【毕业学位论文】开关电源信息决策系统

分类号 校代码 10495 620 学 号 0915113007武汉纺织大 学硕士学位论文硕士学位论文硕士学位论文硕士学位论文开关电源信息决策系统开关电源信息决策系统开关电源信息决策系统开关电源信息决策系统作者姓名：作者姓名：作者姓名：作者姓名：陈陈陈陈丽丽丽丽指导教师：指导教师：指导教师：指导教师：邹庆化教授邹庆化教授邹庆化教授邹庆化教授学科门类：学科门类：学科门类：学科门类：工工工工学学学学学学学学科：科：科：科：机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程专业方向：专业方向：专业方向：专业方向：工艺信息最优决策工艺信息最优决策工艺信息最优决策工艺信息最优决策完成日期：完成日期：完成日期：完成日期：二零一二年四月二零一二年四月二零一二年四月二零一二年四月E. 012独创性声明本人郑重 声明 ： 所呈交的 学位论文 ， 是本人在 导师的指导下 ， 独立进行 研究工作所取得 的成果 。除文中 已经注明引用的 内容外，本论文 不包含任何其他 个人或集体已经 发表或撰写过的 作品成果。对本文 的研究作出重要 贡献的个人和集 体，均已在文中 以明确方式标明 。本人完全意识 到本声明的法律结果 由本人承担。学位论文 作者签名： 签字日期 ： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学 位论文作 者完全 了解武汉纺织大学武汉纺织大学武汉纺织大学武汉纺织大学有关 保留、使 用学位 论文的规 定。特 授权武汉纺织大武汉纺织大武汉纺织大武汉纺织大学学学学可以将学 位论文的全部或 部分内容编入有 关数据库进行检 索 ， 并采用影 印 、 缩印或扫 描等复制手段保存、 汇编以供查阅和 借阅。同意学校 向国家有关部门 或机构送交论文 的复印件和磁盘 。(保密的学 位论文在解密后 适用本授权说明 )学位论文 作者签名： 导师签名 ：签字日期 ： 年 月 日 签字日期 ： 年 月 日论文题目： 开关电源信息决策系统专业：机械电子工程硕士生： 陈丽指导老师：邹庆化教授摘要 电源 是所有 电子设 备的动 力 源 ,它 有很 多特性 如功率 、噪声 、 效率 、电 压等参 数 ， 相同参 数要求 下 ， 开关 电源的 性能 、 指标 又可以 有差异 。 设计 者可以 按照不 同的要 求去 “塑造 ”电源 ，因此 电源的 形式种 类繁多 。高 频开 关 电源 是 指电 压 调整 功 率的 器 件， 是 以高 频 开关 方 式工 作 的一 种 直流 稳 压电源 ，它 利 用高 频 开关 功 率器 件 通过 转 换技 术 而制 成 的高 频 开关 直 流稳 压 电源 ， 简称 “开关 电源 ”， 以下 所 提到 的 开关 电 源均 指 高频 开 关电 源 。目 前 ，开 关 电源 以 其独 有 的优 越性使 其应用 性越来 越广泛 。 就目 前的开 关电源 生产工 艺 ， 绝大 多数设 计人员 采用的 是传统的 设计方 法 ， 即根 据电路 的基本 原理和 它需要 的电源 输出 ， 并依 据以往 的实验 数据和电源 设计经 验，决 定电源 的设计 方案和 初始设 计。初 始设计 出来的 实验样 机通过 实验 ，对指 标进行 修正 ， 直到 能满足 所需要 的性能 指标要 求 。 因为 设计人 员经验 和主观 性决定开关 电源的 实际设 计并非 就是最 优设计 ， 因此 开发研 制出具 有易操 作性的 开关电 源决策分析 软件， 给出 最终 决策 的开关 电源电 路设计 最优性 能工艺 方案具 有重要 的现实 意义 。