用于电站直流屏高频开关整流器的设计

摘要 摘要发电厂和变电所中，控制部分和保护部分需要安全可靠的供电电源，由蓄电池组构成的高频开关直流电源因其高可靠性成为电力操作电源系统中的重要组成部分。高频开关电源工作于高频开关状态，系统具有体积小、重量轻、可靠性高等优点。本文分析了国内外高频开关电源的发展和现状，研究了高频开关电源的基本原理及高频开关电源在电力直流操作电源系统中的应用，设计出一种实用于电力系统的高频开关电源，以替代传统的相控电源。该系统以IGBT作为功率开关器件，构成全桥式Buck开关变换器，采用脉宽调制 (PWM)技术，PWM控制信号由PWM集成控制器TL494产生，控制电路和主电路之间通过光电耦合器进行隔离，提高了系统的稳定性和可靠性。本文设计的高频开关电源还具有多种保护措施，如过压、过流保护。针对这种情况以封锁输出脉冲的方式，使得系统的抗干扰力更强、可靠性更高。关键词：高频开关电源，PWM，IGBT，Buck，保护电路- 13 -AbstractAbstract In the power plant and transformer substations, the DC operating power is supplied from high frequency switching DC power supply and uses bulky batteries as an alternative power . HFSPS exceptions, such as over- voltage，over-current are dealt with by carefully designed protection circuits . These circuits provide various functions to protect the system. So the reliability of the system are much more better. Present situation and development of high frequency switching power supply are analyzed in this dissertation domestically and overseas. The basic principle of HFSPS and its application in electric power system are studied. Then a kind of HFSPS applied in electric power system is designed in order to replace the traditional Phase control power supply. The Buck full-bridge converter is made up of four IGBT. And the theory of PWM is used. The signal of PWM is offered by TL494.The primary circuit and the control circuit are insulated by transformer or photo coupler. The over current self-protection is also designed. The experiment results show that the system can work safely and reliably. Because of the high frequency operation this switching mode power supply has many advantages: light weight, small physical size, high reliability, etc.Keyword : HF Switch Power Supply; PWM; IGBT; Buck; Protection circuit目录目录摘要IAbstractII目录III第一章 绪论11.1课题的背景及选题的意义11.2高频开关整流器的国内外现状和发展方向2第二章 高频开关整流器的工作原理42.1高频开关整流器的基本组成和工作原理42.1.1高频开关整流器的基本组成42.1.2高频开关整流器的工作原理52.2高频开关变换器62.2.1 Buck变换器72.2.2有高频变压器隔离的Buck82.3控制电路112.4本章小结13第三章 