大学生研究性学习和创新性实验计划项目

第七届大学生研究性学习和创新性实验计划项目 申 报 表 项目名称高功率因数直流软开关电源设计 项目类别 创新训练项目 创业训练项目 项目级别 省部级 校级 项目主持人 段志超 学生所在学院 能源工程学院 专业班级 电子信息科学与技术 联系电话指导老师 黄祯祥 填表日期2014 年 4 月 18 号 项目名称: 高功率因数直流软开关电源设计 学生姓名学 号专业名称性 别 入学年份 段志超2011920012288电子信息科学与技术男2011.9 黄鑫201192001226电子信息科学与技术男2011.9 刘添201192001219电子信息科学与技术男2011.9 田野201192001229电子信息科学与技术男2011.9 指导教师黄祯祥职称副教授 项目所属一 级学科 电气工程 学生曾经参与科研或创业的情况 项目组成员曾独立完成了直流电动机调速调压可控整流的电源电路设计、数字时钟 电路的设计、波形发生器的设计、光敏防盗钱包的设计、线性直流稳压电源的设计、基 于单片机的交通灯控制系统设计、温度采集及显示控制系统设计与简易可编程稳压电源 的设计等。部分成员于 2013 年暑假在深圳富士康实习体验一个月。 指导教师承担科研课题情况 2006-2008 年，主持湖南省教育厅科研项目基于 DSP 的永磁交流伺服智能控 制系统的研究 ，已结题。 2009-2010 年，参与湖南省教育厅科研项目新型复合走丝电火花线切割机床走 丝技术的研究 ，已结题。 2005-2007 年，参与湖南省教育厅科研项目基于六自由度的钻尖后刀面刃磨技 术的研究 ，已结题。 2005-2007 年，参与湖南省湘潭市科研项目基于合成法技术的麻花钻刃磨的研 究 ，已结题。 项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题 一、项目研究和实验的目的一、项目研究和实验的目的 电源技术尤其是直流软开关电源技术是一门实践性很强的工程技术，它融合了电气、 电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。如今开关电源在计算机、通信、航 空航天、仪器仪表及家用电器等各行各业中都得到了广泛应用，人们对其需求量日益增 长，同时，计算机和通讯技术的发展，为软开关电源技术提供了广阔的发展前景。开关 电源因其具有效率高、重量轻、体积小等显著特点,许多学者投入大量的精力去研究， 特别是对大容量高频开关电源的研究和开发已成为当今电力电子学的主要研究领域，并 派生了很多新的研究方向。本项目的研究目的是为解决一般的线性稳压电源体积大、调 整管功耗大、功率因素低、滤波电感的容量要求大、线性度不好等问题，设计带两级 PFC 功率因数校正电路的直流大功率软开关电源，并通过创新实训提高解决工程问题的 能力，为就业上岗打下基础。 二、项目研究的内容二、项目研究的内容 本项目主要利用两级 PFC 电路进行功率因数校正，其中前级 PFC 电路部分采用 UC3854A/B 芯片进行控制，后级零电压开关移相全桥控制电路采用 UC3825 芯片进行 控制。在对控制电路芯片原理与外围电路进行详细分析的基础上，对主电路结构进行优 化设计，对主要器件进行计算选型。同时为验证设计效果，对功率因数校正的主电路和 移相全桥变换器主电路用 PSpice 软件进行仿真，验证设计是否达到预期效果。具体内 容为： （1）建立 PFC Boost 电路小信号模型。结合平均电流控制思想对控制电路乘法器 进行小信号建模，在此基础上设计双环控制器，结合 Boost 电路的非最小相位系统特 性进行分析和处理。 （2）设计移相全桥 DC/DC 变换电路。基于 Buck 电路小信号模型，综合考虑占 空比丢失等情况，进而推出精确的移相全桥 DC/DC 变换电路的小信号模型，在此基础 上设计电压环控制器。并对电路占空比丢失、软开关限制条件等因素进行讨论。 （3）分析 UC3854 和 UC3825 的控制功能，设计其外围控制电路。 （4）控制、均流、驱动与保护电路设计。 （5）提出解决电磁干扰和电磁兼容问题的思路。 （6）利用 Matlab 仿真验证设计效果。 （7）实验验证与分析。 三、项目要解决的主要问题三、项目要解决的主要问题 （1）提高功率因数至 0.95 以上，降低纹波电压和尖峰电压。 （2）解决开关损耗、开关噪声问题。 国内外研究现状和发展动态 美国人罗耶在 1955 年发明了自激震荡晶体管单变压器的推挽 DC-DC 变换器，开 始了开关电源的实际应用研究。查赛在 1957 年发明了自激推挽双变压器变换器。1964 年美国正式提出没有工频变压器的开关稳压电源的思路，并在 1969 年成功研制了 25KHz 的开关变换器电源。 最初研制的开关稳压电源实际上是硬开关技术的应用。上世纪 60 年代美国科学家 研制的直流变换器获得到了应用上的成功，并在 70 年代初期开关稳压电源在发达国家 得到了广泛应用。但是，这些早期的开关电源器件都采用分立元件，并且是非标准的。 从 1977 年开始，出现了电源控制电路的集成化。英国科学家在 80 年代初应用集成电 路成功研制了 48V 输出的电源。从上世纪 70 年代开始，开关电源的研究人员已经认 识到了硬开关的不足，并开始对软开关技术进行研究。 随着节能技术越来越高的要求，随着电子设备小型化的要求，随着对环境保护的更 高要求，开关电源技术也在飞速的发展着。效率更高，体积更小，电磁污染更少，功率 因数更高、工作性能更可靠的开关电源推陈出新。近两年来突出的技术与科技进步有以 下几个方面。 1）同步整流技术。自从同步整流技术在九十年代末期诞生以后，它给开关电源技 术的提升做出了突出贡献。目前研发工程师已经普遍接受采用 IC 控制技术的同步整流 方案。新上市的高中档次开关电源几乎都采用了同步整流技术。现在的同步整流技术都 在努力地想实现 ZVS，ZCS 方式的同步整流。2002 年美国银河公司发表了 ZVS 同步整 流技术，从那之后，这门技术已经得到了广泛应用。该技术非常巧妙地将二次侧驱动同 步整流的脉冲信号比一次侧的 PWM 脉冲信号的上升沿超前，下降沿滞后的方法又实现 了同步整流 MOSFET 的 ZVS 方式工作。最新发布的双输出式 PWM 控制 IC 几乎都在 控制逻辑内增加了对二次侧实现 ZVS 同步整流的控制端子。如凌特公司的 LTC3722，LTC3723，英特塞尔公司的 ISL6752 等。这些 IC 不仅努力解决好初级侧功 率 MOSFET 的软开关，而且着力解决好二次侧的 ZVS 方式的同步整流。用这几款 IC 制作的 DC/DC 变换器，总的转换效率都达到了 94%以上。 2）高速发展的 PWM 控制 IC。有源箝位技术经久不衰，VICOR 公司在 2002 年将 此项专利技术解禁之后，各家公司发表的新型有源箝位控制 IC 犹如雨后春笋一样诞生 出来，给用户最广泛的选择。TI 公司是控制着早期有源箝位控制技术的大公司，现在 不仅保持了原有的 UCC3580 系列，还新开发了性能更加优越的 UCC2891-94，它采用 的是电流型控制方式，并且综合了高边箝位和低边箝位的两种控制方案，给出了全新的 控制技巧。ONSEMI（安森美）公司最先推出了低压（100V）有源箝位的 NCP1560 控 制芯片，紧接着又推出了高压应用的有源箝位控制芯片 NCP1280。它不仅解决了 LCD TV，等离子 TV 电源的需求，现在还用于下一代无风扇的 PC 机电源做主控 PWM IC。 在制作大功率开关电源领域里，最新的科技成果要属 INTERSIL 公司最新推出的 PWM 对称全桥的 ZVS 控制 IC，型号为 ISL6752。它比较好地解决了既控制初级侧的四 个 MOSFET 开关为 ZVS 工作状态，还准确地给出控制二次侧的同步整流为 ZVS 工作 状态的驱动信号。我们可以利用这颗 IC 制作 400W 的 DC/DC，再加上比较良好的功率 MOSFET，转换效率就能达到 95%。 3）非隔离 DC/DC 技术的迅速发展。