高性能开关电源变频器设计(本科 自动化)

1、 长江大学工程技术学院毕业设计(论文)题 目 名 称高性能开关电源的变频器设计系 部信息系专 业 班 级自动化61002班学 生 姓 名xxx指 导 教 师xx辅 导 教 师时 间2013年11月至2014年6月目 录长江大学工程技术学院1长江大学工程技术学院毕业设计任务书4长江大学工程技术学院6毕业设计（论文）开题报告6长江大学工程技术学院毕业设计(论文)指导教师审查意见12长江大学工程技术学院毕业设计(论文)评阅教师评语13长江大学工程技术学院毕业设计(论文)答辩记录及成绩评定14高性能开关电源的变频器设计15Abstract161.前言182选题背景183、变频器系统203.1变频器简介

2、2032变频器用开关电源简介2133 设计要求234 开关电源分类与原理244.1开关电源的定义及分类2442反激式变换器拓扑254.2.1 基本原理254.3开关变压器的设计264.3.1变压器的设计原则264.3.2漏感的影响304.3.4 MOSFET驱动技术304.3.5 RCD钳位314.3.6反馈环路325 芯片的选择3551 UC3842及外围电路35511 uc3842原理介绍356 硬件电路设计376.1 工作原理376.2电路功能模块设计387 变压器的设计4071 设计参数407.2 设计步骤407.21 选择磁芯407.22 计算ton和最低输入直流电压USmin417

3、.2.3 选择工作时的磁通密度417.2.4 计算副边线圈匝数417.2.5 确定气隙的大小417.2.6 小结428 调试结果和结论42致谢44参考文献45长江大学工程技术学院毕业设计任务书系 信息系 专业 自动化 班级 1002 。学生姓名 xxx 指导教师/职称 xx 1. 毕业设计(论文)题目：高性能电源开关的变频器设计2毕业设计(论文)起止时间：2013年10月11日2014年6月1日3毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）1 徐玉颖,潘海鹏.电机变频调速系统中开关电源设计与应用J.机床与液压.20092 潘勇,孙斌,吴国亮.一种变频器用380V交流输入开关电源设计J

4、.微计算机信3 咸庆信.变频器使用电路图集与原理图说M.北京:机械工业出版社,2009 4 刘东波.变频器用开关电源设计与性能的研究D.河北:河北工业大学,2009 5 张燕宾.开关电源在变频器中的应用J.技术纵横报,2012 6 韩新华.反激式开关电源的分析与研究J.太原科技报,20097 刘武祥,金星,刘群.基于UC3842的反激式开关电源的控制环路设计J.电源技术与应用.2007 8 王划一.自动控制理论M.北京:国防工业出版社.20019 黎晓贞,涂敏.基于UC3842开关稳HI电源的设计J.电子技术.2009 10 旷建军,阮新波.JT关电源中电感气隙的设计与研究J.电子发烧友.20

5、104毕业设计(论文)应完成的主要任务（1）查阅文献，提出研究方案，2013年11月11日前完成开题报告。（2）开关电源分类与原理（3）反激式开关电源的设计（4）开关电源的测试、仿真与调试（5）2014年5月25日前提交毕业设计（论文）初稿，要求排版格式规范，字数在15000字左右。5任务书下达日期 2013 年 11 月 1 日 指导教师(签字) 长江大学工程技术学院毕业设计（论文）开题报告题 目 名 称高性能开关电源的变频器设计系 部信息系专 业 班 级自动化61002班学 生 姓 名xxx指 导 教 师xx辅 导 教 师xx开题报告时间2013年11月1日高性能开关电源的变频器设计 学

6、生：xxx，信息系指导教师：王 宇，信息系一、题目来源本题目来源于社会实践。二、研究（设计）目的和意义变频调速以其优异的调速和起制动性能、高效率、高功率因数和节电效果,在各行各业中各种设备上迅速普及应用，已成为当今世界节约电能、改造传统产业、改善工艺流程、提高生产过程自动化水平、推动技术进步的重要手段之一,在各种生产机械如风机、冶金、机床、矿山、医药、纺织机械等有着广泛的应用。变频器的正常工作需要一个多路隔离输出辅助开关电源为其控制系统、驱动系统、通信系统等功能模块提供稳定的直流电压,开关电源性能的优劣直接对电机调速控制器信号的准确性和可靠性产生较大影响,所以开关电源的设计是变频器硬件设计的核

