（机械电子工程专业论文）高功率因数均流开关电源模块的研发.pdf

摘要 奉课题研究的a c 。d c 开关电源是由有源功率因数校i e ( a p v c ) 、正激变换和均流控制三 部分构成，其输入交流1 6 5 v 2 6 5 v ，5 0 h z ，输出直流4 8 v ，电源功率为1 5 0 w 。前级的有源功 率因数校正采用b o o s t 拓扑电路，并以u c 3 8 5 4 为控制芯片。该项设计明显的提高了输入功率 因数，其电源功率因数可达9 7 ，大大降低了直流电源对电网的干扰。功率级开发了以u c 3 8 4 2 芯片为控制核心的单管正激电路，工作性能比较理想。输出电压精度= 1 ，满载纹波= 1 5 0 m v 。 输出级采用的n + i 冗余均流控制技术，经测试在同等试验条件f ，与传统的均流电路( 用 u c 3 9 0 7 搭建的电路) 均流精度基本相同，输出满载时，均流精度3 3 。该电源整体：大大 降低生产成本，且工作效率较高，可达8 55 。 关键词：a c d c ，开关电源，有源功率因数校正，单管正激变换，均流 中国农业大学硕士学位论文摘要 j 皇i i 曼皇曼舅曼舅詈鼍邕 a b s t r a c t t h i ss y s t e md e s i g n sa na c d cs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc o n s i s t e do ft h r e ep a r t s ，w h i c ha r e a p f c ( a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) ，f o r w a r dc o n v e r e ra n dl o a ds h a r i n g t h ei n p u tv o l t a g ei sa c 1 6 5 2 6 5 v , 5 0 h z ，a n dt h eo u t p u ti sd c4 8 v 3 a t h ei n p u ts t a g ea d o p t sa p f c ( a c t i v ep o w e rf a c t o r c o r r e c t ) c o n t r o ls y s t e m ，w h i c hw a sa c h i e v e db yb o o s tt o p o l o g yc i r c u i tc o n t r o l l e db yt h ec h i po f u c 3 8 5 4 t h i sd e s i g ni m p r o v e st h ep f ( p o w e rf a c t o r ) o ft h i sp o w e rs u p p l y ，w h i c ha c h i e v e sa ta b o u t 9 7 ，a n dr e d u c e st h ei n t e r f e r et ot h ee l e c t r i cn e t st r a n s m i t t e db yt h ep o w e rs u p p l y t h ep o w e r c o n v e r t e rs t a g ew h i c hi du s e dt h es i n g l e - e n d e df o r w a r dc o n v e n e ? a sm a i nc i r c u i t ，a n dc o n t r o l l e db y t h ec h i po fu c 3 8 4 2 ，w o r k si nt h eg o o dc o n d i t i o n t h eo u t p u tv o l t a g ep r e c i s i o ni s = 1 ，a n dt h er i p p l e o ff u l ll o a di s = 1 5 0 m v t h eo u t p u ts t a g ea d o p t st h en + il o a ds h a r i n gc o n t r o l l i n gs y s t e m ，w h i c hi sn o t c o n s i s t e do fu c 3 9 0 7 , b u tac i r c u i ts y s t e mm a d eu po fo p e r a t o r s t e s t e di nt h es a m ec o n d i t i o n ，t h el o a d s h a r i n g p r e c i s i o no ft h i sn o ws y s t e mw h i c hi s 3 _ 3 i st h es a m ea st h a to ft h es y s t e