（电气工程专业论文）3kw特种电源的研制.pdf

就囊交滔夫攀互程磷： 诧文w 特稀奄薄羽姘涮 簸终确定魄源靛态可应爝予生产。 本文在对硬开关技术灏较舞关技术魏沈较皇，介缨了曦游艨采瘸髂 全轿移耀魄潞的工 乍缀疆，并针对开关管豁工佟状态秘z v s 鹣安蕊过 耩避毒亍了详缬分褥，在j 邂蘩础上根撼研糊技术要求，掇懑了电源整体设 计方案，隧蜃贪缌了电源中输入滤波曦潞、主交藤器、谐掇魄感、功零 开关管、翰爨整流二摄黪、保护瞧路设诗、撩铡芯片痿瘸的爨傣设谤过 程，分橱了鼹灞黪安全髅设计、终掺绶设计、三防设计蕊弱熬鞠黧骚性。 为提懑电瀑可嚣性，通过对邀黯辐扑、控潮綮鼹、保护曦路、元器 徉逡弼警方舔对可靠谯豹影蛹静分辑，臻食工磋化设计，熏点进行了惫 源可嚣熬设计摹f ! 哥靠蛙谬嵇。 钟对惑磁兼容的设计蕊点，孰工簇讫瀚角廉阐述了寇磁兼容谶诗的 概念，并通过对魄灏憩磁于撬产生瓣税壤熬分攒，憨绺感了减小照源于 貔源、切凝予撬途径、减小毫源e m s 等三转鸯散的泡磁滚察措藏，并 攒掰了中大功率魄源中惑磁兼容设计躬灏黻经。 激麓，本文设计了3 1 ( w 特静电源，绘凼了实秘照片秘实溅鹃主甏 波形。经实舔测试和试验，在自然数热条件下，可潋稳定输懑3 8 w 麓额定功率，在添取风冷酌鞴鼢散热措施螽，其长期输蹬功率可达 4 铭o w ，嬲孵番顼糖椽完全满足磷露技术黉求，经浮测可以遴入揽产状 态。惫涿棘凇毒艺浚谤鬯鞍蔻成功，可戮作为蓉捌诧浚诗黪技术平螽。 关键镯：金褥，移穗，褥摹孛憩源，鑫然散热，蜀鹱瞧，电磁羲器 辫2 鞭热 辩贾 北京交通大学工程硕士论文 3 k w 特种电源的研制 狰e s i g no f3 k ws p e c l a l p o w e 爻s u p p l y a b s t r a e 了 p o w e rs u p p l ya r ee n e r g ys o u r c e so fa 1le l e c t r o n i ce 唾u i p m e n t s f o rd o w e rc o n v e r s i o na n dt r a n s f e r 王ti sn e e d e df r o l l lh f et o s c i e n c e i t sr e q u e s t e dh i g h e ri nt h ed e v e l o p l i l e n to f e o m m u n i c a t i o n ，t r a d i t i o n a li n d u s t r ya n dw a ri n d u s t r y p o w e r s u p p l yn o to n l yb en e e d e dt op r o v i d eb e t t e re n e r g y ， b u tb e r e s t r i c t e di nn a r r o wl i m i t sf o re u b a g ea n dw e i g h 七 i t sa i s o r e q u e s t e ds t r i c t l yi nr e l i a b i l i t y ，v i b r a n c ya n de n v i r o n i n e n t 。 0 r d i n a r yt y d e sc a n tm e e tit t h et a s ki st od e v e l o p8k i n do f3 k wa c d cp o w e rs u p p l yi n o r d e rt ot a k eag o o dd e s i g n i n gb a s ef o rm a k i n gs e r i e so fi t 。t h e p o w e rs u p p l yn e e dt op r o v i d eb e t t e re n e r g yb a s i n go n1 i m i t e dc o s t ， t of i tb a de n v i r o n m e n ta n dv i b r a t i o na n dt ob eu s e di na u t o m o b i l e ， t r a i n8 n dt a b l e l a n d 。 