6kW电力操作电源设计及MATLAB仿真

中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 41 页6kw 电力操作电源的设计摘要：本文介绍了 6kw 电力操作电源的设计和研制工作。 这种电源主要用于直流电力操作电源系统。文章首先介绍开关电源以及软开关技术的基本原理。然后分析了开关电源的技术条件及指标。接着详细介绍了电力操作电源的设计过程，包括主电路的设计以及控制电路的设计，最后介绍了实验的波形。直流电力操作电源的发展历经了三个阶段：磁饱和式电源、晶闸管相控整流电源、开关电源。磁饱和式电源和晶闸管相控整流电源或多或少存 在以下主要缺点：系统体积大、效率低、功率因数低、维护难、可靠性差等。而开关电源则具有高效、高功率因数、体积小、可靠性高、稳压和稳流精度高等优点。开关电源具有良好的发展前景。小型化、轻量化是现代电力电子装置的发展趋势，这就要求开关电源 进一步减小体积、减轻重量。提高开关频率可以有效的减小体积、减轻重量，但随着开关频率的提高，幵关损耗急剧增大并成为严重制约开关电源发展的一大障碍。软开关技术的出现使这一难题有望得到解决。目前，软开关技术在大功率开关电源中的应用尚不多见。本文完成了釆用软开关技术的 6kw 电力操作电源的设计、仿真工作。关键词：电力操作电源，软开关技术，设计，仿真中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 41 页The design of 6kw electrical operating powerAbstract:This article deals whit the electrical operating power 6kw designing and development work. This power is mainly used for DC Power System. At the beginning of the article, a introduction of switching power supply as well as the basic principles of soft-switching technology is given.Then well analyze the technical conditions and indicators of switching power .Then details of the designing process of operating power are followed, including the design of the main circuit and the controlling circuit.And finally the experiment waveform will be presented.DC power supply operation has experienced three stages of development: magnetic saturation power, thyristor phase-controlled rectifier power and switching power.Magnetic saturation power and thyristor phase-controlled rectifier power have the following main drawbacks more or less: the system volume being too large, low efficiency, low power factor, difficult to maintain, poor reliability and so on.The switching power supply has the advantage of being high efficiency, high power factor, small size, high reliability, voltage and current regulation and high precision.Switching power has bright future.Small, lightweight is the trends of modern power electronic devices, which requires us to reduce the size and weight of switching power further more.Increasing the switching frequency is a effective way, but with the