（机械工程专业论文）高频高压开关电源的设计.pdf

摘要 摘要 电除尘器是一种广泛应用于水泥、电力、冶金等行业的治理废气和粉尘的 高效率的环保机械。但随着环保要求的提高，对其节能运行提出了更高的要求， 由此，该类设备的核心部件高压电源的设计受到了广泛关注。 本文首先针对除尘器所需要的高频高压开关电源的要求，对高频高压开关 电压的工作原理进行分析，选用适合的开关变换器、控制方式和功率m o s f e t 。 其次，根据系统主电路的结构，设计出系统的各单元电路。第三，对所设计的 高频高压开关电源进行p c b 设计。最后，对所设计的系统进行安装调试，经过 多次的反复试验，达到了各项设计指标的要求，并提出了系统的抗干扰措施， 设计出一款全新系统结构的高频高压开关电源，适合于中小企业高压静电除尘 用。该系统由整流滤波电路、软启动电路、功率变换电路、全桥斩波电路、升 压变压器和高压整流电路等部分组成，其核心部分是功率变换电路和全桥斩波 电路。 本课题摈弃了传统的工频、硅整流模式，设计出基于单片机控制技术和功 率场效应管器件的高频( 1 0 0 k h z ) 高压( 6 0 k v 7 0 k v ) 开关电源。该系统以 m o s f e t 作为功率开关器件，构成桥式b u c k 开关变换器：采用脉宽调制( p w m ) 技术，p w m 控制信号由集成控制器s g 3 5 2 5 产生，输出实时采样电压反馈信号， 以控制输出电压的变化，控制电路和主电路之间通过光电耦合器进行隔离。系 统还设计了软启动和过流保护电路。通过实验证明该系统能安全、可靠运行， 达到了设计要求。 关键词：高频；高压；开关电源；m o s f e t ；s g 3 5 2 5 ；p w m a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee l e c t r o f i l t e r , w i d e l ya p p l i e di np r o f e s s i o n sa n ds oo nc e m e n t ，e l e c t r i cp o w e r , m e t a l l u r g y , i so n ek i n do fe f f e c t i v e l ye n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nm a c h i n e r yt og o v e r n w a s t eg a sa n dt h ed u s t t h i sk i n do fe q u i p m e n t sc o r ep a r t 一h i 曲v o l t a g ep o w e r s u p p l y sd e s i g nh a sr e c e i v e dt h ew i d e s p r e a da t t e n t i o n t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h ed e v e l o p m e n ta n dt h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h e d o m e s t i ca n df o r e i g ns w i t c h i n gp o w e rs u p p l yo fh i g hf r e q u e n c ya n dh i g h v o l t a g e ，h a s s t u d i e dt h eh i g hf r e q u e n c ya n dh i g hv o l t a g es w i t c hp o w e rs u p p l y sb a s i cp r i n c i p l ea n d t h ea p p l i c a t i o n t h ep a p e rd e s i g n st h en e ws y s t e ms t r u c t u r eo ft h eh i g hf r e q u e n c ya n d h i g hv o l t a g es w i t c hp o w e rs u p p l yf o rt h es m a l la n dm e d i u me n t e r p r i s et og o v e r n w a s t eg a sa n dt h ed u s t t h ew h o l es y s t e mi sm a d eu po fr e c t i f i e rc i r c u i t ，s o f ts t a r t c i r c u i t ，p o w e rc o n v e r t e ra n df u l l - b r i d g ec h o p p t e r w eh a v ea b a n d o n e dt h et r a d i t i o n a lp o w e rf r e q u e n c ya n dt h es i l i c o nr e c t i f i c a t i o n p a t t e r na n dd e s i g n st h eh i g hf r e q u e n c y ( 1o o k h z ) ，h i g hp r e s s u r e ( 6 0 k v 7 0 k v ) s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y t h i ss y s t e mt a k e st h ep o w e rs w i t c hc o m p o n e n tb yp o w e r m o s f e tt oc o n s t i t u t eb r i d g e t y p eb u c ks w i t c hc o n v e r t e ra n du s e st h ep u l s e d u r a t i o n m o d u l a t i o n ( p w m ) t e c h n o l o g y t h es g 3 5 2 5p r o d u c e st h ep w mc o n t r o ls i g n a l ，t h e o u t p u ts i g n a lo fr e a l t i m es a m p l i n gv o l t a g ef e e d b a c kc o n t r o l st h ec h a n g eo fo u t p u t v o l t a g e ，b e t w e e nt h ec o n t r o lc i r c u i ta n dt h em a i nc i r c u i tc a r r i e so nt h e i s o l a t i o n t h r o u g ht h ee l e c t r o - o p t i c a lc o u p l e r w eh a v ed e s i g n e dt h es o f ts t a r ta n dt h eo v e r f l o w p r o t e c t i o nc i r c u i t t h r o u g ht h ee x p e r i m e n tw eh a v ep r o v e dt h a tt h i ss y s t e mi ss a f e a n dr e l i a b l ea n di th a sa c h i e v e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：h i g h - f r e q u e n c y ；h i g h v o l t a g e ；s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ；m o s f e t ； s g 3 5 2 5 ；p w m i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌丕堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：立惫 签字日期：劫略年6 月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌盍堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：豆秀导师签名： 签字目期： 鹕年6 月( ) 曰 签字日期：窍名e t 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 概述 随着工业的发展，工业粉尘治理成为急于解决的问题。常见的除尘设备有 沉降除尘、惯性除尘、旋风除尘、水膜除尘、布袋除尘及电除尘【1 1 。 静电除尘的原理是：在电极间加上高电压，使气体放电，产生电子与正离子， 气体中的尘粒获得电子而带负电荷，它在电场的作用下被吸向带正电荷的大电 极而附着在大电极上，然后用振动、刮削或冲洗的方法将其清除。静电除尘装 置具有净化效率高、压力损失小、耐高温、处理气体量大等特点，又能使混合 粉尘分离，达到回收贵重材料的目的，所以获得了广泛的应用【2 1 。 为了形成电场和电晕电流，必须设置配套的高压电源。电源装置的容量、 供电方式和供电特性将直接影响到静电除尘器的除尘效率。 传统的静电高压电源根据输出功率大小，常采用工频变压器直接升压整流 方式或电容倍压电路方式来实现。功率输出大者则选用前者方式，输出较小者 选用后者来实现。随着电力电子技术的发展，新一代功率电子器件，如m o s f e t 、 i g b t 等应用，高频逆变技术越来越成熟，各种不同类型和特点的电路，广泛地 应用于直流直流变换，直流交流逆变等场合，并使用户系统总体的体积减小， 重量减轻，系统的效率也将得到一定程度的提高。 国际上，从2 0 世纪2 0 年代开始发展起来的常规电除尘器，其输出的高压 电源是采用工频2 2 0 v ( 或3 8 0 v ) 通过铁芯变压器把电压升高至几万伏，在经过整 流器变成脉动直流。由于这种电源内阻很小，属于硬特性电源，不随负载加重 而跌落。变压器体积较大，高压绝缘技术要求较高，用于工业现场，高压需有 短路保护措施，并常需要在输出高压端串电抗器件以限制短路电流的变化率， 同样由于频率较低，电感体积也较大。 随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益 密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入8 0 年代计算机电源全面实现了开 关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入9 0 年代开关电源相继进入各种电 子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等 都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。 