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本科毕业设计说明书高压大功率开关电源的设计DESIGN OF HIGH POWER SWITCH学院（部）： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 年 月 日高压大功率开关电源的设计摘要电源是给电子设备提供所需要的能量的设备，任何电子设备都离不开电源，这就决定了电源在电子设备中的重要性。电子设备要获得好的工作可靠性必须有高质量的电源，所以电子设备对电源的要求日趋增高。高压大功率开关电源，广泛应用于能源、材料、冶金、化工、制造等诸多工业领域，并且随着经济技术的发展，要求电源具备更高的输出功率同时体积更小、效率更高、可靠性更强。软开关技术、高压高频变压器设计、结构与散热设计等己成为影响电源性能的关键技术。在本文章中，我们介绍了开关电源的发展现状。针对高压大功率开关电源的用途，也做了详细的介绍。在第二章，主要介绍支撑开关电源发展的关键技术。第三章则主要设计高压大功率开关电源的主电路。第四章主要介绍开关电源的驱动电路，控制电路和保护电路。关键词：高压，大功率，开关电源，谐振DESIGN OF HIGH POWER SWITCHABSTRACTPower supply for electronic equipment provides the required energy equipment. Any electronic devices cannot work without power supply. It determines the importance of power in electronic equipment. Electronic equipment to obtain a good working reliability must be of high quality power supply, so the power requirements of electronic devices become increasingly higher.The high voltage and high power switching power supply, is widely used in many industrial fields of energy, materials, metallurgy, chemical industry, etc. And with the development of economy and technology, requirement of power supply with higher output power at the same time, smaller volume, higher efficiency, reliability. The soft switch technology, high voltage high frequency transformer design, structure and thermal design has become the key technology of power performance.In this paper, we introduced the development of switch power supply. Application for high voltage high power switching power supply, is also described in detail. In the second chapter, mainly introduces the key technology of supporting the development of switching power supply. The third chapter mainly design of main circuit of high voltage and high power switching power supply. The fourth chapter mainly introduces the driving circuit of switch power supply, control circuit and protection circuit.KEYWORDS: high voltage, high power switching power supply, resonance1绪论1.1引言高压大功率开关电源在能源、材料、冶金、化工、制造等诸多工业领域有着广泛应用。在要求开关电源具有较高功率的同时，对体积、可靠性、效率也提出了更高要求。现在影响开关电源性能的主要技术有：软开关技术、高压高频变压器设计、结构与散热设计等。就高压大功率开关电源而言，发展也存在以下几个情况：首先是变压器。变压器的高变比与体积之间有着不可调和的矛盾，变压器的高输出要求绕组之间的距离不能太近，电源体积小，也就限制了变压器的体积。