7、心之一,显得尤为重要。因此,对于变频器的开关电源的设计是必不可少的，开关电源相当于变频器系统中的“心脏”，控制系统和驱动电路中的芯片的工作电压均由开关电源提供，开关电源性能的稳定关系到整个变频器的可靠性。三、阅读的主要参考文献1徐玉颖，潘海鹏电机变频调速系统中开关电源设计与应用J机床与液压，2009，37(8)：378-3812潘勇，孙斌，吴国亮一种变频器用380V交流输入开关电源设计J微计算机信息，201 1，27(8)：94-983咸庆信变频器使用电路图集与原理图说M北京：机械工业出版社，2009：1844刘东波变频器用开关电源设计与性能的研究D河北：河北工业大学，20095张燕宾开关电源

8、在变频器中的应用J技术纵横报，2012(1)：6656陶显芳开关电源原理与设计M福建：福建科学技术出版社，2008：1107韩新华反激式开关电源的分析与研究J太原科技报，2009(1)：95-968胡雪梅，韩金玲开关电源的分类应用及发展J江西电力职业技术学院学报， 2006，9(4)：27-289Abraham IPressman开关电源设计M北京：电子工业出版社，2005：71-32410徐泽玮电源技术与电子变压器J国际电子变压器，2009(7)：1-811赵修科实用电源技术手册(磁性元器件分册)M辽宁：辽宁科技出版社，2002：711201 2Patrick SeogginsA Guide

9、 to Designing Gate-Drive TransformersPower ElectronicsTechnologyJ，2007：32-3613张占松，蔡宣三开关电源的原理与设计M一匕京：电子工业出版社，2005：23725414旷建军，阮新波开关电源中电感气隙的设计与研究J电子发烧友，2010(6)：1615付浩，谢海明非接触式电磁耦合变压器关键参数的仿真与分析J世界电子元器件，2010(3)：6-10四、国内外现状和发展趋势目前，就国内变频器市场格局而言，业内人士将其概括为，目前变频器通用领域内资企业占据80%以上的市场份额，竞争激烈导致10年价格大幅下滑；高性能市场仍以外资品

10、牌为主，未来将成为国内变频器企业的主攻方向。是国内智能化电气研发、生产和销售的为一体的高新技术企业。生产变频调速器、电机软起动器等工业自动化控制的厂家，产品采用重载型设计，过载能力强，具有超大起动和运行容量、完善的自动检测、保护和控制性能，可以起动和控制任何类型的重型负载电动机，产品已广泛应用于冶金、矿山、造纸、化工、建材、机械、电力、以及建筑系统等所有工业传动领域近年来，中国变频器的市场保持着12-15%的增长率，预计至少在未来5年内将会保持10%以上的增长率。目前，中国市场上变频器安装容量（功率）的增长率实际上在20%左右，预计至少在10年以后，变频器市场才能饱和并逐渐成熟。步入21世纪后

11、，国产变频器逐步崛起，现已逐渐抢占高端市场。上海和深圳成为国产变频器发展的前沿阵地，涌现出了像汇川变频器、英威腾变频器、安邦信变频器、欧瑞变频器等一批知名国产变频器。其中安邦信变频器成立于1998年，是我国最早生产变频器的厂家之一。十几年来，安邦信人以浑厚的文化底蕴作基石，支撑着成长，企业较早通过TUV机构ISO9000质量体系认证，被授予“国家级高新技术企业”， 多年被评为 “中国变频器用户满意十大国内品牌”。 整个高压变频器市场没有出现持续的爆发式的增长，但我国变频器品牌已经涵盖了几乎所有领域，而且相对国际品牌有信价比优势。目前看，内资高压变频器的市场占比已经超过55%.从企业排名看，合康

12、变频增长13.2%，市场占比13%，已经跻身行业首位的位置；利德华福市场占比12%、西门子占比11%、ABB占比9%、东方日立占比5%.国电四维发展速度较快，2012年增长44%，行业占比接近5%。中国中高压变频器市场具有广阔的发展空间，随着市场的扩大和用户端需求的多样化，国内变频器产品的功能在不断完善和增加，集成度和系统化越来越高。五、主要研究（设计）内容、关键问题及解决思路5.1 主要研究内容高性能开关电源的变频器设计的主要任务是围绕变频器用多路输出反激式开关电源进行的，重点在于研究开关电源的设计、测试、仿真及调试。本系统主要研究内容包括：（1）首先简要说明了变频器的工作原理，归纳了开关电

