毕业设计（论文）-高压软开关充电电源硬件设计

PAGEPAGE1.论文题目：高压软开关充电电源硬件设计姓名：摘要电源对于所有用电设备是必不可少的。开关电源取消了传统电源采用的笨重的工频变压器，使得电源的体积大大缩小。电源中的电力电子器件工作在开关状态，使整机效率很高。由于它具有体积小、重量轻和效率高的优点，因而发展非常迅速，应用范围日益扩大。本文简要介绍了开关电源的基本结构、工作原理以及其发展状况和技术的发展趋势，并对开关电源的分类和优缺点进行了阐述。本文还介绍了减小开关电源体积和开关损耗的技术——软开关技术。在前面知识的基础上，本论文利用谐振开关技术设计了一台给高压脉冲电容充电的高压软开关电源。在谐振开关技术中最适合给脉冲电容充电的电路是串联谐振开关电路,输出近似为恒流源或称“等台阶充电”,突出的优点是充电效率高且电路本身具有短路保护能力。整个装置利用DSP实现电路的控制、PWM信号形成及电路的保护。由于采用了全数字的控制,充电的稳定度很高。装置的开关频率是20kHz,属于高频,因此使得每次开关所充的电量较小,这大大提高了充电的精度。关键词开关电源；软开关；充电目录摘要 1第1章绪论 31.1开关电源的发展状况 31.2开关电源的技术发展趋势 51.3本论文的研究目的 6第2章开关电源原理 72.1开关电源基本工作原理 72.2开关电源的分类 82.3开关电源优缺点 92.3.1开关电源的优点 92.3.2开关电源的缺点 102.4软开关技术简介 112.4.1硬开关与软开关 112.4.2软开关的分类 122.5本章小结 13第3章高压软开关充电电源硬件设计 143.1主电路设计 143.1.1主要技术指标 143.1.2主电路选型 143.1.3电路的工作原理及方式 153.1.4主电路的各项参数 193.2控制及触发电路的设计 223.2.1电压电流检测 223.2.2IGBT的驱动 233.2.3DSP的选择 243.2.4PWM波的形成 283.3电路的理想波形 293.4本章小结 30第4章结论 31参考文献 32致谢 33绪论开关电源的发展状况开关电源属于电力电子技术，他运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，他可以满足各种用电要求。开关电源是美国NASA用于宇宙火箭搭载电源目的而开发的。与线性电源相比开关电源具有体积小、重量轻、效率高的特点，被广泛用于电视机、计算机、自动控制装置、产业机械、通信装置等各个领域。特别是随着半导体技术的进步和信息产业的发展，开关电源的需求量不断扩大。随着现代半导体技术的发展，尤其是高性能的全控器件的产生，开关电源迎来了一个生机勃勃的春天。1．发展史1955年美国的科学家罗耶首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。此后,利用这一技术的各种形式的晶体管直流变换器不断地研制和涌现出来,从而取代了早期采用的旋转式或机械振子式的寿命短、可靠性差、转换效率低的换流设备。由于变换器中的功率开关管工作在开关状态,所以由此而制成的开关电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻,在当时被广泛地应用于航天及军事电子设备上。由于那时的微电子技术十分落后,不能制作出耐压高、速度快、功率大的晶体管,所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入,并且转换的速度也不能太高。60年代末,由于微电子技术的快速发展,高反压的晶体管出现了,从此以后直流变换器就可以直接由市电经整流滤波后输入,不再需要有降压变压器了,从而极大地扩大了开关电源的应用范围,并在此基础上诞生了无工频降压变压器开关电源,省掉了工频降压变压器,使开关电源的体积和重量大为减小。开关稳压电源才真正做到效率高、体积小、重量轻。70年代以后,与该技术有关的高频高反压的大功率晶体管、场效应管、高频电容、肖特基二极管、高频磁芯材料等元器件也不断地被研制和生产出来,使这一技术得到了飞速的发展,并且被广泛地应用于计算机、通信、航天、彩色电视等领域中,从而使无工频变压器开关电源成为各种电源中的佼佼者[1]。2．目前正在克服的困难随着半导体技术和微电子技术的高速发展,集成度高、功能强的大规模集成电路的不断出现,使得电子设备的体积在不断地缩小,重量在不断地减轻,所以从事这方面的研究和生产的人们对电源中的开关变压器还感到不是十分理想,他们正致力于研制出效率更高、体积和重量更小的开关变压器或通过别的途径来取代它,使之能满足电子仪器和设备微小型化的要求。