increasing, the switching loss increases rapidly and become a serious constraint switching power supply become a major obstacle to development.The emergence of soft-switching technology is expected to be resolved this problem.Currently, the soft-switch technology in high-power switching power application is still rare.This paper completed the design and simulation work of 6kw electrical operating power precluding the use of soft-switching technology.Keywords:electrical operating power,soft-switch technology, design, simulation中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 41 页目 录1 引言 .11.1 课题的研究背景、意义和目的 .11.2 直流电力操作电源系统简介 .41.3 开关电源的发展方向 .42 开关电源基本原理 .62.1 软开关电路的分类 .62.2 开关电路拓扑结构的分析 .72.2.1 非隔离型电路 .72.2.2 隔离型电路 .72.2.3 隔离型电路输出侧电路拓扑结构 .92.3 开关电源控制技术的研究 .102.4 功率因数校正技术 .112.4.1 功率因数及 THD 的定义 .112.4.2 两种功率因数校正技术的比较 .122.5 小结 .133 开关电源技术条件及指标的分析 .143.1 开关电源输入技术条件及指标的分析 .143.2 开关电源输出技术条件及指标的分析 .153.3 本模块技术条件及指标 .164 6kW 电力操作电源系统的设计 .174.1 主电路拓扑结构的选择 .174.2 变压器的设计 .184.2.1 变压器变比的选取 .184.2.2 变压器磁芯的选取 .194.2.3 绕组匝数计算 .204.2.4 绕组导体截面面积计算 .204.2.5 变压器分布参数分析 .214.3 输出滤波电路的设计 .21中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 41 页4.3.1 滤波电感的设计 .224.3.2 滤波电容的确定 .224.4 开关元件的选择 .234.4.1 变压器二次侧整流二极管的设计 .234.4.2 变压器一次侧 IGBT 的设计 .234.5 输入滤波及无源功率因数校正电路的设计 .244.5.1 LC 乘积的计算 .244.5.2 电感和电容的选取 .254.6 主电路的热设计 .254.7 小结 .265 6kW 电力操作电源在 Simulink 中的建模及仿真 .286 结论及感想 .33参考文献 .34致谢 .36中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 41 页1 引言1.1 课题的研究背景、意义和目的首先对“电源”一词作一说明。通常所说的电源可以分为直接电源和间接电源两大类。电源所输出的当然是电能。但是，自然界并没有可以直接利用的电源。雷电等自然现象虽然会产生出一定的电能，却难以作为电源来利用。因此，人类所使用的电源都是通过机械能、热能、化学能等转换而来的。通常上把通过其他能源经过转换而得到的电源称为直接电源，比如发电机、电池等就是直接电源。在很多情况下，直接电源并不符合使用的要求，需要进行再一次变换。这次变换是把一种形态的电能变换为另一种形态的电能。这种电能形态的变换可以是交流电和直流电之间的变换，也可以是电压或电流幅值的变换，或者是交流电的频率、相数等的变换。在有些场合下，这种电能形态的变换可能仅仅是稳定精度的提商或对其他性能的改进。由于这种电源的输入也是电能，因此，把这种输入和输出都是电能的电源称之为间接电源 1。我们接触最多的直接电源就是公用电网所提供的电源。无论是企事业单位，还是家庭，所使用的电能几乎都是直接或间接由电网提供的。电网电源来自发电厂，目前发电厂的发电方式主要有火力发电、水力发电、核能发电等几种形式。火力发电是把热能转变为电能，水力发电是把机械能（水的位能）转换为电能，核能发电是把核能转换为热能再转换为电能。除水、火、核三大主要发 电方式外，还有风力发电、太阳能发电等可再生能源发电方式。由公用电网所提供的电源都是工频交流电源。我们日常接触的另一种直接电源是电化学电源。