第1 章绪论 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比 率，维持稳定输出电压的一种电源【3 1 。开关电源一般由脉冲宽度调制( p w m ) 控制集成芯片i c 和绝缘栅场效应管m o s f e t 构成。开关电源不仅体积小而且损 耗低，故几乎已应用在所有的电子设备中。随着许多电器尺寸不断减小，供电 电源所占尺寸变得大得多，人们在降低开关电源的体积、重量等方面做了不少 工作。 开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电 源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，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与应用在节约能源、节约资源及保 护环境方面都具有重要的意义。 开关电源经历了三个重要发展阶段口j 。 第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件( b p t 、s c r 、g t 0 ) 发展为m o s 型器件( 功率m o s f e t 、i g b t 、i g c t 等) ，使电力电子系统有可能实现高频化， 并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。 第二个阶段自2 0 世纪8 0 年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使 功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去2 0 年 国际电力电子界研究的热点之一。 第三个阶段从2 0 世纪9 0 年代中期开始，集成电力电子系统和集成电力电 子模块( i p e m ) 技术开始发展，它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。 目前市场上的高压开关电源大多采用晶闸管驱动，开关速度低、损耗大、 噪声也大，并且使高压开关电源的频率受到限制，从而缩小了它的使用范围。 虽然国内已有少数厂家生产高频高压开关电源，但价格昂贵，因此设计、开发 价格低廉的高频高压开关电压是大势所趋，具有良好的市场。 1 2 开关电源技术的发展方向 1 9 5 5 年美国罗耶( g h r o g e r ) 发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换 器，是实现高频转换控制电路的开端，1 9 5 7 年美国查赛( j e n s e n ) 发明了自激式 推挽双变压器，1 9 6 4 年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设 想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1 9 6 9 年由于大 功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做 2 第1 章绪论 成了2 5 千赫的开关电源【4 j 。 目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机 为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产 业飞速发展不可缺少的一种电源方式。 开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化【5 】。 由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商 都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗， 并在功率铁氧体( m n z n ) 材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密 度( b s ) 下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术1 6 】。s m t 技 术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保 开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的p w m 开关技术进行 创新，实现z v s 、z c s 的软开关技术己成为开关电源的主流技术，并大幅提高 了开关电源工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运 行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的的可靠性大大提高。 模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源 系统，可以设计成n + 1 冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展【_ 。