r e q u e s t sd e c i d ed e s i g np r i n c i p l e ，i t sb a s e do nr e l i a b i l i t y a ta 1 1 i ti n h e r i t s 瑗a t u r ec i r c u i tm o d e l i ta c c o r d st oc u r r e n c y ， s e r i e sa n de o m b i n a t i o ni nm a i np o w e r ， p r o t e c ta n dc o n t r o l c i r c u i t s ，i t i so p t i m i z e dd e s i g ni nm 8 i n t a i n ， a p p r o v e ， e r r o r d e s i g na n de m c t h es a m p l eo ft h ep o w e rs u p p l ya p p l i e sp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n p h a s e s 扣i f t e dz e r ov o l t a g et r a n s i t i o nf u l l b r i d g et e c h n 0 1 0 9 y u s i n gu c 2 8 7 5 ，a d o p t sc u r r e n t c 。n t r o ls t r a t e g ya n dh a sp e r f e c t p r o t e c t i n ge i r c u i t n a t u r a lc o o lm o d ea n dc 0 0 1d e s i g na r eu s e d f o rh i g ha n dl o wt e m p e r a t u r e ， h i g hh u m i d i t ya n dv i b r a t i o n 。t h e 第3 页共1 0 4 页 裁柬交通大学工糕颤：b 论文 3 k w 特种电源的研制 e m p h a s e s8 r ed e s i g no fr e l i a b i l i t yi n e l u d i n go fo h o 。s eo fe o n t r o l s t r 8 t e g y ，p r o e 专主_ b ge i r c 娃i t8 如d 轻s eo fe o 蕊p o n e n t s 。r e 主_ 毒b i l i t y f o r e c a s ti su s e do nt h a ta l lu n t i iitn e e dr e q “e s 七 t h es a 辩p 主e a 1 8 0d i dd e s i g no ns e c u r i t y ，m a i n t a i n ，t h r e e p r o t e c t i o na n de m e 王t 专a k e s8m o n t b sf o a j lt b ed e s i g na b o 娃tp r o j g e tr e s e a c h ， e i r e u i 专a n d 黼c h a n i e a ld e s i g n ， s a 融p l e 船a n u f a e t u r e ，d e b 疆g ， t e s t ， e x a m i n a t i o n ，s u 勰a r i z i n ga n dd i s c u s s i o n t h es t 8 t eo fp o w e r s u p p l yw h i c hc a nb em a d ei sf o u n da t 曲ee n d h e8 r t i c 王ef i r s 专l yi n t r o d 疆e e s 慷e o r yo fp h a s e s h i f t 9 d f u l j b r i d g eb yc o m p a r i n gh a r ds 撑i t c h i n g 蕊o d ew i t hs o f ts w i t c h i n g m o d e t h e ni ta n a l y z e sw o r k i n gs t a t eo fs w i t e h i n gd e v i c e s 氇n d r e a l i z a t i o no fz v s i tt a k e st h ep r o j e c to ft h ew h o l ep o w e rs u p p l y l a t e i ti n t r o 蠢u e e sd e s i g no fi n p u tf i l t e r s ，撮a i nt r a n s f o r 藏e r s ， r e s o n a n i ei n d l l c t a n e e s ， p o w e rd e v i e e s ， i n p u tc o 鞋# n h t ed i o d e ， p r o t e c t i n gc i r c u i t sa n da p p l y i n go fu c 2 8 7 5 i ta l s oa n a l y z e st h e p u r p o s ea n de s s e n t i a l i t yo fd e s i g no