干电池、蓄电池就是其中的典型代表。这种电源所提供的电能虽然占的比例极小，但却与人们的关系越来越密切。虽然蓄电池和某些可充电干电池所贮存的化学能是靠电源的充电得到的，但因其在利用（放电）时的电能是由化学能直接转变而来的，因此这些电源仍然属于直接电源。除公用电网和电池所提供的电源外，对于从柴油发电机、风力发电机，以及从太阳电池得到的电源，也都归为直接电源 2。本文的主要研究对象是开关电源，其输入和输出都是电能，因此它属于间接电源。开关电源电路是电力电子电路的一种。通常把电力分为交流（AC） 、直流（DC）两中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 41 页大类。因此，基本的电力电子电路就可分为四大类型，即 AC-DC 电路，DC-AC 电路，AC-AC 电路，DC-DC 电路，见表 1-1。AC-DC 和 DC-AC 一般比较容易理解。对于 AC-AC电路，可以变换的对象有频率、相数、电压和电流等。对于 DC-DC 电路，可以变换的主要对象是电压和电流。电力电子电路中的核心元器件是电力电子器件，它们一般都是工作在开关状态，这样可以使损耗很小，这是电力电子电路的一个显著特点。表 1.1 电力电子电路的基本类型顾名思义，开关电源就是电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源。这样一来，如果把由表 1.1 的四大类基本电力电子也路都看成电源电路，则所有的电力电子电路也都可以看成开关电源电路。而实际中，开关电源所涵盖的范围远比表中的范围要小得多，如整流电路中的相控电路就不属于开关电源范畴 3。开关电源诞生于电子技术飞速发展的 60 年代。开关电源的产生有如下背景：1.随着电子计算机等电子装置的集成度和规模不断增加，电子电路体积成倍减小，电源部分的变压器、滤波器和散热器的体积和重量占整个装置的比重却越来越大，传统的线性稳压电源已经不能满足装置小型化的需求。2.能源危机的出现，又使得电源的效率成为倍受重视的问题。随着用电成本的上升，提高效率、降低装置的运行成本成为需要考虑的重要问题。现代电子工业迫切需要一种体积小、重量轻、效率高的新型电源，这就成为开关电源技术问世的直接动力。60 年代是电力半导体器件技术迅速发展的时代。1969 年，垂直导电的高耐压、大电流 NPN 型晶体管（GTR）的问世，迎来了高频开关电源的时代。那时确立的开关电源输 入输 出直 流 （ DC） 交 流 （ AC）交 流 （ AC） 整 流 交 流 电 力 控 制 、 变 频 、 变 相直 流 （ DC） 直 流 斩 波 逆 变中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 41 页的基本结构一直沿用到今天。早期的开关电源的开关频率仅有数 kHz，随着开关器件和磁性材料性能的改进，开关频率也不断提高，但当频率达到 10kHz 以上时，变压器、 电感等磁性元件发出的噪音变得很刺耳，为了追求更小的体积和噪音，在 70 年代开关频率突破了 20kHz 的人耳听觉极限，进入“无声”的频率范围， 也就是所谓的“20kHz 革命” 。MOSFET 的使用，使电源的开关频率进一步提高。从此以后，开关电源在小功率应用领域逐渐取代传统的线性电源， 成为计算机、彩电等电器的电源装置的主流 4。进入 80 年代后，为了适应宇航、军事等应用领域对电源的更小、更轻、更高效的迫切需求，出现了以谐振为特征的软开关技术，较好的解决了开关损耗和开关噪声的问题，使得小型开关电源的开关频率达到了 500kHz-10MHz，功率密度接近 10W/cm,从而为开关电源的发展史揭开了新的一页。电力电子器件中的宠儿 IGBT 的出现，使得开关电源的容量飞速提高。在通信电源技术领域，开关电源己经基本取代了相控整流电源；在焊接电源中，以 IGBT 为主要开关元件的逆变焊机异军突起，在较大程度上 替代了交流变压器弧焊机和二极管整流焊机。而在工业领域中，尤其是电解、电镀和电加热等领域，随着节能和提高控制性能的要求不断提出，也需要采用开关电源。这促使开关电源不断向大功率、高效率、高可靠性和智能化方向发展，并逐步改变了相控电源 在这些领域一统天下的局面。开关电源技术对于信息产业尤为重要。开关电源在通信领域的应用已经十分广泛，从通信基础电源到交换机内部大量的小功率电源模块，都成功的采用了开关电源技术。技术的发展是永无止境的，根据半导体产业界著名的 Moore 定律，集成电路的集成度每 18 个月就会提高一倍。虽然采用更精细的刻蚀技术和降低工作电压可以减少集成电路的功率消耗，但各种高度集成的芯片的功耗还是不断增加，对电源技术提出了新的挑战。在这种情况下，出现了分布式电源系统（DPS）和低电压稳压模块（VRM) 5。虽然己经有了很多成功的应用，但是开关电源技术还远未达到尽善尽美的境地，就目前的状况而言，存在以下几个主要的问题：1 开关过程中产生的损耗限制了开关频率的进一步提高。