针对开 关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采 用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐 振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作， 以使得该项技术得以实用化。 ( 1 ) 高频化是电源技术发展的主流 电源技术的精髓是电能变换，即利用电能变化技术，将市电或电池等一次 电源变换成适用于各种用电对象的二次电源。开关电源在电源技术中占有重要 地位，从1 0 k h z 发展到高稳定度、大容量、小体积、开关频率达到兆赫级的高 频开关电源。为高频变换提供了物质基础，促进了现代电源技术的繁荣和发展。 高频化带来了最直接的好处是降低原材料消耗、电源装置小型化、加快系统的 动态反应，进一步提高电源进入更广阔的领域特别是高新技术领域，进一步扩 展了它的应用范围。 ( 2 ) 新理论、新技术的指导 谐振变换、移相谐振、零开关p w m 、零过渡p w m 等电路拓扑理论；功率 因数校正、有源箝位、并联均流、同步整流、高频磁放大器、高速编程、遥感 3 第1 章绪论 遥控、微机监控等新技术。指导了现代电源技术的发展。 ( 3 ) 新器件、新材料的支撑 绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 、功率场效应晶体管( m o s f e t ) 、智能i g b t 功率模块( i p m ) 、m o s 栅控晶闸管( m c t ) 、静电感应晶体管( s i t ) 、超快 恢复二极管、无感电容器、无感电阻器、新型铁氧体、非晶和微晶软磁合金、 纳米晶软磁合金等元器件，装备了现代电源技术，促进产品升级换代。 ( 4 ) 控制的智能化 控制电路、驱动电路、保护电路采用集成组件。控制电路采用全数字化。 控制手段用微处理器和单片机组成的软件控制方式，达到了较高的智能化程度， 并且进一步提高了电源设备的可靠性。 ( 5 ) 电源电路的模块化、集成化 电源技术发展的特点是电源电路的模块化、集成化。单片电源和模块电源 取代整机电源，功率集成技术简化了电源的结构。已经在通讯、电力获得广泛 的应用，并且派生出新的供电体制分布式供电，是集中供电单一体制走向多 元化。 ( 6 ) 电源设备的标准规范 电源设备要进入市场，今天的市场意识超越区域融贯全球的一体化市场， 必须遵从能源、环境、电磁兼容、贸易协定等共同准则，电源设备生产厂家必 须接受安全、e m c 、环境、质量体系等种种标准规范的认证。 自从石油危机以来，世界各国都在节约能源问题方面积极探讨，开关电源 符合节能的原则。它在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义【8 】。 1 3 课题简介及课题意义 1 3 1 开关电源国内外发展趋势 传统的工频( 5 0 h z ) 高压开关电源技术，在国内已经使用了十几年，但具有以 下的缺点： ( 1 ) 工作频率低，转换效率低至7 5 以下，耗费电能。 ( 2 ) 变压器和滤波器体积大，重量重，耗费大量的铜和铁。 ( 3 ) 电源输入为两相交流工频电源，又是工频相位调节，致使输入功率因 数低至0 7 以下，对电网造成很大的电磁干扰，电磁兼容性差。 4 第1 章绪论 ( 4 ) 体积庞大的电源控制调节机箱和隔离升压用的工频变压器分居两处， 耗费空间，增加基建费用。 ( 5 ) 输出纹波大，致使电晕电压低下，波形又是单一的工频波，使得无法 适应高比电阻的工况，达不到环保新要求。 这些缺点使其远远不能满足当今环境保护的发展要求。随着电力电子技术 和高频开关技术的发展，特别是新一代功率电子器件如i g b t 和m o s f e t 等的 应用，高频逆变技术越来越成熟，各种不同类型和特点的电路广泛应用于直流 一直流变换、直流一交流逆变等场合，使得电除尘用高频电源供电方式进入商 业化应用已成为可能。由于开关集成电源应用了比常规变压整流器更高的频率， 变压器体积可以大为减少。同时开关集成电源中开关技术的应用提高了电源转 换效率。在一台新的电除尘器中安装开关集成电源，不需要对除尘设备进行改 动，而且其安装成本低于常规的变压整流器。 开关集成电源是以高频开关为基础的。该系统的电源由经过整流和滤波的 供电电压供给。这个直流电流输给系统的核心是谐振变换器，它的输出接到升 压高压变压器，然后经整流供给电除尘器的放电极。 由于开关集成电源的“电流脉冲”频率是常规电源的几百倍，电压波动对 它来说很小，即电压的算术平均值与电压的峰值、谷值相差无几。因此开关集 成电源具有在火花发生前提供更大电流驱动能力，可以使供电功率成倍增长， 从而提高了除尘效率。 此外高频开关电源的功率因数高，对配电系统来说是一个很好的负载。它 是一个与线路频率无关的可变脉动电源，可以给电除尘器提供一个接近从纯直 流方式到脉动幅度很大的各种电压波形。 这些特点都决定了高频开关电源是供电的理想方式，在除尘、净化烟气等 方面都有应用前景，是一项具有广阔发展前途的技术产业。 国外在近十年已经开始高效节能中高频电除尘器的研制，上世纪九十年代 末，国外瑞典a l s t o m 等公司已经将高频开关电源( 2 0 5 0 k h z ) 用于电除尘器， 取代目前国内仍在使用的工频电源( 5 0 h z ) 。丹麦史密斯公司的脉冲激能电除尘 器也成功用于水泥厂废气和立磨废气的净化处理。与工频电源相比，高频开关 电源体积小，重量轻，电损耗小。在产品量产化后，最终可以使其成本低于常 规电源。最重要的是在处理高比电阻粉尘，提高电除尘效率等方面比常规电源 性能优越。 