大功率直流开关电源设计--毕业论文

I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源而将直流--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，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(GH·Roger)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(JJ·JenSen)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II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、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。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—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III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，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/5OA(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。IV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。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。EMI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保护电路控制电路ACDCV电源主电路通过输入整流滤波、DC-DC变换、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、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。2.2DC-DC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VI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。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