本课 题在实 际的研 究过程 中 ， 将 电力 电子 、 计算 机软件 、 价值 工程 、 运筹 学等多 学科进 行有机 的融合 ， 以实 际开关 电源方 案为例 ， 通过 对电源 中的各 种功能 和电路 成本进行必 要的重 要性分 类和严 格的 功能 和成本 评分 ，从开 关电源 的功率 因数 (电 压 /电流应 力 、 损耗 以及效 率等方 面 ， 对电 源方案 进行选 择比较 ， 从而 确定单 项价值 系数最 优的 设计 方案， 而且还 在单项 价值系 数的基 础上优 化出综 合价值 系数最 优设计 方案 。本课 题借 助 开发 出 开关 电源信 息决策 系统 得到 最优设 计方案 组合 ， 通 过 真软 件对各 方案的 参数 波形 进行 对比 ，直 观验证 系统得 到的电 源方案 的最优 性 。为企 业实际 的高频 开关电 源的设 计和研 发提供 理论指 导。关键 词： 开关 电源； 运筹优 化；功 率因数 ；应力 ；效率 ；损耗研究 类型： 应用 研究O O O Q of e of m ay tom At m of is al of al al of It K 1 绪 论 . 课题 背景 . 课题 来源 . 课题 的主要 内容 .关 电源原 理分析 . 开关 电源的 构成及 分类 . . 冲 宽度调 制 (. 冲 频率调 制 (.合 调制 . . 路 结构 .激 式变按 器 . 端 正激式 变换器 .挽 式变换 器 . 桥 式变换 器 .桥 式变换 器 . 章 小结 .关 电源实 现方案 与分析 . 输入 电路 .入 整流滤 波电路 .源 功率因 数校正 .源 功率因 数校正 . 功率 变换电 路 . 挽 式开关 变换器 .桥 式开关 变换器 .桥 式开关 变换器 . 控制 电路 .相 . 冲 . 20目 频 . 输出 电路 .桥 整流滤 波电路 .波 整流滤 波 .波 同步整 流 . 本章 小结 .频 开关电 源最优 设计与 决策 . 关 电源的 运筹学 最优计 算 . 能 重要度 系数评 定 . 单项 指标最 优 . 合 指标最 优 . 关 电源的 最优决 策实现 . 能 需求分 析 .发 平台与 方法 . 信息 系统关 键技术 的研究 . 线 程技术 . 关 电源工 艺参量 数据库 模块 .筹 决策 . 能 导航设 计技术 . 系统 的编译 与发布 .译 生成与 测试 .布 安装 . 统 运行实 例 . 章 小结 .频 开关电 源系统 仿真及 验证 . 率 因数仿 真分析 . 电压 /电流 应力波 形仿真 . 耗 波形仿 真 . 率 参数比 较 . 章 小结 .结 及展望 . . 30参考 文献 . . 301绪论11 绪 论上世 纪中叶 ，美国 在研发 搭载火 箭的过 程中开 发了小 型而且 轻重量 的开关 电源 ， 从此开 启了开 关电源 的新纪 元 。 历经 半个多 世纪的 技术发 展 ， 开关 电源以 其独特 的 优势 如效率 高 、 体积 小 、 重量 轻 、 发热 量低 、 性能 稳定等 使之逐 渐取代 传统技 术制造 的相控 稳压电 源 ， 并广 泛应用 于各种 电子整 机设备 中 。 现代 社会信 息高速 发展 ， 人们 的日常 生活和工 作越来 越离不 开这些 电子信 息设备 ， 而几 乎所有 的电子 设备都 必须有 电源的 驱动才能正 常工作 1,2。所谓 的电源 设备是 以实现 电能的 变换和 功率的 传递为 目的 的一 种整机 设备 ， 属于 技术含 量高 、 涉及 知识面 广 、 更新 换代快 的产品 。 伴随 着科学 技术的 飞速发 展 ， 电子 产品的应 用领域 也越来 越广泛 ，呈现 出多样 化的发 展趋势 ，但任 何电子 系统都 离不开 电源 ，电源 的重要 性可见 一斑 。 所以 对电源 的需求 也日益 复杂 ， 要求 也越来 越高 。 而电 源技术的发 展 趋 势必 会带动 相关技 术的发 展 ， 而相 关技术 的发展 反过来 又能推 动电源 产业的 发展。 