这对变压器中的绝缘材料提出了更高要求。其次是变压器高变比与非线性之间的矛盾，这对变压器磁芯材料要求更高。另外大功率开关电源特别是在高频工况下的损耗是非常大的，不能忽视。开关电源的损耗主要来自于以下几个方面：开关器件的开关损耗、二极管等半导体器件的损耗、变压器的铁耗和铜耗。为了减少损耗变压器需要优化结构并且改善变压器的制作工艺。同时可以适合大功率的软开关技术来减少开关损耗提高效率。随着电力电子技术的发展，人们的生活中出现了越来越多的电力电子设备。而电子设备都离不开可靠的电源。进入八十年代，计算机电源率先实现了开关电源化。九十年代，各种电子，电气设备领域都已经广泛的使用了开关电源。开关电源迅速发展起来。开关电源是利用现代电力电子技术 控制开关晶体管导通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源主要由两部分组成，分别是脉冲宽度调制（PWM）控制集成芯片IC和绝缘场效应管MOSFET。开关电源体积小，损耗低，在电子设备领域已经几乎全面应用。开关电源高频化是其发展的方向，高频化是开关电源小型化，并使开关电源得到广泛应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展有助于节约能源、节约资源和环境保护。开关电源经历了三个重要发展时段。第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件发展为MOS型器件，是的电力电子器件有可能实现高频化，导通损耗大幅度降低，简化了电路。第二个阶段是二十世纪八十年代开始，研究出了高频化和软开关技术，使得功率器件性能更好，尺寸更小。高频化和软开关技术是过去二十年国际电力电子界研究的热点。第三个阶段是二十世纪九十年代中期开始，电力电子系统集成和集成电力电子模块技术开始发展，成为当今国际电力电子界急需要解决的问题之一。现代市场上使用的高压开关电源大多采用晶闸管驱动，有很多缺点，如开关速度低，损耗大，噪声大，并且限制了高压开关电源的频率。虽然国内已经有少数厂家生产高频高压开关电源，但是价格昂贵，因此研究价格低廉的高频高压开关电源是大势所趋，市场良好。1.2开关电源的发展方向自1969年以来成功研制25KHZ开关电源以来，专家，学者，工程师们一直在开关电源高频化、高可靠、高效率、低噪声、低耗抗干扰和模块化等方面探索着。但是往往照顾到这一面，另外一面往往不能符合要求。从八十年代末起，软开关技术成为工程师们研究的热点。虽然研究的成果很多，但是仅仅有两种符合工程实用。一项是有源箝位ZVS软开关技术；另一项是全桥移相ZVS软开关技术。近几十年来，随着电力电子技术的发展，高压开关电源在高频化发现进展十分迅速。如菲利普公司开发的30KW以下移动式X光机的X线发生装置频率达30KHZ以上。德国霍夫曼公司高压发生器频率高达40KHZ。自98年以来通用电气公司成功研制出高达100KhzX线机发生器。高频化和大功率是高压开关电源发展的主要趋势。而需要是开关电源发展的动力。开关电源能够满足各种用电需求，带来的经济效益非常大。我国在通信领域广泛使用开关电源代替相控电源，这一举措在后来看来是明智的。开关电源的使用为国家节省了大量的铜材，钢材和占地面积。总之灵活的功率变换方式，高性能，高功率密度，高效率，凭借这些明显的优势，开关电源将在21世纪得到大力发展。开关电源的发展离不开技术的支持。功率半导体器件仍然是开关电源发展的龙头。电力电子技术想要进步，就必须推出新型电力电子器件。功率场效应管（MOSFET）由于单极性多子导电，显著减小了开关时间，因而很容易的达到1MHZ的频率而备受瞩目，但是提高MOSFET器件的阻断电压就必须加快器件的漂移区，这样做会使器件内阻增大，增大了通态压降，所以只能用于中小功率场合。为了降低通态电阻，美国的IR公司采取了提高单位面积的原胞个数的方法。自1996年以来其通态电阻以每年50%的速度下降。对于肖特基二极管的发展，利用Trench结构，有望出现压降更小的肖特基二极管，则有可能在极低电源电压领域与同步整流的MOSFET展开竞争。变压器是电力电子产品或开关电源中必不可缺的部件。平面变压机是最近两年的新产品。平面变压器不需要铜导线，代之以单层或多层电路板，因而厚度远低于常规变压器，能够直接印刷在电路板上，因而体积大大缩小，相当于常规变压器的五分之一。近几年，具有各种控制功能的芯片也在迅猛发展，如为了功率因数校正电路用的控制芯片，软开关控制用的ZVS和ZVC芯片，移相全桥用的控制芯片，并联均流控制芯片，电流反馈控制芯片等。电路集成的进一步发展方向是系统集成。美国电力电子系统中心已经提出系统集成的设想。信息传输，控制和功率半导体器件全部集成在一起。组成的元件之间不断通过导线连接增加可靠性，采用三维空间热耗散的方法改善散热。系统集成可以改善半自动化，半人工的组装工艺，并且能够降低成本，有利于普遍推广使用。1.3开关电源关键技术的发展现状1.3.1开关电源的高功率密度和高频化小型化是开关电源发展的方向之一。随着电源频率的不断增高，开关电源的功率密度也在不断增加，开关电源的体积随之减小，动态特性得到改善。