这就是从事开关电源研究的科技人员目前正在克服的第一个困难。开关电源的效率是与开关管的变换速度成正比的,并且由于采用了开关变压器以后,才能使之由一组输入得到极性、大小各不相同的多组输出。要进一步提高其效率,就必须提高其工作频率。但是当频率提高以后,对整个电路中的元器件又有了新的要求。例如:高频电容、开关管、开关变压器、储能电感、快速整流二极管等都会出现新的问题。进一步研制出适应高频工作的有关电路元器件是从事开关电源研制的科技人员要解决的第二个问题。3.国内发展概况我国的晶体管直流变换器及开关电源研制工作开始于60年代初,到60年代中进入了实用阶段,70年代初开始研制无工频降压变压器开关电源。1.2开关电源的技术发展趋势1.小型化由于电源小型花的关键是高频化，因此国外目前都在致力于同步开发新型元器件，特别是改善二次整流的损耗，变压器电容器小型化，同时采用SMT技术在电路板两面布置元器件以确保开关电源的轻、小、薄。2.高效率开关电源高频化使传统的PWM开关（硬开关）功耗加大，效率降低，噪声也提高了，达不到高频、高效的预期效益，因此实现零电压导通、零电压关断的软开3.高可靠开关电源使用的元器件比连续工作电源多数十倍，因此降低了可靠性。追求寿命的延长要从设计方面着手，而不是从使用方面着想。美国一公司通过降低节温、。4.模块化可以用模块电源组成分布式电源系统；可以设计成N+1冗余电源系统，从而提高可靠性；可5.低噪声开关电源的又一缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大，采用部分谐振转换回把变压器设计成一二次分离阻燃密封，自身具备对付噪声功能的共模无噪声隔离变压器，既节省了噪声滤波器，又减少了噪声。6.抗电磁干扰（EMI）当开关电源在高频下工作时，其噪声通过电源线产生对其他电子设备的干扰，世界各国已经有了抗EMI的规范或标准。7.电源系统的管理和控制应用微处理器或微机集中控制与管理，可以及时反映开关电源环境的各种变化，中央处理单元实现智能控制，可自动诊断故障，减少维护工作量，确保正常运行。8.计算机辅助设计（CAD）利用计算机对开关电源进行CAD设计和模拟试验十分有效，是最为快速经济的设计方法。9.产品更新加快目前的开关电源产品要求输入电压通用（适用世界各国电网电压规范），出电压规范扩大（如计算机和工作站需要增加3.3V这一电压）、输入端功率因数进一步提高，并具有安全、过压保护等方面的功能[3]。1.3本论文的研究目的本论文是结合当前开关电源的发展趋势，以及今后将从事电源设计与制造工作的需要而完成的。通过完成本论文作者希望完成以下目的：1．在系统学习开关电2．在整个过程中3．在设计过程中掌4．通过对开关电源的开关电源原理开关电源基本工作原理开关K以一定的频率重复的接通或断开。在开关K接通时，输入电源通过开关K当电子开关K按一定的频率开关时，导通时间越长，输出电压越高；导通时间越短，图2-1开关电源示意图开关电源的形式有很多种，其中尤其以脉冲宽度调制型（PWM）最为盛行，现在就以此种形式的开关电源介绍以下开关电源的工作原理。构成。对于PWM方式而言，将频率固定的震荡源称为时钟震荡器，这种电源利用检测电路反开关电源的分类在电子技术和应用飞速发展的今天,对电子仪器和设备的要求是,在性能上更加1.按激励方式划分分为他激式和自激式。他激式开关电源电路中专设激励信号振荡器；自激式开关功率管兼作振荡管。该形式的开关电源电路结构简单,元器件少,可以做成低成本的开关电源。2.按调制方式划分分为脉宽调制型、频率调整型和混合调整型。脉宽调制型保持振荡频率保持不变,通过调节脉冲宽度来改变输出电压的大小；频率调整型保持占空比保持不变(脉冲宽度保持不变),通过改变振荡频率来改变输出电压大小；混合调整型是脉冲宽度和振荡频率均可进行调节的开关电源。3．按开关管电流的工作方式划分分开关型和谐振型。开关型用开关晶体管把直流变成高频标准方波,其电路形式类似于他激式；谐振型用开关晶体管与LC谐振回路将直流变成标准正弦波,其电路形式类似于自激式开关电源。4．按开关晶体管的类型划分分为晶体管型和可控硅型。晶体管型采用晶体管(包括场效应管)作为开关功率管；可控硅型采用可控硅作为开关功率管。这种电路的特点是直接输入交流电压,不需要一次整流部分。5．按储能电感与负载的连接方式划分分串联型和并联型。