2 电磁干扰问题。3 控制的精度和快速性有待进一少提高。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 8 页 共 41 页针对这些问题，目前研究的重点是：1 软开关技术，用以解决开关损耗和开关噪声问题。2 功率因素校正（PFC）技术。3 电流模式控制技术，以提高开关电源的控制性能。4 仿真技术和集成制造技术的应用。 目前开关电源技术发展的趋势为：1 整个装置小型化、轻量化。2 不污染电网，减少电磁干扰。3 电源的智能化 6。1.2 直流电力操作电源系统简介在发电厂和变电所中，供给二次回路的电源称为电力操作电源。在操 作电源中，主要分为两大类：交流电力操作电源、直流电力操作电源。交流操作电源一般仅用于小型配电房。在规模较大的发电厂和变电所 中直流电力操作电源的应用更为广泛。在直流电力操作电源中，又可分为 两类：硅整流型直流电力操作电源、蓄电池直流电力操作电源。蓄电池直流电力操作电源不受一次侧电网事故的影响，具有很高的可 靠性。目前，它已经得到了广泛的应用 7。由图 1.1 可知，直流电力操作电源系统由五个主要的组成部分：整流模块、蓄电池组、监控模块、降压硅链以及负载。本文所研究的即是高频开关整流模块。图 1.1 直流电力操作电源系统的组成示意图直流电力操作电源系统的工作原理是，当电网供电正常时，交流电通过整流模块变换成直流电，一边给二次回路供电，一边给蓄电池供电，负载上的电压靠降压硅链进行稳压。当交流电不正常时，由蓄电池给二次回路紧急供电 8。1.3 开关电源的发展方向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，并使开关电源进入中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 9 页 共 41 页更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了开关电源的发展前进，每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为 AC/DC 和 DC/DC 两大类，DC/DC 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 AC/DC 的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。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。开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT 和 MOSFET、变压器。SCR 在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用，GTR 驱动困难，开关频率低，逐渐被 IGBT 和 MOSFET 取代。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。 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，并在功率铁氧体材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs)下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT 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 PWM 开关技术进行创新，实现 ZVS、ZCS 的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。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。电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献 9。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 10 页 共 41 页2 开关电源基本原理2.1 软开关电路的分类软开关技术问世以来，经历了不断的发展和完善，前后出现了许多种软开关电路，直到目前为止，新型的软开关拓扑仍不断的出现。由于存在众多的软开关电路，而且各自有不同的特点和应用场合，因此对这些电路进行分类是很必要的。根据电路中主要的开关器件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路分成零电压电路和零电流电路两大类。