大功率直流开关电源方案设计书

1、大功率直流开关电源设计大功率直流开关电源设计青岛理工大学毕业设计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、大功率直流开关电源。本文详细分析了高性能、大功率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

2、时探讨了该电源系统实现大功率的解决方案，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UC3825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。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:DC-DC变换器，开关电源，均流，高频变压器，PWM控制I青岛理工大学毕业设计青岛理工大学毕业设计目录摘要IABSTRACTII第1章绪11.2国内2第2章电源的发展及国外现状开关电源的发

3、展及现状系统的整体分析和选择42.1系统整体概述42.2DC-DC变换器的选择5硬开关式全桥变换器52.2.2谐振式全桥变换器62.2.3移相式全桥变换器72.3控制电路的实路计求图103.2.1输入整流滤现72.4整流滤波回路的选择92.4.1输入整流滤波回路92.4.2输出整流滤波回9第3章开关电源主电路的设103.1开关电源的设计要103.2主电路组成框波电路113.2.2单相逆变桥123.2.3输出整流滤波电路123.3输入整流滤波电路设计123.3.1整流桥123.3.2输入整流电容133.3.3输入滤波电感133.4逆变电路的设计143.4.1功率转换电路的选择143.4.2确定电

4、路工作频率f143.4.3高频变压器的计算143.4.4选用高压开关管183.4.5隔直电容Cb的选择183.5输出整流滤波电路业设计3.5.1输出整流二极管输出滤波电感输出滤波电容电路的设计成控制器的基本原理脉宽调制器UC3825主要特点:19III青岛理工大学毕19193.5.320第4章控制214.1PWM集214.2高速224.2.1224.2.2极限参数:224.2.3内部电路工作原理234.3UC3825的调试274.4反馈电路的设计294.5保护电路的设计314.5.1软启动电路的设计314.5.2过流过压保324.6辅助电源344.7均流电路设计364.7.1概述并联系统常用的

5、均流方法池理论基础规充电方法方式364.7.2开关电源36第5章铅酸蓄电395.1蓄电池充电395.2蓄电池的常395.2.1恒压充电405.2.2恒流充电方式405.2.3恒流-恒压充电方式405.3快速充电技术415.3.1脉冲式充电法415.3.2变电流间歇充电法415.3.3变电压间歇充电法42第6章总结与展TOC o 1-5 h z望43致谢44参考文献45附录46IV青岛理工大学毕业设计第1章绪论1.1开关电源的发展及国外现状开关电源在通信系统中得到了广泛的应用，并已成为现代通信供电系统的主流，而通信业的迅速发展又极大地推动了开关电源的发展。在通信领域中，通常将高频整流器称为一次电

6、源而将直流一直流(DC/DC)变换器称为二次电源。同时，开关电源也在各种电子信息设备中，如计算机、充电电源等得到了广泛的应用。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，但它是相控电源，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

7、，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(JJJenSen)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

8、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”。经过几年的努力，从开关电源的电路拓扑型式到相配套的元器件等研究都取得了相当大的进展。在电路拓扑型式上开发出了单端贮能式反激电路、双反激电路、单端正激式电路、双正激电路、推挽电路、半桥电路、全桥电路，以适应不同应用场合、不同功率档次的需要；在元器件方面，功率晶体管和整流二极管的性能也有了较大的提高。1976年美国硅通用公司第一个做出了型号为SG1524的脉宽调制(PWM,PulseWidthModulation)控制芯片，极大地提高了开关电源的可靠性，并进一步减小了体

9、积。在随后的几年中，大功率晶体管(GTR)和功率场效应管(MOSFET)相继被研制出来，其电压、电流额定值大为提高，工作频率也提高较多，可靠性也显著增加。到80年代中后期，绝缘栅双极性晶体管(IGBT)已研制出来并投入了市场，各种通信设备所需的一次电源大多采取PWM集成控制芯片、双极型晶体管、场效应管、1青岛理工大学毕业设计绝缘栅双极晶体管。随着微电子学的发展和元器件生产技术的提高，相继开发出了耐压高的功率场效应管(VMOS管)和高电压、大电流的绝缘栅双极性晶体管(IGBT)，具有软恢复特性的大功率高频整流管，各种用途的集成脉宽调制控制器和高性能的铁氧体磁芯，高频用的电解电容器，低功耗的聚丙烯

10、电容等。主要元器件技术性能的提高，为高频开关电源向大功率、高效率、高可靠性方向发展奠定了良好基础。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

11、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国内开关电源的发展及现状建国初期，我国邮电部门的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。

12、但后来，我国的通信电源发展相当缓慢。1963年开始研制和采用可控硅（SCR）整流器,1965年着手研制逆变器和晶体管直流一直流（DC/DC）变换器，当时与发达国家相比只落后五六年.后由于十年动乱，研制工作一直停滞不前，除了可控硅整流器于1967年在武汉通信电源厂开始形成系列化生产，供通信设备作一次电源使用，并不断得到改进，性能和质量逐步提高外，其它方面进展十分缓慢。一直到80年代才开始生产20KHzDC/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