串联型储能电感串联在输入与输出电压之间；并联型储能电感并联在输入与输出电压之间。6．按晶体管的连接方法划分分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式。单端式仅使用7．按电路结构划分分为散件式和集成电路式。散件式整个开关电源电路都是采用分立式元器件组成的。这种电路的缺点是电路结构较为复杂；集成电路式整个开开关电源优缺点开关电源的优点1．功耗小、效率高开关电源结构原理方框图中的晶体管在激励信号的驱动下,其工作状态处于导通—截止和截止—导通的开关状态,转换速度很快,频率一般为50kHz左右2．体积小、重量轻没有了笨重的工频降压变压器。由于调整管上的耗散功率大幅度地降低,因而省去了体积和重量都较大的散热片。由于这两方面的原因,故开关电源的体积小、重量轻。3．稳压范围宽开关电源的输出电压是通过激励信号的占空比来调节的,输入电压的波动变化,较灵活,设计人员可以根据实际应用的需要和要求,灵活选用各种形式的稳压方法。4．滤波效率高,不需要较大容量的滤波电容开关电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz左右,是线性电源的1000倍,这使整流后的滤波效率几乎也提高5．电路形式灵活多样例如：有自激式和他激式；有调宽型和调频型;有单端式和双端式;有开关元件为晶体管式和开关元件为可控硅式等等。设计者可以发挥各种类型电路的特长,设计出能满足各种不同应用场合的开关电源。开关电源的缺点开关电源最为突出的缺点就是开关干扰较为严重。开关电源中的开关功率管软开关技术简介硬开关与软开关现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，同时对装置的效率和电磁兼容在很多电路中，开关元件在电压很高或电流很大的条件下，在门极的控制下开通或（a）软开关的开通过程（b）软开关的关断过程图2-2软开关的开关过程软开关的分类根据电路中主要开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路零电压电路成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。下面分别介绍上述三类软开关电路。1.准谐振电路这是最早出现的软开关电路，其中有些现在还在大量使用。准谐振电路可分为(1)零电压开关准谐振电路；(2)零电流开关准谐振电路；(3)零电压开关多谐振电路；(4)用于逆变器的谐振直流环电路。2.零开关PWM电路这类电路中引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生与开关过程前后。零开关PWM电路可以分为1）零电压开关PWM电路；2)零电流开关PWM电路和准谐振电路相比，这类电路有很多明显的优势：电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿图2-3。a零电压开关PWM基本开关单元b零电流开关PWM基本单元图2-3零开关PWM电路的基本开关单元3.零转换PWM电路这类软开关电路还是采用辅助开关控制谐振时刻的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与主开关并联的，因此输入电压和负载电流对电路本章小结本章简要介绍了开关电源的工作原理，并从多方面阐述了开关电源的详细分类。讨论了开关电源在应用中的优点和不足。本章还简要介绍了软开关技术以及软开关和传统的硬开关之间的不同，指出软开关是实现开关电源高频化、小型化和轻量化的理想途径。第3章高压软开关充电电源硬件设计3.1主电路设计3.1.1主要技术指标1．输入电压220V交流，输出充电电压0～2400V，直流；2．负载电容容量3133uF；3．输出电流2安培直流；电源容量5kW；4．开关频率20kHz，谐振频率40kHz；5．电流检测与电压检测；6．用DSP实现PWM控制。3.1.2主电路选型在谐振开关技术中最适合脉冲电容充电的电路是串联谐振开关电路,输出近似为恒流源或称“等台阶充电”,突出的优点是充电效率高且具有固有短路保护能力[6]。其主电路如图3-1所示。由于电源功率大，采用全桥型电路，高频变压器的副边也采用二极管整流桥进行整流。图3-1电容充电电源主电路示意图图中为串联谐振电感(含变压器漏感和线路分布电感);为串联谐振电容。其工作原理和具体参数将在下面给出。