通常，一种软开关电路要么属于零电压电路，要么属于零电流电路。但在有些悄况下，电路中有多个开关，有些开关工作在零电压开关的条件下，而另一些开关工作在零电流开关的条件下 10。根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关 PWM 电路和零转换 PWM 电路。由于每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，因此可以用基本开关单元来表示，不必画出各种具体电路。实际使用时，可以从基本开关单元导出具体电路，开关和二极管的方向应根据电流的方向相应调整 11。下面分别介绍上述 3 类软开关电路。软开关技术产生于 70 年代，历经了 30 多年的发展，到目前为止，整个发展过程根据种类的不同可以划分为三个主要阶段，它们是：（1)谐振技术阶段，包括 70 年代的串联和并联的谐振技术、80 年代中的准谐振及多谐振技术；（2）ZVS、ZCS 技术阶段；（3）零转换技术阶段，包括 90 年代初的 ZCT-PWM 技术或 ZVT-PWM 技术。在图2.1 中给出了一些典型的基本开关单元的示意图。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 11 页 共 41 页图 2.1 典型的软开关电路的基本开关单元2.2 开关电路拓扑结构的分析下面主要分祈开关电源的电路结构，重点是隔离型的全桥、半桥、推挽变换器。2.2.1 非隔离型电路非隔离型电路即各种直流斩波电路，根据电路形式的不同可以分为降压电路、升压电路、升降压电路、丘克电路、Sepic 电路和 Zeta 电路。由于非隔离型电路比较简单，在这里就不详述了。2.2.2 隔离型电路在隔离型电路中包括：正激电路、反激电路、半桥电路、推挽电路和全桥电路。在这里对全桥电路进行具体分析。其原理图和工作波形分别如图 2.2 和图 2.3 所示 12。图 2.2 全桥电路原理图全桥电路中的逆变电路由 4 个开关组成，互为对角的两个开关同时导通. 而同一侧半桥上下两开关交替导通，将直流电压逆变成幅值为 1U的交流电压，加在变压器一次侧。改变开关的占空比，就可以改变整流电压 的平均值，也就改变了输出电压d。0U图 2.3 全桥电路的理想化波形中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 12 页 共 41 页当 与 开通后，二极管 和 处于通态，电感 的电流逐渐上升； 与 开通后，1S4VD4L2S3二极管 和 处于通态，电感 的电流也上升。当 4 个开关都关断时，4 个二极管2VD3L都处于通态，各分担一半的电感电流，电感 的电流逐渐下降。当只有 和 断态时12承受的峰值电压均为 13。iU如果 、 与 、 的导通时间不对称，则交流电压 中将含有直流分量，会1S423STU在变压器一次侧电流中产生很大的直流分量，并可能造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可以在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。为了避免同一侧半桥中上下两开关在换流的过程中发生短暂的同时导通现象而损坏开关，每个开关各自的占空比不能超过 50%，并应留有裕量 14。当滤波电感电流连续时，有：（2.1）TNUOon12t如果输出电感电流不连续，输出电压 将高于上式的计算值， 并随负载减小而o升高，在负载为零的极限情况下， 。12O表 2.1 为以上几种电路的相互比较。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 13 页 共 41 页2.2.3 隔离型电路输出侧电路拓扑结构在隔离型电路中，常用的方式有全波整流和全桥整流。半波整流电路由于具有明显的缺点只用于小功率电源当中。还有一种同步整流技术用于输出电压非常低的时候。双端电路中常用的整流电路形式为全波整流电路和全桥整流电路，其原理如图2.6 所示。图中前者代表的是全波整流，后者代表的是全桥整流。图 2.4 全波整流电路和全桥整流电路原理图全波整流电路的优点是任意时刻电感 的电流回路中都只有一个二极管压降，因L此通态损耗小一些，而且整流电路中只需要 2 个二极管，元件数较少。