高频开关整流器主电路的设计143.1高频开关整流器主电路的总体结构143.2高频变压器的设计153.2.1高频变压器设计中需考虑的因素153.2.2高频变压器参数的计算163.3输出整流滤波电路的设计193.3.1输出滤波电感193.3.2输出滤波电容203.4本章小结20第四章 高频开关整流器控制电路的设计224.1PWM控制电路224.1.1TL494普通型PWM控制器244.1.2外围电路的设计244.2反馈电路设计254.2.1电压电流反馈254.2.2 PI调节器的设计254.3保护电路的设计264.3.1过压保护264.3.2过流保护284.4驱动电路的设计294.5检测电路的设计314.6辅助电源的设计324.7本章小结32结论33致谢34参考资料35附录36第一章 绪论第一章 绪论1.1课题的背景及选题的意义供给变电站二次电路的电源称为操作电源，操作电源主要向控制、保护、自动装置电路供电，同时还作为事故照明电源，要求其可靠性高、性能稳定。交流操作电源因执行时操作机构可靠性低于直流电源，现已逐步被直流电源系统所取代。发电厂和变电站中要求有可靠的直流电源。因此常用蓄电池作为大于变电站的直流操作电源。对上述电源要求其可靠性高、稳定性好、以及在最严重的事故情况下其电源容量和电压质量均能保证用电设备的可靠性工作。根据电力系统的要求，蓄电池直流系统的电压等级有：(1)控制负荷专用蓄电池组的电压采用110V；(2)动力负荷和直流事故照明专用的电压采用220V；(3)国内的发电厂和变电站的直流电压大多采用220V；所以说，220V直流电源在电力系统的操作电源系统中占有非常重要的地位。目前，直流电源主要有晶闸管相控电源直流系统、高频开关电源直流系统及线性电源系统三种。采用晶闸管作为整流器件的相控电源直流系统，其依据是：市电先经工频变压器进行降压，然后通过晶闸管滤波整流，并通过移相控制来保持输出电压的稳定。由于晶闸管和变压器自身参数的限制，传统直流操作电源存在着许多缺点：(1)功率因数低、效率低、体积大；(2)系统可靠性低，因为无法实现冗余；(3)稳流、稳压精度低，输出纹波电压过高；(4)控制特性不好、系统响应速度慢、不易与计算机系统配接实现监控。高频开关电源直流系统克服了晶闸管相控电源直流系统的以上缺点，具有体积小、重量轻、效率高、输出纹波系数小、动态响应速度快、控制精度高、模块可叠加输出、冗余等特点。高频开关电源直流系统将整流器、调压装置、输出电路、保护电路有机地结合在一起，有效的解决了以往直流操作电源的缺陷。 表1-1高频开关电源直流系统与晶闸管直流系统的技术性能对比技术性能高频开关电源直流系统晶闸管直流系统稳压精度0.5%1%稳流精度0.05%2%纹波系数0.5%2%功率94%75%功率因数动0.90.7可靠性高低态响应时间200us左右几十ms噪音低高系统结构模块化结构传统柜结构随着生活水平的提高，相应对供电质量提出了越来越高的要求。为了保障电网安全可靠、经济效益高，将自动化更多的应用到电力系统，对直流操作电源系统提出了更高的要求。电力系统自动化的要求已不能靠传统的相控电源满足，所以电力系统中的操作电源有高频开关电源取代相控电源的趋势。1.2高频开关整流器的国内外现状和发展方向 美国罗耶1955年发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，拉开了了高频转换电路的序幕。1957年自激式推挽双变压器产生，美国科学家于1964年提出具有里程碑意义的设想：取消工频变压器的开关电源。这成为电源向重量轻、体积小的方向发展的指明灯。采用高工作频率的开关电源得以问世于20世纪60年代末，这主要得益于GTR的出现。一直到今天，开关电源的基本结构仍就大同小异。IGBT的出现于20世纪80年代，这使得开关电源在中大功率直流电源中也得以发挥作用，而不是传统的仅适用于小功率场合。20世纪80年代末期，开关整流器采用开关频率均在左右的应用PWM技术的MOSFET开关整流器，。进入90年代，由于零电压和零电流软开关脉冲调制技术在整流模块中的应用，新型产品的工作频率已达至到1。近年来，随着电力电子技术的迅猛发展，新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件不断的出现并应用到高频开关电源，使高频开关电源达到了效率高、功率密度高、功率因数高、可靠性高。因此，开关电源的应用领域越来越广，例如邮电通信、军事设备、交通设施、仪器仪表、家用电器、工业设备等领域，并且成果显著。设备内部电源的体积和重量的不断减小是芯片集成度的不断提高、电子设备内功能部件的体积不断减小的必然要求。