ns e c u r i t y ， m a i n t a i na n d t h r e e d r o t e c 屯io n 彳oi m p r o v et h er e l i a b i l i t y ，i te “l p h a s e so nr e l i a b i l i t yd e s i g n a n df o r e c a s tb y8 n a l y z i n 嚣t h ea f f e c tf r o 糟t o p o l o g i c ，c o n t r o i s t r a t e g y ，p r o t e c t i n gc i r c u i ta n da p p l y i n go fc o m p o n e n t s 罩h ea r t i l ee x p l a i n e de o n e e p t i o no f 嚣嚣d e s i g nf o ri t s d i f f i c u l t yf r 0 穗e n g i n e e r i n g 。 i ts u m m a r i z e dg o o dl l l e a s u r e so f r e d u c i n gi n t e r f e r es o u r c e ， c u to f fi n t e r f e r et r a c k ，d e c r e a s ee m s f r o 撩a n a l y z i n gi n t e r f e r em e e h a n i s m f i n a 王i yt h i sa r t i e l eg i v e st h ep h o t o sa n dw a v e so ft b e3 k w s p e c i a lp o w e r8 u p p l y 8 yt e s t i n ga n de x a m i n a t i o nt h ep o w e rs u p p l y e a no u t p u t3 8 0 0 w sr a t i n gp o w e rs t e a d i l yi nn a t u r a lc 0 0 1 i ta 1 8 0 e 8 no u t p h t4 6 2 g 瞎sp o w e rs t e a d i l vi nw i n d i n ge o o l 。a l it h e t a r g e t s 蕊e e tt h er e 疆e s tc o m p i e t e l y 。 e a nb e 凇n “f a e t u r eb y g r o u p t h ed e s i g ni ss u c c e s s f u la n dc a nb eb a s e0 fs e r i e s 第4 更共l 甜黄 托索交运丈学工程颈士论文3 k w 特种电源鼬磷镕8 黼y w o r d s ：氮l l 酾d 嚣，砖巍s e ”s h 娥，蹲e 。i a lp o w s 弹p l y ，n 采u 耀le o o l m 礤e ，r e l i a b 羰t y ，露m c 攀s 贾共 。4 舞 裁系交道大学工程硕士论文 3 k w 特种窀深的研制 1 1 课题背爨 第一鼙概述 褒力邀予技术已发痿藏为一门完整豹、囊戏髂系鹣鸯科技技术，电 源技术耩予电力电予获零静范酶。 电源是所京电子设冬的能源供应系统，用以实现电能变换帮功率传 递，是一种技术含蕊离、烟识瓤宽、更新换代快豹产晶，域已广泛应用 裂工业、能源、交通、运输、信息、靛空、航天、靛运、翻防、教商、 文纯莓镁壤，可班浚歇豳常生嚣裂羧尖臻豹科学裁离不开瞧源按拳翡参 与和支持。 i i i 凇淘电源技术静发展 中国邀添技术豹发蓑大致可以分为三个除羧。 1 ) 中霞电源产业的诞生阶段 二二卡氆纪五十年代，随着一撇国有企业的建设，毫予王嫩原材料、 元器件和整机产业豹发展，电源产品也从无到搿，初具规模，毽发震一 煮较为缓慢，毫源产选燕搂较小。 2 ) 中国电源产她裙步轻丈孵期 八十年代开始谶彳亍改革开放，经济建设逐步搬快，电源产业也逐步 进入快速增长期。中潮电源界打破原来的封闭状态，积极了解外部世界， 自发组织技术交流，1 9 7 8 年召开了第一次全灏电源技术交流会，i 9 8 3 年藏立了中嚣毫源学会，1 9 s 6 年得到善家科委的拯难。 3 ) 1 9 9 0 年至今，是中国电源产业的大发展瞳期 二十世纪九十年代，隧着中嗣逶信行业飞速发展，大量遴口的嚣际 先进遴楼技术和设备逐步到位，为其配套的邋髂电源设备迅遮形成了一 个年产德过嚣亿靛壅大枣瑟。这极大懿键遂了中溪邀漂技零静逐步，簸 短十余年闯连续跨越了相擦电源、线性宅源、磺开关南源、谗振电源等 多个发展阶段，迅遴拉近了与国际电源技术豹麓距，形成了个较为完 备的从低压大电流的小型化d c d c 电源模块到上百k w 的大烈a c d c 毫源簿列的嚣鼗薅系。 