但随着频率的增加也带来了新的问题，功率元器件增加，高频情况下电磁兼容的问题。目前一些新型器件和新型材料出现，如超级电容器、平面电容器的出现可以成倍地扩大电容容量，纳米晶磁性材料的问世以及平面变压器的出现可以成倍减少变压器、电感等磁性元件的体积。开关电源趋于高频化小型化的同时，人们也面临着提高电源系统的功率密度和工作效率的问题。提高效率从另外一方面说主要是减少各种开关损耗。总是高频化，高效化，高功率密度也是开关电源的发展方向。1.3.2软开关技术的发展所谓软开关技术是相对于硬开关而言的。硬开关指在开关过程中，各电参量均不为零，出现了电压和电流重叠的趋于。而软开关技术是指通过电感和电容的谐振开改变开关管关断和开通时电压和电流的轨迹，也就是利用各种控制技术在开关两段电压为零时开通，或者是流过开关的电流为零时开关关断。软开关技术较高的解决了硬开关PWM变换器的开关损耗问题。因此二十世纪七十年代开始，国内外电力电子界不断的研究软开关技术，到目前已经得到较快的发展。最早出现的软开关技术为全谐振变换器，实际上是一种负载型的谐振变换器。按照谐振元件的谐振方式，分为串联谐振变换器和并联谐振变换器。谐振元件在变换器工作过程中一直参与谐振工作。其调节是通过开关频率的调节来实现，且对负载关心大，对负载的非常敏感。八十年代中期，出现了准谐振变换器。在此类谐振变换器中。谐振元件工作的时间只占一个开关周期的一部分，并不参与全过程。准谐振变换器通过谐振时开关器件上的电流和电压按准正弦规律变化，从而创造出零电流开关条件（或零电压开关条件）。因此准谐振变换器又分为零电流准谐振变换器和零电压准谐振变换器。和全谐振变换器一样，准谐振变换器也是通过调节频率来调节电压输出。八十年代末期出现了零开关PWM变换器，它是将常规的PWM调制技术和谐振变换结合而产生的软开关技术。零开关PWM变换器也分为零电压开关PWM变换器和零电流开关PWM变换器。这类变换器与谐振变换器的不同点是恒频控制，且谐振元件的谐振时间与开关周期相比起来很短，只有开关周期的1/10-1/5。九十年代出现的零转换PWM变换器，它是在零开关PWM变换器的基础上发展起来的。零转换PWM变换器分为零电压转换PWM变换器和零电流转转PWM变换器。特点是辅助谐振电路与主功率开关管并联，电路上的环流能量能自动的保持在较少的数值。目前，软开关技术主要用在中小功率的场合，对大功率的开关电源而言软开关技术应用的还比较少。全桥ZVZCS软开关电路，易于实现，比较适用于大功率开关电源。1.3.3电源模块化和均流技术为了扩大变换器的容量，在实际电源应用中往往采用器件并联或者已有的变换器模块并联的方式。虽然将多个电力电子开关器件并联起来作为一个器件使用可以减小每个开关管的电压应力、电流应力，但是这样做会调整原有电力电子器件变换器的结构，并且变换器中还有可能出现能量循环流动。因此从长远看器件并联并不是变换器并联技术发展的趋势。目前使用较多的是将多台变换器的输出端并联在一起，即变换器模块并联，一起向负载供电。这样的情况下，负载的输出电压不变，各个电源模块提供流过负载的电流。这种模块化并联方式并不改变变换器的结构，而是将现有的变换器进行组合，比较灵活，使用方便。标准化模块并联运行的分布式供电系统已成为高频开关直流变换器的洗衣桶发展的一个重要趋势。相对于传统的集中式供电系统，其优势明显。因为标准化的模块电源可以通过任何组合和分解来实现任意扩展电源系统。模块并联运行方式可以减小流过每个开关器件的电流从而减轻了开关器件的热应力和电流应力。提高了开关器件的可靠性以及系统输出电流的容量。要知道当开关器件温度大于60，其寿命将大幅度降低，只有工作在25的六分之一。模块化并联运行方式容易实现电源系统的N+n（Nn）冗余输出，所谓N+n冗余输出是指,电源系统是由N+n台独立的电源并联而成，其中N台是指系统正常工作时负责为负载提供能量的电源，而另外n台留作备用。这样就提高系统的可靠性。模块化并联运行方式容易实现电源系统低电压情况下的大电流输出，并且可以减少产品的种类，便于标准化生产。但电源模块化并联也存在这问题。因为在实际中，因为误差或工艺水平的制约，它们的参数不可能完全一致，并且各个模块的参数还会随着外部环境而改变。因此就导致了外特性好的模块承担较大负载，电流很大；而外特性差的模块承担的负载小，电流小。其结果必然导致分担电流多的模块的热应力大，流过的电流将首先达到模块的最大限制电流，引起系统的不稳定工作。因此，必须引入有效的均流措施来保证各模块输出的电流都能够保持在允许的范围内，使各模块安全稳定运行。目前解决均流问题的主要方法有均流电抗器自动均流法、平均电流自动均流法、自动主从控制法、主从控制法，主要从变换器本身和控制策略两部分考虑。1.4课题的研究内容和研究方法脉冲功率技术是在二十世纪六十年代随着核物理技术、电子束、加速器、激光和等离子技术研究的开展迅速的发展出来的一门高技术新兴学科。脉冲功率技术常见的储能元件为电容器。对电容器高效快速的充电是脉冲功率技术的前提。传统的充电方式为伺服电机控制的直流高压充电方式和LC谐振恒流充电电路。由于传统的充电电源都工作在工频状态，并且设备笨重，体积大，自动化程度低。