电子产 品的蓬 勃发展 必然会 为开关 电源相 关的研 究技术 开创一 片更广 阔的天 空 ， 本论文 课题是 对实现 50V/60开关 电源进 行功能 分析 ， 并就 单一或 者综合 的 最 优目标进 行电路 的选 择 。通 过 对各 种方案 参数进 行仿真 对比， 从而验 证开关 电源的 最优性 。所设 计电源 的一些 主要技 术参数 为： 输入 电压： 交流 220压： 50V；输出 额定电 流： 60A；题背景开关 电源的 工程 最 优设 计就是 在一组 方案中 寻求一 个最优 方案 ， 用这 组最优 的设计电路 可以使 电路的 某些性 能或技 术、经 济指标 达到最 优 。进 入 21世 纪以 后 ，包 括 开关 电 源技 术 在内 的 电能 变 换技 术 已经 成 为应 用 最广 泛 和倍受 关注的 技术之 一 。 发达 国家对 电能变 换技术 的创新 非常重 视 ， 并且 投入了 大量的 人力 、 物力 和财力 ， 形成 了具有 一定规 模的产 业 ， 而我 国的电 能变换 技术与 发达国 家 相比尚有 差距 。 这些 高新技 术为开 发出高 性能 、 高效 率的开 关电源 的发展 起着不 可估量 的作用 3。 我国 的开关 电源设 计和制 造产业 ， 在早 期的发 展阶段 主要是 靠照搬 国外的 技术和 管理 ， 对技 术这样 程序性 的东西 ， 学来 即用 ， 还不 会产生 水土不 服 ， 但管 理则是 由生产 环1绪论2境和 诸多因 素混合 在一起 ，简单 地学以 致用并 不能产 生所要 的结果 ， 出现 很多 的问题 。因此 虽 然 经过 这么多 年的信 息化建 设 ， 目前 整个 开关 电源 行业 仍处在 专业系 统众多 而系统管 理缺乏 的局面 ， 生产 自动化 系统的 应用是 开关电 源行业 软件应 用的主 体 ， 对开 关电源行 业的产 、 输 、 配 、 售环 节的过 程监控 有余 ， 但在 企业的 管理决 策的支 持能力 表现上则严 重不足 。 然而 近几年 随着开 关电源 行业的 高速发 展 ， 企业 的规模 不断扩 展 、 管理 级别有 所提升的 现状下 ， 企业 管理的 需求同 软件功 能出现 脱节 ， 矛盾 日益突 出 。 现有 的信息 系统也越来 越突显 出它的 不足 。 加上 一些企 业的管 理模式 基础相 对薄弱 、 管理 不到位 、 生产 和管理 不规范 ， 并缺 乏正确 的思想 和方法 ， 对信 息化的 作用和 目标不 明确 ， 所以 导致建 立起来 的一些 应用系 统不能 达到预 期效果 ，有的 甚至会 半途而 废 4, 5。近半 个世界 以来 ， 人们 先后已 将电源 最优设 计方法 成功地 应用于 单端或 桥式 电 源的 主 电 路 (或 称 功 率级 电 路 )， 电 源控 制 电 路 的 补偿 网 络 ， 谐 振开 关电源 的谐振 设计等 ，取得 了一定 的经验 ，但是 还有待 于进一 步普及 和推广 。 以开 关电源 为核心 的直流 电源系 统在通 信电源 系统中 占据着 无与伦 比的重 要地位 ，对整 个通信 供电指 标起着 非常关 键的作 用 ， 因此 设计出 高性价 比的开 关电源 ， 不仅 具有学术 价值， 亦具有 实际的 使用价 值。题来源结 合邹 庆 化教 授 机 械 零部 件 再制 造 关键 技 术研 究 与实 验 课 题 中的 部 分内 容 以及入 学前的 企业工 作经验 ， 围绕 企业实 际生产 制定开 关电源 的最优 设计方 案 。 主要 目的是开 发研制 出具有 易操作 性的开 关电源 最优决 策分析 软件 ， 给出 决策后 的开关 电源电 路设计 最优性 能工艺 方案。开关 电源技 术正在 向节能 降耗 、 自动 化 、 智能 化 、 信息 化 ， 模块 化的方 向不断 发展 。电路 优化已 经成功 用于开 关电源 领域， 成为该 领域的 亮点。