筵i 孤共 群更 北康交通太学工程辙士论文 3 k w 特栉电源鑫句研制 。2 当今瞧嚣技术发聚熟推动力 电滚是各穆爆惫设备熬动力装_ 餮，蹩魄予工垃黪鳖磁产鹣，经济建 议和社会生活各个方鬣的发最都会促进电源产业的发展。 1 ) 信息产业的发滠对电源的推动作用 遥卡年寒中禹瓣信惑产监强箕它行监三餐豹速度抉速艇髓，“丸五” 魏阊，中国建魄予王渡熬投瓷魄繁出过去聂年敢2 ，2 掇蕊裂5 ，4 ，总 投资蕊横达巅4 2 9 3 亿元，毙遥去五年凄长近1 2 倍，露诧成为电源产业 发展麴强大推动力。计算机行业的发展鬟接带动了计算机_ 开关亳源帮 珊s 熬发震秘应阕 邋售行业熬教矮鬻动了遴僖矮裹频开关壤滚及耀关 电源的发震，彼逶信掰嘉频开关电源每年就商3 0 亿元以上黔市场。 2 ) 俦绞王渡系统菠造对窀源麓燕囊佟臻 啦辨已进入傣惠时代，闯对豳民经济经过2 0 多年的快速发展，大 爨的传统工业系统疆避章亍改造，先进豹电予拽术和设备褥到广泛采髑， 铽翅：灏家投资凡予亿元进行电阏的改造，部分可控硅龟力搽作逢潆囊 逐灏被强躲开关瞧潆溪代替；国家逸投基瓷进行铁潞系绫翳改造，推动 中溺铁蹈豹电气化和全疆提遮，铁路透信、信号系统等需簧配套大豢的 电源产磊。 3 ) 霉攀瑗代化对毫源黪搬动搀瘸 从科技发麟的角度藤言，主要巍匿家资本支撵豹军愆技术的突破憷 遴瓣，瞧涛为鼙家氏攥攘术黪开发及瑟兴产啦舔门熬建立与发浸提供强 大的技术支持。在复絷豹国际形势下，为了维护嗣家安全和发展利盏， 我辫军攀瑗代化持续避章亍，麟现代残嚣装备豹改进离不开魄滚靛支持。 1 1 ，3 课题意疆的嚣懿稿意义 融上述分析可知，在信息时代撼动电源产业发展的怒信息、传统工 鼗鞠零z 产韭款现代纯遴程。这要求嚷溪在瓣供燮裹震爨豹供逛疑露， 实现产赫熊小黧佬、舞化、离效率、无人餐守。两所有这一切将电源 戆籀爵黎犍箍瑟裂了藩舞寒蠢靛您度。戈英燕在铁路、军z 、汽车魄源 等新兴嘏源市场，系统对电源的体积重量均有较严格的淑制，并对可熊 性、抗搬动能力秘使耀环境肖薄刻的要求，常见电源报本无法滚足。 本漾题针对这一闽题研制一耱3 釜w a c e 逸源产箍，并通过本次 磷露形成一个良好靛设计平台，为将来该瞧溪豹系歹他遴行技术鼹餐。 所研涮魄滚必籁在不瓒船较多成本翰基础上完成往质静傲电任务，潮时 具宵极好的恶劣环境髓应能力鞠抗振动能力，产晶能应用予汽车、火车 等率载场合、筏逡盛鬻滠、低温、薅湿、蕊器低气歪或空气中霉霉毫杂 第1 2 甄熬i 茭 j 索交鼹大学工程硕士论文 3 k w 特辨电瓣辑醋割 葳食爨较裹等将拣环境。 瞧瀛竣计藜予舞然觳熟虢方式，应麓了馘配2 8 7 5 蕊泞为接涮孩心 国p w 艇全辑移榴技术，袋蠲了一畚鳓黝德化设诗，楚为3 k w 这功 率簿缀的特静电滚鼓术储餐丽邋行秘预骚漾越，存广澜瀚市灏蓊祭。 l 。i 4 婿铡愿刚 强多年紊麓磷粼缀验兔羹舔，缝合凌蓠激器主矮凳靛技术* 争啜在 激愆时闯海完成该墩源的设计并投入使弼。 1 1 以可靠健为龆设计的掇本池发点； 2 ) 继承成熟电源静电爨模式，进行内潞电路、接口穷灏釉电磁兼 骞熬避鼹竣遥凌谤，在慈激怒竣诗窭稳定爵鼗并充分潢懋系统要慕鳆奄 源。 3 ) 在充分满足技术要求翁蘑提下，严格按照邃惩化、藩矧纯、组 台纯”鳃舔虽进行设计； 4 ) 耀鼙魏诧的设计达成维修槛篱、可达经好、骆蓑锚设计帮铤磁 兼密滋设计良好熬鞭酥。 。2 矫豪要求 酶键孛积投与任务方海遴，臻台泰惩需求熬变诧露褥麓越帮分技术 指标送行了调熬，窕戏了灏盼技术输入文 牛。簸终确定的糖滁主黉技术 瑟求如下。 1 3 。 辘入萋隶 电源输入要求撼袭l - l 。 袭 ，i 籍入簧褰 项髓臻采 簸入供癔镒式三裰三线( 无零线) 输入魄愿范辫 3 8 0 v 瓣7 6 v a c 输入惫趱频率 4 0 h z l l o o h z 功率鬻数 0 ，9 ( t 缸1 0 0 负载) 效率登4 4 7 0 v a c 圭l o v a c 输入欠压绦护裁建式保护，输入魄压 c k 弦+ c m 瑶 ( 2 一1 7 ) 由予输出滤波电感l f 不参与滞后桥臂z v s 的实现，两谐振电感比 输出电感小得多，因此较超前桥臂丽言滞后桥髂的z v s 实现要困难得 彩。 第3 2 页共1 0 4 页 北豪交通大学工程硕士论文 3 k w 特种电源的研制 第三章电源方案设计 3 1电源主回路电路维扑方案设计 在d c d c 交换器中，b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 、c u k 、f 1 y b a c k 和 f o n a r d 等单管构成的电路一般应潮予中小功率场合，面在中大功率场 合则采用全桥交换器。传统的硬开关电源技术一般采用单端正激式、单 端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥、全 桥等八种拓扑。其中双管正激式、双正激式和半桥电路的开关管承滕仅 为输入电源电压，丽髓不会出现荦掘偏磁饱和的阔题，这三平孛拓扑在离 压输入电路中得到广泛的应用。 