其缺点是二极管断态时承受的反压是二倍的交流电压幅值，对器件耐压要求较高，而且变压器二次表 2.1 各种不同的间接直流变流电路的比较电路 优点 缺点 功率范围 应用范围正激结构简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单变压器单向励磁，利用率低几百 W 到几 千认中小功率电 源反激电路非常简单，成本很 低，可靠性高，驱动电 路简单变压器单向励磁，利用率低几 W 到几十W小功率电子 设备的电源全桥 变压器双向励磁，容 易 达到大功率 有直通问题，驱动电路复杂 几百 W 到几百千 W 各种大功率 业电源半桥 变压器双向励磁，没 有 偏磁现象 有直通问题，驱动电路复杂 几百 W 到几千 W各种工业用 电源，计算 机电源推挽变压器双向励磁，变压 器一次侧电流冋路中 只有一个开关，通态损 耗较小，驱动简单有偏磁问题 几百 W 到几千 W 低输入电压 的电源中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 14 页 共 41 页侧绕组有中心抽头，给制造带來麻烦。全桥电路的优点是二极管在断态承受的电压仅为交流电压幅值，而且变压器的绕组结构较为简单。但其缺点是回路中任意时刻电感 的电流总要相继流过两个二极管，L电流回路中存在两个二极管压降，损耗较大，而且电路中需要 4 个二极管，元件数较多。根据两种电路各自不同的特点，通常在输出电压较低的情况下 釆用全波电路比较合适，而在高电压输出的情况下，应采用全桥电路 15。2.3 开关电源控制技术的研究开关电源釆用的是占空比控制方式，它可分为：脉宽调制（PWM）和脉频调制（PFM)。大多数开关电源采用 PWM 控制方式，在这种控制方式中，调制波相邻的脉冲前沿或后沿的时间间隔严格相等，脉冲宽度的变化使得调制波的占空比发生变化。开关电源中的 PWM 控制方式总的来说可以分成电压模式控制和电流模式控制两大类。无论是电压控制还是电流控制，输出电压反馈和电压调节器都是存在的，所不同的是电压控制仅有一个电压控制环，而电流控制中还存在电流内环。综合比较，电流控制在性能方面比电压控制方式要优越。70 年代末期，出现的电流模式控制方式，其基本的思想是在输出电压闭环的控制系统中，增加了直接或间接的电流反馈控制。电流模式控制的引入给开关电源的控制性能带来一次革命性的飞跃。 电流模式控制方式有以下几个优点：（1）系统的稳定性增强，稳定域扩大。（2）系统动态特性改善。（3）具有快速限制电流的能力 16。到目前为止，共出现了三种电流模式控制方法，它们是：峰值电流模式控制、平均电流模式控制、电荷模式控制。峰值电流控制的原理可以用下图来说明。图中以降压斩波电路为例，S 是开关，开关中的电流 与电流给定 经比较器比较后的信号进入 RS 触发器。时钟脉冲使 RSsi*i触发器置“1” ，S 开通，而 高于电流给定 使 RS 触发器置“0” ，S 关断。s*i电路中的理想化波形途中。 CLK 是时钟信号，S 是开关 S 的开关函数， 是开关si中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 15 页 共 41 页S 中的电流。可以看出， 时刻，时钟脉冲的到来使 RS 触发器置“1” ，开关 S 开通，0t开关中的电流 不断增长，当 时刻开关 S 中的电流达到电流给定值 后，RS 触发器si1 *i翻转，使开关关断，直到 时刻下一个时钟脉冲到来开关再次开通，下一个开关周期2t开始。通过以上分析可以知道，在峰值电流控制中，电流反馈量是开关的电流峰值，电流控制环的作用是使开关电流的峰值跟随给定值。这种控制方式的优点是结构简单，响应速度快，但它有一个明显的缺点，因为电感电流的峰值同它的平均值间的比例与电路占空比有关，所以在给定值相同的条件下，当占空比不同时，电感 L 的电流或电路的输出电流不同，这样峰值电流模式控制方法就不能用于需要精确控制电感电流或是输出电流的电路，如电解、电镀、充电电源或功率因数校正(PFC)电路。此外，由于实际电路中的开关电流往往带有噪声，容易引起比较器误动作，因此峰值模式控制电路容易受到干扰，造成工作不稳定 17。2.4 功率因数校正技术近 20 年来，随着电力电子技术的发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭等众多领域中的应用日益广泛，由此带来的谐波和无功功率的问题也日益的严重。无功功率和谐波会对电网带来不利的影响。国家技术监督局也发布了相应的电能质量标准。要求所有用电设备均应满足该标准 18。2.4.1 功率因数及 THD 的定义在正弦电路中，电路的有功功率就是其平均功率，既是:（2.2）120cos)(1UItuidp视在功率定义为:（2.3）IS无功定义为:（2.4）1sinUIQ中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 16 页 共 41 页功率因数入定义为:（2.5）SP在不含谐波的正弦电路中，功率因数是由电流和电压的相位差 决定的。在公众电网中，电压畸变比较小，电流畸变比较大。在定义功率因数时，假设电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波、正弦电压有效值为 ,畸变电流有效值为 、基波电流有UI效值为 ,以及电压的相位差为 ，这时的有功功率为 :1I 1（2.6）1cosIp这时的功率因数为:（2.7）111cossIUISP在式中， ，即基波电流有效值和总电流有效值之比，称为基波因数；而I1,称为位移因数。