题的主要内容本课 题的主 要内容 是开发 研制出 一款具 有易操 作性的 开关电 源最优 决策分 析软件 ，并给 出决策 后的开 关电源 电路设 计最优 性能工 艺方案 。电源 是各种 电子产 品正常 工作的 动力源 ， 也是 电子设 备的基 础组成 部分 。 其性 能优劣直 接关系 到电子 设备的 技术指 标以及 是否能 安全可 靠地工 作。现代 电源技 术是应 用电力 电子半 导体器 件、综 合自动 控制、 计算机 (微处 理器 )技术和电 磁技术 的 一门 多学 科交叉 技术 。 在电 力电子 技术的 应用及 各种电 源系统 中 ， 开关 电1绪论3源技 术 始终 处于 核心地 位 6。开关 电源方 案最优 决策是 基于降 低成本 ，有效 利用资 源提出 来的一 种研究 方法 。 希望通 过该方 法取得 产品的 最佳功 能 ， 为企 业创造 更多的 利润 。 我们 评价包 括电源 在内的任何 一种产 品 、 一项 工作或 者一种 服务的 价值大 小时 ， 如果 认为质 量高价 值就大 ， 或认为成 本低价 值就大 ，都是 不合理 的。因 为，质 量高代 价也昂 贵，成 本低但 质量也 差 ， 这都不 符合用 户的要 求 ， 都不 能称为 价值系 数最大 。 从企 业的角 度来讲 ， 企业 的目的 就是为社 会提供 更多的 令人满 意的产 品或劳 务及确 保企业 利润。 为了增 加产品 的销售 量 、 多赢利 ，最有 效的办 法就是 改进设 计、改 进结构 、提高 产品质 量，从 而降低 成本。开关 电源方 案最优 决策是 以设计 具有最 大价值 (系数 )为标 准进行 的 。 价值 系数等 于 ：功 能 /成 本。 围 绕价 值 标准 和 功能 分 析， 以 实现 输 出 50V/60关 电 源为 例 ，其 优 化设计 归结为 以下几 个步骤 ： (1) 制定 开关电 源的设 计方案 ， 对各 种方案 中的各 种功能 进行必 要的重 要性分 类和严格功 能评分 ，以使 各电路 功能具 有确定 的功能 系数量 化值。(2) 对各 种方案 中的各 种电路 成本 ， 进行 必要的 重要性 分类和 严格的 成本评 分 ， 以使其各 电路成 本具有 确定的 成本系 数量化 值。(3) 在单 项价值 系数最 优的设 计基础 上，优 化出综 合价值 系数最 优设计 方案。(4) 用软 件系统 ，借助 系统 对电源 的最优 决策进 行评定 ，通过 件对 评 定 出 的 各 种 方 案 参 数 进 行 波 形 对 比 ， 直 观 验 证 系 统 得 到 的 电 源 方 案 的 最 优性。本文 的的结 构安排 如下：第一 章说明 了本课 题的研 究背景 、 研究 动态 、 目的 和意义 ， 并简 要介绍 自己做 的研究工 作。第二 章阐述 了高频 开关电 源的工 作原理 。 包括 开关电 源的构 成和分 类以及 开关电 源的工 作方式 等。第三 章给出 满足技 术指标 要求的 高频开 关电源 方案。 第四 章对给 出的电 路方案 进行分 析 ， 给出 决策 。 并讲 述高频 开关电 源最优 决策信 息系统 设计实 现。 第五 章给出 各种方 案波形 的对比 图，验 证决策 系统的 合理以 及正确 性。第六 章为结 论。2开关电源 原理与分析42 开关 电源 原理 关电源的构成及分类开关 电源通 常由四 大部分 组成， 如图 第一 部分是 输入电 路，它 包含一 次整流 、滤波 环节。 220V/380经输 入电路后可 以得到 一个直 流电压 。 第二 部分是 功率变 换 ， 它是 由电子 开关和 高频变 压器完 成的 ，作用 是把输 入电路 送出的 直流电 压变换 成受到 控制的 、 符合 设计要 求的高 频方波 脉冲电压。 第三部 分是控 制电路 ，将输 出电压 经过分 压、采 样后与 电路的 基准电 压进行 比较 、放大 。