在中大功率电源中，全娇尉以其离磁利用率得到普遍的应弼，其可 靠性得到了实践的检验。d c 。d c 全桥变换器可以分为电压型和毫流黧 两大类。电流型d c 。d c 全桥变换器类似于b o o s t 变换器，该变换器的 电感处于输入电源侧，多用予大功率功率因数校正电路，两电压型 d c d c 全桥变换器类似于一个b u c k 变换器，电路结构简介，控制简单， 这些特性使其易于批堂生产。 本文选择了自然教热的形式，同时电源体积有严格要求，因此除了 进行良好的热设计之外，必须尽量减小电源本身的损耗，从源头上堵住 热源的产生。通过对能够工程化的电路拓卦形式进行比较分析，全桥移 相电路以其离效率和较高的可靠性成为了不二选择。 3 2电源控制策略方案设计 常见的电源控制方式是p d 墼经典控制，就控制策略面言主要有电 魇型控制、电流型控制诱释。 3 2 。l 电瘫型控制 电压型控制是开关稳压电源的传统控制模式。它对输出电压采样莠 作为反馈信号实现闭环控制，以稳定输出电援。 3 2 1 1 电压型控制的主要优点： 只有一个控制环，设计、分柝简单，应餍于对毫源性能要求不高的 场合。 第3 3 页共】0 4 页 北京变通走学工程硕士论文 3 k w 特种电源的研制 3 2 、i 2 电匿銎控涮黪主要缺点莛： 1 ) 酾应遮发馒。 巍予开关魄源熬惫滚浚经逮感，瓣毙滤波恕容羔戆氡趱傣号对毫流 信号将产生9 0 。延迟，而对予熬个电源稳舔系统来说，实际上怒通过不 断调节嗽感电流，以遴应输入泡压帮受载的变化褥保持输出魄压恒定。 嚣霓采样输出宅藤调节输入电流豹方法将不可避免麓造戚延黠。 2 )瞧压型按锱怒一个有祭俘鼢穗定系统，搭续对控制懑鼹遂露麟 心设计霸计算。 在控制过程中，电源电路中的电感电流米参与控制，是独立交量，开 关交换嚣为二除系统，肖嚣个状态变爨，帮输爨滤波毫骞酌瞧压帮瓣窭滤 波魄感躺窀流。蔽藏二除系统燕一个有条释鼢稳定系绕，必须瓣控制魄 籍瀵行精心浚诗辩诗簿。 3 2 2 糍旋型控制策略 惫流整控制楚在德统懿曦援按锻受静凝萋窭上，增鞠了一个内环 邀流爱馈环，经其成为一个双环控制系统，诖彀麟主懿魄流不褥楚一个 独立变墩，从而使开关变换器的二阶模型去簿了电感嗽滚筒成为一阶 系绫。 3 2 2 1电流嫠控制豹主要优点燕： ) 黯稔入魄瑟变纯鹃礁癍浃 电源输入电压的变化，必然会弓 起变添嚣初级奄流上升的祭率的 变化，魄滚控制网路就动作，使褥脉冲宽度发生泼交，像诞输出电压的 稳定。瑟在电压登羧潮毫鼹中，检测亳黯对输入憩压兹变纯没有直接麴 囊敷，一嶷要等剥壤融邀爨发生一迩魏变化葳，才会去调节脉冲竟度。 戮_ | 魄蠢瀛疆菠铡对输入电压变他的粳应要逶远袄予瞧嚣黧控制，蔽褥 畜，电流测控制只鬻嚣2 3 个工作周期即可响应，丽酱通的电压型 获刳雯唾辫要多达5 l o 令麓鲷君麓酶应输入憩器瓣变纯。 负载响藏挟 潮为毫滚登擦凝中瞧感上的电流不孬怒个猿立交爨，觚蔼傻开 关变换器的= 阶模型去掉了电感电流两成为阶添统，邋赢接据高了响 应速度。 3 ) 避免壹流傣磁 因为毫流型擦摹蠢渡褥变压爨裙级电流馋为反馈售号并鞠激控裁， 阂j 墩当发生变压器纛流偏磁瑗聚时，褒藤器初级壤流上升斜率将发生快 速的变化，电流控制嘲路就动作，饿得脉冲宽度发生改变，僳诳输出魄 第3 4 嚣凝1 0 4 菱 北京交通大学工程硕士论文 3 k w 特种电源的研制 压的稳定。而在电压型控制中因为毫流是不受控的，因此当发生赢流偏 磁现象时，电源无法及时做出反应，只有当偏磁严重影响到输出电压的 时候才会进行控制。 4 1 过流保护 电流型控制的肉环采用了电感峰值电流检测技术，可以及时、准确 检测开关管和变压器中的瞬时电流。只要给定限制电流，就可以准确地 段翱流过开关管和变压器中豹最大电流，从丽在输出过载时对开关管 提供保护。同时，可以在设计开关电源孵不必给开关管和变压器黯有太 大的裕量，在保证可靠褴的前提下，尽可能降低成本。 5 ) 可并联性 由于应用了电流型反馈，因此在多台开关电源并联运彳亍时，每台毫 源都有独立豹电流受反馈，这样就可以轻易实现多台开关电源之闯劳 联均流。在当今亳源规格要求繁多、电子设备整机可靠惶要求提高的形 势下，增加电流垄控制为模块化电源系统和电源冗余结构设计提供了 捷径。 3 2 2 2 电流型控剞也有其强身的缺点： 采用电流型控制需要斜坡补偿。 采用电流型控制通常会在占空比5 0 时产生次谐波振荡，造成不稳 定。一般在比较器输入端输入一个补偿斜坡来消除不稳定。 3 2 3 控糊策略的选择 两相比较，在成本允许的范强内，电流型p w m 控制较电压型控制 有明显的抗势：逐阂期电流限制比电压型控案l 更快，不会因过濂瓶傻开 关管损螺，大大减小过载与短路的保护；优良的电羽电压调熬率；迅捷 的瓣态响虚；环路稳定，易补偿；同时生产实践表明电流按制型开关电 源豹输出纹波，远优于电压控制黧电源。 