5 第1 章绪论 基于高频电除尘器的上述优点，如果能将产品国产化，就能极大的降低各 种高频用电源成本。而目前国外高频电除尘器的技术水平是比较高的，尤其是 高频电源中的变压器技术比较突出。国外先进变压器上都采用了国际上先进的 铁芯材料、导线材料。采用了低损耗设计，损耗大幅降低，平均较国内同类产 品的降低损耗3 0 以上。 国内以高频变压器技术为依托的高频高压电除尘器的研究起步较晚，对高 效节能中高频变压器研发还处于比较空白的状态，目前通用的中高频变压器产 品的实际输出效率一般只能达到4 0 一6 0 ，国内还没有成功的生产出大功率 的高效节能的中高频变压器的生产厂家，中高频变压器的研发也没有重大技术 突破。同时国际上这种技术也处于非普及的研究试用阶段，还没有全面的进行 推广与应用，这个时候应该是我国进行这个领域研究最佳的时期，学习在国际 上的先进技术经验努力迎头赶上。 当前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的1 0 0 k h z 、用 m o s f e t 制成的5 0 0 k h z 电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高 开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。 然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影 响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本 身的可靠性。其中，为防止随开关启闭所发生的电压浪涌，可采用r c 或l c 缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁 缓冲器。不过，对1 m h z 以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或 通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。 这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用 这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且 噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家 都在致力于数兆h z 的变换器的实用化研究。 目前，国外高压开关直流电源比较成熟，像s p e l l m a n 、c l a s s m a n 等高压电 源公司已生产出小型化、高效化、智能化的高压直流电源，然而价格比较昂贵， 国内直流高压开关电源研究起步较晚，与先进国家相比有较大差距。尤其在高 频、高性能直流高压开关电源方面，国内还没有形成批量生产能力，国内厂商， 比如大连电源技术有限公司、河南舞钢规划设计研究所等生产的高压开关电源， 价格均在数万元以上，还是比较昂贵的。现在迫切需要物美价廉，能满足多种 6 第1 章绪论 不同工况要求的多规格、多品种、系列化的高质量、高性能的高频高压开关电 源【9 】。 目前国内较为先进的高压静电除尘装置是利用微处理器控制的工频高压直 流电源。虽然利用微处理器可以使电源输出电压根据火花进行跟踪优化，但由 于采用工频高压直流装置，直流电源很庞大、沉重，而且根据回路电流( 即火花 情况) 控制可控硅导通角，虽可调节输出电压，但输出电压波动很大，一方面当 火花频率很高时对升压整流器的工作条件( d z 枷，) 有要求，另一方面输出电压平均 值也较低，降低了除尘效果嗍。 国内厂商生产的高频高压开关电源主要是用于特定的场合，而且由于使用 场合的特殊性( 高频高压) ，使得功率较大，设备本身所需的散热器面积大。散 热器一般用铜材料、铝材料，大面积的散热器的使用提升了成本，使得原材料 本身的成本就高。另一方面，由于是专项设计、开发，开发成本高。两个方面 的因素使得目前国内的高频高压开关电源的价格高居不下。 1 3 2 本论文课题的研究目标和思路 根据以上的分析研究和现有开关电源的实物解剖，本论文课题拟开发出一 款全新系统结构的高频高压开关电源，适合于中小企业高压静电除尘用。其基 本思路是采用变频技术和功率转换电路，将工频电压整流并滤波后，输入功率 转换电路，转变为高频方波交流电压( 2 0k h z 以上) 后，再经高频变压器升压。 根据反馈电压实现直流电压的恒定。通常需根据除尘环境，设定直流电压稍小 于火花电压( 根据电流手动调节直流电压) ，同时在直流电压上叠加一个高频电 压，输出电流根据电流设定值调节，电流峰值可由用户根据除尘效果进行调节， 火花放电频繁时，降低电流设定值，当除尘电压偏低时，增加电流设定值，最 高2 0 0 m a 。设计过程中采用单片机控制技术、功率场效应管器件，摈弃了传统 的工频、硅整流模式，设计出高频( 1 0 0 1 z ) 高压( 6 0 k v 7 0 k v ) 开关电源。 1 3 3 课题意义 ( 1 ) 工程意义 研究开发低成本的高频高压开关电源，填补了目前市场上的空缺，符合节 约能源、可持续发展的基本国情，对加速国民经济的发展具有非常重要的现实 意义，也蕴藏着巨大的经济商机。 