3.1.3电路的工作原理及方式直流电压（由市电经过整流得到）经过逆变电路逆变为频率很高的方波交流电，此高频方波交流电在经高频变压器生压后，由二极管整流桥整流输1方式一(</2)电流断续工作,此方式下开关损耗低且干扰小,可实现开通时电流缓慢增加,关断时为零电流关断；2方式二(/2<<)电流连续工作,可实现零电流关断。但开通时,同一桥臂上的两个开关管存在强迫换流,故开关损耗较大,干扰大；3方式三(>)电流连续工作,零电压开通和硬关断,开关损耗和干扰较大。因线路存在电感,断时产生的电压尖峰较高,极易损坏开关器件[7]。现在以图3-2的电路来分析一下串联负载DC—DC变换器的这三种运行方式。a串联负载DC/DC变换电路b等效电路图3-2串联负载DC/DC变换电路及等效电路由图可知，电感和电容形成串联谐振，并与负载串联，经过谐振的电流在负载来说，可有如下四种状态：(1)当>0时T+导通:=+，；D-导通:=，。(2)当<0时T-导通:=，；D+导通:=+，。谐振槽上的电压取决于电流的方向以及哪个开关器件导通。上述方程所描断续导通(</2)应用谐振方程可计算出电流和电压的稳态波形，如图3-3所示。在时刻，开关T+开通，电感电流从零开始建立，电容电压的初始值为，电流和电压在各区间的等效电路示于图3-3中。图3-3电流断续运行.连续导通(/2<<)当/2<<时，开关T+在处开通。开通条件不是零电流和零电压条件流二极管反向，所以开关是在零电流、零电压条件下自然关断的。.连续导通(>)这种运行状态与以前讨论的连续导通状态有所不同，当/2<<时在期间:在期间:充电电流平均值:==（3-1）由上式可见,在谐振参数和输入电压一定时,充电电流与开关频率成正比。开关频率恒定,则充电电流恒定。充电电流与负载电压无关,因而具有较强的抗负载短路能力[8]。图3-4谐振电感电流波形3.1.4.主电路的各项参数谐振参数充电电路的系统结构见图3-5。图3-5系统结构图图中R1、R2、D1为放电保护电路;为串联谐振电感(含变压器漏感和线路分布电感);Cr为串联谐振电容。因，负载电容的影响可忽略不计。故有为谐振周期，为开关频率，为开关周期[9]。现已取高频变压器变比n=15；变压器原边电压为311V方波电压供电，其基波有效值198V；取26.4H，C取0.6F。这样有=41.1Hz输入整流如图3-6，为了使电路给逆变器提供一个稳定的电压，输入整流段需进行变压器隔离和滤波，且在电流输入端设置一熔断器，为电源提供保护，防止电流过大而损害设备。图3-6输入整流电路输出整流由于功率大，输出整流采用桥式整流电路。但由于输出电压较高，将超过单个二极管所承受的最高反向电压，为安全起见，下图3-7中的每个二极管将由三个二极管串联起来一起使用，并选用快恢复二极管。图3-7输出整流电路逆变参数在主电路中，IGBT选择富士电机公司的2MBI175N-120，电流控制电路如图3-8，其具体参数和电路见表3-1。图3-8IGBT电流控制电路表3-1IGBT具体参数项目符号额定值单位集电极电压1200V门极电压V集电极电流连续75A1ms脉冲150A连续-75A1ms-脉冲150A最大能量消耗600W工作温度+150℃存储温度-40到+125℃绝缘电压交流2500（1分钟）V调节扭矩装备13.5接线端13.53.2控制及触发电路的设计3.2.1电压电流检测如图3-9所示，电路的控制及触发信号的产生均由DSP芯片产生。电路的控制很简单，在图3-9霍尔传感器端子说明：IN+：输入电压正；IN–：输入电压负；+：正电源；—：负电源；M：输出端；⊥：公共地。霍尔传感器的输出端M接A/D转换器，把数字信号转换为电压信号输入给DSP[10]。输出电流采用霍尔电流传感器采集信号，为DSP提供控制信号和保护信号.3.2.2IGBT的驱动IGBT的驱动信号充分利用了DSP的功能，DSP产生PWM驱动信号，但此PWM信号图3-10EXB系列集成驱动器的内部结构框图EXB系列驱动器的各引脚功能如下：脚1：连接用于反向偏置电源的滤波电容器；脚2：电源（＋20V）；脚3：驱动输出；脚４：用于连接外部电容器，以防止过流保护电路误动作（大多数场合不需要该电容器）；脚5：过流保护输出；脚6：集电极电压监视；脚7、8：不接；脚9：电源；脚10、11：不接；脚14、15：驱动信号输入（—，＋）[11]。3.2.3DSP的选择目前市场上DSP品种繁多，数不胜数，仅是大的DSP生产厂家就有TI公司、Lucent.、T&T、AD、Motorola等公司，其中TI公司被公认为DSP领域的技术领导者和开拓者。