13、源应用在变频器中的优势及开关电源在变频器中如何获取直流电压，简要列出了本文设计的开关电源各路输出电压大小、纹波等要求；（2）接着论述了变频空调的工作原理，分析了变压器在变频空调中的应用，简要分析了变频空调的发展前景和发展方向。之后简要叙述了开关电源的分类与原理，说明了变压器的设计原则。（3）最后对控制系统结构、开关变压器设计，开关噪音的抑制方面进行了简要叙述。5.2 关键问题变频器是一个复杂的电机控制系统,由于市场和使用环境的要求要做到体积小、成本低、可靠性高,作为变频器稳定工作的必要前提,其内部供电的开关电源也必须做到体积小、成本低、可靠性高、维修简单。5.3 解决思路变频器上电后,开关电源

14、中变IE器的一次侧线圈获得直流输入电压的方式一般为如下几种: (1)R、S、T交流电EI整流后直接供电,即从变频器内部的P、N回路直接向开关电源输入直流电压;(2)R、S、T交流电压整流后分压取其一半,在变频器P、N电路中并联两组串联的电解电容从中取出直流电压作为开关电源的直流输入电压,从而可以大大降低对开关电源的耐压要求; (3)R、S、T中任两路交流电压通过变压器降压后再经过整流滤波向开关电源输入直流电压,这样设计可以让变频器先得到电,在控制线路己经做好了准备后才会使变频器工作。 图(1) 取直流电源 图(2) 取直流电源一半图(3) 独立电源变频器设计时考虑到体积、成本等因素的制约,在绝

15、大多数变频器里,开关电源的输入电压采用方式(a)获取,即直接用直流高压Ud,而直流高压Ud的稳定性不好,造成旳主要原因如下: (1)滤波线路效果不佳,变频器的直流回路中一般只有简单的电容k波,使得输出电压纹波较明显; (2)Ud会随负载变动而变动,众所周知,电机工作时的负载大小是经常变动的,而直流电压Ud也随电机负载变动而变动; (3)电压波动明显,在过渡过程中比如电机减速、加速的过程中,直流电压Ud的波动幅度会比较大。因此,变频器用开关电源需要采用一些措施来稳压,如采用反馈校正装置、增加线性稳压器、采取多级滤波整流的方式等,以此确保输出直流电压能够为变频器稳定可靠供电。六、完成毕业设计（论文

16、）所必须具备的工作条件开关器件七、预期成果（达到目标）仿真和实验结果表明,设计的开关电源在变频器运行时各项指标均符合要求,证明了此设计的可行性,与理论分析一致。八、工作的主要阶段、进度与时间安排第一阶段：2013年11月1日2013年11月10日，查阅文献资料，完成开题报告；第二阶段：2013年11月11日2014年3月31日，完成概要设计和详细设计；第三阶段：2014年4月1日2014年4月30日，编制软件；第四阶段：2014年5月1日2014年5月20日，测试各功能模块以及系统测试；第五阶段：2014年5月21日2014年6月1日，撰写论文。九、指导老师审查意见长江大学工程技术学院毕业设计

17、(论文) 指导教师审查意见学生姓名xxx专业班级自动化1002毕业设计(论文)题目高性能开关电源的变频器设计指导教师xx职 称审查日期审查参考内容：毕业设计(论文)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业设计(论文)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。审查意见：指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学工程技术学院毕业设计(论文)评阅教师评语学生姓名xxx专业班级自动化1002毕业设计(论文)题目高性能开关电源的变频器设计评阅教师xx职 称评阅

18、日期评阅参考内容：毕业设计(论文)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业设计(论文)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学工程技术学院毕业设计(论文) 答辩记录及成绩评定学生姓名xxx专业班级自动化1002毕业设计(论文)题目高性能开关电源的变频器设计答辩时间 年 月 日 时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：

19、_分 毕业设计(论文)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业设计(论文)评分的相关规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日系答辩委员会主任(签名)： 系 (盖章)高性能开关电源的变频器设计学生：xxx，信息系指导老师：xx，信息系【摘要】变频器主要由整流、逆变、制动单元、驱动、开关电源、控制板和滤波放大器电路组成。开关电源是利用现代电力电子技术控制开关管开通和关断的时间比率维持稳定输出电压的一种电源，通过PWM脉冲控制IC和MOSFET构成。控制系统和驱动电路中芯片的工作电压均由开关电源提供，其设计是变频器硬件设计的核心之一

20、，开关电源性能的优劣会直接影响到变频调速系统的整体工作性能。本论文的工作主要是围绕变频器用多路输出反激式开关电源进行的，设计了一种为变频器内部电路提供的多功能开关电源，该电源能通过PWM调节自适应直流输入端大范围的电压浮动，具有稳定的5路直流电压输出。该电源基于峰值电流控制型芯片UC3842，论述了其工作原理和外围电路的设计。主电路中DC-DC变换环节采用单端反激式隔离变压器，着重介绍了其设计过程，包括磁芯的选择、原边及各路输出匝数的计算。经过调试和实验测试，该电源能够在输入电压变化较大的情况下长期稳定的工作，为变频器可靠供电。首先简要说明了变频器的工作原理，归纳了开关电源应用在变频器中的优势