减小开关电源体积和重量的基本方法是提高开关频率。这是因为变压器和电感电容等滤波元件的体积和重量与频率成反比。频率越高，变压器和电感电容等滤波元件的体积和重量随着频率越小。直流开关电源发展的未来趋势是智能化、高频化、小型化和模块化。高频化是小型化和模块化的基础，智能化是便于使用和维修的基础，无人值守的电源机房、航空和航天器电源系统等都要求高度智能化，以实现正常、故障应急情况下对电源的自动管理。现在，微电子技术迅猛发展，微电子技术在电力系统中获得了越来越广泛的应用。电力系统自动化程度的不断提高、相关设备的精密度不断提高，因而对电力系统操作电源提出了更高的要求。稳定可靠的操作电源是电力系统中相关设备可靠工作的基础，因此，研发新型的开关电源就十分必要。DC-DC 变换器有推挽式、半桥式和全桥式。全桥变换器一般适用于大功率场合，它采用的两种典型的控制方式是PWM控制及移相控制，PWM控制因具有许多优良的性能己得到迅速普及。 本课题所要研究的是一种用于变电站高频开关电源。本设计主要是针对高频开关整流器模块的设计，既包括主电路的设计也包括控制回路的设计。通过对控制控制回路的设计实现开始恒流充电，电压达到一定程度（）后恒压浮充,以保护蓄电池或充电器。为保证试验安全进行，还要设计过压保护、过流保护。第二章 高频开关整流器的工作原理第二章 高频开关整流器的工作原理2.1高频开关整流器的基本组成和工作原理2.1.1高频开关整流器的基本组成 高频开关整流器电源主要有以下几个部分组成，如图2-1所示，其大体可分为： 图2-1 总体方框图1主电路 从交流电网输入到输出的过程，包括：(1)输入共模滤波器：其作用是过滤掉电网中的杂波，同时也使得本系统产生的杂波难以反馈到公共电网，影响电网中电的质量；(2)整流与滤波：将交流电直接整流为较为平滑的直流电，并对整流后的直流电进行差模滤波，将经过滤波后的电流作为逆变器的输入2；(3)逆变：将交流整流后的直流电变为高频交流电，逆变器是高频开关的核心部分，变压器和电感电容等滤波元件的体积和重量随着频率的提高而减小。但也并不是频率越高越好，这里还牵扯到元器件成本、功耗、干扰等诸多因素；(4)输出整流与滤波：主要是向蓄电池提供稳定可靠的直流电源进行充电，其次是作为辅助电源的输入。2控制电路 将输出端的取样信号(电压或电流)与设定值进行比较，经处理后通过控制器去控制逆变器，改变其频率或脉宽，以使输出稳定，达到所需要求。其次将取样信号送至保护电路，经保护电路鉴别，通过控制电路对系统进行各种保护。3检测电路将出电压、电流参数进行实时输出，经反馈回路送给给控制电路，控制电路根据反馈信号参数调节输出或进行保护。4 辅助电源 提供给除主电路之外的所有电源的供应。2.1.2高频开关整流器的工作原理DC-DC按电路拓扑可分为两类：非隔离直流变换器和带隔离直流变换器。而非隔离直流变换器又可分为降压式直流(Buck)变换器、升压式直流(Boost)变换器、升降压式直流变换器以及Cuk直流变压器四种。为了分析方便，在此以非隔离降压变换器为例介绍开关电源工作原理。如图2-2所示 ：图2-2 高频开关整流器工作原理图开关S以每隔一定的时间就接通，再隔一定时间就断开，在开关S接通时，输入电源U通过开关S和滤波电路向负载提供能量。当开关S接通时，电源U向提供能量；当开关S断开时，输入电源U停止了向供应能量。由此可知，输入电源断续地向负载提供能量，为了使负载得到的能量供应能够连续，一套储能装置开关电是开关源必须要备的。在开关接通时，将其一部份能量储存起来；在开关断开时，向负载释放这部分能量。而在上图中，由电感L、电容和二极管D组成的电路就具有这种功能。电感L是储能滤波电感，它的作用是在控制开关S接通期间限制大电流通过，防止输入电压U直接加到负载上，对负载进行电压冲击，同时将流过电感的电流转化成磁能进行能量存储，然后在控制开关S关断期间把磁能转化成电流继续向负载R提供能量输出。C2是储能滤波电容，它的作用是在控制开关K接通期间把流过储能电感L的部分电流转化成电荷进行存储，然后在控制开关S关断期间把电荷转化成电流继续向负载提供能量并输出。在开关断开时，负载上的能量是由存储在电感L中的能量通过续流二极管D释放的，为负载提供连续而稳定的能量3。二极管的电压平均值V可用下式表示： （2-1） 式中，T叫开关通断的工作周期，即开关接通时间和关断时间之和，是开关每次接通的时间。由上式可知，二极管间电压的平均值随开关接通时间和工作周期的比例的改变而改变。因此，若想使输出电压保不变，就要根据负载及输入电源电压的变化自动调整和T的比例。