13、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，2青岛理工大学毕业设计不易实现集中监控。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，投入较大的力量，开始研制自己的开

14、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（包括远程监控）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。总的说来，开关电源

15、的发展趋势为:继续向高频、高效、高可靠、高密度化、低耗、低噪声、抗干扰和模块化发展。3青岛理工大学毕业设计第2章系统的整体分析和选择本章从整体上对开关电源的各种功能模块进行了介绍，主要阐述了各模块的结构、功能以及相互之间的关系，其中重点介绍了主变换器和控制电路，对当前开关电源常用的变换器的结构、优缺点、适用范围等进行了分析，在此基础上，结合本文的实际情况，选择了合适的变换器结构；在控制电路部分，介绍了开关电源控制电路各控制单元的功能以及实现方法。最后对开关电源整流滤波电路进行了简单介绍。2.1系统整体概述按照各部分的功能划分，从大的方面讲，开关电源可分成:机箱（或机壳）、电源主电路、电源控制电

16、路三部分。机箱既可起到固定的作用，也可起到屏蔽的作用。电源的主电路是负责进行功率转换的部分，通过适当的控制电路可以将市电转换为所需的直流输出电压。而控制电路则根据实际的需要产生主电路所需的控制脉冲和提供各种保护功能。开关电源的结构框图可如图2-1所示。ACEMI滤波器整流滤波高频变换器高频变压器高频整流滤波输出DC辅助电源PWM调节器误差比较放大器电压电流取样电路基准电压控制电路保护电路图2-1开关电源的结构框图从图中可以看出，这几部分是相辅相成的统一整体。在电源的研制和开发过程中必须对每一部分都进行认真的分析和研究，才能使所研制的开关电源满足设计要求。电源主电路通过输入整流滤波、DC-DC变

17、换、输出整流滤波将市电转为所需要的直流电压。开关电源的主回路可以分为:输入整流滤波回路、功率开关桥、输出整流滤波三部分。输入整流滤波回路将交流电通过整流模块变换成含有脉动成分的直流电，然后通过输入滤波电容使得脉动直流电变为较平滑的直流电。功率开4青岛理工大学毕业设计关桥将滤波得到的直流电变换为高频的方波电压，通过高频变压器传送到输出侧。最后，由输出整流滤波回路将高频方波电压滤波成为所需要的直流电压或电流，主回路进行正常的功率变换所需的触发脉冲由控制电路提供。控制电路是整个电源的大脑，它控制整个装置工作并实现相应的保护功能。一般控制电路应具有以下功能:控制脉冲产生电路、驱动电路、电压反馈控制电路

18、、各种保护电路、辅助电源电路。为了使开关电源设备正常的工作，使电源的各个组成部分都能发挥其最大的效能，就必须让电源的各个组成部分相互协调、相互协作、在电源的研制与设计过程中应对这方面的问题给予足够的重视。2.2DCDC变换器的选择DC-DC变换器是开关电源中实现功率转换的部分。DC-DC变换器的输入电压为三相整流电压，电压较大，对开关器件因此选用全桥式电路较为合适，可使变压器磁芯和绕组得到最优利用，使效率、功率密度等得到优化；另一方面，功率开关在较安全的情况下运行，最大的反向电压不会超过输入整流滤波电路的输出电压。但是需要的功率元件较多，在开关导通的回路上，至少有两个管的压降，因此功率损耗也较

19、大。由于三相整流桥提供的直流电压较高，工作电流相对较低，这些损耗还是可以接受的。目前，常用的全桥式变换器有传统的硬开关式、谐振式以及移相式，下面分别简单介绍一下。2.2.1硬开关式全桥变换器硬开关PWM电路曾以结构简单、控制方便得到广泛应用，其电路结构如图2-2所示在硬开关PWM电路中，开关管工作在硬开关状态，开关器件在高电压下导通，大电流下关断，因此，在开关瞬间必然有大量损耗。因此，常常加入缓冲电路，如Rc吸收网络。它可以限制开通时的du/dt和关断时的di/dt,使功率器件安全正常运行。但是需要注意的是，吸收电路是通过把器件本身的开关损耗转移到缓冲电路中而使器件得到保护的，因此这部分能量最

20、终还是被消耗了，系统总的损耗没有减少。并且频率越高，开关损耗越大，使系统效率大大降低。另外，开关器件在高频下运行时，器件本身的极间电容将成为-个重要参数。极间电容电压转换时的du/dt会藕合到输入端，产生较强的电磁干扰，影响电源本身和电网中其他电器设备的运行。此外，电路寄生电容、电感若形成强烈的振荡也会影响到设备的正常运行。5青岛理工大学毕业设计图2-2硬开关式全桥变换器结构2.2.2谐振式全桥变换器硬开关式电路在频率不高时其缺点还不是很突出，随着频率的提高，开关损耗和电磁干扰将变成一个十分严重的问题，为了解决这一问题，有人提出了谐振式软开关的概念。谐振式软开关和硬开关相比，主要是增加了两个附