mm a d eu po f t h eu c 3 9 0 7 t h i sp o w e rs u p p l ys y s t e mr e d u c e st h ec o s t s ，a n dt h ee f f i c i e n c yo ft h ew h o l l ys y s t e mi s 8 5 5 k e y w o r d ：s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , a p f c ，s i n g l e - e n d e df o r w a r dc o n v e r t e r , l o a ds h a r i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位 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了谢意。 研究生签名：萄召 弘 _ ) 时间：d 呻j 一年= 月 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 爹舀 时间：加寸年；月 日 导师签名：土1 1 ) 聪 时间：2 d 。j 一年多月日 中国农业大学碳士学位论文第一章绪论 i i i i 第一章绪论 1 1电源的发展概况与趋势 1 1 1 发展概况 电源是所有设备的动力，标志电源特性的参数有功率、电压、频率、噪声及带负载时参数 的变化等等。即使是在同一参数要求r ，又有体积、重量、形态、效率、可靠性等指标，故电 源形式多样。各种电子系统尽管千差万别，但都是各种各样的i c 集合体，要求以不同的电压供 电。利用2 2 0 w l l o v 交流电供电时，为使各种电子设备正常运行，电力变换和电绝缘设施必不 可少，也就是要求稳定且安全的电渊实现供电。办公室和一般家庭里设置的交流电插座所供应 的交流电均是5 0 6 0 h z 的低频交流电。早期的稳压电源，是利用通用变压器进行电力变换和绝 缘，然后通过串联调解器( 稳压器s e r i e sr e g u l a t o r ) 实现稳压输出。经过多年的演变现在己经 有由3 端稳压电路构成的稳压输出。但是，串联稳压器输入电压与输出电压之间的电压差值同 负载电流乘积，以热能的形式损耗，且输入电压愈高损耗愈大。在市电频率的绝缘变压器的 设毒十与制造过程中。由于交流电的频率根低，及硅钢片变压器的使用，使得电源体积很大。 为了克服这些缺点，使电源小型、轻便和高效率，上世纪7 0 年代研发出了开关电源。既放 弃使用串联稳压器的连续控制模式，采用开关式的断续控制模式。从原理上讲，开关电源可把 电源自身内部的损耗降到最低限度，是较好的稳压电源。开关电源按功率可分为大、中、小功 率三类。其中，大、中功率一般采用分立元件或控制模块一起制成。对于太、中功率开关电源 的核心单元，1 9 7 7 年国外首先研制成脉宽调制( p w m ) 控制器集成电路，典型产品如m c 3 2 5 0 ， s g 3 5 2 4 ，t i a 9 4 ：2 0 世纪9 0 年代以来，国外又研制出开关频率达5 0 0 k h z 的高速p w m , p f m 濒 率调制) 芯片典型产品如 ) 0 8 4 2 、u c l 8 6 4 等【l i 。对于小功开关电源，多采用单片集成化，目 前有美国动力( p o w e r ) 公司研制的t o p s w i t e h 系列等。由于开关电源高效节能等诸多优点在现 今的电源产品市场上开关电源已经成为主流产品取得广泛应用。 1 1 2 发展趋势 对于现代的开关电源功率交换技术的发展趋势可以概括为：高频化、高效率化、无污染化和 模块化【2 j 。 1 、高频化 是缩小电源体积、减轻重量、提高功率密度的重要技术途径。高频化还可使开关电源的动态 品质得到改善。小功率d c - d c 变换嚣的开关频率将由2 3 0 0 k h z 提高到1 m h z 功率密度也将 由每立方英寸5 0 瓦提高到1 0 0 瓦以上。 2 、高效宰化 作为电源，效率是重要的关键指标之一。高频化的结果，使开关损耗显著增加。因此，8 0 年 代后期以来，软开关变换技术始终是电源技术研究的热门课题。有无源软开关技术即应用无源 器件化c ，r 等) 构成网络，对功率开关实现无损缓冲软开关的技术，如谐振、准谐振、恒频零开关 以及z v t - p w m 或z c t - p w m 还有适用于桥式电路的谐振直流环节逆变技术等。 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 软开关技术理论上可使开关损耗降为零。实际上，可使目前的各种电源模块的变换效率由8 0 提高到9 0 以上，达到高频率、高效率的功率变换。 3 、无污染化 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，供电网受到明显污染。