4开关电源毕业设计

-1-引言开关电源自20世纪90年代问世以来，便显示出强大的生命力，并以其优良特性倍受人们的青睐。近年来，开关电源在通信、工业自动化、航空、仪表仪器等领域的应用越来越广泛。随着电源技术的飞速发展，开关稳压电源正朝着小型化、高频化、模块化的方向发展，高效率的开关电源已经得到越来越广泛的应用[1]。随着高频开关电源技术和应用电子技术的高速发展，直流高频开关电源依靠它的高精度、低纹波及高效率等优越性能，正在逐步取代传统的线性电源。同时，高频开关电源系统的高速响应性能、输出短路电流限制及稳压和稳流等优点也使其负载的使用寿命大大增加。评价开关电源的质量指标应该是以安全性、可靠性为第一原则。在电气技术指标满足正常使用要求的条件下，为使电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作，必须设计多种保护电路，比如防浪涌的软启动，防过压、欠压、过流、短路等保护电路。同时，在同一开关电源电路中，设计多种保护电路的相互关联和应注意的问题也要引起足够的重视。许多功率电子节电设备，往往会变成对电网的污染源：向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合出许多毛刺尖峰，甚至出现畸变。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，使用设备损坏。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。开关电源输入端产生功率因数下降问题，利用有源功率因数校正电路，成本只增加5%，成功解决了这个问题。20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了多种校正功率因数的方法[1]。目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管制成的500kHz电源，虽已实用化，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，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。对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现，现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下，由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性，使器件性能对开关电源性能的影响减至最小，新型的电源电路拓扑和新型的控制技术，可使功率开关工作在零电压或零电流状态，从而可大大的提高工作频率，提高开关电源工作效率，设计出性能优良的开关电源。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[2]。-2-第1章绪论开关电源具有效率高、体积小、重量轻等特点，应用越来越广泛，从70年代开始，高效的开关电源飞速发展，逐步替代传统的的线性电源，开关电源不需要较大的散热器，并用轻量高频变压器替代笨重的工频变压器。输出输入之间需要采用高频变压器隔离。高频开关电源技术，是各种大功率开关电源（逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等）的核心技术。高频开关电源的发展趋势是：1、高频化，由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，带来显著节能、节水、节约材料的经济效益。2、模块化，在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求，而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块，极大的提高系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作，而且为修复提供充分的时间。3、数字化，现在数字信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点：便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰（提高抗干扰能力）、便于软件包调试和遥感遥测，也便于自诊断、容错等技术的植入。4、绿色化，电源系统的绿色化有两层含义：首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其次这些电源不能（或少）对电网产生污染。电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展，新技术的出现又会使许多应用产品更新换代，还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现，将标志着这些技术的成熟，实现高效率用电和高品质用电相结合。目前，各国正在努力开发新器件、新材料以及改进生产工艺，进一步提高效率、缩小体积、降低成本，以解决开关电源面临的新课题。设计开关电源首先要考虑的是选用合适的拓扑结构。拓扑结构类型选择与电源各个组成部分的布置有关，这种布置与电源可以在何种环境下安全工作以及可以给负载提供的最大功率密切相关。这也是设计中性能价格折中的关键点。每种拓扑都有自己的优点，有的拓扑可能成本比较低，但输出的功率受到限制；而有的可以输出足够的功率，但成本比较高等。在一种应用场合下，有好几种拓扑可以工作，但只有一种是在要求的成本范围内性能最好的。表1-1中列出五种PWM开关电源拓扑的比较，由文献[4]可知。表1-1五种PWM开关电源拓扑的比较[4]拓扑功率范围(W)输入直流电压范围(V)输入输出隔离典型效率(%)相对成本Buck电路0～10005～40无701Boost电路0～1505～40无801正激式电路0～1505～500有781.4反激式电路0～1505～500有801.2半桥电路100～50050～1000有752.2选择最合适的拓扑要考虑的四个主要因素：1、输入输出是否需要变压器隔离；2、加在变压器一次侧或电感上的电压值的大小；3、通过功率开关管的峰值电流大小；4、加在功率开关管上的最高电压大小。