随着脉冲功率技术的飞速发展，要求高压恒流充电就提出了更高要求，高功率、高效率、高度自动化、小型化是高压恒流充电的发展趋势。国内利用开关电源技术实现恒流充电技术的研究一直在进行，但大多数都是中小功率的。对于大功率的恒流充电技术仍是以中频变换为主。如西北核技术所的“50KV/4A高压恒流电源”，前级采用可控硅实现恒流源，再通过可控硅的全桥逆变技术实现恒流充电，逆变频率为1Khz，平均输出功率为100Kw，在中频高压恒流充电技术中占据重要的地位，而高频化大功率恒流充电技术还不完善。正是在这种情况下选择了课题：高压大功率开关电源的设计。根据高压开关电源的特点，本课题将选择谐振变换器作为电源的拓扑结构。阻碍高压大功率开关电源发展的一个重要难题是高频变压器研制。通过结合电路的工作形式选择适合高压大功率场合的高压变压器。控制器是开关电源技术的关键，本文将选择SG3525作为控制器。2高压大功率开关电源的工作原理分析2.1推动高压大功率开关电源发展的主要技术2.1.1功率半导体器件二十世纪九十年代，功率半导体器件有了许多进展，尤其是在电力电子变换方面，如：1）功率MOSFET和IGBT已经完全取代晶体管GTR和中小电流的晶闸管，使得实际开关电源的高频化有了可能。MOSFET同步整流技术和超快恢复二极管的研发，也为开关电源的高效率创造了条件。2）功率半导体的水品超过预测，电压电流额定值分别达到：IGBT，3300V，1200A和2500V，1800A；Power MOSFET,500V,240A;GCT,4.5KV,3KA;二极管，5000V，4000A。3）碳化硅是功率半导体器件的理想材料，已作出25mm,40mm晶片，并试制出一批器件样品。如肖特基二极管，1750V，70mA,正向压降V=1.3V。但是碳化硅器件要达到实用化还需要一定时间。碳化硅是功率半导体晶片的理想材料，有着禁带宽、工作温度高、通态电阻小、导热性好。漏电流极小、PN结耐压高的优点。有利于制造出耐高温的高压大功率半导体器件。4）二十世纪八十年代，将功率器件与智能控制、驱动、逻辑电路、保护等集成封装，称为智能功率模块（IPM）或智能功率集成电路。智能功率模块工作电压可高达15V，环境温度达+125。二十世纪九十年代，随着大规模分布电源系统的发展，将IPM的设计理念推广到更大容量、更高电压的集成电力电子电路，提高了集成度，称之为集成电力电子模块（IPEM）。IPEM将功率器件与电路控制，以及检测、执行元件集成封装，得到标准的可制造的模块，既可用于标准设计也可以用于专用特殊设计，优点是可高效为用户提供产品，显著降低成本，提高可靠性。2.1.2高频高压变压器高频高压变压器的设计是研制高压开关电源最困难的难题之一。高频高压变压器的体积通常只有工频变压器的几十分之一，使得漏感、分布电容、绝缘、磁芯的选取都非常复杂，几乎找不到现成完整的技术材料。高频高压变压器兼有逆变变压器、高压变压器、脉冲变压器的特点，存在着绝缘、能量传输、波形畸变等重要问题。高频高压变压器的设计应该遵循以下原则：1 完全利用绕组的漏感作为谐振电感来简化电路设计。2.尽量减小绕组的分布电容。3.尽可能增加绝缘厚度，保证足够的绝缘强度。2.1.3控制技术控制器是进行控制和驱动全桥逆变器工作的是高压开关电源技术实现的关键。已经有一些集成芯片，例如美国某家公司成产的UC386X系列控制芯片，这些芯片适用于零电流开关和零电压开关的谐振变换器。但这些产品仅适合中小功率电源，更不能满足高压大功率开关电源的需要。由于开关电源的强非线性，以及它具有离散和变结构的特点、负载性质的多样性，主电气的性能必须满足大范围变化，所以这些使开关变换器的控制问题和控制器的设计较为复杂，一些新的控制方法，如自适应、模糊控制、神经网络控制，以及各种调制策略都在开关电源的应用，已经在引起人们的注意。电流型控制以及多环控制已在开关电源中得到广泛的应用：电荷控制、一周期控制、H控制、DSP控制技术的开发与应用及相应专用集成控制芯片的控制，使开关电源动态性能有了很大提高，电路也大幅度简化。图2-1控制回路原理图2.1.4有源功率因数校正技术由于输入端有整流滤波和滤波电容，许多整流电源供电的电子设备使电网侧（输入端）功率因数仅为0.65 。用有源功率因数校正技术（简称APFC）可提高到0.950.99.既治理了电网的“谐波”污染，又提高了电源的整体效率。另外有高频磁元件、饱和电感的应用、分布电源、电源智能化技术、开关电源的EMI与EMC等技术都推动了开关电源的发展。2.2高压大功率开关电源设计的基本原理2.2.1系统设计原理开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压。开关电源的基本构成如图2.2所示，其中DC/DC变换器进行功率转换，他是开关电源的核心部分，此外还有起动、过流与过电压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路（R1、R2）检测输出电压变化，与基准电压U比较，误差电压经过放大和脉宽调制（PWM）电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。