21、及开关电源在变频器中如何获取直流电压。接着论述了反激式变换器拓扑的工作原理，分析了变压器、RCD钳位线路、反馈环路等设计过程中的关键技术，并简要分析了为何选择反激式拓扑且芯片选择UC3842，在上述理论分析的基础上对开关电源的UC3842的工作原理和外围电路的设计。最后对开关电源的输出电压、纹波、驱动波形、EMI传导、辐射、温升等指标进行整机测试。仿真和实验结果表明，设计的开关电源在变频器运行时各项指标均符合要求，证明了此设计的可行性，与理论分析一致。【关键词】变频器、开关电源、UC4832Abstract Inverter consists of rectifier, inverter, b

22、rake unit, driving, switching power supply, control panel and a filter amplifier circuit. The switching power supply is a power supply control switch turn-on and turn off time ratio of a stable output voltage of the use of modern electronic technology, through the PWM pulse control IC and MOSFET. Co

23、ntrol and drive circuit voltage chip is provided by the switching power supply, its design is one of the core inverter hardware design, the performance of switching power supply quality will directly affect the overall performance of variable frequency speed governing system.The main work of this th

24、esis is a multiple output flyback switching power supply on inverter, designed a kind of internal circuit of frequency converter for multi-function switch power supply, the power supply input voltage range of floating through the PWM adaptive regulation of DC, with 5 stable DC voltage output. The po

25、wer supply in the peak current control chip based on UC3842, discusses the design of its working principle and peripheral circuit. DC-DC converter main circuit of the single end flyback transformer isolation, the paper introduces its design calculation process, including the selection of magnetic co

26、re, the original edge and each output turns. After debugging and testing, the power supply to the long-term stability in the input voltage variation under large work for reliable power supply, inverter.First a brief description of the working principle of the inverter, summed up the advantages of sw

27、itching mode power supply and application in frequency converter and how to get the DC voltage in the inverter.Then this paper discusses the working principle of flyback converter topology, transformer is analyzed, the RCD clamp circuit, feedback loop, the key technology in the design process, and a

28、 brief analysis of why the choice of flyback topology and chip selection of UC3842, the principle of design and the peripheral circuit switching power supply for the UC3842 on the basis of the analysis on the.Finally, the test of the switching power supplys output voltage, ripple, driving waveform,

29、EMI conduction, radiation, Wen Sheng index.The simulation and experimental results show that, switching power supply design in the inverter operation indexes meet the requirement, to prove that the design is feasible, consistent with the theoretical analysis.Keyword： inverter, switching power supply

30、, UC4832XIII前言高性能开关电源的变频器1.前言变频调速以其优异的调速和起制动性能、高效率、高功率因数和节电效果,在各行各业中各种设备上迅速普及应用，已成为当今世界节约电能、改造传统产业、改善工艺流程、提高生产过程自动化水平、推动技术进步的重要手段之一,在各种生产机械如风机、冶金、机床、矿山、医药、纺织机械等有着广泛的应用【1】。变频器的正常工作需要一个多路隔离输出辅助开关电源为其控制系统、驱动系统、通信系统等功能模块提供稳定的直流电压,开关电源性能的优劣直接对电机调速控制器信号的准确性和可靠性产生较大影响,所以开关电源的设计是变频器硬件设计的核心之一,显得尤为重要【2】。因此,对于

31、变频器的开关电源的设计是必不可少的，开关电源相当于变频器系统中的“心脏”，控制系统和驱动电路中的芯片的工作电压均由开关电源提供，开关电源性能的稳定关系到整个变频器的可靠性。对应用于电机变频调速系统的开关电源有着较高的要求，在开关电源设计、layout与调试的过程中，要确保其温升、可靠性、体积、EMC等方面符合指标要求。2选题背景目前，就国内变频器市场格局而言，业内人士将其概括为，目前变频器通用领域内资企业占据80%以上的市场份额，竞争激烈导致10年价格大幅下滑；高性能市场仍以外资品牌为主，未来将成为国内变频器企业的主攻方向。是国内智能化电气研发、生产和销售的为一体的高新技术企业。生产变频调速器

