大功率开关电源的研究

1《电源技术》课程设计题目:大功率开关电源的研究2摘要：本论文结合开关电源发展的现状，分析和研究了开关电源在高频和大功率情况下的实现方案，并对高频大功率开关电源的主电路和控制电路进行了理论设计和参数估算。关键词：开关电源移相全桥零电压开关-脉宽调制电磁兼容目录第一章开关电源发展状况.............................................31.1新型高频功率半导体器件......................................31.2软开关技术..................................................31.3控制技术....................................................41.4有源功率因数校正技术........................................41.5分布电源技术、并联均流技术..................................41.6电源智能化技术和系统的集成化技术............................5第二章开关电源方案基本工作原理....................................6第三章全桥变换器的工作原理........................................7第四章开关电源主电路的设计........................................84.1高频变压器的设计.............................................84.2输入整流滤波电路设计.........................................84.3输出整流滤波电路设计.........................................9第五章开关电源控制电路的设计.....................................105.1移相PWM控制芯片UC3879的特性...............................105.2驱动电路设计................................................105.3反馈电路设计................................................115.4保护电路的设计..............................................12参考文献...........................................................133第一章开关电源发展状况开关电源的前身是线性稳压电源。各种电子装置、许多电气控制设备的工作电源都是直流电源。在开关电源出现之前，这些装置的工作电源都采用线性稳压电源。由于计算机等电子装置的集成度不断增加，功能越来越强，它们的体积却越来越小。因此，迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源，这就成了开关电源技术发展的强大动力。新型电力电子器件的发展给开关电源的发展提供了物质条件。开关频率的提高有助于开关电源的体积减小、重量减轻。早期的开关电源的开关频率仅为数千赫兹，随着开关器件以及磁性材料性能的不断改进，开关频率也逐步提高。但当开关频率达到10KHz左右时，变压器、电感等磁性元件发出的噪声就变得很刺耳。为了减小噪声，在20世纪70年代，开关频率终于突破了人耳听觉极限20KHz，这一变化甚至被称为“20KHz革命”。后来随着电力MOSFET的应用，开关电源的开关频率进一步提高，使得电源体积更小，重量更轻，功率密度更进一步提高。由于和线性稳压电源相比，开关电源在绝大多数性能指标上都具有很大的优势。因此，目前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合以外，开关电源已经全面取代了线性稳压电源。计算机、电视机、各种电子仪器的电源几乎都已是开关电源一统天下。目前推动开关电源性能和质量不断提高的主要技术是：1.1新型高频功率半导体器件如功率MOSFET和IGBT已完全可代替功率晶体管和中小电流的晶闸管，使开关电源工作频率可达到400KHz(AC-DC开关变换器)和1MHZ(DC-DC)开关变换器，实现开关电源高频化有了可能。超快恢复功率二极管和MOSFET同步整流技术的开发，也为研制高效低电压输出(≤3V)的开关电源创造了条件。21.2软开关技术PWM开关电源按硬开关模式工作(开/关过程中，电压下降/上升/下降波形有交叠)，因而开关损耗大。开关电源高频化可以缩小体积重量，但开关损耗却更大了(功耗与频率成正比)。为此必须研究开关电压/电流波形不交叠的技术，即所谓零电压(ZVS)/零电流(ZCS)开关技术，或称软开关技术(相对于PWM硬开关4技术而言)。90年代中期，30A/48V开关整流器模块采用移相全桥(Phase-shiftedFullbridge)ZVS-PWM技术后，重量比用PWM技术的同类产品，重量下降40％。软开关技术的开发和应用提高了开关电源的效率，据说，最近国外小功率DC-DC开关电源模块(48/12V)总功率可达到96％；48/5VDC-DC开关电源模块的效率可达到92-93％。20世纪末，国内生产的50-100A输出、全桥移相ZVZCS-PWM开关电源模块的效率超过93％。1.3控制技术电流型控制及多环控制(Multi-loopcontrol)已得到较普遍应用；电荷控制(Chargecontrol)，一周期控制(One-cyclecontrol)，数字信号处理器(DSP)控制等技术的开发及相应专用集成控制芯片的研制，使开关电源动态性能有很大提高，电路也大幅度简化。1.4有源功率因数校正技术由于输入端有整流元件和滤波电容，单相AC-DC开关电源及一大类整流电源供电的电子设备，其电网侧(输入端)功率因数仅为0.65。