开关电源的输入端常常是二极管整流与电流滤波的组合电路，其输 入电流呈脉冲状，交流侧功率因数只有0 6 0 7 。为提高a c - d c 开关电源的输入端功率因数，可 用无源或有源功率因数校正( p f c ) 技术。无源校正技术较为简单，即应用l c 滤波网络，只不过滤 波网络体积、重量较大。育源校正技术是在输入整流和d c d c 变换器，利用控制电路f 有专用的 集成控制芯片1 ，使输入端电流波形接近正弦并保持与电压同相，从而使输入端功率因数接近1 ， 电路成本约增女d 2 0 。 国外己将软开关技术应用于p f c 有源校正，据报道，已有电源采用单相b o o s t 主电路应用i g b t 功率器件，用零电压转换( z v t ) p w m 技术，工作频率1 0 0 k h z 、功率l k w ，交流输入电压1 8 0 , - - 2 6 0 v ， 效率达到9 7 9 8 。 现在，国内外正在研究开发单级高功率因数电路，即只用一级主电路构成p f c 电路和开关电 源，功率因数在0 9 以上，成本只增加5 ，预计将首先在小功率a c - d c 开关电源上实现。 4 、模块化 模块化是为了适应分布式电源供电系统的需求。过去，电源功率不大时，均是采用单一集中 的供电方式。近年来有明显地向分布式供电发展的趋势。这是由于： f 1 ) 分布式供电具有节能、高效经济、维护方便、可靠性高的优点。 ( 2 ) 适用于低损耗、超高速型集成电路低电压电源( 3 3 v ，2 2 v , 1 2 v ) 的供电要求一 ( 3 ) 当需要大功率输出时，可用小功率电源模块、大规模控制集成电路做基本部件，组成积木 式智能化大功率供电电源，其优点是； a 减轻了对大功率元器件的研制压力； b 减轻了对大功率装置的研制压力。 1 2 研究目的 1 、在当今科技飞速发展的形势下，各种各样的电源的市场需求愈来愈大，而目前的开关电源品 种和性能还有许多不尽人意的地方，比如成本高，性能价格比不太理想等。目前的绝大部分开关 电源中，有部分交流电流在负载里循环而不传输电能( 称为谐波电流) 谐波电流的存在造成视 在功率( 电压v o l t 乘电湖h - n p s ) 大大高于有用功率，致使系统中的功率因数过低，直接导致用电 效率降低，从而浪费大量电能。欧美发达国家对用电系统功率因数都有严格行业规定，且有多种 相关标准。国内相应技术明显落后于国外，但近几年也出台了个别相关政策。我国有关部门规定， 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 从2 0 0 3 年开始，所有总功率高于7 5 w 开关电源，在进行c c c 认证时，必须加装( p f c ) 以有效降 低电源的谐波电流，提高功率因数。新型直流电源的大面积开发和性能改善已经势在必行，如果 电源设计生产出符合标准甚至高于国家标准的p f c ，其电源产品将更具较强的竞争力。 2 、具有高功率因数的小功率电源，前级一般采用b o o s t 电路，其输出电压高( 4 0 0 v 左右) ，后级 功率变换级采用电路结构复杂、成本较高的双管正激变换。因此，寻找较好的方式避免这个缺陷， 有市场潜力，相应阿科技开发具有现实意义和商业价值。 3 、结构简单，性能稳定，价格低廉的开关电源市场受欢迎，但其开发并非易事，在许多环节需 要大量的研究和试验，比如采用单一电源向负载供电方式下，后续电路的均流问题就需要很好的 研究和反复的试验。 基于以上几个方面的原因，在市场需求力的推动下( 有公司要求开发该类型产品) ，本项研 究就开关电源展开了相应的研究。 1 3 设计要求 本课题设计了一种用于工控设备设备供电的开关电源，要求市电输入，输出4 8 v ，3 a ，前 级要求带有a p f c ( 有源功率因数校正) ，输出具有均流功能，详细要求如下： 输入电压范围：2 2 0 v a c 1 5 ，5 0 h z + 2 h z 额定输出电压：+ 4 8 v d c 额定输出功率： 1 5 0 w 输出电压精度；也 纹波( 包括噪声) ： 5 0 0 m v 负载调整率： 9 0 n + i 并联均流冗余：平均功率1 5 0 w 以内电流不均衡度 2 0 0 1 u a 输出过电流保护： 1 0 5 1 4 0 负载，电压下降，消除过载后，自动恢复 输出限电压保护：5 5 6 0 v ，闭环稳压故障的条件下 输出短路保护： 输出短路故障电源保护，短路输出电压 5 kq 时，t d 1 ) 个电源并联构成 的电源系统向负载供电，每个电源的功率为负载所需功率的1 n 。运行时，每个电源平均承担 负载功率。某一个电源发生故障时，供电并不中断，仅仅是最大供电能力有所降低，不会影响 负载的正常工作。这种运行方式与第1 神方式相比，虽然电源的总功率相同，但电源数量多， 因此总成本会有所上升。 田4 - 1 多个电漂模块供电框圈 3 、并联冗余运行，当负载要求供电可靠性非常高时，应采用n + m ( n 1 ，m i ，个电源并联工作， 每个电源的设计功率为负载最大功率的1 n 。