32、、电机软起动器等工业自动化控制的厂家，产品采用重载型设计，过载能力强，具有超大起动和运行容量、完善的自动检测、保护和控制性能，可以起动和控制任何类型的重型负载电动机，产品已广泛应用于冶金、矿山、造纸、化工、建材、机械、电力、以及建筑系统等所有工业传动领域近年来，中国变频器的市场保持着12-15%的增长率，预计至少在未来5年内将会保持10%以上的增长率。目前，中国市场上变频器安装容量（功率）的增长率实际上在20%左右，预计至少在10年以后，变频器市场才能饱和并逐渐成熟。步入21世纪后，国产变频器逐步崛起，现已逐渐抢占高端市场。上海和深圳成为国产变频器发展的前沿阵地，涌现出了像汇川变频器、英威腾变

33、频器、安邦信变频器、欧瑞变频器等一批知名国产变频器。其中安邦信变频器成立于1998年，是我国最早生产变频器的厂家之一。十几年来，安邦信人以浑厚的文化底蕴作基石，支撑着成长，企业较早通过TUV机构ISO9000质量体系认证，被授予“国家级高新技术企业”，多年被评为“中国变频器用户满意十大国内品牌”。 整个高压变频器市场没有出现持续的爆发式的增长，但我国变频器品牌已经涵盖了几乎所有领域，而且相对国际品牌有信价比优势。目前看，内资高压变频器的市场占比已经超过55%.从企业排名看，合康变频增长13.2%，市场占比13%，已经跻身行业首位的位置；利德华福市场占比12%、西门子占比11%、ABB占比9%、

34、东方日立占比5%.国电四维发展速度较快，2012年增长44%，行业占比接近5%。中国中高压变频器市场具有广阔的发展空间，随着市场的扩大和用户端需求的多样化，国内变频器产品的功能在不断完善和增加，集成度和系统化越来越高。第 33 页 共29 页变频器系统3、变频器系统3.1变频器简介 图3.1变频器结构图如图31所示，变频器结构主要由整流电路、逆变电路、驱动电路、开关电源电路、控制板电路和电压、电流检测后的滤波放大器电路所组成【3】。变频器的三相交流输入分别标示为R、S、T，三相交流输出分别标示为U、V、W。R、S、T三相交流电首先经过三相整流器整流成直流电，直流回路的正、负端分别标注为P、N端

35、，作为开关电源的输入直流电压，开关电源正常工作后给控制系统、驱动电路提供稳定可靠的直流电压，控制系统发出激励脉冲信号，控制逆变器中的3组IGBT开通与截止，从而控制U、V、W三相输出的幅值和频率。U、V、W三相输出电流经过电流传感器检验后发给控制板中的CPU，供其判断输出电流是否存在异常。光电编码器则将马达转速反馈给控制系统，实现转速闭环控制。由此可见，开关电源相当于变频器系统中的“心脏”，控制系统和驱动电路中的芯片的工作电压均由开关电源提供，开关电源性能的稳定关系到整个变频器的可靠性。32变频器用开关电源简介电力电子传动技术与人类生活和生产的各个领域都密不可分，变频器作为电力电子传动设备的重

36、要一份子，其应用得到了巨大的发展，变频器控制技术也有了较大的改进，从最初的单一电机控制发展到包含反馈检测、过流保护、过压保护、欠压保护、故障报警、温升报警等多功能的变频器控制系统，为了确保如此复杂的变频控制系统可以正常、可靠、稳定的工作，需要有多路稳定输出的开关电源为其供电，这是变频器能够正常工作的先决条件。考虑市场因素和集成线路的发展，使得变频器越来越小型化和低成本化，因此也加速要求了开关电源朝着轻、薄、小和高效等方向发展。传统稳压电源采用工频变压器使得体积、重量过大，根本无法顺应变频调速器的小型化、轻型化的发展，电源开发应用工程师们于是着手研发新型电源，开关电源因其特有的优点：功耗小、效率

37、高、体积小、重量轻、稳压范围宽、滤波效率高、电路形式灵活多样，受到了很广泛的关注，目前变频调速器设备设计时已广泛采用开关电源为其可靠稳定供电【4】。变频器上电后，开关电源中变压器的一次侧线圈获得直流输入电压的方式一般为如下几种：(1)R、S、T交流电压整流后直接供电，即从变频器内部的P、N回路直接向开关电源输入直流电压；(2)R、S、T交流电压整流后分压取其一半，在变频器P、N电路中并联两组串联的电解电容从中取出直流电压作为开关电源的直流输入电压，从而可以大大降低对开关电源的耐压要求；(3)R、S、T中任两路交流电压通过变压器降压后再经过整流滤波向开关电源输入直流电压，这样设计可以让变频器先得