改变脉冲的占空比，即改变接通时间和工作周期T的比例，这种方法称之为“时间比率控制”（Time Ratio Control,缩写为TRC）。按TRC的控制原理进行分类，可分为：脉冲宽度调制方式(PWM)、脉冲频率调制方式(PFM)和混合调制方式三种。PWM工作模式多用于DC/AC逆变电源，或DC-DC电压变换；PFM和混合调制工作模式则多用于开关稳压电源。此外，直流操作电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样，前一种工作方式多用于DC-AC逆变电源，或DC-DC电压变换；而后两种工作方式则多用于开关稳压电源。2.2高频开关变换器在高频开关整流器模块的设计中，变换器是高频开关的核心，许多的控制电路和保护电路在高频开关变换器中将会涉及，整个功率器件的耐压程度等许多参数受变换器种类的选取的影响，也会对系统的其他各部分产生相应影响。所以说，高频开关变换器的设计是本课题非常重要的一个环节。基本的PWM变换器主电路拓扑主要有Buck变换器和Boost变换器，其他的PWM变换器基本都是有这两种变换器衍生而来。2.2.1 Buck变换器本课题研究的对象是电力操作电源，属Buck变换器范畴，所以，现在就Buck变换器进行简要分析。为了分析稳态特性，简化推导过程，现做如下假定：输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略； 开关晶体管、二极管均是理想元件。即导通时压降为零，截止时漏电流为零； 电感和电容均为理想元件。电感工作在线性区未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零。(1)工作原理当开关晶体管导通时，电流流过电感线圈L，在电感线圈未饱和前，电流线性增加，电流Io流过负载上，其两端的输出电压为Vo，极性上为正下为负。当时，电容C处于充电状态。此时二极管承受反向电压；当开关晶体管K截止时，为了保持电流不发生变化，线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，负载两端电压的极性不变，仍是上为正下为负。在时，电容C处于放电情况中，有利于使、不发生变化。这时电流上形成通路，因为这时二极管承受正向偏压。(2)主要公式若开关的周期设为T，那么闭合的时间为，所以断开的时间为，式中D1为接通时间占空比，且，。由前面的假设，Vo、Vs不变，那么K导通时，电感电流线性上升，其增量为 (2-2)其中:电流增量，单位A； 输入电源电压，单位V； 输出电压,单位V； 电感，单位H； 开关接通时间的占空比； 开关的周期，单位S 。 当S截止时,电流增量为: (2-3) (2-4)由于电流的变化量在稳态时相等，所以 表明，输出电压与占空比的变化有关，由于,所以，电压增益M为： （2-5） 当电感较小，负载电阻或较大时，将出现而新的周期还没开始而电感电流已下降至0的情况。当新周期来到时，电感电流又从0开始线性增加，我们称这样的工作方式为电感电流不连续的模式。2.2.2有高频变压器隔离的Buck为了实现多路输出，并使得输入输出的电压或电流比有所增大，就要用到变压隔离器，在本课题中，是通过隔离电容来实现的。直流电压的变换通过不带高频变压器的基本变换器虽然能够完成，但是，它们在转换功能上却存在着非常多的局限性。由于高频变压器的隔离作用，使得输出的直流离开了市电，也称高频变压隔离的开关变换器为离线式开关变换器。隔离变压器有许多优点，如：(1)所有的信号频率都能从输人通过到输出，即从理想的直流到交流都能变换；(2)变换时可以不考虑能量损耗；(3)变换中能提供任意选定的电压和电流变比；(4)输入和输出之间能实现完全隔离；(5)变换时，无论是从原边到副边，还是从副边到原边，都一样方便有效。隔离式直流开关变换器的以上众多优点使得它在生活中的应用十分广泛。隔离式直流开关变换器分为为推挽、全桥、半桥以及单端反激、单端正激等。在大功率场合中推挽、全桥、半桥变换器得到了广泛应用。下面，简单介绍一下这三种变换器：1半桥式变换器半桥式功率转换电路如图2-3图2-3 半桥式变换器半桥式变换器有效地减小了三集管的电压应力。半桥式变换器要求、具有相同的开关特性，但即使是在相同的基极脉冲宽度作用下，也很难保证两只三集管导通和截止的时间相同。如果用这种不平衡的波形驱动变压器，将会产生偏磁现象，其结果将导致磁芯产生饱和，从而降低了效率，严重时将导致晶体烧毁，解决的措施是在变压器的初级加一只电容，此电容的作用是隔离。半桥型变换器的特性如下：优点：1)高频利用率高，原边绕组在正负半周均工作；2)截止开关管极间承受的电压低，等于；3)抗不平衡能力强。 