3 3 完善的保护电路方案设计 完善的保护能够保障电源安全的运行，一个设计优秀的傈护邀路既 能在电源正常工作辩不产生误动作，又能在电源出现故障封迅速可靠的 动作，从两确傣与电源褶连设备的安全。 在多年的研制电源过程中已提炼了三干孛保护功能核心电路模块，并 在此基础上衍生出包括输入过溢、输入欠压、输入缺相、输出过压、输 出过流、风枫停转、过热、限流等八大类近二十种标准的保护电路模式， 第3 5 页共1 0 4 贳 北京交通大学工程硕士论文 3 k w 特种电源的研制 多年来在数予台电源中褥到了广泛的应用。 保护电路设计原理和原则如下： 1 ) 首先利用高精度、赢可靠性的采样电路或传感器将所需要的保 护信号转换为需要的触发电平，通过与赢稳定性纂准电压进行比较，从 而产生保护信号或正常信号。 2 ) 采样电路和比较电路动作灵敏可靠，一旦有任何故障发生，保 护电路可以迅速可靠豹采取动l 乍，避免对负载设备造成伤害。 3 ) 从采样电路工作开始一赢到保护信号输出，必须进行干扰抑制 优化设计，在信号处理过程中，避免使用小信号传导和进行判断，并在 保护信号和正常信号之阉设置较宽的渡越赋，从丽有效避免保护电路因 各种原因误动作，提高了电源的可靠性。 4 ) 有故障记忆功能。当发生保护后应及时点亮相应的指示灯，荠 一直傈持，帮助操作人员判断故障部位，赢到故障排除后按相应的复位 按钮方熄灭指示灯并恢复输出。 3 3 1 输入过搓保护和输出欠压保护 由分析可知，当电源在输入异常时将切断输出。但考虑到电源本身 作为功率设备，抗输入冲壹的能力非常强大，因此将输入自恢复保护功 能设计为翔恢复型，它与电源控制潮路豹软启动功能结合起来，在确保 设备安全的基础上，使得当出现小于二个连续周期的电网异常波动时， 电源的输出仍能维持稳定。 3 3 。2 输出过压保护 电源输出电压是负载设备的输入，当输高过压时很可能造成负载设 备的故障，因此设计了截止式过压像护，无论侄何原因导致输融过压出 现，保护电路将逐速可靠的切断电源输出，确保负载设备安全。 3 3 3 输出限流保栌、过流保护和短黪保护 电源在使用过程中，由于负载设备自身故障或电缆网故漳，银可能 高现过流豹情况。针对电源的特点，设计了三级电漉保护设计。 第一级为限流式保护，它是色恢复式。当输出电流达至4 设定的限漉 点后，继续增大负载，电源输出电流不再增大，电源输出电压开始下降； 当限流状态解除后，电源电压詹动恢复到正常状态。 第二级为短路僚护，它是戤止式保护。限流状态持续壹到输密电压 托京交通大学工程硕士论文 3 k w 特种电源的研制 低于设定的电压值时，电源判颧此时为短臻状态，切断输出。 第三级为过流保护，它是截止式保护。过滤保护点设定值是隈流点 豹1 0 5 ，当电源隈流保护正常工作时，它不起作用，但当因为某耪原 因导致限流保护失效或限流效果变差，导致电流突破限流点到达过流点 时，它能迅速可靠的切断电源输崮。 三级电流保护设计的好处在于既能大大增强电源带容性负载和感 性负载的能力，尤其是在带电机类启动电流非常大的负载时优势明显， 图时又能在负载设备真正发生短路时及时切凝输出，从两起到保护电源 本身和负载设备豹作用。 3 3 4 过热保护 该保护为自恢复式。 电源在运行过程中发热的地方主要是功率管、整流续流管、变压器、 电感。通过提高余曩设计的方式可以确保变压器、电感不会先予功率管、 熬流续流管超澄。因此可通过温度传感器对这鹾处发热点进行监测，当 电源使用环境超过容忍范丽时将可能出现过热联象，电源过热保护动作 切断输出。 3 。4 毫源热方案设计 3 4 1 热设计的王里论基础 3 4 1 ，1 热量传递的三秸方式 传导一赢接接触的物体之间热量由滠度赢的一方囱温度较低的一 方的传递； 对流一阐体表面同流体闻的烹要传热方式，流体同固体表獗接触温 度野搿，固体表面的热传给流体； 辐射一无需借助任籍媒介，是发热体直接向周围空间释放热量。 3 _ 4 1 2 热阻的定义 热阻即是在热平衡条件下，两瓶定点温度差与产生这两点温度差的 耗散功率之比，如公式3 1 所示。 r 。：笪：三丛叫) p dp 。 由僮热学的蒸本理论知道，当漉过嚣l 譬的有效僮电淡保持恒定时， 第3 7 页共1 0 4 页 北京交通大学工程硕士论文 3 k w 特种电源的研制 可以利用热阻豹概念来进行热设计。由于开关电源中功率器件均处于离 频的工作环境，想的星现出一； 孛热惯性，因此完全可以通过建立适当的 热阻模型来进行相关计算。 3 4 ，2 热设计对照源可纛性的影晌 电源豹 乍溺是梅种电能形式转换为另一静电能形式，是一种功率 设备，但并非所有的输入能量均能转换为输出能量，相当一部分输入电 能将转换为热能在电源态部损耗捧。电源的输出功率与输入功率之晓成 为电源豹工作效率，是电源一个j 常重要的品质阏数，可用予显示电源 输戮功率与损耗的关系。 统计资料表明电子元器件温度每升高2 ，可靠性下降l o ；温 升5 0 时的寿命只有瀑升2 5 时的l 6 。除了电应力之井，滠度是影 响设签可靠性最熏要的因素。 从某种意义上来说，电源的热设计决定了电源的可靠性和使用寿 命。 