功率因数由这两个因子的乘积决定。1cos在电能质量参数中，表征谐波的参数是总谐波畸变(THD,):（2.8）212231 /.IIITHDn畸变因数，可以表征为:（2.9）21THDI从上式可以看出功率因数和 THD 有很密切的关系。功率因数提高了，总的谐波含量也会降低。2.4.2 两种功率因数校正技术的比较目前，常用的功率因数校正技术有两种:无源功率因数校正技术、有源功率因数校正技术。无源功率因数校正是在输入侧整流器和电容之间加一个滤波电感。这样做的优点是:结构简单、成本低、可靠性高。但它提高功率因数的效果没有有源功率因数校正技术好。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 17 页 共 41 页有源功率因数校正技术是采用电源变换技术，使输入端电流 的输入波形跟踪交in流输入正弦电压波形，使 接近正弦。有源功率因数校正的优点是:可得到较高的功率in因数校正、体积小、重量轻。它的缺点是结构较复杂，电磁干扰比较严重。有源功率因数校正技术目前主要应用于单相功率因数校正，它在三相电路中的应用还存在一些问题。所以，在三相电路中大多数还是使用无源功率因数校正 19。2.5 小结在本章中，介绍和分析了开关电源的定义及分类。分析了主电路的拓扑结构，包括隔离型和非隔离型电路。对全桥电路的原理及波形进行了详细的分析。介绍了开关电源的控制方式，主要是峰值电流控制。简单介绍了功率因数校正技术及均流技术。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 18 页 共 41 页3 开关电源技术条件及指标的分析开关电源的技术条件明确了产品应该达到的技术指标，可细分为输入条件和输出条件，它是电源的设计依据。开关电源的设计应从深入分析待设计电源的技术条件开始。由此可知，电源设计的全过程可分为两个主要阶段:(1)技术条件分析(2)主电路和控制电路设计制定技术条件时原则上以现有技术为基础，充分考虑产品的实际需要。本章主要分析所设计的开关电源的各项主要技术条件、指标及其同设计的关系。3.1 开关电源输入技术条件及指标的分析输入参数包括交流或直流、相数、输入频率、输入电压、输入电流、功率因数和谐波含量等等。在考虑输入条件时，首先要考虑的是输入是直流电源还是交流电源，直流电源无需整流单元，也不会有相数和输入频率的问题存在。直流输入的电压变化范围也比较广。电压等级从 24V-600V 宽范围变化。因为待设计电源是交流输入，因此以下讨论基于交流输入的情况。在交流输入中有单相输入和三相输入之分。如何选择，应视具体情况的不同而不同。在三相输入的情况下，整流后直流电压是单相输入时的约两倍，当开关电源的功率小于 3kW-5kW 时，可以选单相输入，通过降低主开关器件的电压等级来降低成本;当功率大于 5kW 时为了避免引起电网不平衡选用三相输入，同时可以减小主电路中的电流以达到降低损耗的目的。输入频率是相对于交流输入指标。大多数国内民用电源输入电源的频率是 50Hz，在航空、航天及船舶用的电源经常采用交流 400Hz 输入，它们整流后的电压的区别在于整流电压的脉动频率不同，那么在选择直流侧的滤波电容时有所区别。中频电源整流后在直流侧使用的滤波电容比工频电源整流后使用的滤波电容要小的多。输入电压条件主要是指输入电压的额定值及其变化范围，这项指标与主电路的设计息息相关，是电路设计中应该非常重视的条件。交流输入时多为三相 380V50Hz 或单相 220V50Hz，当然也有单相或三相 115V400Hz。输入电压的变化范围是指相对于额定工作电压的变化范围。输入电压范围的下限影响变压器设计时变比的计算，而上限决定了主电路元件的电压等级。在确立技术条件时是在满足实际要求的前提下尽量小。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 19 页 共 41 页输入电流指标通常包含额定输入电流和最大输入电流两项，依照这些技术指标来选取输入开关、接线端子、熔断器和整流桥等等。以上对开关电源输入技术条件的意义进行了分析，具体条件在设计中的运用将结合主电路和控制电路的设计具体介绍 25。3.2 开关电源输出技术条件及指标的分析输出参数包括输出功率、输出电压、输出电流、纹波、稳压精度、稳流精度、效率、输出特性等等。输出电压包括额定值和调节范围两项内容。在实际的设计中，输出电压的上限影响变压器设计中变比的计算。一般情况中，上限定的过高会导致设计裕量增大以及额定点特性变差。因此，输出电压的选择原则是在满足实际要求的前提下，上限应尽量靠近额定点。输出电流通常给出额定值和一定条件下的过载倍数，对于有稳流要求的电源还会指定调节范围。