缺点：1)输出功率小，和输出电流相同的推挽式电路相比，输出功率小了一半；2)原边绕组上的电压是电容、的端电压，放电过程中电压逐渐减小，因此输出电压的顶部为倾斜状态。2全桥式变换器全桥式功率转换电路如图2-4所示。开关管、组成桥的两臂，高频变压器连接在它们之间，、为续流二极管。相对的两组开关、和、由驱动电路以PWM方式激励而交替中断。当、导通时、截止；当、止时，、导通。输入直流电压被转换器变成交流方波，再经输出滤波、整流得到输出直流电压图2-4 全桥式变换器全桥型变换器的特性如下：优点：1)保持有半桥型变换器中开关管截止时承受电压低的特点；2)具有推挽型电路输出电压高、输出功率大的特点。缺点：所用功率开关管较多，驱动电路复杂。3推挽式变换器 图2-5 推挽式变换器推挽式变换器的特性如下：优点：1)输出功率较大，导通期间高频变压器原边绕组的总电压是输入电源电压的2倍； 2)驱动电路简单，两个开关管的发射极项链，驱动电路无需隔离绝缘，从而简化了驱动电路。缺点：1)会因为磁芯饱和出现集电极电流尖锋而导致晶体管损坏； 2)高频变压器利用率差，原边的每个绕组只工作一半时间； 3)对功率开关管的耐压要求高。综上所述，全桥型变换器与半桥型相比，当直流输入电压一样，其他条件也一样时，开关管承受的最大电流为半桥型变换器的一半；而与推挽型变换器相比，当输入电压一样时，全桥型变换器的开关管耐压减小到一半，在输出同样功率时开关管电流是一样的。故而较高的输入电压的场合常用到全桥式变换器。本课题选用全桥型变压器4。2.3控制电路 控制电路的作用是向驱动电路提供一对矩形脉冲列，要求其前沿陡峭，有时还要求彼此绝缘，对于单端开关电源来说，一组脉冲序列已经足够。通过控制这一对脉冲的宽与窄、脉冲电压的有和无、从一个脉宽变换到另一脉宽的速度脉冲宽度、输出电压变化量和脉冲宽度变化量的等的关系完成符合任务要求的指标。控制电路的基本框图如图2-6所示。开关功率变换器经常用到的控制方式是脉冲宽度调节方式(PWM)，它的特点是开关频率固定，通过改变脉冲宽度调节占空比达到效果。它的基本工作原理是在内部参数改变、外接负载改变及输入电压改变的状态下，控制电路的闭环控制是通过被控量与给定标准量的差值来实现的。并以此调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，让开关电源的输出电流或电压等达到稳定值。本课题要达到的主要任务是对蓄电池进行充电，通过对控制电路的设计达到开始恒流充电，后恒压充电。传统的脉宽调制型开关变换器的控制方式属于单闭环电压控制方式，这个名字的由来是因为它只对输出的电压进行采样。而电流控制型开关变换器的由来是因为它在不仅对输出电压进行采样，也对输出电流进行采样，增加了电流反馈环节，形成电压、电流双反馈闭环控制系统。这使得其负载调整率、电压调整率、以及瞬态响应特性都有所提高。 图2-7 电压型控制基本原理电压控制型的基本原理是：输出的电压与设定电压比较并放大，得到误差信号，再与设定的斜波信号相比，PWM比较器会输出一个占空比的固定的系列脉冲，并通过这个脉冲控制逆变元件的导通与关断。电压控制型变换器原理如图2-7所示。 此外，还应有过流、过压、温度监视电路和过载、限流、欠压等状态的告警和指示等。总之，对直流稳压电源功能的要求随着电子计算机等电子设备功能的完善而越来越高，从而导致控制电路更加复杂。这就要求对电路进行设计时，进行精心细致的选择单元电路。2.4本章小结本章主要介绍了两方面内容。首先介绍了高频开关整流器的基本组成和工作原理。其次是介绍Buck电路，针对三种隔离降压变换器：半桥、全桥及推挽变换器做了简单叙述，分析比较了三者的特性。第三章 高频开关整流器主电路的设计第三章 高频开关整流器主电路的设计3.1高频开关整流器主电路的总体结构图3-1 高频开关主电路图结构本课题的设计为应用于高频开关电源的高频开关整流器。单个模块输出电压，输出电流。设计额定功率。功率主电路如上图3-1。交流输入为约单相交流电，这是因为单个模块输出功率一般不太大。电压经过共模抑制电路后再整流滤波，得到母线电压大约的直流电压。母线电压也就是高频逆变器的输入电压。根据模块的输出功率，输入整流桥选用全桥整流模块，在保证整个电路的功率容量的前提下，来达到使系统的稳定性和可靠性提高的效果。通过前章介绍，我们可知，全桥式变压隔离器开关承受的开关电流和开关电压最小，依据本课题所设计的高频开关电源的实际情况，它输出功率很大，工作频率非常高()，因此我们用全桥隔离式PWM变换器。高频变压器负责隔离高频变换器和输出滤波整流电路，其参数和具体设计后面将做详细介绍。