7 第1 章绪论 ( 2 ) 理论意义 本课题所设计的高频高压开关电源的输出频率范围为5 0 1 0 0 l 啦，最高频率 远远高于工频( 5 0 h z ) ，输出电压为6 0 k v 7 0 k v ，摈弃了传统的工频、硅整流 模式，设计出低成本、基于单片机控制技术和功率场效应管器件的高频( 1 0 0 k h z ) 高压( 6 0 k v 7 0 k v ) 开关电源。 1 4 课题的研究内容与研究方法 1 4 1 研究内容 本课题利用单片机控制技术、高频功率场效应管器件和p w m 脉宽调制技 术，不采用传统的工频变压器( 即无工频变压器) ，提出了一种适合于中小企业 高压静电除尘用的高频高压开关电源的新的系统结构。该系统由整流滤波电路、 软启动电路、功率变换电路、全桥斩波电路、升压变压器和高压整流电路等部 分组成，其核心部分是功率变换电路和全桥斩波电路。 1 4 2 研究方法 在本课题中，我们先通过对高频高压开关电源的基本原理的分析，设计出 主电路，然后，通过用m u l t i s i m 对系统的动态性能进行仿真分析，并结合系统 的具体情况，设计出滤波、整流、软启动和保护控制部分。本课题所要研究的 就是一种用于水泥厂的高频高压开关电源。本课题采用p r o t e l9 9 s e 软件进行原 理图( 电路) 设计、印制电路板( p c b ) 设计。 1 5 本章小结 本章分析了国内外高频高压开关电源的发展与现状；归纳了推动高频高压 开关电源发展的主要技术；提出采用单片机控制技术和功率场效应管器件设计 高频高压开关电源的思路；介绍了课题背景及意义；介绍了本课题的研究内容 与研究方法。 8 第2 章高频高压开关电源的工作原理分析 第2 章高频高压开关电源的工作原理分析 2 1 推动高频高压开关电源发展的主要技术 2 1 1 功率半导体器件 2 0 世纪9 0 年代，用在电力电子变换的功率半导体器件【9 】有许多新的进展， 如： ( 1 ) 功率m o s f e t 和i g b t 已完全取代功率晶体管( g t r ) 和中小电流的 晶闸管，使实际开关电源高频化有了可能。超快恢复二极管和m o s f e t 同步整 流技术的开发，也为研制高效率的开关电源创造了条件。 ( 2 ) 功率半导体器件的水平超过预测，电压、电流额定值分别达n - i g b t ， 3 3 0 0 v ，1 2 0 0 a 和2 5 0 0 v ，1 8 0 0 a ；p o w e rm o s f e t ，5 0 0 v ，2 4 0 a ；g c t ( g a t e c o m m u t a t e dt u m o f ft h y r i s t o r ) 4 5 k v ，3 k a t 二极管，5 0 0 0 v ，4 0 0 0 a 。 ( 3 ) 功率半导体器件的晶片理想材料是碳化硅，已作出2 5 m m ，4 0 m m 晶 片，并试制出一批碳化硅器件样品。如肖特基二极管，1 7 5 0 v ，7 0 m a ，正向压 降v f _ 1 3 v 。但是s i c 器件要达到实用化，还需要一定时间。碳化硅( s i c ) 是功率 半导体器件晶片的理想材料，其优点是禁带宽、工作温度高( 可达6 0 0 。c ) 、热稳 定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、p n 结耐压高等，有利于制造 出耐高温的高频大功率半导体器件。 ( 4 ) 2 0 世纪8 0 年代，将功率器件与驱动、智能控制、保护、逻辑电路等 集成封装，称为智能功率模块( i p m ) 或智能功率集成电路。i p m 工作电压可高 达1 5 v ：环境温度达+ 1 2 5 。 2 0 世纪9 0 年代，随着大规模分布电源系统的发展，将i p m 的设计观念推 广到更大容量、更高电压的集成电力电子电路，并提高了集成度，称为集成电 力电子模块( i p e m ) 。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 软开关技术 p w m 开关电源按硬开关模式工作，开关过程中，开关器件的电压和电流波 9 第2 章高频高压开关电源的工作原理分析 形有交叠，因而开关损耗大。p w m 开关电源高频化可以缩小体积重量，但频率 越高，开关损耗越大，为此必须研究开关电压和电流波形不交叠的技术，即所 谓零电压开关( z v s ) 和零电流开关( z c s ) 技术，或称软开关技术。软开关技 术的开发和利用提高了开关电源的效率。 1 9 9 4 年2 月，i e e e 电力电子学会组织会议曾指出，高功率密度d c d c 零 电压开关变换器与开关器件性能、无源器件性能、封装技术等有很大的关系。 并预测不久，在保证可靠性增加一倍的基础上，功率变换器成本将降低一半， 功率密度可提高一倍。现在，有的开关变换器产品已达到这一目标。 2 1 3 控制技术 由于开关变换器的强非线性，以及它具有离散和变结构的特点、负载性质 的多样性，主电器的性能必须满足负载大范围变化，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、以及各种调制策略在开关电源中的应用，已引起人们的注意。 电流型控制及多环控制已在开关电源中得到较广的应用：电荷控制、一周 期控制、h o o 控制、d s p 控制技术的开发及相应专用集成控制芯片的控制，使开 关电源动态性能有很大提高，电路也大幅度简化。 2 1 4 有源功率因数校正技术 由于输入端有整流器件和滤波电容，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 6 5 。用有源功率因数校正技术( 简称a p f c ) 可提 高到0 9 5 0 9 9 ，既治理了电网的“谐波”污染，又提高了电源的整体效率。 