21、加元件-谐振电感和谐振电容。利用谐振电感和谐振电容的谐振作用，使开关器件在正弦波的零电压或零电流处开通或关断。谐振变换电路有多种拓扑结构，但其基本组成部分还是通过开关器件和谐振元件L、C之间串联或并联实现的，再配以适当的控制策略来实现开关器件的零电压或零电流动作。其基本电路结构如图2-3所示。(a)零电流开关(b)零电压开关图2-3谐振电路的基本结构图图2-3(a)为零电流(Zero-Current-Switching)开关，它是通过电感Lr和开关S的串联实现的。Lr和Cr之间的谐振是靠S的导通来激励的，利用Lr和Cr谐振形成开关器件导通期间的正弦波电流波形，电流过零点时即将开关S关断。零电流

22、开关对于具有存储效应的开关器件更加有效，如GTR、IGBT。图2-3(b)为零电压(Zero-Voltage-Switching)开关，它是通过电感Lr和开关S的并联实现的。Lr和Cr之间的谐振是靠S的关断来激励的，利用Lr和Cr谐振形成开关器件关断期间的正弦波电流波形，电压过零点时即将开关S导通。只要将图中2-2中的硬开关换成谐振式软开关，即为谐振式全桥变换器。采用谐振全桥变换器，电源工作的安全性大为提高。但是，谐振式变换器与负载关系6青岛理工大学毕业设计很大，对负载的变换很敏感，为保持输出在各种运行条件下基本不变，必须采用脉冲频率调制(PFM),因此，高频变压器、电感等磁元件要按最低频率设

23、计，不可能做的很小，实现最优设计相当困难；另外，其控制电路中需要增加电压-频率转换功能，电路要复杂许多。所以，80年代后期，许多专家进一步研究开发能实现恒频控制的软开关技术，兼有谐振变换器和PWM变换器的特点，形成了ZCS或ZVSPWM变换技术。移相式全桥变换器近年来，移相控制全桥变换器由于具有恒频软开关运行、移相控制实现方便、电流和电压应力小、巧妙利用寄生元件等一系列突出优点，倍受各方的广泛关注.移相控制方式作为全桥变换器特有的-种控制方式，它是指保持每个开关管的导通时间不变，同一桥臂两只管子相位相差180度。对全桥变换器来说，只有对角线上两只开关管同时导通时，变换器才输出功率，所以可通过调

24、节对角线上的两只开关管导通重合角的宽度来实现稳压控制，而在功率器件环流期间，它又利用变压器的漏感、功率半导体器件的结电容或外加的附加电感电容的谐振来实现零电压或零电流的开关换流。本文根据实际技术要求开发的开关电源的主电路，应该采用移相式全桥变换器的拓扑结构。2.3控制电路的实现控制电路是开关电源系统的另一重要部分。DC-DC变换器需要控制电路提供适当的驱动脉冲，才能有效的工作。如果控制电路不完善，主电路设计得再好也无法发挥其自身的功能，例如:如果控制电路输出的触发信号不稳定，或者出现误触发，有可能引起开关桥的直通，导致短路，从而损坏开关元件。根据电路功能的分工可将控制电路分为几大部分:脉冲产生

25、电路、触发电路、电压反馈控制电路、软启动电路、保护电路、辅助电源电路等，具体控制电路如图2-4所示。从图2-4可以看出，脉冲产生电路是控制电路的核心。脉冲产生电路根据电压反馈控制电路、保护电路以及软启动电路等提供的控制信号产生出所需的脉冲信号，然后该脉冲信号经过触发电路的放大后去驱动开关元件，使开关管导通或关断。7青岛理工大学毕业设计图2-4电源控制电路框图电压反馈控制电路通过检测电压的大小，对输出电压进行采样，然后将采样电压和参考电压相比较得出误差信号，反馈控制电路将误差信号进行PI处理后得到一控制电压。最后，反馈控制电路将该控制电压送给脉冲产生电路，进而调节输出脉冲的脉宽达到调节输出电压的

26、目的。控制电路输出的PWM信号，电平幅值和功率能力均不足以驱动大功率开关元件，因此选择合适的驱动电路是必须的。驱动电路是将控制电路输出PWM脉冲信号经过电隔离后进行功率放大和电压调整再去驱动大功率开关管，由于所提供的脉冲幅度以及波形关系到开关管的开关过程，直接影响到损耗，所以，应该合理设计驱动电路，实现开关管的最佳开通与关断。电源的输出滤波电容较大，输出电压的突然建立将会形成非常大的电容充电电流，叠加在负载电流上，它不仅使开关管的负担过重而可能损坏，而且，由于持续时间长，往往会引起过流保护电路发生误动作。若为了避免由此引起的误动作而将保护电路搞得非常迟钝，这将会增加过流保护的不安全性。输出电压