输出整流电路采用超快速恢复二极管组成全桥整流电路，之后再经过滤波电路对蓄电池进行充电，最终把直流输出到负载。20世纪80年代，IGBT的出现，意味着变频器新时代的到来。IGBT既有MOSFET输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优势，又有GTR通态电压低、耐压高及承受电流大的好处。因为IGBT集MOSFET与GTR一身的优点，所以其常作为变频器中的逆变元件。IGBT的使用，使得变频器的噪音降低，体积缩小，有利于高频开关整流器走向小型化。本课题中，根据设计参数的要求，逆变元件选用绝缘栅晶体管IGBT，其型号选择使用GT30J301。4个IGBT组成全桥逆变回路，构成全桥式逆变器。3.2高频变压器的设计市网电压经整流滤波且经逆变器成高频交流电后输入给初级绕组，由电磁感应定律可知，次级绕组两端将产生高频感应电动势，经整流滤波后，为用蓄电池供应电能，来达到对蓄电池的充电效能。变压器初、次级绕组的频率很高，其绕组参数很容易受频率影响，当频率变化时，电感和电阻也将随之而变化，电阻变化一般比较大，但电感基本上没有变化。我们称绕线电阻为交流电阻，它比直流电阻大几倍、几十倍甚至更大。所以说，设计高频变压器是本课题的中心环节。桥式电路中高频变压器的磁特性是第一、第三象限都可以利用，即磁通可以从变化到。我们称变压器的这种工作方式为对称式工作，它对磁芯的利用率十分高，磁滞回线如图3-2所示。桥式变换器的高频变压器和普通变压器的在设计上很相似。但是由于变压器工作频率比工频变压器高很多，所以绕组电流分布的变化以及高频下的磁芯损耗将会使得其在线圈材料的选择和磁芯的选择上不同于工频变压器。 图3-2 磁芯的磁滞回线3.2.1高频变压器设计中需考虑的因素在高频变压器设计中对磁芯的要求要求：(1) 高磁导率。磁感应强度。因此在磁场强度给定时，材料的u值决定了B值的大小，u值愈大，B就越大。对要求一定磁通量的磁器件，若想降低外磁场的励磁电流值，就要选用u值高的材料，以期达到降低磁元件的体积的目的。若要使在弱磁场中工作的磁性材料，不因其激磁电流很小，而达到使其灵敏度变高的目的，就要选择起始磁导率值高的材料。工作于强磁场中的磁性材料，为了有足够大的磁通，就要增大材料u的最大值5。(2) 高电阻率。涡流损耗存在于在交变磁场中工作的磁芯中，这影响电的质量，电阻率越高，涡流损耗越小。(3) 磁滞回线要足够窄、矫顽力要足够小。磁化和退磁愈容易度与材料的矫顽力成正比，在交变磁场中的磁滞损耗与磁滞回线愈狭窄度成正比。(4) 要求饱和磁感应强度较高。磁感应强度越高，相同的磁通需要较小磁芯截越面积，磁性元件体积越小。在低频时，最大工作磁通密度受饱和磁通密度限制;但在高频时，主要是损耗限制了磁通密度的选取，饱和磁通密度大小并不重要软磁铁氧体满足上述要求，因此高频变压器铁心选择铁氧体PC30。但是在设计中也必须考虑铁心损耗、绕组损耗和温升等问题，才能获得高效的系统。3.2.2高频变压器参数的计算根据法拉第电磁感应定律 （3-1）原边Np匝、副边Ns匝的变压器，在原边以电压V1开关工作时 （3-2） 式中，开关工作频率，单位Hz；工作磁通密度，单位T；磁芯有效面积，单位；波形系数，有效面积与平均值之比，方波时为4，正弦波时为4.44整理得： (3-3) 磁芯窗口面积Aw与使用系数Ko的乘积为有效面积，该面积为原边绕组Np，其所占据的窗口面积与复边绕组Ns占据的窗口面积之和，即 (3-4)式中，窗口使用系数（Ko1）；磁芯窗口面积，单位；原边绕组每匝所占用面积，单位；副边绕组每匝所占用面积，单位。每匝所占用面积与流过该匝的电流I和电流密度J有关，如下式所示 （3-5） （3-6）原边电流，副边电流。由式（3-2）、（3-3）、（3-4）、（3-5）得： (3-7) (3-8) 即变压器窗口面积和磁芯截面积的乘积，为变压器视在功率。式(3-8)表明受工作磁通密度、开关工作频率、窗口面积使用系数、波形系数和电流密度J的影响。决定了变压器磁芯体积的大小。由上式可以看出在确定变压器的功率容量和磁芯材料的情况下，变压器的工作频率fs越大，磁芯体积越小。电流密度J直接影响温升，也影响，可表示为 (3-9) 式中，电流密度比例系数； X常数，由所用磁心决定； (3-10) 式中，单位；变压器视在功率，单位VA；工作磁通密度，单位T；开关工作频率，单位Hz。式（3-8）说明，铁芯的选择就是选择一合适的值，使它输送功率PT时，铜损和铁损引起的温升在额定温升之内 （3-11）式中，为变压器效率；Po为输出功率。此次设计的电源模块输出功率。假设，有（3-11）得。