无变压器隔离的拓扑对使用装置的操作人员是不安全的，相对于变压器隔离对负载-3-的保护来说，成本的增加很小。因此，在大部分应用场合下，通过变压器进行隔离，在输入直流电压高于40V的情况下，开关电源都要求使用变压器隔离。本设计中，交流电压经滤波整流后，再经过功率因数校正电路，得到高达400V的稳压直流输入电压。所以，输入输出是需要变压器隔离的。Buck电路和Boost电路在本设计中无法采用。加在变压器一次侧上的电压大小决定了通过功率开关管的峰值电流。由于开关电源的功率一定，一次侧电压越低，峰值电流就越大，以满足输出功率增加的要求。对于TO-220封装的功率晶体管和MOSFET管来说，推荐的最大峰值电流是20A。如果超过20A，功率开关管就容易损坏，对功率器件进行保护也很困难。在开关电源中，电压尖峰是很常见的，经常出现电压尖峰超过功率开关管击穿电压的情况。功率开关管承受的最大电压越大，就越有可能超过功率开关管的安全工作区，由文献[4]可知。对于反激式电路来说，峰值电流大小的计算公式为：()min15.5inoutUPI=(1-1)对于正激式电路和半桥电路来说，峰值电流大小的计算公式为；()min28.2inoutUPI=(1-2)虽然反激式电路拓扑具有使用元器件少、本身固有效率比较高（可达80%）的特点。但是反激式电路的电流峰值比正激式电路高很多，在相当低的输出电压下，有可能超出功率开关管的安全工作区。而半桥电路的输入电压只有一半加在变压器一次侧上，这会导致半桥电路的电流峰值为正激式电路的电流峰值的2倍。从通过功率开关管的峰值电流大小的角度来说，可选用正激式电路作为开关电源的拓扑结构[4]。对于反激式电路来说，加在功率开关管上的电压大小为：inoutoutininoutinUUUUUUNNUU2211=+≈+=(1-3)对于正激式电路来说，加在功率开关管上的电压大小为：inUU22≈(1-4)对于半桥电路来说，加在功率开关管上的电压大小为：inUU≈2(1-5)从加在功率开关管上电压来分析，半桥电路加在功率开关管上的电压小于反激式电路和正激式电路，但由表1-1可知，半桥电路的制作成本比反激式电路和正激式电路要高出很多，而且半桥电路的本身固有效率仅为75%。因此，本设计选用正激式电路作为开关电源的拓扑结构。-4-第2章功率因数校正电路的设计2.1输入滤波器/整流器部分的设计输入滤波器/整流器部分由EMI滤波器、单相桥式不可控整流器和输入直流滤波电容组成。设计抑制开关电源EMI滤波器必须遵循的原则：如果噪音源内阻是低阻抗的，则与之对接的EMI滤波器的输入阻抗应该是高阻抗（如电感量很大的串联电感）；如果噪音源内阻是高阻抗的，则EMI滤波器的输入阻抗应该是低阻抗（如容量很大的并联电容）。开关电源的传导干扰包含共模干扰和差模干扰。共模干扰是由于载流导体与大地之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的；而差模干扰则是由于载流导体之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。通常，线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的。在实际使用中，由于开关电源所产生的干扰以共模干扰为主，在设计滤波电路时可去掉差模电感滤波元件。开关电源EMI滤波器电路如图2-1所示[4]。LC1C3C2LN220V图2-1输入滤波器电路图中：差模抑制电容C1:0.1～0.47μF；共模抑制电感L:15～25mH；共模抑制电容C2，C310000pF。设计时，必须使共模滤波电路的谐振频率明显低于开关电源的工作频率，一般要低于10kHz[5]，即：kHzLCf1021=p(2-1)本设计中，输入滤波电路的差模抑制电容C1选择0.33uF；共模抑制电感L选择16mH；共模抑制电容C2选择0.0047uF，C3选择0.0047uF。共模滤波电路的谐振频率为：kHzHzLCf10581107.4016.014.321219=××××==-p(2-2)低于10kHz，满足条件。开关电源应用中，大都采用单相桥式不可控整流电路经电容滤波后，向后一级的电路提供直流电源。单相桥式不可控整流电路由普通二极管组成的，其电路图2-2如图所示。-5-D1D3D2D4DC+DC-U2UdC4图2-2单相桥式不可控整流电路图整流二极管的选择应考虑的主要参数为：平均电流I(av)、浪涌电流IFSM和直流击穿电压UR。当空载时，整流电路的输出电压最大，Ud=1.414U2；当重载时，整流电路的输出电压逐渐趋近于0.9U2，此时,Ud=0.9U2。输出峰值电流为：()mindoutpkUKPI=(2-3)式中：K=1.4(对于Buck电路，推挽电路和全桥电路)；K=2.8(对于半桥电路和正激式电路)；K=5.5(对于Boost电路和反激式电路)。输出峰值电流取决于事先定的开关电源拓扑结构，本设计中，已选正激式电路为开关电源拓扑结构。因此，K为2.8，代入输入峰值电流计算公式，则输出峰值电流为：()()AUKPIdoutpk56.12209.01108.2min=××==(2-4)通过没有功率因数校正的整流器的实际峰值电流，有可能是通过整流二极管平均直流电流I(av)的5倍。为了对这种情况进行补偿，可以选电流等级更高的整流二极管来减小通态压降。因此，整流二极管的浪涌电流等级至少要符合下面条件：整流二极管平均直流电流I(av)为：())(34.256.15.15.1AIIpkav=×=≥(2-5)整流二极管的浪涌电流IFSM为：)(7.1134.255)(AIIavFSM=×=≥(2-6)整流二极管所承受的反向击穿电压最大值为：)(311220414.122VUUR=×==(2-7)对于交流离线式变换器，纹波电压一般设计为输入交流电压峰值的5%～8%。本设计取6%，则电源直流输入端承受的纹波电压Uw为：)(66.1806.0220414.106.022VUUw=××=×=(2-8)输入直流滤波电容的选择主要考虑二个方面：1、能满足期望电压纹波的电容值；2、电容的额定电压。-6-输入滤波电容的大小可以从下面公式得到