27、在合闸时容易出现过冲，这种过冲，合闸时可能发生，在关闭电源时也可能产生，只要达到足够的幅度将会给负载造成损害，而且，反复的大电流冲击对电容器本身也不利，同时还会引起干扰，因此，开关电源必须具备输出电源软启动的功能。软启动电路在电源合闸和重新启动时提供一个逐渐上升的电压信号给脉冲产生电路，从而使控制电路的输出脉冲有一个逐渐建立的过程。保护电路是控制电路的一个重要组成部分，为了提高电源的可靠性必须不断完善保护电路的功能。当前开关电源电路的主要保护功能有:过流保护、过压保护、欠压保护、温度保护。过流保护和过压保护是为了保护负载和电源两者而设置的，而欠压保护和温度保护是为了电源本身而设置的。辅助电源电

28、路的功能是为控制电路供电。辅助电源的类型有很多种，既可以采用串联线性调整型电源，也可以采用开关电源。辅助电源也可以通过高频变压器获得输出后反馈提供，辅助电源本身作为开关电源的一组负载。选取辅助电源8青岛理工大学毕业设计电路形式时，只要该电源能满足控制电路的要求即可。2.4整流滤波回路的选择整流滤波回路是开关电源的重要组成部分，它可以提高电压、电流的稳定度，减小干扰。开关电源中分别存在输入和输出整流滤波回路。2.4.1输入整流滤波回路本课题电源额定工作状态的技术要求为:输出电压220V，输出电流5A，输出功率为l.lkw，属于大功率电源。为了保持三相交流电源的对称性和减小电源的输入滤波电容等原因

29、，大功率电源一般采用三相电源作为供电电源。因此，本文实验用电源电路采用三相桥式整流，电感和电容组成输入整流滤波回路。2.4.2输出整流滤波回路在大功率电源中，常用的输出整流电路有桥式整流电路和全波整流电路。因为本文实验要求输出电压为220V。桥式整流电路适用于输出电压较高的场合，还可以使变压器结构简单，降低整流管的电压定额，所以我们采用桥式整流电路作为输出整流电路。输出滤波电路一般可采用一级滤波也可采用两级滤波。输出滤波电路的作用是滤除二次侧整流电路输出的脉动直流中的交流成分，得到平滑的直流输出。在开关电源中通常采用一级LC滤波电路，当要求输出纹波很小时，也可以采用两级LC滤波电路。9青岛理工

30、大学毕业设计第3章开关电源主电路的设计开关电源最重要的两部分就是主电路和控制电路。本章将根据大功率直流开关电源的要求对主电路各部分进行性能分析并计算各项参数，根据计算所得的数据结果选择各元器件，设计出各个独立模块，最后组装成开关电源的主电路。3.1开关电源的设计要求本文设计的大功率直流开关电源主要应用于电力系统的高频开关电源，确定技术指标如下:1.输入电压:380V20%2.电网频率:50Hz10%3.功率因数:0.934.输入过压告警:437V5V5.输入欠压告警:320V5V6.输出标称电压:220VDC7.输出电压范围:176-286VDC8.输出纹波电压:?Vo10mV9.输出额定电流

31、:5A10.输出过压保护:325V5V11.输出欠压保护:195V5V12.便于生产和维护在本课题过程中，主要对大功率开关直流电源的工作原理、电路的拓扑结构和运行模式进行了深入研究，并结合系统的技术参数，确定系统主电路的拓扑，设计出主电路，即分别设计出滤波、整流、DC-DC变换器、软启动和保护控制等部分。下面就对电源主电路的设计进行详细说明。3.2主电路组成框图根据需要设计大功率开关电源的技术要求，本文进行了方案的验证与比较，设计如图3-1所示的软开关直流开关电源的主电路框图。虚线以上是主电路，主电路主要分为输入整流滤波、逆变开关电路、逆变变压器和输出整流滤波；虚线以下为控制回路，控制回路主要

32、包括信息检测电路、控制和保护单元、监控单元和辅助电源。10青岛理工大学毕业设计图3-1直流开关电源的主电路框图本电源采用ZVZCS-PWM拓扑，原边加箝位二极管，三相交流输入整流后，加LC滤波，以提高输入功率因数，主功率管选用IGBT,控制电路采用UC3875移相控制专用集成芯片，电流电压双闭环控制。具体设计主电路如图3-2所示，包括三个部分:(1)输入整流滤波电路；(2)单相逆变桥；(3)输出整流滤波电路.3.2.1输入整流滤波电路三相交流电经电源内部EMI滤波后，加到整流滤波模块。EMI滤波器的作用是滤除功率管开关产生的电压电流尖峰和毛刺，减小电源内部对电网的干扰，同时又能减小其他用电设备

33、通过电网传向电源的干扰。滤波电路采用LC滤波，电感的作用是拓开电流导通时间，限制电流峰值，可以提高电源的输入功率因数。滤波电容采用四个电解电容，两个串联后并联使用，满足三相整流后的高压要求。电阻R1、R2是平衡串联电容上的电压，高频电容与电解电容并联使用，滤除高频谐波，弥补电解电容高频特性差的缺陷。图3-2电源主电路结构11青岛理工大学毕业设计3.2.2单相逆变桥单相逆变桥采用IGBT,以满足高压、高功率的要求。无感电容(C7、C8)并联在两桥臂之间，降低两桥臂之间电压尖峰的干扰，谐波电感Lr，隔直电容C15、C16、C17防止变压器的直流偏磁，原边箝位二极管减轻副边振荡，主变压器起到原、副边