图2.3是一种电路实现模式。DC/DC变换器有多种电路形式，常用的有工作波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振型变换器。 图2-2开关电源的基本构成图2-3开关型稳压电源的原理图对于串联线性电源，输出对输入的瞬态响应特性主要由调整管的频率特性决定。但对于开关稳压电源，输入的瞬态变化比较明显的表现在输出端。提高开关频率的同时，由于反馈放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应特性也得到改善。负载变化瞬态响应问题主要由输出端LC滤波器特性决定，所以可以利用提高开关频率、降低输出滤波器LC乘积的方法改善瞬态响应特性。高压大功率开关电源系统原理框图如图2.4所示。高压电源的输入信号来自220V的交流市电，经整流滤波后与PWM脉冲调制器的输入信号一起驱动高频变压器，通过高频变压器得到高压电源再经整流滤波后，输出直流高压。输出反馈信号经光电隔离后反馈给脉冲调制器，通过与脉冲调制器中误差放大器中的基准电压相比较，控制脉冲调制器的输出占空比，以调节输出电压。图2-4系统原理框图2.2.2高压大功率开关电源的组成高压大功率开关电源主要有以下几个部分组成：主电路从交流网输入，直流输出的全过程，包括一下几个部分：输入滤波器 其作用是将电网存在的杂波滤除，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。整流与滤波 将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。逆变 将整流的直流电变成高频交流电。这是高压大功率开关电源的核心部分，频率越高，体积，重量与输出功率之比越小。输出整流与滤波 根据负载需要，提供可靠稳定的直流电源控制电路 一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。（3）检测电路 除了提供保护电路正在运行中各种参数外，还提供各种仪表显示数据（4）辅助电源 为控制电路和保护电路提供满足一定技术要求的直流电源，以保证他们的工作稳定可靠。辅助电源可以是独立的，也可以由开关电源本身产生。2.3开关变换器开关变换器分为DC/DC和AC/DC两大类，DC/DC变换器已经实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂和技术和工艺制造问题。2.3.1 DC/DC变换DC/DC变换是将固定的直流电压变成可变的直流电压，也称之为直流斩波，斩波器的工作方式分为两种，一种是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用），而是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）,其具体的电路由以下几类：（1） Buck电路降压斩波器，其输出平均电压U0小于输入电压Ui,极性相同。（2） Boost电路升压斩波器，其输出平均电压U0大于输入电压Ui，记性相同。（3） Buck-Boost电路升压或降压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。（4） Cuk电路升压或降压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。2.3.2隔离型变换器DC/DC变换器用于开关电源时，很多情况下要求输入与输出间进行电隔离，这时必须采用变压器进行电隔离。这类变换器把直流电压和电流变换变为高频方波电压和电流，经变压器升压或降压后，再经整流平滑滤波变为直流电压和电流。因此这类变换器又称之为逆变整流型变换器。（1） 推挽型变换器和半桥型变换器推挽型变换器和半桥型变换器是典型的逆变整流型变换器，电路结构和工作波形如图2.5所示：图2-4 推挽型和半桥型变换电路 加在变压器一次绕组上的电压幅度为输入电压Ui，宽度为开关导通时间ton的脉冲波形，变压器二次电压经二极管V1、V2全波整流为直流。图2.4（a）表示推挽型变换器的电路结构和工作波形,图2.4（b）表示半桥型变换器的电路结构和工作波形。如只从输出侧滤波器来看，工作波形和降压斩波器完全相同，二次侧滤波电感用于储藏能量，若以图中所示的占空比来表示时，电压变换比m与降压型变换器相类似，即m=D/n (2.1)式中n为变压器的匝数之比，n=N1/N2;N1为一次绕组的匝数；N2为二次绕组的匝数。推挽型变换器中变压器存在直流励磁问题，基本上不使用。半桥型变换器只有一个一次绕组，因此变压器的利用率高，而且不容易出现直流励磁。（2） 正激型变换器正激型变换电路如图2.6所示。它是采用变压器耦合的降压型变换器电路。与推挽型变换器一样，加在变压器一次侧（一半）上的电压振幅为输入电压Ui,宽度为开关导通时间ton的脉冲波形，变压器二次侧电压经二极管全波整流变为直流。