采用EE型磁芯、单线圈绕组、允许温升25时，铁氧体在的工作频率下，最大磁感应强度为0.1T，窗口系数一般取波形系数。将以上参数带入（3-10），得查表可知EE55/55/21的.所以必须选大于EE55/55/21规格的磁芯。考虑到功率裕量、窗口大小、绕制难堵，决定采用EE85A()。 由于电压的波动(一般波动取20%)，即输入电压时最低交流输入电压有效值为，经整流后母线电压为257V。由式（3-3）得原边匝数，因为输出电压很大，输出整流二极管压降忽略不计，变压器副边输出电压约。由输入与输出电压的关系，副边匝数考虑到要留些余量，。由式(3-7)，电流密度A/原边绕组电流由电流密度和绕组电流值就可以算出相应的绕组裸线截面积，原边裸线截面积： 副边裸线面积： 3.3输出整流滤波电路的设计直流母线电压经过逆变器逆变成高频电压后，再经高频变压器进行隔离降压，再经桥式整流滤波后，以期得到符合本课题要求的直流电压。输出整流单元是对从高频变压器输出的交流矩形波进行整流，而输入整流单元是对输入的工频交流电进行整流，二者是不同的。由于输出整流单元的频率非常大，相应要求整流二极管的开关时间必须足够短，多采用肖特基二极管或者是超快恢复二极管，且要求二极管的反向耐压足够高。3.3.1输出滤波电感输出滤波关系到输出电压的纹波大小，二者联系紧密。可以在最极端的情况下保证连续的输出电流和输出电压值最低是设计输出滤波电感的依据。在电感电流连续工作情况下的变换器中，输出直流电流必须大于电感电流变化幅值的一半，这主要是保证在IGBT全部关断时电流的连续。因而有： (3-12) (3-13)式中 最小输出电流，单位A 电感两端电压, 单位V (3-14) (3-15)式中，IGBT导通时间,单位S； 最小输出电感,单位H；滤波电路输入电压,单位V；输出电压,单位V； (3-16)使交流输入电压最小，即母线电压最小时，则有 或 式中,最大导通时间，单位S； 滤波电路最小输入电压，单位V。 （3-17）由于（Io为额定输出电流），所以在A， 时，Lo是能满足要求的最小电感值，实际选用电感值要比Lo大。最终采300uH的输出滤波电感。3.3.2输出滤波电容输出滤波电容的选择应满足最大输出电压纹波的要求。当电容工作于高频时，输出纹波差不多完全由（ESR）的大小所决定，称为滤波电容的等效串联电阻。纹波电压峰峰值为 （3-18）式中，是电感电流峰峰值。低频或要求不高的场合常用普通的电解电容，因为其频率稳定性较差、温度特性也较差、但较大。在高频情况下工作，一般的电解电容器不能满足开关电源的输出滤波要求，因为其分布电感的存在使电容器等效电感随频率不同变化显著，须选用高性能的特殊电容器，例如:四端高频电解电容器、大型高频电解电容器、或叠层式无感电容器。这些电容器具有较低的等效阻抗，适用于高频开关电源。3.4本章小结本章分为三部分，分别对主电路各个部分进行了设计和参数计算。第一部分给出了主电路的总体结构，并选择逆变器元件；第二部分主要是高频变压器的设计，根据一些理论和参考资料设计变压器；第三部分主要是对输出滤波电感和电容的值进行了计算，并选择相应的类型。 - 37 -第四章 高频开关整流器控制电路的设计第四章 高频开关整流器控制电路的设计4.1 PWM控制电路因为本课题要求用IGBT作为时开关器件，且TL494不仅能满足实验需求，而且价格便宜，市面上容易买到，所以选择电压型控制芯片TL494。4.1.1 TL494普通型PWM控制器TL494是针对硬开关变换器推出的一种定额PWM控制器，该控制器是由美国德州仪器公司生产的，进入中国市场已有20多年历史，直到现在仍被广泛使用6。一、 TL494特点及引脚说明71、特点 (1) 内置可调振荡器可以工作在主从模式下； (2) PWM控制电路功能完善；(3)死区时间可调；(4)内置误差放大器和精密基准电源；(5)提供推挽和单端两种输出模式；(6)具有欠电压锁定功能。图4-1 TL494管脚图2、引脚说明TL494各引脚功能如表4-1所示：表4-1 TL494引脚定义引脚功能引脚功能1误差放大器1的同相输入端9输出晶体管Q1的发射极端2误差放大器1的反相输入端10输出晶体管Q2的发射极端3反馈/PWM比较器输入端11输出晶体管Q1的集电极端4死区时间控制比较器输入端12偏置电源接入端5振荡器定是电容输入端13输出工作模式控制端6振荡器定是电阻输入端14基准电源输出端7信号地15误差放大器2的反相输入端8输出晶体管Q1的集电极端16误差放大器2的同相输入端二、工作原理 TL494内部集成了可调振荡器、误差放大器、死区时间控制比较器、精密基准电源、脉冲同步触发器、输出控制电路以及欠电压锁定比较器，其内部原理框图如图4-2。