大学生研究性学习和创新性实验计划项目.doc

第七届大学生研究性学习和创新性实验计划项目申 报 表项目名称高功率因数直流软开关电源设计项目类别创新训练项目 创业训练项目项目级别 省部级 校级项目主持人 段志超学生所在学院 能源工程学院专业班级 电子信息科学与技术联系电话导老师 黄祯祥填表日期2014年4月18号 项目名称: 高功率因数直流软开关电源设计学生姓名学 号专业名称性别入学年份段志超2011920012288电子信息科学与技术男2011.9黄鑫201192001226电子信息科学与技术男2011.9刘添201192001219电子信息科学与技术男2011.9田野201192001229电子信息科学与技术男2011.9指导教师黄祯祥职称副教授项目所属一级学科电气工程学生曾经参与科研或创业的情况项目组成员曾独立完成了直流电动机调速调压可控整流的电源电路设计、数字时钟电路的设计、波形发生器的设计、光敏防盗钱包的设计、线性直流稳压电源的设计、基于单片机的交通灯控制系统设计、温度采集及显示控制系统设计与简易可编程稳压电源的设计等。部分成员于2013年暑假在深圳富士康实习体验一个月。指导教师承担科研课题情况2006-2008年，主持湖南省教育厅科研项目基于DSP的永磁交流伺服智能控制系统的研究，已结题。2009-2010年，参与湖南省教育厅科研项目新型复合走丝电火花线切割机床走丝技术的研究，已结题。2005-2007年，参与湖南省教育厅科研项目基于六自由度的钻尖后刀面刃磨技术的研究，已结题。2005-2007年，参与湖南省湘潭市科研项目基于合成法技术的麻花钻刃磨的研究，已结题。项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题一、项目研究和实验的目的电源技术尤其是直流软开关电源技术是一门实践性很强的工程技术，它融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。如今开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等各行各业中都得到了广泛应用，人们对其需求量日益增长，同时，计算机和通讯技术的发展，为软开关电源技术提供了广阔的发展前景。开关电源因其具有效率高、重量轻、体积小等显著特点,许多学者投入大量的精力去研究，特别是对大容量高频开关电源的研究和开发已成为当今电力电子学的主要研究领域，并派生了很多新的研究方向。本项目的研究目的是为解决一般的线性稳压电源体积大、调整管功耗大、功率因素低、滤波电感的容量要求大、线性度不好等问题，设计带两级PFC功率因数校正电路的直流大功率软开关电源，并通过创新实训提高解决工程问题的能力，为就业上岗打下基础。二、项目研究的内容本项目主要利用两级PFC电路进行功率因数校正，其中前级PFC电路部分采用UC3854A/B芯片进行控制，后级零电压开关移相全桥控制电路采用UC3825芯片进行控制。在对控制电路芯片原理与外围电路进行详细分析的基础上，对主电路结构进行优化设计，对主要器件进行计算选型。同时为验证设计效果，对功率因数校正的主电路和移相全桥变换器主电路用PSpice软件进行仿真，验证设计是否达到预期效果。具体内容为：（1）建立PFC Boost电路小信号模型。结合平均电流控制思想对控制电路乘法器进行小信号建模，在此基础上设计双环控制器，结合 Boost 电路的非最小相位系统特性进行分析和处理。（2）设计移相全桥 DC/DC 变换电路。基于 Buck 电路小信号模型，综合考虑占空比丢失等情况，进而推出精确的移相全桥 DC/DC 变换电路的小信号模型，在此基础上设计电压环控制器。并对电路占空比丢失、软开关限制条件等因素进行讨论。（3）分析 UC3854 和 UC3825 的控制功能，设计其外围控制电路。（4）控制、均流、驱动与保护电路设计。（5）提出解决电磁干扰和电磁兼容问题的思路。（6）利用 Matlab 仿真验证设计效果。（7）实验验证与分析。三、项目要解决的主要问题（1）提高功率因数至0.95以上，降低纹波电压和尖峰电压。（2）解决开关损耗、开关噪声问题。国内外研究现状和发展动态美国人罗耶在1955 年发明了自激震荡晶体管单变压器的推挽 DC-DC 变换器，开始了开关电源的实际应用研究。查赛在 1957 年发明了自激推挽双变压器变换器。1964 年美国正式提出没有工频变压器的开关稳压电源的思路，并在 1969 年成功研制了 25KHz 的开关变换器电源。最初研制的开关稳压电源实际上是硬开关技术的应用。