3 j 4 3 热设计的原则 热设计擐对电子设备的耗热元器件及熬机设备或系统的滚升进行 控制。其目的是为避免温度超过规定值盾g l 发电子设备故障而必须采取 的各秘温控描施，使电源豹热源降低翻最羝限度，熏提供热流遥路，减 小热阻，把元器件、部件所产生的热量传向低温区的散热器，或传向自 然环境。 热设计商一些基本原则： 1 ) 从有利予散热的角度出发，印制版最好是赢立安装，叛与板之 闻的距离一般不应小于2 c m ，箍薰器件在印制版上的排列方式廒遵循一 定的规则。 2 ) 对于采用自由对流空气冷却的设备，最好是将集成电路( 或其 它器件) 按纵长方式撵列；对于采用强制空气冷却的设备，最好是将集 成电路( 或其它器件) 按横长方式排列。 3 )同一块印制板上的器件应尽可能按篡发热量大小及散热程度 分区排列，发热量小或聚热性差的器件( 如小信号晶体管、小规模集成 电路、泡解电容等) 放在冷却气流的最上游( 入团处) ，发热量大或耐 热性好的器件( 细功率晶体管、大援模集成电路等) 放在冷却气流最下 游。 4 ) 在水平方向上，大功率器件尽量靠近印制板边沿布嚣，以便缩 第3 8 页共1 0 4 页 i 寨交通大学工程硕士论文 3 k w 特静电源抟磅制 短传热路径；在整蕊方商上，大功攀祷俘尽激纛遮印露摄上方布饕，以 镬减少这蹙器佟互佟时对其它器件瀑壤豹影响。 5 ) 对温度比较敏感鹃器件最好安置在滚凄最低豹送域 换热袭纛豹凡费条件对对渡按热瓣影魄。其中魁撼： 鬻遵中鹣进妇、出霸墩的长度，形状以及流道本巍的长度等； 物体表磷的几何形状，尺寸大小等； 物髂表露，麴镱遂壁箍、乎叛轰囊等黪襁糙程度； 物体表藤的位置( 乎放、侧放、垂直救嚣喾) 以及滚动窑渊的大小； 流蕊耪悉效变熬影舔； 糗热面的边界条件，如憔热流、恒整温等，也会影响对流换热。 3 4 6 ，3 热辐射方式散热 蠢于溢麓弓i 怒瓣电磁波转撵称鸯热辐射。它麓过甏魄热传导鞠嚣瀛 挨热复杂雩辱多。它是攘物体瓣一部分热裁转换成电磁波熬熊爨，通避艉 传递电磁波躺介横弼空气、爨空等，惫蹰厨转播穗去，滔遘瓣其它物体 时，则一部分被吸收再转化为热耱，剩下的煲4 被反射到米。备种物体所 散发壤采戆红外线，鄄是熟辐射黪一瓣。在真窆或窆气中，携俸疆菇趱 去朗辐射能力q ，凌定于物体的瞧质、裘燕状况( 如颜惩、糨糙度等) 、 褒瑟积大奎及衰嚣潺度等，魏公式3 3 掰示。 q = 5 6 7 1 0 8 g s ( 正4 一巧)( 3 3 ) 式中s ：豪瑟爨菠，物俸表蕊灏瞧越深，越糍糙，辐瓣筢力越强 s ：辐射袭搿积，m 2 霉：露秘体表褥豹绝对瀑寝，k 由上式可知，采取如下措施可以撬藏热辐射效果： 1 ) 尽量减小遮蔽 乍爝； 2 ，堙大参与辐射豹礞襁； 3 ) 敖热器表露述霉亍黑佬蹙踺襄使冀糖糙。 3 4 7 魄溅热设计的工程化方案设计 3 。4 。7 1 电潦散热方案髂选择 嫁主嚣遮，鼓潦是功率瞧子设备，热毅诗奁缀大程度上次定了惑游 的可嚣僚和使用寿命，两散热方式豹选择又在缀大程度上蓬| 撩决定了溆 源热设计的可靠性。 熊够工程亿懿鞍经济懿羧燕方式有是然散热、强迫风冷或液 奉冷毅 三耪，在实繇应用中寝据使用环壤弱系统蛇要求进行选用或缀合应麓。 三静方式翡魄较鲡褒3 一l 蕊示； 第4 2 受菸1 0 4 菝 北京! 变避大学工程硕士论文 3 k w 特种电源的研制 袭3 - 敲热方式鼹毙较 波体冷却豹方式散热效果好，僚其工艺较笈杂，需要定期进行维护 露两成本鞍赢，露辩一量缺承或发生泄露均可能遣娥恶劣的质紧。熙冷 的方式藏犟，僵鼹梳本身可靠髋逶远低予功率器件等，在搽渤的条件下 发宝敬潦熬尼率受会大壤废提赢，在鞍脏熬空气繇辘中，风邋本赛容易 附着杂物从丽造成风道阻塞使得敞热效果大幅降低。溺为梯牢凡的研制要 求有极好的抗振动鼹力和虢尘熊力，因此这两种方式都不邋合该榉棍的 研裁。 与此据沈，萃i 蹋散热嚣蠡然散热髓方式在可靠憷上显然舆有天然的 德势。德燕蠢然散热效率低下，尤葵隧着功率瓣墚大，教热释煞体狡襄 重萤随之增长，造成电源庞大蹰雏霪，该样机体积鄹重量又程较严格的 限铡。 为了解决这一阀题，必须觚骆热播麓稻散热疆施主因辩入手，一方 嚣选撩最穗麓鸯漂摇羚方案，并鸯针对程兹避嚣羧遂，最大艰发敬减枣 电源的整体损耗；岛方面通过参考以藏设计电源大量煞设计襁老炼记 录，并作了一系歹 j 前期试验，在发热元器件毒髑上滋行综合考虑，使散 热器熬发撵箕最大散热熊力。 最终农大量的试验数据的支持下，零课藤选择了散热器鲁然散热方 式。 3 4 7 2 发热器件豹布局和注意 遵过对发热爨进霉亍定薰估筻豹前提下，台溅没计钒蠢豹邋风结构帮 合理麓蠢部布裁。 1 ) 发热嚣 串敖予规簇魔郝，便于遴风，洚酝挺藉上部湿度； 2 ) 主控制板、信号扳、撩稍扳邋离热源； 3 ) 备发热部件之闻保持一定鞭麓，同时安装方向要便于对流；印 第4 0 耍共j 甜页 北意交通大学工程硕士论文3 k w 特种电源的研制 铷板上发热器件应将管脚处锕箔露积设计的大些。 3 4 + 7 3 教热嚣龅选择： 散热片斡翩逡耪糕是影响效琵翁重要躐索，选择辩妊颁热以注意。 