34、的隔离、耦合作用，原、副边各一副绕组，以满足副边采用全桥整流的要求，原边加交流互感器，检测原边电流作保护用。3.2.3输出整流滤波电路采用全桥整流满足高压的要求，高频滤波电感Lf，电解电容(E5、E6、E7)，高频电容(C18，C21)滤除高频谐波分量，共模电感(L2)，Y电容(C19、C20)，抑制共模分量，电流采样电阻R3R5，输出二极管D14，防止电池电流反灌。3.3输入整流滤波电路设计该电源的输入整流滤波电路同一般大功率PWM型开关电源的输入整流滤波电路相似。主要包括两部分组成:整流桥和输入滤波电路。3.3.1整流桥工作频率为50Hz，输入为三相交流电压380V，采用三相整流桥。(1)

35、整流桥的耐压：考虑最大输入电压Uin.max=UinX1.2=380X1.2=456V整流二极管的峰值电压为Uin.maxX2=380X(l+20%)X2=640V取50%的裕量640X(l+50%)=960V根据整流桥的实际电压等级，我们选择整流桥的耐压为1200V(2)整流桥的额定电流因为电源的输入功率随效率变化，所以应取电源效率最差时的数值。在此，我们按一般开关电源的效率取值，取效率为80%电源的输入功率:P=Pn=220X5/0.8=1375W因最大输入电流是在交流输入电压下限时，所以，Uin.max=380VX80%=304V,12青岛理工大学毕业设计最大输入线电流:Iin.max=

36、1375=2.61AUin.min?3304?3Pm=取整流桥的额定电流为10A。3.3.2输入整流电容输入电容器Cm决定于输出保持时间和直流输入电压的纹波电压的大小，而且要在计算流入电容器的纹波电流是否完全达到电容器的容许值的基础上进行设计。E为电网电压最低时输入三相桥式整流电路的输出平均电压:E=其中Ea为交流输入线电压。简易公式E=1.35X380X(120%)=410V通过直流输入电路的平均电流Iave，为：1375P=3.35AIave=m=E4103?2n二Ea计算单相全波整流电路滤波电容的经验公式为：Cm=400600Iave由于三相全波整流电路的基波频率为单向电路的3倍，因此计

37、算三相电路滤波电路的公式为：Cm=133200Iave所以，Cm=200X3.35=670uF根据计算结果，在实际电路中，我们选用1O00uF/4OOV的电解电容4只两两串联后再并联组成滤波电容组。3.3.3输入滤波电感电感中最大电流为交流输入电压下限时通过直流输入电路的平均电流Iave=3.35A理论上输入滤波电感越大，电流脉动越小，输入功率因素越高，但受体积重量和价格的限制，并根据绕制厂家的现有工艺水平，选用C15X32X105硅钢片铁心，线径为1.6毫M,电感量为18mH的工频电感。电感量的确定较难精确计算，可通过实验确定。13青岛理工大学毕业设计3.4逆变电路的设计3.4.1功率转换电

38、路的选择根据第二章的分析可知，该电源属于大功率电源，采用全桥式功率转换电路.3.4.2确定电路工作频率f考虑到开关管的参数、控制电路及主电路的特性等因素，选取开关桥的工作频率为30KHz。3.4.3高频变压器的计算(1)选择工作磁通密度B磁芯选用MX0-200铁氧体材料。选取工作磁通密度B=900GS.(2)计算磁芯规格并计算原变绕组匝数根据电源所用高频变压器的设计经验，磁芯采用环形磁芯。磁芯规格:DXdXh二120X60X20mmD为环形磁芯的外直径d为环形磁芯的内直径h为环形磁芯的厚度根据设计高频变压器的总结公式：N1SC=V1tONX1002?B在公式中，V1tON应取最大值。电路工作频

39、率为30KHz，T=33.4uS，tON为导通时间，根据计算的占空比，我们暂取11uS，V1为施加在原变绕组上的电压幅值，其最大值为电网电压最大时的三相整流滤波输出值:380X(1+20%)X2=640V。SC为磁芯截面积：SC=D?d120?60Xh=X20=600mm2=6cm222640X11X100=65.22X6X900所以，计算所得高频变压器原边绕组匝数为：N1=N1取整数为65T。(3)计算副边绕组匝数按设计要求，输出电压最大值为286V，考虑从电源输出端到负载之间传输线14青岛理工大学毕业设计的压降(取压降0.3V)，因此，该电源的最高输出电压为：Vomax=325+0.3=3

40、25.3V输出整流二极管的压降取2V：滤波电感的压降取0.6V；我们暂取开关桥的最大占空比Dmax=0.66；因此，最高输出电压、额定负载时高频变压器副边绕组最低电压幅值为：V2min=(325.3+2+0.6)/0.66=496.8V因此，根据公式：VN2=2minN1V1min其中，V1min=380X(1-20%)X1.35=410V得到副边绕组匝数N2为：N2=496.8X65=78.8410因此，变压器副边绕组的匝数应取整数79T。原边绕组必须重新修正，为N1=410X79=65.2496.8所以，变压器原边绕组的匝数还应取整数65T。(4)计算实际占空比在输入电压最低，输出电压最高