用有源功率校正技术(ActivePowerFactorCorrection)，简称APFC，可提高到0.95-0.99，既治理了电网的谐波“污染”，又提高了开关电源的整体效率。单相APFC是DC-DC开关变换器拓扑和功率因数控制技术的具体应用，而三相APFC则是三相PWM整流开关拓扑和功率因数控制技术的结合。1.5分布电源技术、并联均流技术分布电源技术(DistributebPowerTechnique)是将250-425/48VDC-DC变换器产生的48V母线(DistributedBus)电压，供电给负载板(Board)，再通过板上(Onboard)若干个并联的薄型(LowProfile)DC-DC变换器，将48V变换为负载所需的3.3-5V电压。一般，DC-DC变换器的功率密度达100W/in3、效率90％，并且应当是可并联的3(Parallelable)。分布电源系统适合于用超高速集成电路(VeryHighSpeedIC-VHSIC)组成的大型工作站(如图像处理站)、大型数字电子交换系统等，其优点是：可降低48V母线上的电流和电压降；容易实现N+1冗余(Redundancy)，提高了系统可靠性；易于扩增负载容量；散热好；瞬态响应好；减少电解电容器数量；可实现DC-DC变换器组件模块化(Modularity)；易于使用5插件连接；可在线(Online)更换失效模块等。1.6电源智能化技术和系统的集成化技术开关电源微处理器监控、电源系统内部通信、电源系统智能化技术以及电力电子系统的集成化与封装技术等。开关电源相关技术的研究正处于迅速发展阶段，上述各项技术的应用，尤其是开发高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及智能化电源系统，仍然是今后开关电源技术的发展方向。下面几个方面是开关电源发展的永恒方向：（1）小型化、轻量化和高频化开关电源的体积、重量主要由储能元件(磁性元件和电容)决定，因此，开关电源的小型化实质上就是尽可能减小储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感以及变压器的尺寸，而且还可抑制干扰、改善电源系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。（2）高效率和高可靠开关电源使用的元器件大大少于连续工作电源，因此提高了可靠性。电容、光电耦合器以及功率MOS等元器件的寿命决定开关电源的寿命。因此，要尽可能采用较少的元器件，提高集成度。另外，开关电源的工作效率高，会使自身发热减少、散热容易，从而达到高功率密度、高可靠性。（3）低噪声和良好的动态相应开关电源的缺点之一是噪声大。单纯追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换电路技术，既可以提高频率，又可以降低噪声。1.2本课题的选题意义通过对大功率全桥有限双极性软开关、峰值电流控制模式开关电源技术的研究，进行仿真分析，实验验证，掌握开关电源相关技术和设计方法，为拓展有限双极性软开关和峰值电流控制模式电源电路的应用奠定基础。本课题研究的是大中功率的高频开关电源及其几个研究热点，符合开关电源的发展方向，有助于新技术在国内开关电源中的应用。理论联系实际，通过高频开关电源的研发，可以使得理论知识应用于实际工程中，同时也培养了作者的科研能力和创新意识。6第二章开关电源方案基本工作原理图128V/400A直流电源方案原理图电路输入端接三相交流380V电压，经过EMI滤波器，经三相整流桥整流为直流电压，滤波后供给四个全桥式功率变换器模块，输出电压稳定的直流电压。单片机监控单元完成输出电压电流的显示、调节以及通信等功能。7第三章全桥变换器的工作原理图2示出全桥电路结构，基本工作原理为：直流电压Vin经过Q1、D1～Q4、D4组成的全桥开关变换器，在高频变压器初级得到高频交流方波电压，经变压器降压，再全波整流变换成直流方波，最后通过电感L、电容C组成的滤波器，在R上得到平直的直流电压。全桥直流变换器由全桥逆变器、高频变压器和输出整流滤波电路组成，也属于直流-交流-直流变换器。图2全桥变换器电路结构8第四章开关电源主电路的设计开关电源的主电路主要处理电能，即功率变换。主电路主要包括输入滤波电路、逆变电路、高频变压器、输出滤波电路等部分。主电路的设计通常在整个电源的设计过程中占有最为重要的地位。4.1高频变压器的设计变压器是开关电源中的核心元件，许多其他主电路元器件的参数设计都依赖于变压器的参数，因此应该首先进行变压器的设计。高频变压器工作时的电压、电流都不是正弦波，因此其工作状况同工频变压器是很不一样的，设计公式也有所不同。需要设计的参数是铁心的形式和尺寸、各绕组匝数、导体截面积和绕组结构等，所依据的参数是工作电压、工作电流和工作频率等。4.2输入整流滤波电路设计交流输入一般采取单相输入或三相输入（四线方式、无中线方式）。在中大功率场合，由于单相整流的电压较三相整流的电压低得多，使得DC-DC变换电路的电流大，功耗亦增大，且单相整流与三相整流相比整出的直流脉动较大，故采用三相输入，所以本设计的输入部分采用三相无中线方式，经功率二极管组成的三相桥式整流器输出脉动直流，在整流器输出端接有LC滤波网络，将脉动电流变为平滑直流，输入整流滤波电路如图3所示。图3输入整流滤波电路94.3输出整流滤波电路设计一般而言，输出整流回路有两种，一种是四个二极管构成的单相全桥整流方式，另一种是两个整流二极管构成的单相全波整流方式。两者相比，全波整流电路前的主变压器的二次绕组带中心抽头，结构较复杂；全桥整流比全波整流多用两只二极管，成本高，若输出电流大，则整流桥上二极管的总通态损耗也较大，影响变换器效率，但在全波整流电路中，二极管承受的最大反向电压为全桥整流电路的两倍。基于以上考虑，当输出电压较高，输出电流较小时，一般采用全桥整流方式；当输出电压较低，输出电流较大时，一般采用全波整流方式。结合本课题的情况，故输出整流电路选用单相全桥整流电路，如图4所示。图4输出整流电路（全桥）10第五章开关电源控制电路的设计开关电源的主