运行时，每个电源平均承担负载仍然能提供负载 所需的全部功率。当然，这种运行方式需要采用数量较多的电源，比前两种运行方式成本明显 高一些，这是提高可靠性所需要付出的代价， 在方式2 和方式3 中，要求并联运行的每个电源平均承担负载功率，这并不是简单地将多 个电源的输出端接在一起就能做到的。几个结构相同的电源并联运行时，输出端连接在一起， 输出电压被强制相等，但由于各参数的分散性，使得每个电源的开路电压和内阻均会存在羞异 而通常开关电源的内阻都非常小，因此开路电压很小的差异就会导致筹电源输出电流出现较大 的偏差有的电流较大，有的较小，这种远行状态使得电源的寿命衰减不一致，重载的电源会 5 6 提前损h 、，达不到提高可靠性的日的，冈此尽量使各电源的输出电流分配均衡。为了能使备电 源均分负载电流，首先需要深入分析l 乜源电流分配不均的机理，然后采用相应的对策。 多个电源并联后的情况如图4 - 2 所示。所有电源输出连接在一起，因此它们的输出电压u 。 都是相同的，但每个电源的给定餐u m 、反馈比例系数k 略有差异，再考虑到运算放大器的失 调电压也不尽相同，因此各电源误差信号e u k = u r k k j t 也不尽相同( 本章中r 标k 均表示第k 个电源) 。各电源的电压调节器通常都采用比例一积分( p i ) 调节器。 当各电源的输出刚并联在一起时，有的电源误差信号e 。为止，电压调1 ，器止向积分，开路 电压提高，输出电流增加；有的电源e u 为负，电压调节器反相积分，开路电压降低，输出电流 变小 图4 - 2 并联后的电源系统 当负载电流小于单台电源的最大值时，最总进入稳态后的情况是，有一台电源的e 。为零， 调节器正常工作，而其他电源e u 为负，调节器处于下限饱和状态。全部的负载电流都由e 。为零 的电源承担，其他电源输出电流为零。 如果负载电流较大，超过了单台电源的最大值，情况就稍微复杂一些。有些电源气为正， 有些电源e 。为负，最多有一个电源e 。为零。e l l 为正的输出电流为最大限流值，e 。为负的输出电 流为零，e 。为零的输出电流介于零和限流值之间。所有电源的输出电流和等于负载电流n 根据以上分析，电压并联后输出电流不相等的原因是：在输出电压相同的条f 二下，电压调 节器误差信号e 。不同，这反映了电路差数的分散性。为了能够补偿这种分散性。使备电源的输 中田收此人学蛳1 学位论史第洲审均流部分设计 出电流相等，并且e 。都筲丁零，必需采取控制措施，这是设置均流电路的基本目的。 但是电源输山参数的扩展，仅仅通过简单的串、并联方式还不能完全保证整个扩展后的电 源系统稳定可靠的_ 【作。不论电源模块是扩压还是扩流，均存在个“均压”、“均流”的问题， _ l 解决方法的不同，对整个i u 源扩展系统的稳定性、可靠性都有很大的影响。由丁目前稳定电 源输出扩流席用较多，本章仅讨论开关电源并联均流技术。均流的主要任务是：负载变化时， 每台电源的输出电压变化相同；使每台电源的输出电流按功率份额均摊。 4 1 2 均流技术应满足条件 1 、所有电源模块单元应采用公共总线。 2 、整个系统应有良好的均流瞬态响应特性。 3 、整个并联输出扩流系统有一个公并控制电路。 4 2 并联电路中常用的均流方法 可实现均流的方法报多，如输出阻抗法，主从法：按电流大小自动均流法( 平均电流法和最 大电流法) t 按热应力自动均流法，外加均流控制器法等。 4 2 1 利用输出电压调整率均流( 输出阻抗法) 戴维南等效电阻的存在，使电源输出电压随输出电流的增大而降低，两者的比例称为输出 电压调整率，它反映了电源内阻的大小。一般开关电源的内阻都很小，其输出电压调整率可达 0 1 以下，并且分散性较大，这造成并联后各电源输出电流很不致。针对这一问题，可以增 大每个电源的等效内阻，并保证一定的一致性，就可以达到均流的效果。但这种方法会显著加 大输出电压调整率，并且由于个电源的开路电压数值并不完全相等，因此均流精度不高，各台 电源输出电流闻的偏差最大可达各电源输出电流平均值的1 0 2 0 。 4 2 2 主从设置法 这方法使用予由电流型控制的并联开关电源系统中。所谓电流型控铡是指开关电源模块 中有电压控制和电流控制形成双闭坏系统。电流环是内环，电压环是外环。主从设置法是并 联的n 个变换器模块中，人为指定其中一个为“主模块”( m a s t e rm o d u l e ) ，而其余各模块跟随 主模块分配电流，称为从模块( s l a v em o d u l e s ) 。图4 - 3 给出u 个d c d c 变换器模块并联的主从 控铷原理示意图。图中每个模块都是双环控制系统。设模块1 为主楼块按电压控制规律一l ： 乍， 其余的n 一1 个模块按电流控制方式：作，v ，为主模块的基准屯压，v ，为输出电压反馈信号。经 5 8 些m 尘些鲨譬些耋耋i 尘鬯墼坠!曼!一 过电压误差放人器，得到电压误差v c ，它是土模块的电流基准，与v 0 (