIN32DINEUP310当输入电源降至额定电压的85时直流侧最小电压为MIN32380085436DEVP311考虑35V电压输出时25倍过载电流的情况下电源效率为08此时直流侧的最大平均电流为35100252508436DMIA312则单个MOSFET的最大平均电流大约为直流侧最大平均电流的一半即125A考虑到冲击电流取安全系数2则为25A综合上述计算选取MOSFET为IXYS公司的IXFN36N100,其参数如下DSSV为1000V,25DI为36A3全桥变换器开关频率的选择本课题中全桥变换器的PWM控制信号由SG1525提供采用双路PWM输出开关频率约120KHZ左右322换档电路由于本课题中电源输出分为35V和70V两档因此本文设计了电压换档电路如图31所示正常情况下输出为35V此时高频变压器原方的接触器断开当输出电压等级为70V时接触器短接高频变压器原方绕组被短接1/2随着输出电压等级的变化系统测量回路自动切换保证各级输出电压时的电源品质其控制电路如图33所示23R8033KR8021KT802805012VP25JD102图33换档控制电路电源的控制面板上给出换档命令后由单片机给出控制信号控制继电器JD102达到换档的目的323高频变压器的设计1741高频变压器是整个电源系统中最重要的部分之一开关电源中所用的高频功率变压器的功能与普通工频变压器基本相似都是用来完成电压变换功率传送和实现原副边之间的相互隔离在全桥变换器中两个半周期都用同一个原边绕组磁芯和绕组使用率都很高高频变压器具体设计步骤如下1选择磁芯型号本文中全桥变换器的工作频率大约120KHZ左右这就要求磁芯材料的高频损耗尽可能小饱和磁感应强度高而饱和磁感应强度的温度系数要尽可能低也就是居里点的温度要高高频变压器的磁芯一般都采用铁氧体软磁材料制造南京新康达公司的LP3铁氧体材料是目前应用最广泛的中高频段优秀材料其工作频率范围为100KHZ500KHZ铁氧体材料可用化学分子式24EEMFO表示式中EM代表锰镍锌铜等二价金属离子铁氧体是由这些金属氧化物的混合物烧结而成铁氧体的主要特点是电阻率远大于金属磁性材料,这就抑制了涡流的产生使铁氧体应用于高频领域因此通过比较本文中采用LP3型磁芯材料其工作频率可高达500KHZ在工作频率为120KHZ温度为100时的饱和磁通密度约为390MT039T目前铁氧体磁芯结构有EE型EI型E型U型环形及罐型等每种形状都有多种几何尺寸来满足不通功率高频变压器的需要选择磁芯形状的原则一般有漏24磁小绕制安装方便散热条件好EE磁芯漏磁小容易夹紧固定窗口面积较大适用于变压器次级粗线或宽铜带的绕制可用来绕制1KW或更大的变压器环形磁芯漏磁小但体积较小绕制不方便一般用来绕制500W以下的变压器罐型磁芯具有漏磁小的优点但其内部可利用空间小适用于小功率变压器变压器的散热条件也是关系到变压器是否安全可靠工作的重要原因在有强迫风冷的高频开关电源中如果采用EE磁芯只要将变压器安装在有利于空气对流的散热风道里由于其大部分磁体和副边线圈都裸露于空气中所以散热条件比较好可以安全工作本电源的输出功率最大为35KW设计效率为80所以输入功率为35/084375KW综上所述根据厂家提供的功率频率铁芯选择表选择EE70磁芯两支并排使用其有效面积约为922MM22变压器原副边线圈匝数的计算对于全桥变换器如果选取B较大原边的匝数会减少铜耗小但磁滞损耗会增加在高频工作下的铁芯其B值不宜选的太大工作频率为120KHZ时根据厂家提供的参数按饱和磁通的17左右选取变压器原边的匝数DONPEUTNBAV313式中DU原边线圈所加的最小直流电压取DU461VONT原边线圈所加直流最小时对应的最大导通时间此时间约为75S计算出变压器原边的匝数4617528203917922PN匝输出的最高电压为70V,整流管和绕组压降为1V,原边每匝的伏数为4611646/28V匝计算出副边匝数70151646SN匝3绕组的设计与绕制当绕组中通过高频电流时由于高频磁场与电荷的相互作用会产生集肤效应由于集肤效应的存在电子在导线中的流动并不沿导线截面均匀分布而是趋向于导线的外表面运动这样就减小了导线的有效面积通过高频电流的实际电阻比直流时的25电阻大电流的频率越高实际电阻越大所以在选择高频变压器原副方绕组线径时必须考虑集肤效应的影响解决这个问题的有效方法是采用小直径的多股导线并绕尤其是大电流时采用和变压器窗口高度相近的薄铜带绕制当高频变压器的工作频率为100KHZ时铜带厚度一般为05MM,此时有效截面积和直流时的截面积基本相等本文中变压器的原变和副边绕组都采用铜带绕制原方线圈采用双层02MM厚2CM宽的铜带叠加而成副方采用4CM宽02MM铜片绕制而成铜带都用较好的绝缘材料聚四氟乙