有的电源不允许空载，因此可能指定电流下限。稳压稳流精度通常以正负误差带的形式给出。影响电源稳压稳流精度的因素很多，主要有输入电压变化、输出负载变化、温度变化及器件老化等。通常精度可以分成两个主要项目考核:(1)输入电压调整率；(2)负载调整率。电源的输出特性同应用领域的工艺要求有关，相互之间差别很大。设计中必须根据输出特性的要求来确定主电路和控制电路的形式。例如，有的电源提出了恒压输出、恒流输出的输出特性要求，如图 3.1 所示。具备这种特性的电源在负载电流未达到限流值时工作在恒压状态，随着负载的加重，电流达到限流值，输出电压开始下降，电源处于恒流工作状态。图 3.1 恒压恒流输出特性开关电源的输出电压纹波成分较为复杂通常按频带可以分为三类:中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 20 页 共 41 页对纹波有多种量化方法，常用的有:（1）纹波系数。（2）峰峰电压值。（3）按三种频率成分分别计量幅值。效率是电源的重要指标，它通常定义为:（3.1）%10inoP其中 inP为输入有功功率， o为输出功率。通常给出在额定输入电压和额定输出电压、额定输出电流条件下的效率。一般来说，输出电压较高的电源的效率高于输出低电压的电源，这同变压器二次侧整流二极管的通态压降与输出电压的比值相关。通常高输出电压(100V)的电源效率可达 90-95%。3.3 本模块技术条件及指标根据设计任务书，现将本电源的输入条件、输出条件列于表 3.1 中。表 3.1 电源的输入、输出技术条件及指标列表输入条件 参数 输出条件 参数输入电压 ）（ V%2038输出电压 220V交流或直流 交流 输出电流 20A相数 三相 稳压精度 %5.0输入频率 50Hz 稳流精度纹波 .效率 90%输出特性 恒压恒流明确开关电源技术指标的主要文挡是设计任务书。设计任务书是设计的目标，它明确了产品应达到的技术指标。设计任务书应根据技术条件制定的原则，根据用户的需要，以现有技术为基础制定。在具体参数给出来以后，我们就可以根据这些技术条件及指标进行主电路和控制电路的设计 26。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 21 页 共 41 页4 6kW 电力操作电源系统的设计从本章开始，进入到电路设计阶段。电路设计分两个阶段:主电路设计、控制及辅助电路设计。将在本章和下一章中讨论。在主电路的设计中包括:主电路拓扑的选择、变压器设计、开关元件的选择、输出滤波电路的设计、输入滤波及无源功率因数校正电路的设计。4.1 主电路拓扑结构的选择设计主电路的第一步是选择主电路拓扑结构。表 2-1 中列出了所有的变压器原边电路拓扑可能的结构及其应用范围。根据设计任务书，待设计电源的输出功率为6kW，按照功率范围可以选择正激、全桥、半桥以及推挽电路。正激电路变压器单向励磁，变压器利用率低，一般很少采用。所以全桥、半桥和推挽电路是经常使用的电路，对于本电源而言，输入电压是三相 380V/50Hz，在这一范围内推挽电路没有特别的优势，而且还存在偏磁问题，所以也不予采用。只剩下全桥和半桥电路。原则上，变压器原边的拓扑结构既可以选择半桥、也可以选择全桥电路，对于全桥电路而言实现软开关较为方便。在本电源中，采用了全桥逆变电路。变压器副边的整流电路一般采用不可控整流电路。具体形式有半波整流、全波整流和全桥整流电路。半波整流电路存在直流偏磁问题，而且输出脉动大，一般在大功率电源中不予采用。在大功率电源中一般采用全波整流或是全桥整流。但二者应用领域不同。全波整流电路适用于低压大电流输出的情况。在本模块中，由于输出电压比较高，故采用全桥整流电路。电源是三相交流输入，目前，国家对于功率因数及谐波含量的要求越来越高，考虑到三相 APFC 还存在很多问题同时兼顾成本问题，使用无源功率因数校正电路提高功率因数 27。考虑到输出纹波等参数的要求，在输出整流单元后要加输出滤波单元。在输出纹波要求不高的情况可采用一级滤波电路。具体的滤波电路设计在后面介绍。至此，主电路的拓扑结构就设计完成了。如图 5.1 所示。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 22 页 共 41 页图 4.1 主电路拓扑结构示意图4.2 变压器的设计开关电源中变压器是核心的元件，其作用有三点:能量转换、电压变换和输入输出之间的隔离。变压器设计的好坏不仅影响变压器本身的发热和效率，同时也影响到开关电源的技术性能和可靠性。同时，许多其它主电路元件的参数设计都依赖于变压器的参数。因此，在主电路拓扑确定以后首先应该进行的是变压器的设计。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。需要设计的参数是变比、磁芯的形式和尺寸、各绕组匝数、导体截面积和绕组结构