本课题决定采用TI公司专为数字电机控制而设计的TMS320F240芯一个不牺牲系统精度和性能的数字解决方案。TMS320F240外型见图3-1图3-11DSP引脚图TMS320CALU。ARAU的主要功能是对8个辅助寄存器(从AR0到AR7)执行算术操作，该操作可与CALU中的操作并行进行。以下是F240的特点：1．TMS320F2XX核心（1）32位的中央算术逻辑单元(CALU);（2）32位加法器;（3）16位X16位并行乘法器，32位乘积;（4）三个定标移位寄存器;（5）8个16位辅助寄存器，带有一个专用的算术单元，用来做数据存储器的间接寻址。2．存储器（1）片内544X16位的双端口数据/程序RAM;（2）16K字X16位的片内PROM或闪存EPROM;（3）224K字X16位的最大可寻址存储器空间(64K字的程序空间，64K字的数据空间，64K字的I/O空间和32K字的全局空间)；（4）有软件等待状态发生器的外部存储器接口模块，具有16位地址总线和16位数据总线；（5）支持硬件等待状态。 3．程序控制（1）4级管道操作;中断。4．指令系统（1）与TMS320家族的C2X,C2XX,CSX定点产品在源代码级兼容；（2）单指令重复操作；5．电源（1）静态CMOS技术；（2）4种低电源模式以降低电源损耗；（6．事件管理器（1）12个比较/脉宽调制(PWM)通道(其中9个相互独立)；8．28个独立可编程的多路复用110引脚。9．基于锁相环的时钟模块。10．带实时中断(RTI)的看门狗（WD）定时器模块。11．串行通讯接口(SCI)[12]。3.2.4PWM波的形成PWM波形的产生主要利用了TMS32OF240的事件管理器模块。现在重点介绍其中的通用定时器，与全比较和简单比较单元相关的PWM单元。输出以及和比较单元的匹配信号等。通用定时器的计数方式有六种，分别为：停止/保持、单个递增计数、连续递增计数、双向递增/递减计数、单个递增/递减计数以及连续递增/递减计数。通过这种方法，所产生的输出脉冲的开关时间就会与比较寄存器的值成比例。图3-12DSP内部PWM发生电路框图图3-12所示为F240内部PWM控制信号发生电路框图。为了获得对称PWM输出，我们在软件上只须做以下工作：（1）配置ACTR来定义全比较输出引脚的极性；不会互相重叠以至击穿，6路PWM脉冲还带有可编程死区。设置死区定时器的控制寄存器(DBTCON)的相应位来确定死区时间[13]。3.3电路的理想波形如下图3-13所示，分别是谐振电流波形Z，及Z和Z的理想驱动波形。图3-13谐振电流波形及Z、和Z、Z的驱动波形电源输出波形如图3-14。图3-14电源输出电流波形脉冲电容的理想波形如下图3-15。图3-15脉冲电容C上的电压3.4本章小结本章主要介绍了高压软开关充电电源的设计过程。详细讨论了串联负载型DC—DC变换电路的工作原理和三种工作方式，并指出串联负载型DC—DC变换电路是最适合与给高压脉冲电容充电的电路形式。本章还介绍了用霍尔传感器进行电压和电流的检测方法，以及用EXB841对IGBT进行驱动的方法，以及用DSP产生PWM驱动信号所要做的工作。给出了充电电源的理想驱动波形和电容电压波形。第4章结论经过一个学期的学习和研究，我对开关电源的理论和设计方法有了更深刻的认识，结合作者在完成论文过程中所学到的知识及获得的经验，可得到以下结论：1．串联谐振开关电路工作于恒流源状态。综合考虑充电效率、电路实现难易程度、体积等该电路是最适合电容器充电的。在基本电路的基础上进行技术革新,提高充电稳定度,能使其适应大范围的重复频率及储能电容的容量变化。应用前景将十分广泛是传统充电电源的升级换代品。2．采用了当前比较流行的PWM与谐振变换相结合的主电路拓扑结构实现软开关，这大大减小了开关损耗。采用高频开关功率DC/DC变换技术，从而大大减小了电源的体积和电源的噪声，基本消除了噪声对环境的污染。3．采用DSP技术应用于开关电源的控制系统，有效地简化了线路设计、增加了输出电流和电压的稳定性、减少了输出电流波形失真度，从而提供更加稳定、精确、高质量的电压波形。同时，数字化的控制较模拟化控制更加智能化、网络化，调节设计更加方便，满足对高质量开关电源的可靠性和实时控制的要求。本论文的完成过程只有一个学期，时间很短，加之本人知识水平有限，对各种开关电源的理解还不够深入，所以论文只能在一个教浅的层面进行讨论。特别是缺乏实践经验，使得所有的研究只限于理论，不足之处我深感遗憾，并争取在今后的学习、工作中进一步提高认识，弥补欠缺。参考文献1黄刚.开关电源及其功率