图4-2 TL494内部原理图当TL494的引脚5与6接上电容与电阻后，集成在其内部的振荡器便使引脚5所接电容恒流充电和快速放电，在电容CT上形成锯齿波，该锯齿波同时加给死区时间控制比较器和PWM比较器。死区时间控制比较器按引脚4所设定的电平高低输出相应宽度的脉冲信号。另一方面，当误差放大器2输出的保护信号无效时，PWM比较器根据误差放大器1输出的调节信号与锯齿波比较输出相应的PWM脉冲波。该脉冲波与死区时间控制比较器输出的脉冲相或后，一方面提供给触发器作为时间信号，同时提供给输出控制或非门，触发器按CK端的时钟信号，在与输出相位互差180的PWM脉冲信号。当引脚13接高电平时，TL494将工作在推挽工作模式下，当引脚13接低电平时，其工作在单端模式下。4.1.2外围电路的设计锯齿波上升沿的斜率由RT、CT决定。 （4-1）试验中功率逆变元件IGBT型号选GT30J301，频率在20KHz以下，所以选择RT=100K，CT=0.1Uf图4-3 TL494外围电路连接图4.2反馈电路设计4.2.1电压电流反馈 本课题所设计的高频开关整流器是一个双闭环控制系统，内环是电流反馈控制，外环是电压反馈控制。根据设计要求，在反馈电路中要实现电流和电压双反馈控制，开始时，利用恒流快速充电，当输出电流达到近10A时，转换为恒压充电，所以，反馈电路也应当随充电方式的改变而改变8。在设计中，利用三态门来实现电流与电压反馈的转换控制，三态门的特点是输出端除了高、低电平之外，还有第三种状态，即高阻态，而且，它有一个控制端EN，利用输出电流的大小不同，通过比较器比较，来控制两个三态门来实现电流和电压双反馈，具体设计电路图如图4-4所示。图4-4 反馈电路4.2.2 PI调节器的设计反馈电路的输出经过一个低通滤波器滤后，再通过分压网络，送到PI调节器。PI调节器可实现无静差调节，减少系统超调量，提高系统稳定性。PI调节器如图。图4-5 PI调节器为设定电压，为反馈电压，Rf和C组成的比例积分电路构成了PI调节器。据运放性质可知，V+=V-,R1中几乎无电流，所以有： （4-2） （4-3） （4-4）由计算可知，当系统处于静态时， （4-5）当已知Vo的范围和值后，可以调节反馈环节的分压比例系数，使也落在给定范围内，经过PI调节，使得主电路的输出电压在一定范围内可调。据经验确定PI调节器的参数为：,。4.3保护电路的设计为了安全起见，在系统工作过程中，要进行一些保护，防止其造成器件的损坏或人员受伤。根据IGBT的特点和设计要求变频器设计了过压、过流保护措施。4.3.1过压保护过电压产生的原因主要有输入时间过长且输入电压大减速太快，引起泵生电压过高。当超过IGBT的安全电压时，就会造成IGBT的损坏，此时应关闭逆变器9。其原理为电流检测电路检测电流信号，经电流电压转换电路转换成电压信号，再经过比较器电路进行比较，当负载电流达到设定值11A时，信号电压大于比较电压，比较电路产生输出触发故障锁存器，使控制电路失效，稳压电源输出被切断，故而又称切断保护。其电路原理图如图4-6。图4-6 过压保护原理图 (1) 输入过压保护图4-7 输入过压保护电路图从输入端引出电压，经变压器（1：10）进行降压后再整流滤波，对输入电压进行采样，与基准电压进行比较，再经开关二极管1N4148输出。(2) 输出过压保护为了保护负载，需要设计输出电压保护。输出过压保护电路如图4-8。此时过压保护的整定值为逆变元件的1.7倍。 图4-8 输出过压保护电路4.3.2过流保护过流保护包括短路和过流保护。当控制电路和驱动回路误动作，会造成逆变器上、下桥臂直通等短路事故。短路电流流过逆变的开关元件会造成元件烧毁，因此必须在极短的时间内封锁PWM驱动信号的输出，使逆变器停止工作。当逆变器内部发生短路时，电流变化十分迅速，这时若进行电流采样，检测装置的动作必须非常迅捷，才能够准确地捕捉到电流的大小。一般情况下，用霍尔元件可实现快速检测电流。其检测点可以设置在中间直流母线、逆变器输出电路、或IGBT器件上。过流保护电路如图4-9所示。当过流时，比较器输出低电平，低电平控制TL494引脚4的接通与关断10，进而控制IGBT的接通与关断。图4-9 输出过流保护4.4驱动电路的设计EXB841是日本富士公司生产的300A/1200V快速型IGBT驱动专用模块，整个电路延迟时间不超过，最高工作频率达，它只需要外部提供一个+20V单电源，内部产生一个-5V反偏压。模块采用高速光藕隔离，射极输出，有短路保护和慢速关断功能8。其引脚功能如下表所示。表4-2 EXB841管脚定义管脚功能管脚功能1连接用于反相偏置电源的滤波电路6集电极电压监视2电源+20V7、8不接3驱动输出9