41、时有最大占空比DmaxV1min=380X(1-20%)X1.35=410VV2min=N2XV1min/N1=79X410/65=498VDmax=VomaxVoDVorL325.3+2+0.6=0.658498V2min在输入电压最高，输出电压最低的时候有最小占空比DminV2max=N2XV1max/N1=79X640/65=777V设此时VoD+IorL=1VDmin=Vomin+VoD+IorL195+1=0.252777V2max相应的导通脉宽:tONmax=DmaxT/2=0.658X33.4/2=10.98uS15青岛理工大学毕业设计tONmin=DminT/2=0.252X3

42、3.4/2=4.2uS(5)选择绕组导线线径取负载电流为额定负载电流的105%，则流过输出电感的电流平均值为5X120%=5.25A,流过副边绕组的电流幅值即为流过电感的电流幅值，即为I2m=5.25A/Dmax=5.25/0.658=7.98A其平均值I2ave=5.25A其有效值I2=5.25A考虑到存在集肤效应，根据相关文献，3OKHz时的穿透深度为0.3815mm，因此，选用的导线线径不得大于0.763mm。为绕制方便，选用线径为0.31mm的导线。取电流密度J=3A/mm2，单根导线载流量为0.2264A，因而需用5.25/0.2264=23.18根，因而选用24根绞合而成。原边绕组

43、流过的电流为双向电流，其宽度为tONmax，其幅度由折算负载电流，折算到输出电感电流增量以及励磁电流等三部分组成，前两者也如副边平均幅值电流那样取平均折算电流幅值，即I21=N2XI2m/N1=79X5.25/65=6.1A设励磁电流幅值为折算副边电流幅值的8%，即:Iu=0.08XI2m=0.08X5.25=0.42A它是锯齿形电流，我们将其转换成平均值在叠加到副边电流上。Iu的平均值Iuave为Iuave=Iu/2=0.42/2=0.21A因此，原边绕组等效矩形波电流幅值I1m为I1m=I21+Iuave=5.25+0.21=5.46A其有效值为:It=I1mDmax=5.46X0.658

44、=4.43A原边线径仍取0.31mm，电流密度J=3A/mm2，单根导线载流量为0.2264A，因而需用4.43/0.2264=19.57根，取整数选用0.31mm高强度漆包圆铜线20根绞合而成。(6)校核窗口面积0120X60X20磁芯窗口面积为：S0=nd24=2826mm2原边绕组0.31mm导线的最大外径可由相关文献查得为0.37mm，因此原边绕组占有的标称面积S1为：16青岛理工大学毕业设计S1=n4X0.0372X20X65=140mm2副边绕组占有的标称面积S2为：22S2=X0.037X23X79=195mm4n占空系统0为：0=(S1+S2)/S0=(195+140)/282

45、6=0.12可见窗口面积绰绰有余。(7)校核绕组压降及功耗0120X60X20磁环的高度为2cm，径向厚度为3cm，设副边绕组平均匝长为15cm，由相关文献查得0.31mm导线的铜心截面积为0.07548mm2，所以其截面积S2为:2S2=23X0.07548=1.736mm单个绕组的电阻R2为lR2=p2=0.0168X(15X0.01)X79/1.736=0.11?S2纯铜在25C时的电阻率为0.0168?mm2/m式中(15X0.01)是把厘M换算成公式需要的M度量单位.副边绕组的功耗为:2Pr2=I22XR2=5.25X0.11=3.03W设原边绕组的平均匝长约为12cm，由相关文献查

46、得0.31mm导线的铜心截面积为0.07548mm2，所以其截面积S1为:2S1=20X0.07548=1.51mm其中，电阻R1为；lR1=p1=0.0168X12X0.01X65/1.51=0.08?S1原边绕组的功耗为:2Pr1=I12XR1=4.43X0.658X0.08=1.03W变压器得到绕组的总损耗PB：PB=Pr1+Pr2=3.03+1.03=4.06W17青岛理工大学毕业设计3.4.4选用高压开关管(1)耐压根据相关文献可以查到，全桥功率转换电路高压开关管上施加的最高电压为VCEM=E，对应于最高输入电网电压的输入整流电路的直流输出电压EM:EM=UinmaxX2=380X(

47、1+20%)X2=640V考虑各种因素的影响取50%的裕量640X(l+50%)=960V(2)开关电流在一些参数尚不知道的情况下，我们需要估算开关管的电流，以便选择开关管和计算输出滤波电路。在高频变压器的计算中，我们估算了实际占空比Dmax为0.658，Dmin为0.252。输入整流滤波电路的最大输出电流平均值：Immax=1375PM=3.3AEmm380X(1?20%)X1.35此时，Dmax=0.658峰值电流为3.3/0.658=5.09A输入整流滤波电路的最小输出电流值：Immin=1375PM=2.23AEmm380X(1+20%)X1.35此时，Dmin=0.252峰值电流为2