烯缠绕为了减小漏磁先绕制原方线圈14匝然后绕制副方线圈5匝引出中间抽头再绕制副方线圈5匝接下来再接着缠绕原方剩下的14匝将副边绕组置于原边两层绕组之间以取得最佳的原副边的耦合如图34所示经测量所得的电气参数为原方电感462MH,漏感11H副方电感0608MH磁芯副方绕组原方绕组图34高频变压器的绕制示意图324隔直电容如图31所示,隔直电容C109的作用是为了防止变压器的偏磁导致铁芯饱和并产生过大的开关元件电流从而降低了变换器的效率甚至导致开关元件损坏而如果在变压器原方绕组串联耦合电容后则变压器原边不平衡的伏秒值成正比的直流偏压将被此电容滤掉即移动了直流电平这样在变压器的原方就会自动平衡电压的伏秒值本课题中隔直电容可按下式计算26216SOITPCUH314式中ST全桥变换器的工作周期取83SOP输出功率取35KWIU全桥变换器的输入直流电压取最小直流电压436VH全桥变换器的效率考虑效率比较低时取075代入314计算得C33F考虑到隔直电容的充电电压不能过高以免影响电压全桥变换器的调整率本文中选取隔直电容值为10F且采用无极性的薄膜电容器其ESR较低可以减小热效应325付方整流滤波电路设计副方整流电路如图31所示变压器的副边是双半波整流电路开关整流二极管将高频变压器输出的正负对称的方波整流成单向脉动直流然后采用LC输出滤波器将脉动直流平衡成低纹波直流电压在一组开关管导通期间电源通过滤波电感向负载供电一部分能量存储在滤波电感中在开关管截止时存储在电感中的能量继续向负载供电此时负载电流来自于滤波电容1输出整流二极管的选择整流二极管必须具有正向压降低快速恢复的特点变压器的副边是双半波整流加在整流管上的反向压降为MAX282/2618/2215DRINVVNV为安全起见考虑25倍的安全余量可选用600V的整流管另外在双半波整流电路中一个开关周期内整流管的开关情况是当变压器副边有电压时只有一个整流管导通当变压器副边电压为零时两个整流管同时导通可以近似认为它们流过的电流相等即均为负载电流的一半这样可按下式来计算整流管的电流2211222OODRIDIDI315变压器副边的最大占空比为09在70V档时负载电流的过载电流值为125A根据上式可以算出86DRIA由此可选IXYS公司的快恢复二极管DSEI210106A,27主要参数为600RRMVV,296FAVMIA,35RRTNS具体参数如下2滤波电感和电容的选择37选择滤波电容通常需要确定三个参数电容器的容量影响到负反馈控制回路的带宽其等效电阻ESR直接影响到电源的输出电压纹波和纹波电流等级LC滤波器从两个方面影响开关电源的特性第一LC滤波器对系统的总稳定性有十分强烈的影响第二一个小的L和大的C将引起输出滤波器有一低的浪涌阻抗负载阶跃变化时使电源有一个理想的瞬间特性考虑到最高输出电压70V,额定电流100A,本文选用的滤波电容为4个4000UF/100V的电解电容并联以消除电压纹波滤波电感为40H326电压吸收回路变压器副方的整流二极管在关断时要承受很高的反向电压整流二极管上的过高反向电压不利于二极管正常可靠的工作因此为了提高系统的可靠性保护整流二极管不被反向电压击穿以及减小输出电压纹波设计了整流二极管吸收电路如图35所示R11310/10W1N/1600VC111D101图35整流二极管电压吸收电路28在整流二极管两侧并联了一个阻容回路用以整流二极管的反向尖峰电压其中电阻为10/10W电容为1N/1600V滤波电感前端具有很高的尖峰电压为了减少输出电压纹波和电流纹波本文设计了图36所示的吸收回路二极管电容电阻构成电感前端尖峰电压吸收回路当副方整流二极管开通时滤波电感前的尖峰电压通过二极管被电容吸收电容和电阻构成放电回路R117162/20WC115330NF/400V40U/50AL101DSEI3006A图36滤波电感电压吸收电路33100电源模块的并联前面本文阐述的是100A直流电源模块的主回路而本文所要设计的是600A电源而600A电源是由6个100A电源模块并联而成的并联包括主电路的并联和负载均流电路的连接主电路的并联也就是将各个模块的输出端通过铜接线柱并联起来然后接至电源装置的输出端子负载均流电路的将在控制电路中加以阐述294驱动及控制电路设计本文所设计的直流开关电源系统的系统电路路主要包括一下几个部分辅助电源保护电路电压反馈电路电流反馈电路PWM控制负载均流电路等41辅助电源为了给控制回路供电本系统设计了四路控制电源其中两路5V两路12V4115V电源设计OUTIN1N40075VGNDD1D4D3D5D6D2C6931000U/16VC694470U/10V7805ABCAC9V图415V辅助电源电路图如图41所示380V三相交流电通过变压器后得