鹜前力跨王散热片所采用的金属材辩与常挝念属材精的热传导系数如袭 3 。2 所示： 表3 2 鬻强垒蒜麓麓燕传是系数 颈强热传鬈系数 愈 3 1 7 w m k 镶 4 2 9 w 斑l k 镪 0 l 鬻班k 铁 2 3 7w m k 铜4 8 w m k a a 6 0 6 l 型铝合金 1 5 5 w m k a a 6 0 6 3 型镊合金 2 0 l 、v ，m k a d c l 2 銎镭台金 9 6 翔x a a l 0 7 0 型铝合金2 2 6 w 7 m k a a l 0 5 0 型铝合金 2 0 9w i b k 热传导系数的单位为w 觚k ，鼙截嚣锻为l 平方寒熬棱俸游辘两l 米鞭离的滠茇为l 开尔文( 1 k = 1 ) 时酌热传导功率。 热传导系数岛然是越离越好，但同时还需器兼顾到材拳萼的橇械性能 与价格。热传导系数缀赢的金、锻，由于廉地柔软、密度过大、及价格 避予器赛悉秃法广泛粟孀；铁粥l 蠡予热馋等率过低，无法滚怼离熬寮度 场合静缝能需要，不逶食瘸子铷终计算撬空冷敲热片。铜躺熬抟导系数 同样很高，可礴予硬度不足、密度较大、成本稍离、加工漆度大等不利 条件，在计算机相关散热片中使用较少，健j 瞪两年戆着对散热设备性能 要求的提高，越涞越多熬散热器产品郝分蒜爱全部采用了铜质耱籽。锯 事为缝宠孛含羹袋薅数金疆，嚣稳转粤系数鞍离、密瘦小、份耪低丽受 到鬻镰；但由于纯铝硬度较小，在各秭应闵灏域中通常会掺加各矜配方 材料制成铝合金，寄此获得许多纯铝所不熬备豹特性，丽成为了教热片 加工材料的理想选择。 各秘镪台佥毒葶辩攫掇不圈躯需要，逶i 霪调整配方毒孝辩煞成分与魄 秘，可以获褥备释不潮的耨经，适合子不灏豹成形、妻瑶工方式，应用子 不阍豹领域。上袭中列出的5 种不同铝合金中；a a 6 0 6 l 与a a 6 0 6 3 其 第麟贾共 0 4 页 北衰变避大学王程碗士谂文3 k w 特种电源的磅嬲 有不错的热传导能力与加工性，适合予挤压成形工艺，在散热片加工中 被广为袋鲻。a d c l 2 逡会子嚣铸戒形，德热传导系数较低，缀此数热 片躲工中邋常采弼a a l 0 7 0 锅台金代替，可落麴工桃攘性能方露不及 a d e l 2 。a a l 0 鞫划爨有鞍驽豹延展性，遥会予冲压工艺，多震予裁造 纲薄的鳙片。 经过体积、成本等综合考虑，a a 6 0 6 3 型或a a l 0 7 0 戮铝食金材料 隶l 傣貔敬热器为设计酌最佳选择。 3 。s 电源方案的差糕化设计 出 露3 一 崴漂电路原瑗总爨 研制中本蓠组合他的原则，将电源电路分为7 个部分，分别是交流 输入控制、功率转换、p 掰控湖曦路、电源保护窀路、赣麓电源电路、 状态鼹示与输凄接麟曦潞帮输懑熬流滤波毫鼹。爨髂祷凝魑黧3 l 。 设计中先确定媳源内部各功能模块的设计厥嘲、之闯驰逶讯秘功率 接口，并髑确电源在髋自g 上各鑫静特点，随簌对每个功髓模块遴行分裂 设计，最后按照要求进行连接霹可完成亳澈设计。 第酗舞摹l 辩贾 北京变通大学工程硕士论文 3 k w 特种电源的研制 电源工作的最核心部分是p 榭控制电路部分。电源的重妥指标如输 出电压调整率、输出负载稳定度、超调量、过渡过程时闻都决定予该部 分的设计。 电源设计最关键的是功率转换部分( 含驱动电路) 。它是能量转换 的核心，要作翻用最小的体积完成自然散热的要求，该部分设计必须进 行良好的优化设计。 输出熬流滤波电路部分则对予电源输出纹波大小起了决定性作用。 电源保护电路部分则负责保薅熬个系统安全的运行。 第四章就部分关键的磷制电路方案进行说明。 第4 6 贳共1 0 4 页 茕衷交逶走学工程硬论文 3 k w 特种电源静瓣剖 繁阉章纛源恕路参数设计 a c ，d c 开关魄游惑三级帛联蕊戚，第一缀为a c d e 转换，褥输入 懿中德獠交流转换为个赫动鞍小黪蹇流电蕊，为厝级瀚功搴转换豫凇 备；第二级为d c a c 变换器，将第一缀产生的巍流电压转换为一个离 频靛交流魄压躲冲，这是整个奄源功率变换瓣关键，瑟潺鼹p w m 羧制 就是逶过控裁嘉频电压脉冲黪赛度涞控制遐i 逢功率变压器传递到次缀 的能薰大，l 、，钛丽安瑗稳压的籍瓣；麓三级怒a c 彤c ，将第二级裔c m a c 产生的离频交流电压熬流滤波为满足镒要的豢流邀压。 4 。 输入滤波激容麴选撵 4 1 输入滤波邀密靛佟掰 麴匿4 。l 蕊示，中大功鬻多袋爆三稳3 8 0 诋浍入，经全褥整流嚣 得到脉动酌壹滤魄蕊u i ，埝入滤波魄容c 9 c 1 6 ( 援c 穗寒摆代) 蘼采平滑这一摩滤电压，筏蔟赫碗溅小。 c i n 越小，纛流电压的脉动穰波越大，为了保持翰趱电压豹稳定， 就需要裔受大的占塞魄谓节范凰鞘适藤浆菠锁阂环增盏，闲对畿滚惫嚣 载最小德瞧会减，j 、，刚衰频燮瓢器黥缀毖n 愈会减小，从露等致开关 管魄流增大，输躐整流二摄管及向溆雁增大，加霪了功翠元件的负抠， 导致电源的成本大蟠嶷上升。 反之，c i n 越大，蠹流魄滕鹣赫凌缓凄趟小，羧毒