38、到电，在控制线路已经做好了准备后才会使变频器工作。 图1 取直流电源 图2 取直流电源一半图3 独立电源变频器设计时考虑到体积、成本等因素的制约，在绝大多数变频器里，开关电源的输入电压采用方式(a)获取，即直接用直流高压Ud，而直流高压Ud的稳定性不好，造成的主要原因如下：(1)滤波线路效果不佳，变频器的直流回路中一般只有简单的电容滤波，使得输出电压纹波较明显；(2)Ud会随负载变动而变动，众所周知，电机工作时的负载大小是经常变动的，而直流电压Ud也随电机负载变动而变动；(3)电压波动明显，在过渡过程中比如电机减速、加速的过程中，直流电压Ud的波动幅度会比较大【5】。因此，变频器用开关电源需要

39、采用一些措施来稳压，如采用反馈校正装置、增加线性稳压器、采取多级滤波整流的方式等，以此确保输出直流电压能够为变频器稳定可靠供电。33 设计要求本论文的工作主要是围绕变频器用多路输出反激式开关电源进行的，设计了一种为变频器内部电路提供的多功能开关电源，该电源能通过PWM调节自适应直流输入端大范围的电压浮动，具有稳定的5路直流电压输出。该电源基于峰值电流控制型芯片UC3842，论述了其工作原理和外围电路的设计。主电路中DC-DC变换环节采用单端反激式隔离变压器，着重介绍了其设计过程，包括磁芯的选择、原边及各路输出匝数的计算。经过调试和实验测试，该电源能够在输入电压变化较大的情况下长期稳定的工作，为

40、变频器可靠供电。多功能开关电源要求为变频器逆变器3个上桥臂的IGBT提供驱动电压，并为其他部分提供电源，具体指标如下： 输入：直流250V40%，即150350；输出：3路24V、2A独立输出，2路15V、0.2A共地输出；1路5V、1A输出。由于逆变器3个上桥臂每一时刻最多有2个同时导通，所以输出总功率为110W。开关电源分类与原理4 开关电源分类与原理4.1开关电源的定义及分类开关电源就是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由通过控制电路，使开关器件(如晶体管、MOSFET、可控硅闸流管等)不停地“导通”和“关断，让电子开关器件对输

41、入电压进行脉宽调制，从而实现DCAC、DCDC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压【6】。随着现代电力电子技术的发展，尤其是大功率MOS管工艺的迅速发展，开关电源的优点越来越明显，工作频率可达150200KHz，损耗低，效率可高达9095。较传统稳压电源所用笨重的工频变压器，开关电源所用高频变压器使得体积、重量大幅减小，输出电压纹波可降低到005以内，稳定度高，对外界干扰免疫力高，这些显著的优势使得开关电源的应用很普及，小功率主要应用于家电、IT等领域，如电脑、彩电、空调、摄像机、LED照明、冰箱、变频器等仪器上；而大功率主要应用于工业和军事上，如粒子加速器、电磁发射等等，此类开关电源的平均功

42、率一般都在几百千瓦以上，而体积、重量却只有传统稳压线性电源的几十分之一【7】。现代开关电源按输入电压类型可分为直流(DCDC)和交流开关电源(ACDC)两大类。DCDC开关电源按输出与输入之间是否存在电气隔离(通常通过变压器来实现)划分为隔离式与非隔离式，输出与输入之间无电气隔离作用的称为非隔离型，有电气隔离作用的称为隔离型【8】。隔离式与非隔离式开关电源还可以按有源功率器件的个数来继续划分，可以将开关电源按下表41所示分类：由表41可知，开关电源的种类繁多，每一种拓扑都有其自身独特的优点及缺点，在设计开关电源之前，首先要考虑的就是要选择合适的拓扑类型，可大大提高设计的效率及成功率。文中设计的

43、变频器用开关电源采用单管反激式拓扑，本章节接下来针对反激式拓扑的原理与设计过程中的关键步骤进行详细描述。42反激式变换器拓扑反激式变换器的拓扑在输出功率51 50W电源中应用非常广泛，具有结构简单、输入输出电气隔离、电压升降范围宽、易于多路输出、可靠性高、造价低等优点9。由于这些优点，目前单管反激式开关电源在家电领域中被广泛应用。本小结首先简单分析了单管反激式拓扑的基本原理，接着详细讲述了反激式开关电源设计的主要步骤和关键公式，并对反激式开关电源中主要元器件的参数及原理进行了说明。4.2.1 基本原理图4.1 反激式拓扑图反激式开关电源的拓扑如图41所示，当PWM脉冲输入高电平时，开关管Q1开