图2-5正激型变换电路电路的工作过程：开关S导通后，变压器绕组N1两段的电压为上正下负，与其耦合的N2绕组两段的电压也是上正下负，因此V1出于通态，V2出于断态，电感L的电流逐渐增长；S断开后，电感L通过V2续流，V1关断。S关断后变压器的激磁电流经N3绕组和V3流回电源。（3） 隔离性Cuk变换器隔离性Cuk变换电路如图2.6所示（二极管V导通）。开关断开时，电感L1的电流IL1对电容C11充电。同时，C12也充电，开关S导通后，二极管V变为截止状态。C12通过L2向负载供电，这时C11也出于放电状态。稳定状态时，电容C11充放电电荷量相等。图2-6隔离性CUK变换电路（4） 全桥型变换器全桥型变换器如图2-7所示，S1、S3及S2、S4是两对开关，相互交互通断，但两对开关导通有时间差，所以变压器一次侧加的电压U为脉冲宽度，等于其时间差的方型波电压。变压器二次侧的二极管将此电压整流为方波，再经滤波器变为平滑直流电供给负载。图2-7全桥型变换电路2.3.3串联谐振变换器负载与谐振回路L-C以串联形式组成称之为串联谐振变换器电路，电容恒流充电电源要求电源具有恒流源特性，串联谐振变换器具有这种特性。串联谐振电路没有负载时，电路没有了电压调节能力。但是串联谐振电容可以作为格直电容，因此这种电路可以不加任何其他结构直接用于全桥逆变器中。而且当开关频率低于谐振频率一定时，输出电流基本上保持不变，即具有电流源特性，使电源具有固定的短路保护能力。图2-8串联谐振变换器电路图2-8为串联谐振变换器电路用于电容器充电装置的原理图。图中U0由三相交流电整流得到，Q1Q4和D1D4组成全桥逆变器，Cr为串联谐振电容，Lr为高压变压器漏感。高频变压器将高频低压电升为高压经硅堆整流向负载电容C0充电。2.3.4 AC/DC变换AC/DC变换是将交流变为直流，其功率流向是可以双向的，功率流由电源流向负载的成为整流，功率由负载返回电源的称之为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准及EMC指令的限制，这样就限制了AC/DC电源体积的小型化。另外由于内部的高频、高压、大电流动作开关，使得解决EMC电磁兼容问题难度增大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。AC/DC变换按电路的接线方式看分为：半路电路、全波电路。按电源相数可分为单相、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。2.4控制方式开关电源的控制方法主要有两种，脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）。PWM控制方式是目前在开关电源中最为广泛的一种控制方式，该方式在频率一定的情况下，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，从而改变占空比来等效的获得所需要的电压。它的特点是噪音低、满负载时效率高且能工作在连续导电模式。缺点是轻载时效率会降低，从而影响开关电源的性能。PWM脉宽调制，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率。而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调试周期来实现。这样。使调压和调频的两个作用配合一致，且与中间直流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能。由于输出等幅度脉冲只需要直流电源供电，可用不控整流器代替取代相控整流器，使电网侧的功率因数大大改善。利用PWM逆变器能够抑制或消除低次谐波。加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波。脉宽调制控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形，也就是在输出波形的半个周期产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次斜波斜波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大笑，也可改变输出频率。而且，采用一般的PWM调制方式，对元器件的要求也不会太高，很适合于实现设备的高性价比。PWM控制方式，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。PFM控制方式，导通脉冲宽度恒定，通过改变工作频率来改变占空比的方式。混合调制方式导通脉冲频率和脉冲宽度均不一定，彼此都能改变的方式。它是以上两种方式的混合。表2.1控制方式的比较控制方式PWM调制PFM调制PWM/PFM切换调制特点重载时效率高，电感电流波动较小，输出波纹小，对电感要求不高低负载时效率高，电感电流波动较大，输出波纹大，对电感要求高结合了PWM和PFM调制的特点，可以在重载与轻载时之间来回转换适用场合重载轻载较宽范围(资料来源: 张丽华.开关电源Z.