另外还有高频磁元件、饱和电感的应用、分布电源、电源智能化技术、开 关电源的e m i 与e m c 等技术都推动开关电源的发展。 2 2 高频高压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【1 0 1 。开关电源的基本构成如图2 1 所示，其中 d c d c 变换器进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有起动、过流 1 0 第2 章高频高压开关电源的工作原理分析 与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路( r l 、r 2 ) 检测输出电压变化，与 基准电压研比较，误差电压经过放大及脉宽调制( p w m ) 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 2 是一种电 路实现形式。 d c d c 变换器有多种电路形式，常用的有工作波形为方波的p w m 变换器 以及工作波形为准正弦波的谐振型变换器【1 l 】。 图2 1 开关电源的基本构成 图2 2 开关型稳压电源的原理电路 对于串联线性稳压电源，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。但对于开关型稳压电源，输入的瞬态变化比较多地表现在输出端。 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 响应问题也能得到改善。负载变化瞬态响应主要由输出端l c 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l c 乘积的方法来改善瞬态响应特 性。 高频高压开关电源的电路结构有多种【1 2 l 。 ( 1 ) 按驱动方式分，有自励式和他励式。 ( 2 ) 按d c d c 变换器的工作方式分：单端正励式和反励式、推挽式、 半桥式、全桥式等；降压型、升压型和升降压型等。 第2 章高频高压开关电源的工作原理分析 ( 3 ) 按电路组成分，有谐振型和非谐振型。 ( 4 ) 按控制方式分：脉冲宽度调带i j ( p w m ) 式；脉冲频率调制( p f m ) 式； p w m 与p f m 混合式。 ( 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。 高频高压开关电源系统原理框图如图2 3 所示。高压电源的输入信号来自 2 2 0 v 的交流市电，经整流滤波后与p w m 脉冲调制器的输出信号一起驱动高频 变压器，通过高频变压器得到的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 的基准电压比较，控制脉冲调制器的输出占空比，以调节输出电压。 图2 3 系统原理框图 2 2 2 高频高压开关电源的组成 高频高压开关电源通过m o s f e t 或i g b t 的高频工作，开关频率一般控制 在5 0 1 0 0 k h z 范围内，实现高效率和小型化。高频开关电源主要由以下几个部 分组成f 1 3 】。 ( 1 ) 主电路 从交流电网输入、直流输出的全过程，包括以下几个部分。 输入滤波器其作用是将电网存在的杂波过滤，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。 逆变将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部 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，提供稳定可靠的直流电源。 1 2 第2 章高频高压开关电源的工作原理分析 ( 2 ) 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中正在运行中各种参数外，还提供各种显 示仪表数据。 ( 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， 以保证它们工作稳定可靠。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 高频高压开关电源可分为a c d c 和d c d c 两大类，d c d c 变换器现已实 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a c d c 的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较 为复杂的技术和工艺制造问题。 2 3 1d c d c 变换 d c d c 变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。 斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式t s 不变，改变t o n ( 通用) ，二是 频率调制方式，t o n 不变，改变t s ( 易产生干扰) 。其具体的电路由以下几类【1 4 1 。 ( 1 ) b u c k 电路降压斩波器，其输出平均电压u o 小于输入电压u i ， 极性相同。 ( 2 ) b o o s t 电路升压斩波器，其输出平均电压u o 大于输入电压u i ， 极性相同。 ( 3 ) b u c k b o o s t 电路降压或升压斩波器，其输出平均电压u o 大于或 小于输入电压u i ，极性相反，电感传输。 ( 4 ) c u k 电路降压或升压斩波器，其输出平均电压u o 大于或小于输 入电压u l ，极性相反，电容传输。 当今软开关技术使得d c d c 发生了质的飞跃，美国v i c o r 公司设计制造 的多种e c i 软开关d c d c 变换器，其最大输出功率有3 0 0 w 、6 0 0 w 、8 0 0 w 等， 相应的功率密度为( 6 、2 、1 0 、1 7 ) w c m 3 ，效率为( 8 0 9 0 ) 。日本n e m i c l a m b d a 13 第2 章高频高压开关电源的工作原理分析 公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块r m 系列，其开关频 率为( 2 0 0 3 0 0 ) k h z ，功率密度已达到2 7w c m 3 ，采用同步整流器( m o s f e t 代替肖特基二极管) ，是整个电路效率提高到9 0 。 2 3 2 隔离型变换器 d c d c 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隔离，称为隔离变换器。这类变换器把直流电压或电 流变换为高频方波电压或电流，经变压器升压或降压后，再经整流平滑滤波变 为直流电压或电流。因此，这类变换器又称为逆变整流型变换器 ”j 。 ( 1 ) 推挽型( 中心分接头型) 变换器与半桥型变换器 推挽型变换器与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 4 所示。 。诤l 曲三 ( a ) 推挽型( b ) 半桥型 图2 4 推挽型与半桥型变换电路 加在变压器一次绕阻上的电压幅度为输入电压m ，宽度为开关导通时间t o n 的脉冲波形，变压器二次电压经二极管v l 、v 2 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，工作原理和降压型变换器完全相同， 二次侧滤波电感用于存储能量。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 ) 式中力为变压器的匝数比，n = n 1 n 2 ； 1 4 第2 章高频高压开关电源的工作原理分析 n 1 为一次绕组的匝数； n 2 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 仅有一个一次绕组，因此变压器利用效率高，而且不容易出现直流励磁。 ( 2 ) 正激型变换器 正激型变换器电路如图2 5 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 压浙，宽度为开关导通时间的脉冲波形，变压器二次电压经二极管全波整流 变为直流。 f 【 m ； l n 。 i3 l 川 lj c 丰异i永v 2j 1l ? 一 i 丛一1 图2 5 正激型变换电路 开关断开时，变压器释放能量，二极管v 3 和绕组n 3 就是为此而设，能量 通过它们反馈到输入侧。开关一断开，绕组n 1 中存储的能量转移到绕组n 3 中。 反馈二极管v 3 为导通状态时，变压器去磁。为防止变压器饱和，在开关断开期 间内变压器必须全部消磁，则k ( 1 一d ) a 。 ( 3 ) 隔离型c u k 变换器 隔离型c u k 变换器电路如图2 6 所示。开关断开时，电感三l 的电流屯l 对电 容c l l 充电，充电电荷量为 a q o 删1 1 t o e( 2 2 ) 1 5 第2 章高频高压开关电源的工作原理分析 _ r 王v i 羽c 丰 i ：n ：2 i + 优 图2 6 隔离型c u k 燹换电路 同时c 1 2 也充电( 二极管v 导通) ，开关s 导通时，二极管v 变为截止状态， c 1 2 通过三2 向负载放电，这时c l l 也处于放电状态。稳定状态时，电容c l l 充放 电电荷量相等。 ( 4 ) 电流变换器 电流变换器电路如图2 7 所示，它是逆变整流型变换器。图2 7 ( a ) 是能量 回馈方式，开关s 导通时( s l 、s 2 导通时刻见图2 7 ( a ) ，电感器三的一次侧电压 为m 栉t 伽t = n 1 n 矽，电感三励磁并储存能量；s 断开时，储存在电感三中 的能量通过二极管v 3 反馈到输入侧。 对于图2 7 ( b ) 所示的变换器，两只开关同时导通时，加在电感三上的电 压为研，电感励磁并储存能量。任意一只开关断开时，反向电压( 刀t 一明) 加到电感三上，电感释放能量。 图 v l | 。； s 。，l _ ，u s 2 n n l ，上d f 应i l t j s iv i s p 广1 广1 广 s ：1 广1 广一 c a ) 能量回馈式( b ) 升压式 图2 7 电流变换电路 ( 5 ) 全桥型变换器 全桥型变换器如图2 8 如示，s l 、s 3 及s 2 、s 4 是两对开关，重复交互通断。 但两对开关导通有时间差。所以变压器一次侧加的电压u a a 为脉冲宽度，等于 1 6 第2 章高频高压开关电源的工作原理分析 其时间差的方形波电压。变压器二次侧的二极管将此电压整流变为方波( 泖) ， 再经滤波器变为平滑直流电供给负载。 j ： j ；m =r i ：n ， l ，一 11 兰 s 髯广 广 广 s ，。s n 广 、 r r 图2 8 全桥型变换电路 2 3 3 准谐振型变换器 在p w m 电路中接入电感和电容的谐振电路，流经开关的电流以及加在开关 两端的电压波形为准正弦波，这种电路被称为