48、.32/0.252=8.86A所以，开关管估算最大电流值为8.86A根据计算所得的结果分析，我们选取三菱电机公司第三代IGBT单管CM60HSA24作为高压开关管，其耐压为1200V,电流容许值为60A。3.4.5隔直电容Cb的选择在第二章中，我们对主电路的工作模式进行了分析，对电路的重要参数之间的关系进行了推导，得出了如下关系式:T=4*LL*Cb/DT其中:T为初级电流下降的时间；LL为变压器的漏感；D为占空比；变压器的漏感与绕线工艺及磁芯形状等有关，绕制好的变压器漏感基本不变。18青岛理工大学毕业设计在前面，我们设定电路的工作频率为30KHz，计算得到的最大占空比Dmax=0.658,并

49、且我们假设初级电流下降的时间为4uS，所以Cb=?T?D?T=4.7uF4?LL3.5输出整流滤波电路输出整流滤波电路是通过快恢复整流二极管的整流和滤波电感及滤波电容将高频变压器输出的高频交变电压或电流编程要求的输出电压或电流。因为输出电压比较高(22OV),所以高频变压器的副边选用桥式整流，以提高安全可靠性。下面对输出整流电路的各部分进行一下分析与计算。3.5.1输出整流二极管因为输出二极管工作于高频状态(30KHz)，所以应选用快恢复二极管。(1)输出整流二极管的耐压高频变压器副边的输出最高电压峰值为：V2max=VlmaxX79N1=380X(l+20%)X2X=783.6V65N2所以

50、加在输出整流二极管上最高的反压为783.6V(2)输出整流二极管的电流输出整流二极管流出的电流即为流过输出滤波电感的电流，所以其有效值为5.25A。根据以上分析，同时考虑一定的裕量，选取RURU30120作为输出二极管。该二极管的耐压为120V,额定电流为30A。3.5.2输出滤波电感根据相关文献的公式可以得到:LVI?V0t2I0minon选I0min为额定负载电流的5%，即I0min=5X5%=0.25AT=1/fs=1/30X103=33.3uSTonmin=(Dmin*T)/2=4.2uSV2max=783.6V此时的电感电流增量不得大于2I0min，所以19青岛理工大学毕业设计?V7

51、83.6?195VL=2maxomin?Tomin=X4.2X10?6=4.94X10?3H2Iomin2X0.25所以选取滤波电感为4.94X10?3H3.5.3输出滤波电容(1)根据输出纹波电压?V0来计算滤波电容的大小:220X(1?0.252)V(1?Dmin)=11.66X10?6FC=02X4.9X10?3X0.12?32fLoVo32X30000(2)根据输出电压动态幅度？V0来求出滤波电容的大小C=L0I2omaxVp2?V0Vp其中，I0max为输出电流的最大值取5A，为电源从满载突变到空载时输出电压的上冲幅度，取该值为22lV因此，输出滤波电容为：C=5.9X10?3X52

52、=334uF2212？2202取以上两者最大值，并考虑一定裕量，最后取C=5OOuF20青岛理工大学毕业设计第4章控制电路的设计4.1PWM集成控制器的基本原理PWM集成控制器通常分为电压型控制器和电流型控制器两种。电压型控制器只有电压反馈控制，可满足稳定电压的要求，电流型控制器增加了电流反馈控制，除了稳定输出电压外，还有以下优点:1.当流过开关管的电流达到给定值时，开关自动关断；2.自动消除工频输入电压经整流后的纹波电压，并开关电源输出端3OOHz以下的纹波电压很低，因此可减小输出滤波电容的容量；3.多台开关电源并联工作时，PWM开关控制器具有内在的均流能力；4.具有更快的负载动态响应:图4

53、-1脉宽调制集成控制器的框图及其波形图常用的脉宽调制(PWM)型集成控制器如图4-1所示的几个部分组成。基准电压和采样反馈信号通过误差放大器比较放大后，输出的差值信号和锯齿波(或三角波)比较，从而改变输出脉冲的宽度，以实现稳压。有些控制器仅有一个输出端，而多数控制器都设有用触发器和“与”门电路组成的相位分离器，用它来将单-脉冲变换成交替变化的二路脉冲输出，用于供驱动推挽和桥式变换器中的功率开关管，21青岛理工大学毕业设计此时变换器的工作频率等于控制器内部锯齿波振荡器振荡频率的一半。当然也可将控制器的两路输出并联起来去驱动单端变换器或串联调整型开关稳压电源中的功率开关管，此时开关稳压电源的工作频

54、率就等于控制器内部锯齿波振荡器的频率。4.2高速脉宽调制器UC3825根据我们所设计的系统的要求，我们选用的PWM集成控制器为UC3825。下面将详细介绍此芯片的主要特点、工作原理和应用及调试。4.2.1主要特点:适用于电压型或电流型开关电源电路；实际开关频率可达1MHz；输出脉冲最大传输延迟时间为50ns；具有两路大电流推拉式输出（峰值电流为2A）；内有宽频带误差信号放大器；具有较高的频率精度并可对死区进行控制，同时振荡器放电电流也可调；带有双重抑制脉冲和全封闭逻辑；具有软启动控制；内有逐脉冲限流比较器；具有全周期再启动的封锁式过流比较器；启动电流很小一（典型值为100mA）:欠压锁定一16