北京：高等教育出版社，2003)3大功率开关电源主电路设计3.1主电路整体设计与技术指标变换器主要技术指标如下: 输入电压:380V10% 开关频率:20kHz 输出电压:1200V 额定电流:10A 输出功率:24kw 最大占空比:90%高压大功率开关电源的主电路图如图3.1所示。主电路由交流输入、三相不控整流、输入滤波、全桥逆变、高频变压器、LCD箝位网络以及输出滤波八个部分组成。图3-1主电路整体设计框图3.2主电路设计及器件选型3.2.1输入滤波电容选择输入交流电经过全桥整流后得到脉动的直流电压波形Vin，输入滤波电路用来平滑脉动电压，使其脉动减小，接近平直。滤波电容的选择考虑如下两个因数:1、直流电压的脉动大小。若电容C选择过小，电压脉动将增大，需要较高的闭环控制增益和过大的占空比调节范围。2、输入功率因素。若电容C选择过大，电压脉动减小但输入电流的脉冲宽度变窄，峰值增高，谐波分量增加，输入功率因数降低，此外选择过大的电容值，会增加设计成本和体积。电路输入端对滤波电容充能，充能频率为整流桥六脉波输出频率，后级输出端从电容提取能量，则每个脉动周期内提取能量为:设电容电压最大值和最小值分别为和，则电容提供能量为:联立式3-1与式3-2，得:3.2.2 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。变压器作用主要有三点:能量传输、电压变换及输入输出隔离。变压器设计好坏直接影响整机效率及电源可靠性。1、变压器的设计计算通常变压器设计按照以下步骤进行:1）变压器变比计算；2）变压器磁芯的选择；3）变压器匝数计算；4）绕线线径计算。1）变压器变比计算:变压器匝比选择，需要保证在最低输入电压以及最大工作占空比工况下，电路仍能达到输出要求 （3-2）式中，Vo为变换器输出电压； Vd为副边整流二极管通态压降;VL输出电感电压降;Dmax最大工作占空比； 为最低输入电压。取最大指令占空比为90%，占空比丢失为5%，则副边占空比为85%；取整流二极管通态压降为1. 5V,输出滤波电感上电压降为0. 5V,代入式3-1得: （3-3）变压器变比选择过小，会造成副边电压应力增高，选择过大超过所计算的取值范围，会造成在低输入电压时，无法达到要求输出电压，因此变比选择要在式3-2所求值范围内尽量取大，实际选取匝数比为0. 3，即3:10。2）变压器磁芯选择磁心材料分为合金、铁氧体和磁粉芯。其中，铁氧体磁芯又有锰锌、镍锌、镁锌等系列，合金类磁芯又有硅(矽)钢材、铁硅铝合金、铁镍合金、铝坡莫合金、非晶微晶合金等。表3.1各种磁芯材料特性比较表特性非晶合金薄硅钢片坡莫合金铁氧体饱和磁率Bs/Gs1500020000800030005000磁导率ur1000001800141451018000fmax/KHz1000103001000200000最高工作温度/200200200125温度影响中小小中铁损耗低高中低加工难易易易价格中低中低（资料来源：杨旭，裴云庆，王兆安.开关电源技术Z.北京：机械工业出版社，2004）目前，用于开关电源高频功率变压器的材料主要有Fe-Ni基非晶、坡莫合金、MnZn铁氧体三种。其中铁氧体性能介于非晶和坡莫合金之间，主要特点是电阻率远大于金属磁性材料，这抑制了涡流的产生，使铁氧体磁性能适用于高频领域，其成本低于非金合金，且其制作丁艺相对稳定，故选用铁氧体作为高频变压器的磁芯。 铁氧体磁芯有罐形国产（GU型，国际P型)、PM、 RM、Pp、EE、EC、EP,、ETD,RC、 UU、 UI各种型号，以及新近发展的平面磁芯，如EFD、EPC、LP等磁芯。1KW以上的大功率开关电源，一般选择EE或者EC，其具有较大的窗口面积，同时窗口宽而高度低的结构，漏磁及线圈层数少，高频交流电阻小。故本设计选用EE型磁芯。目前工程应用最广泛的磁芯尺寸计算方法是AP法，即通过计算磁芯有效面积Ae与磁芯窗口面积Aw的乘积，来确定磁芯尺寸.其计算过程为:首先，根据法拉第定律，有: (3-4) (3-5)式中，V1, V2分别为原副边电压;n1分别为原副边匝数:Kf为波形系数，正弦波取4. 44，方波取4;fs工作频率，取20kHz; Ae为磁芯有效窗口积;Bmax为最大磁感应密度。然后，分析导线电流密度与窗口面积的约束条件:(3-6)式中，Ku为窗口系数:Aw为磁芯窗口面积;I1,I2分别为原边与副边电流;J为绕线电流密度。式3-5表示所选电流密度情况下，磁芯窗口大小能够保证绕线完全绕下。将式3-3与3-4代入3-5，得: （3-7）最后，考虑选取在变压器温升为20情况下，绕线电流密度J为300A/mm2，最大磁通密度0. 3T，磁摆取0.15T，则: (3-8) 查阅次新手册，选用两只EE85磁芯，该磁芯有效截面积Ae为7. 04平方厘米，窗口面积Aw为6. 95平方厘米时.则两只并联使用时有:(3-9)由式3-8可见，磁芯选择满足设计要求。3）绕线匝数计算由式3-6可得副边匝数为: (3-10)取整n2为36匝，根据式3-2计算砸比，可知原边匝数n1为: (3-11)取整n1为11匝。4)绕线截面积：副边绕线截面积计算: (3-12)副边绕线线径计算: (3-13)原边绕线截面积计算: (3-14)原边绕线线径计算: （3-15）原边选择宽5mm，厚2mm的铜网格线，副边选用宽3. 