该信 号与频 率振荡 器产生 的 一种 高频波 段信号 进行叠 加并调 制，达 到脉冲 可调 。第四 部分是 输出电 路，用 于将高 频方波 脉冲电 压经整 流滤波 后变成 直流电 压输出 7。开关电 源的实 质是电 源变换 。图 关电源 组成模块图开关 电源的 电路结 构分类 方法有 多种8：(1) 按激 励方式 分，有 自激式 和他激 式两种 。(2) 按 的工 作方式 分 ： 单端 正激式 和反激 式 、 推挽 式 、 半桥 式 、 全桥式等 ； 降压 型、升 压型和 升降压 型等。(3) 按谐 振 式 分，有 谐振型 和非谐 振型。(4) 按控 制方式 分： 脉冲 宽度调 制 ( ， 脉冲 频率调 制 ( ； 。整流 滤波 开关器件 变压 整流 滤波基极驱动振荡器 调制 比较放大基准电源采样电路保护电路输入电路 功率变换 电路 输出电路控制电路2开关电源 原理与分析5(5) 按电 源是否 隔离和 反馈控 制信号 耦合方 式分 ， 有隔 离式 、 非隔 离式和 变压器 耦合式、 光电耦 合式等 。源按 时间比 例控制 (控 制原理 ， 有三 种方式 ， 即脉 冲宽度 调制方 式 (缩写 为 脉冲 频率调 制方式 (缩写为 混 合调制 方式 。冲宽度调制 ( 冲 宽 度 调制 方式主 要指开 关的周 期恒定 ，通过 改变脉 冲的宽 度来改 变占空 比的一种控 制方式 9,10。 宽 度 调制 开关电 源具有 以下 6个优 点：(1) 体积 小且重 量轻： 这种开 关电源 改用高 频变压 器取代 笨重的 工频变 压器， 所以不但 体积减 小、重 量也随 之大大 减小。(2) 效率 高：在 相同输 出功率 要求下 ，流过 开关管 回路的 电流更 小，因 此，效 率通常可 到达 80以 上。(3) 适应 性强 ： 串联 线性调 整稳压 电源功 率晶体 管的功 率损耗 会随 着 电源 的输入 电压和输 出电压 之差增 大而增 大 ， 由于 这一特 点在电 源的输 入电压 和输出 电压变 动大的场 合下 ， 串联 线性稳 压电源 晶体管 并不能 适应 。 而脉 冲 宽度 调制 (稳 压开关 管在开 关状态 ， 只要 工作在 脉冲宽 度调节 的许可 范围内 ， 即使 是需要 工作在输入 电网和 输出电 压变动 幅度很 大的场 合，它 也可以 适应。(4) 能防 止过压 的危害 ： 串联 线性调 整型稳 压电源 ， 在输 入电压 和输出 电压的 差值大的情 况下 ， 如果 出现串 联电路 功率晶 体管击 穿或者 损坏时 ， 将会 输出一 过电压 危及负 载 ； 脉冲 宽度调 制 (稳 压电源 在高压 开关管 损坏时 ， 主回 路将会 停止工作 ， 不会 输出过 电压 。 在由 控制电 路故障 引起的 输出电 压上升 的情况 下 ， 其过压保 护电路 可以在 电压上 升到危 险电平 (具体 视负载 要求而 确定 )前将 电源切 断，这样 能起到 对负载 提供充 分的保 护 。 这种 特点非 常有益 于像集 成电路 等对电 压比较敏 感的负 载，这 在当今 越来越 集成化 的电子 世界中 是非常 重要的 。(5) 当输 入交流 电压突 然停止 供电时 ， 输出 电压能 保持很 长时间 ： 由于 输入电 压很高 ，电容 能储存 的能量 大 ， 加上 电路的 输出电 压一般 能保持 在额定 值的时 间可达 20m 便于 实现信 息保护 。(6) 输出 电压与 输出电 流成反 比 ， 即输 出的电 压越低 ， 输出 的电流 就越大 ： 因为 这是2开关电源 原理与分析6一种 功率转 换的装 置 。 当转 换同样 的功率 时 ， 如果 输出电 压低 ， 则输 出电流 就增大了 ，非常 适合集 成电路 那样要 求提供 低电压 ，大电 流的场 合。由上 所述 ， 脉冲 宽度调 制 (稳 压电源 非常合 适做集 成电路 型电子 设备的 供电模块 的电源 ，也可 以说它 是目前 一