55、V/1OV（B型）在欠压锁定期间，输出低电平；可调整的带隙基准电压；可调的上升沿封锁阀值，可调低上升沿噪音。4.2.2极限参数：电源电压（15,B脚）输出脚电流（流出或流入）直流脉冲（0.5ms）地线（12脚）模拟输入（1,2,7脚）-0.3-7V2222V（11,14脚）0.5A2.2A-0.2V青岛理工大学毕业设计（9,8脚）时钟输出电流（4脚）误差放大器输出电流（3脚）软启动电流（8脚）震荡器充电电流（5脚）功耗（温度60C）储存温度范围焊接温度（焊接时间为10s）-0.3-6V-5mA5mA20mA-5mA1W-65-150C300C（注：所有电压均以地线电压为基准；流入管脚的电流为正

56、值。）4.2.3内部电路工作原理该芯片内部电路如图4-2所示。它由振荡器、PWM比较器、限流比较器、过流比较器、基准电压源、故障锁存器、软启动电路、欠压锁定、PWM锁存器、输出驱动器等组成。我们将详细介绍各部分的情况,以理解芯片的工作原理。图4-2UC3825内部原理结构图（1）振荡器23青岛理工大学毕业设计图4-3振荡电路振荡电路如图4-3所示。UC3823A、B和UC3825A、B内部都有一个锯齿波振荡器。锯齿波上升沿的斜率由RT、CT决定,确定RT、CT的方法是:首先根据要求的最大占空比Dmax、选择RT,再根据要求的频率以及RT和Dmax选择CT。计算公式为:RT=3V（10mA）（1

57、?Dmax）CT=1.6?DmaxRT?FRT的最佳阻值应为110k?之间,Dmax应大于70%。在实际的应用中，RT选为6.65k?,CT选为2nf,工作频率为200KHZ。（2）上升沿封锁24青岛理工大学毕业设计图4-4上升沿封锁工作波形上升沿封锁工作波形如图4-4所示，UC3823A、B和UC3825A、B采用固定频率脉宽调制。UC3823A、B的两个输出端可同时输出脉冲，输出脉冲的频率与振荡器频率相等，脉冲占空比可在O%100%内调整。UC3825A、B的两个输出端交替输出脉冲,因此,每个输出端输出脉冲的频率是振荡器频率的1/2,振荡器的频率为200KHZ,所以输出PWM脉冲的频率为1

58、0OKHZ,输出脉冲占空比在0%50%以内调整，实际桥式变换器的应用中一般达不到50%,因为桥式变换器在PWM脉冲的占空比为50%时,由于功率管截止时间的问题,使得桥臂容易短路,这在以后的部分将详细介绍。为了限制最大占空比,在振荡电容放电期间,内部时钟脉冲对两路输出进行封锁。在时钟的下降沿,输出端为高电平。输出脉冲的下降沿由脉宽调制比较器、限流比较器和过流比较器联合控制。通常,脉宽调制比较器检测出斜坡电压与控制电压（误差放大器输出电压）的交点，并且在该交点处，终止输出脉冲。因为采用了上升沿封锁，在脉冲前沿的一定时间内，脉宽调制比较器不起作用。这样，开关电源的固有噪声就能被有效的抑制。同时，由于

59、采用了输出脉冲上升沿封锁，脉宽调制器的斜坡输入就不需要再经过滤波。为了调整上升沿封锁时间，CLK/LEB脚应接入电容C,这样，输出脉冲前沿封锁时间就由电容C和内部1Ok?电阻确定的放电时间来决定。为了更准确控制前沿封锁时间，可在外部并联一个2k?(2%)电阻R。前沿封锁时间可由下式计算：tLED=0.5X(R/10k)XC式中，外接电阻R不能小于2k?。25青岛理工大学毕业设计上升沿封锁也适用于限流比较器。上升沿封锁之后，如果限流(ILIM)脚的电压超过IV,输出脉冲就终止。但是，过流比较器不能采用前沿封锁。这样，才不会因为前沿封锁而延长保护时间，从而可以及时捕捉过流故障。在任何时间，只要限流

60、(ILIM)脚的电压超过1.2V，故障封锁就起作用，从而使输出端变为低电平。为此，在限流(ILIM)脚需接入噪音滤波电容器。(3)欠压锁定、软启动以及故障处理图4-5软启动和故障处理波形软启动和故障处理波形如图4-5所示。软启动是通过软启动(SOFT,START)脚的外接电容实现的。接通电源后，软启动脚外接电容放电，该脚处于低电平，误差放大器输出低电平，开关电源无输出电压。当9uA的内部电流源给软启动脚外接电容充电时，误差放大器输出电压逐渐升高，直到闭环调节功能开始工作，开关电源输出电压逐渐升高到额定值。一旦限流(ILIM)脚的电平超过1.2V,故障锁存器置位，输出脚变为低电平；同时，软启动脚