44、通，Vi。加在变压器的一次侧绕组P1两端，原边电流ID线性增加，磁通增加，根据同名端的标识和楞次定律很容易判断此时的输出整流管D1反偏，C1单独向负载供电；Q1关断时，原边电流下降，根据楞次定律知副边绕组电压反向，Q1导通期间存储在变压器中的能量通过整流二极管Dl传送到负载和输出滤波电容C1，变压器除了起到变压、隔离的作用外，还起到储能电感的作用，不需要接输出滤波电感，成本降低，体积减小，适用于多路输出的场合。输出电压Vo接负反馈闭环，V。的采样电压与误差放大器的参考电压相比，产生的误差信号控制Q1的导通时间，使输出采样电压在输入电压和负载变化时随参考电压变化，使得输出电压对输入电压的变化调整

45、的很好，但对负载变化调整稍差【9】。4.3开关变压器的设计4.3.1变压器的设计原则变压器是一种改变电流、电压大小的器件，根据电磁感应的原理工作的，其主要由原边绕组、副边绕组、磁芯、引线等构成。变压器是开关电源中的核心器件之一，主要起磁能转换、电压变换、绝缘隔离的作用10。(1)确定初次级匝数比忽略漏感尖峰电压时，开关管MOSFET所能承受的最大关断电压应力由变压器匝数比决定，并设整流管压降Vf为1V，则当输入直流电压最大时，开关管MOSFET所承受的最大关断电压应力为：匝数比的选择应使Vd。尽量小，保证即使有0.3Vin的漏感尖峰叠加于Vds，对MOSFET所能承受的最大关断电压应力仍留有3

46、0的裕度。(2)初级电感设电源效率为，则：输入功率 Pm=1/输出功率化简的： (3)初、次级线圈匝数选择合适的磁芯，根据电磁感应定律，决定原边线圈匝数：(4)初、次级电流有效值和导线尺寸初级绕组电流波形为三角波，峰值为Ip_peak，则有效值为：选取合适的电流密度J，原边绕组线径： 单路输出反激式副边绕组线径副边绕组电流有效值：副边绕组线径： 多路输出反激式副边绕组线径副边绕组电感：副边绕组峰值电流：副边绕组电流有效值：副边绕组线径：最后考虑集肤效应：若S2，则绕组采取单股线绕制，若S，则采取多股线绕制11。(5)气隙气隙是指变压器中磁路之间的空气间距，气隙越大则磁阻越大、磁导率越低，降低对

47、磁芯的初始磁导率的依赖性，可有效防止发生直流偏置时变压器饱和。但是加大气隙使磁导率减小则会要求变压器原边绕组匝数增多，变压器铜损增加而且会增加开关管的关断尖峰电压，所以气隙大小的选取须适中12。DCM模式下的反激式电源，原边流过电流I。时，没有电流流过副边绕组以抵消初级安匝，由NBAe=NI可知，反激变换器中初级安匝趋于使磁芯饱和。由安培环路定律NI=HI以及NBAe=NI、B=u*H推导得：式(214)可知，若磁芯没有气隙，很小的磁化电流产生磁场强度H就可以使B饱和，此时再增加磁化电流会使磁导率u急剧减小，电感量无法满足。因此，必须采取措施防止反激式电源在初级电流较大的情况下磁芯饱和。通常的

48、做法是给磁芯加入气隙，使磁滞曲线H轴倾斜，磁导率u降低，更重要的是可以提高饱和安匝数。图4.2 有无气隙时磁芯第一象限磁滞回环由图4.2知，磁芯没有气隙时，Hdc1会产生磁感应强度BDC；有气隙时，可以加上大得多的Hdc2去产生同样的Bdc0由NI=HI可知，饱和安匝数就可以大大提高，就能有效防止变压器磁芯饱和。图4.3 能量传递与气隙大小的关系左图，当磁芯气隙很小时，反激变换器中变压器的磁化曲线及传递的能量；右图， 当磁芯气隙很大时，反激变换器中变压器的磁化曲线及传递的能量。由图4.3可知，增加气隙后磁化曲线向H轴倾斜，还可以使变压器传递更多的能量。在需要一定的传递能量条件下，B的取值可以变

49、小一些，这样可以降低磁芯损耗13。虽然气隙越大，越能防止磁芯饱和，传递的能量越多，但是气隙越大会导致漏感越大，磁滞损耗增加，绕组电感降低，所以要合理选择气隙的大小14。根据安培环路定律，气隙和铁心在磁场中的磁导率、磁通密度满足:磁芯气隙很小，磁力线仍然匝链在绕组中很少磁漏通。则Bg=Bfe。又由于物质的绝对磁导率=相对磁导率*真空磁导率，则：空气的磁导率近似为1，铁心的相对磁导率很大，则上式近似为：式中N为变压器原边匝数，L为原边电感，u0为真空磁导率，大小为4*10-7H/M。Ae为磁芯的有效截面积，Lg为气隙大小。磁芯中加入气隙导致变压器的漏感增大，还会引起漏感尖峰电压，易击穿开关管，4.