5mm，厚lmm的铜网格线绕制。具体设计参数参考EE88型变压器进行计算3.2.3输出滤波电感设计1、滤波电感值计算:输出滤波电感的作用在于平滑输出电流，此外在电路的ZVS工作阶段，滤波电感相当于和原边漏感串联，对超前桥臂的电容充放电，以实现其零电压开关。电感值大小与输出电流纹波有密切关系，工程上取电流纹波为20%，可用下式估算:式3-18中，Vo为输出电压额定值，f为电源工作频率，为输出纹波电流值，即=10%I0。代入数据计算得:输出滤波电感电流为单向流动，具有较大的直流分量，脉动纹波较小，电感工作在磁滞回线的第一象限，其开关频率较高20kHz，磁芯可以选择较高的最大磁通密度。2、磁芯选择根据AP法选择磁芯:式3-10中，Io为输出电流有效值；为输出电流最大值，即1.2I0 ； Kd为窗口系数，取0. 5； J为绕线电流密度，取400A/cm2; B最大磁通密度，取0. 3T。代入数据计算得:参阅磁芯手册，选择两只EE80磁芯并联使用，EE80有效截面积Ae为391. 7mm2,窗口面积Aw为1117mm2，两只并联AP值为87. 57cm4，满足设计要求。3、气隙与匝数计算:首先取气隙为1. 5mm，忽略磁芯磁阻，则电感匝数为:再将匝数N=77代入式3-23核算气隙厚度:满足设计要求。4、线径与绕线选择:电感绕线截面积根据下式计算:电感绕线线径为:绕线采用宽72mm，厚o.1mm的铜皮绕制，铜皮需要绝缘胶带紧密缠绕，缠绕后厚度为0. 15mm, 86匝总厚度为12.9mm, EE110磁芯窗口宽度为18. 9mm，磁芯内可以绕下。3.2.4输出滤波电容设计输出滤波电容与输出电压纹波值有关，取输出电压纹波值小于120mV，则输出电容可由下式计算:考虑后级输出电压1200V及电容等效电阻ESR，选择4只47uF/400V电解电容串联构成一组，三组并联组成输出滤波电容。3.2.5交流输入滤波及输入桥式整流滤波电路输入交流电经全桥整流后得到脉动的直流电压波形，输入滤波电路用来平滑脉动电压，使其脉动减小，接近平直。开关电源产生的噪音包含共模噪音和差模噪音。共模干扰是由于载流导体与大地间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的；而差模干扰则是由于载流导体之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。通常，线路上干扰电压的这两种分量时同时存在的。为此，更应在电压输入端加滤波器。在实际应用中，由于设备产生的共模和差模成分不一样，所以滤波电路可以适当的增加或较少滤波元件。具体电路的调整一般要经过EMI实验之后才能有满意的结果。安装滤波电路时，一定要保证接地良好，并且输入端和输出端要良好隔离，否则起不到滤波的效果。典型的EMI滤波器包含共模杂讯和差模杂讯两部分组成的抑制电路，如图3.2所示。图3-2电源滤波器本次设计使用的EMI滤波电路如图3-3所示。图3-3EMI滤波电路图设计时首先要考虑到共模滤波电路和差模滤波电路的谐振频率要明显低于开关源的工作频率，一般要低于10Khz，即10Khz （3-1）设计参数为差模抑制电容Cx1、Cx2为0.47F，共模抑制电容Cy1、Cy2为2F，共模抑制电感为3mH。3.2.6功率开关器件的选型在主回路中使用的电子开关必须能够实现快速的开通、快速的关断这两种状态，并且快速的进行转换，只有快速，状态转换引起的损耗刁小。目前，使用的电子开关大多是功率场效应管MOSFET及IGBT管等。 在主回路中使用的电子开关必须能够实现快速的开通、快速的关断这两种状态，并且快速的进行转换，只有快速，状态转换引起的损耗较小。目前，使用的电子开关大多是功率场效应管MOSFET及IGBT管等。1）MOSFET MOSFET(功率MOSFET)的成本和导通损耗与双极型晶体管相当，开关速度却快5倍。MOSFET是压控型元件。为了驱动MOSFET进入饱和区，需要在栅源极间加上足够的电压，以使漏极能够通过预期的最大电流。MOSFET的开关速度和栅源极电容Cin二充放电有很大关系，使用者无法降低MOSFET的Cin，但可降低驱动电路内阻Ro，减小时间常数，加快开关速度。MOSFET只靠多子导电，不存在少子存储效应，因而关断过程非常迅速。它的开关时间典型值是40-80ns，工作频率可达100KHz以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件静态时几乎不需要输入电流。但在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。虽然MOSFET的开关速度很快，但是它的电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过l10KW的电力电子装置。2）IGBTIGBT有三个电极，分别是集电极C、发射极E和栅极G。在应用电路中C接电源正极，E接电源负极，它的导通和关断是由栅极电压来控制。栅极加正电压时，MOSFET内形成导电通道。撤