近年来非隔离的 DC/DC 技术发展也十分迅速。 由于负载不同，目前一套电子设备或电子系统，会要求电源系统提供好几个电压挡级。 例如台式的电脑就要求有+12V，+5V，+3.3V，-12V 四种电压以及待机的+5V 电压。到 了主机板上，2.5V，1.8V，1.5V 甚至 1V 等。为此，一套 AC/DC 中不可能给出这么多 的电压输出。大多数低压供电电流都比较大。因此开发了很多非隔离式的 DC/DC，它 们能分成两大类。一类是内部含有功率开关元件的称之为 DC/DC 转换器。另一类是不 含功率开关并且需要外接功率 MOSFET 的称作 DC/DC 控制器。按照电路来区分的话， 有降压的 STEP-DOWN，有升压的 BOOST，有又能升压又能降压的 BUCK-BOOST， 或 SEPIC 等。还有将正压转成负压的 INVERTOR 等。其中发展最快也是品种最多的还 是降压的 STEP-DOWN。根据输出电流大小，有单相的，两相的以及多相的。控制方式 上大部分都是 PWM，只有少部分采用 PFM。 4）PFC 技术的重大突破。在 2008 年 3 月在美国召开的 APEC 会议和在上海召开的 PICM 会议上，工程师们提出了没有整流桥的 PFC 电路新技术，而且已经迅速实用化， 它采用两只电感，两只功率 MOSFET，两只快恢复二极管组成 PFC 的升压电路，分别 工作在各 50%的半周期，从而省掉了造成功耗的整流桥，特别在输入电压的低端，即 AC90V 输入时，效率的提升高达 1.5 个百分点。由于这种电路的输入和输出没有共地点， 因而给输入电压的检测带来麻烦，美国 IR 公司的采用 ONE SYCLE 专利技术设计制造 的 PFC 控制 ICIR1150S 正好省掉了对输入电压的检测这个环节，因而 IR1150S 成为制 作无整流桥 PFC 的最方便的控制 IC。 综上所述，开关电源的主要发展趋势如下： （1）频率高、体积小、重量轻。向高频化发展是开关电源未来的方向。通过提高 开关电源的频率，就能够减小电路中的电感和电容的容量和体积，同时降低重量，这样 就实现了开关电源的小型化。同时频率的进一步提高又能够改善电路的动态性能，并且 能够抑制电路干扰。 （2）提高电路的可靠性，向集成化、小型化、模块化的方向发展。 （3）降低电路的噪声。随着开关电源频率的不断提高，工作中的噪声也会增大， 所以必须采取措施来降低电源的噪声，比如部分谐振转换回路电路等。所以低噪声将成 为开关电源的发展方向之一。 （4）无污染。随着电力电子装置和电源的大量广泛应用,使输入电源的谐波电流显 著增加，功率因数大为降低,使供电网受到明显污染。如何提高其功率因数是当前的研 究热点。 项目的创新点和特色 本项目的创新点在于电路中使用两级 PFC 电路，并在 DC-DC 变换器中使用一种 带原边钳位二极管的 ZVS 零电压开关技术来降低电路损耗，提高了功率因数，同时采 用移相全桥拓扑来满足大功率的要求。 项目的技术路线及预期成果 技术路线技术路线 （1）大量阅读相关文献与资料，洞悉开关电源的发展状况； （2）找出一般开关电源的缺点并分析产生的原因，提出设计方案并进行论证； （3）设计电路，建设仿真模型，并进行对比仿真分析，调整电路参数； （4）搭建实验平台，验证理论结果； （5）分析存在的问题，提出工作展望。 预期结果预期结果 （1）提交项目总体报告； （2）发表专业论文 1-2 篇。 年度目标和工作内容（分年度写） 2014 年： 2014 年 4 月到 2014 年 5 月，搜集并学习参考文献，了解国外该领域的研究动态， 提出设计方案并进行论证。 2014 年 6 月到 2015 年 8 月，前级功率因数校正环节分析与设计。 2014 年 9 月到 2014 年 10 月，ZVS 移相全桥 DC/DC 变换电路分析与设计。 2014 年 11 月到 2014 年 12 月，主电路分析与设计。 2015 年： 2015 年 1 月，控制芯片的选取与外围控制电路的设计。 2015 年 2 月，工作频