50、3.2漏感的影响对应漏磁通产生的感量，称之为漏感。漏感的产生跟线圈间耦合的紧密程度、线圈的绕制工艺、磁路的几何形状、磁介质的性能、气隙的大小等有关，漏感不参与能量传递，是变压器的寄生参数，应当越小越好，但漏感的影响却不可避免13。MOSFET关断时，漏感尖峰电压叠加在DS电压上，使得MOSFET电压应力大大增加，而且对电源的EMI产生不利影响；理论上反激变换器没有输出滤波电感，只有输出电容，相当于电压源，只要一路稳定，多路输出的其余各路基本按匝比稳定输出，但实际上反激电源的多路输出交叉调整率较差，就是由于漏感的影响16。MOSFET导通时，原边电流不断的上升，在MOSFET断开的瞬间，此电流传

51、送到副边，而如何被副边的多路输出分配主要根据各副边漏感决定的，传递到副边电流的大多数会传递到漏感较小的那路输出，而且用于反馈的主输出负载越重，其他各路辅输出负载越轻时，辅输出的电压升高越多，电压调整率越差17。4.3.4 MOSFET驱动技术MOSFET在开关电源领域堪称绝对主力元器件，属于电压控制型半导体器件，有栅 (G)、漏(D)、源(S)三个极性，下面就MOSFET导通时的时序图进行简要分析图4.4 MOSFET驱动时序图t0t1：PWM驱动脉冲高电平给栅、源极电容Cgs充电，Vgs电压以指数形式上升；tlt2：Vgs上升至MOSFET开启门槛电压Vth(大小见对应型号的datashee

52、t)时，开关管进入线性区，漏极电流缓慢上升；t2-t3：当漏极电流Id稳定时，Vgs不变，漏、源极电压Vds。开始下降，栅、漏极间电容Cgd(米勒电容)放电，也即米勒效应；t3t4：当漏、源极电压Vds降为0V时，MOSFET完全开通，PWM脉冲继续给Cgs充电，直至Vgs大小等于脉冲高电平，此即MOSFET的整个开通过程。其中，PWM脉冲脉宽大小由反馈系统调节，以此控制MOSFET导通和关断的时间，从而确保副边输出电压的稳定性。电源工作时MOSFET电压应力大、温升高，所以在选择开关管时需要考虑：最大反向尖峰电压、最大输入电流、允许的最高功耗及温度，一般在选择时都会留有一定的裕量。电源实际工

53、作时，由于高频状态下寄生参数很多，实际测试波形会与理论值存在差异，在调试过程中可通过修改驱动线路或变压器的参数控制其电压、功耗在允许范围内。4.3.5 RCD钳位由于变压器漏感的影响，反激电源在MOSFET关断瞬间会产生很大的尖峰电压，严重威胁着MOSFET的正常工作，必须采取措施对其进行抑制，其中RCD钳位法以其结构简单、成本低廉的特点而得以广泛使用18。如图21所示，RCD线路工作原理：当MOSFET导通时，能量存储在变压器原边电感Lp和漏感Lq中；当MOSFET关断时，Lp中的能量传送到副边输出端，然而Lq中的能量却无法传送到副边。如果无RCD钳位，漏感能量在MOSFET关断瞬间就会传递

54、到漏、源极电容Cds及其他杂散电容中去，则此时MOSFET关断电压应力会很大；加上RCD钳位电路后，MOSFET关断时漏感能量会转移到电容Csn上，当MOSFET导通时Csn上的能量会被电阻Rsn消耗掉，从而可以大幅减小开关管的关断电压应力。由于RCD钳位电路的钳位电压会随着负载变化而变化，如果参数Rsn、Csn设置不合理，会降低系统效率或达不到钳位要求而使MOSFET击穿损坏19，设计具体步骤可参考如下。当MOSFET关断时，Vds=Vin+(NpNs)Vo，二极管Dsn导通，原边电流给Csn充电，漏感Lq电压为Vsn(NpNs)V。，则电流Isn斜率为：一个周期内电容Csn充电时间：则RCD电路在一个周期