上世纪 60 年代美国科学家研制的直流变换器获得到了应用上的成功，并在 70 年代初期开关稳压电源在发达国家得到了广泛应用。但是，这些早期的开关电源器件都采用分立元件，并且是非标准的。从 1977 年开始，出现了电源控制电路的集成化。英国科学家在 80 年代初应用集成电路成功研制了 48V 输出的电源。从上世纪 70 年代开始，开关电源的研究人员已经认识到了硬开关的不足，并开始对软开关技术进行研究。随着节能技术越来越高的要求，随着电子设备小型化的要求，随着对环境保护的更高要求，开关电源技术也在飞速的发展着。效率更高，体积更小，电磁污染更少，功率因数更高、工作性能更可靠的开关电源推陈出新。近两年来突出的技术与科技进步有以下几个方面。1）同步整流技术。自从同步整流技术在九十年代末期诞生以后，它给开关电源技术的提升做出了突出贡献。目前研发工程师已经普遍接受采用IC控制技术的同步整流方案。新上市的高中档次开关电源几乎都采用了同步整流技术。现在的同步整流技术都在努力地想实现ZVS，ZCS方式的同步整流。2002年美国银河公司发表了ZVS同步整流技术，从那之后，这门技术已经得到了广泛应用。该技术非常巧妙地将二次侧驱动同步整流的脉冲信号比一次侧的PWM脉冲信号的上升沿超前，下降沿滞后的方法又实现了同步整流MOSFET的ZVS方式工作。最新发布的双输出式PWM控制IC几乎都在控制逻辑内增加了对二次侧实现ZVS同步整流的控制端子。如凌特公司的LTC3722，LTC3723，英特塞尔公司的ISL6752等。这些IC不仅努力解决好初级侧功率MOSFET的软开关，而且着力解决好二次侧的ZVS方式的同步整流。用这几款IC制作的DC/DC变换器，总的转换效率都达到了94%以上。2）高速发展的PWM控制IC。有源箝位技术经久不衰，VICOR公司在2002年将此项专利技术解禁之后，各家公司发表的新型有源箝位控制IC犹如雨后春笋一样诞生出来，给用户最广泛的选择。TI公司是控制着早期有源箝位控制技术的大公司，现在不仅保持了原有的UCC3580系列，还新开发了性能更加优越的UCC2891-94，它采用的是电流型控制方式，并且综合了高边箝位和低边箝位的两种控制方案，给出了全新的控制技巧。ONSEMI（安森美）公司最先推出了低压（100V）有源箝位的NCP1560控制芯片，紧接着又推出了高压应用的有源箝位控制芯片NCP1280。它不仅解决了LCD TV，等离子TV电源的需求，现在还用于下一代无风扇的PC机电源做主控PWM IC。在制作大功率开关电源领域里，最新的科技成果要属INTERSIL公司最新推出的PWM对称全桥的ZVS控制IC，型号为ISL6752。它比较好地解决了既控制初级侧的四个MOSFET开关为ZVS工作状态，还准确地给出控制二次侧的同步整流为ZVS工作状态的驱动信号。我们可以利用这颗IC制作400W的DC/DC，再加上比较良好的功率MOSFET，转换效率就能达到95%。3）非隔离DC/DC技术的迅速发展。近年来非隔离的DC/DC技术发展也十分迅速。由于负载不同，目前一套电子设备或电子系统，会要求电源系统提供好几个电压挡级。例如台式的电脑就要求有+12V，+5V，+3.3V，-12V四种电压以及待机的+5V电压。到了主机板上，2.5V，1.8V，1.5V甚至1V等。为此，一套AC/DC中不可能给出这么多的电压输出。大多数低压供电电流都比较大。因此开发了很多非隔离式的DC/DC，它们能分成两大类。一类是内部含有功率开关元件的称之为DC/DC转换器。另一类是不含功率开关并且需要外接功率MOSFET的称作DC/DC控制器。按照电路来区分的话，有降压的STEP-DOWN，有升压的BOOST，有又能升压又能降压的BUCK-BOOST，或SEPIC等。还有将正压转成负压的INVERTOR等。其中发展最快也是品种最多的还是降压的STEP-DOWN。根据输出电流大小，有单相的，两相的以及多相的。控制方式上大部分都是PWM，只有少部分采用PFM。4）PFC技术的重大突破。在2008年3月在美国召开的APEC会议和在上海召开的PICM会议上，工程师们提出了没有整流桥的PFC电路新技术，而且已经迅速实用化，它采用两只电感，两只功率MOSFET，两只快恢复二极管组成PFC的升压电路，分别工作在各50%的半周期，从而省掉了造成功耗的整流桥，特别在输入电压的低端，即AC90V输入时，效率的提升高达1.5个百分点。由于这种电路的输入和输出没有共地点，因而给输入电压的检测带来麻烦，美国IR公司的采用ONE SYCLE专利技术设计制造的PFC控制ICIR1150S正好省掉了对输入电压的检测这个环节，因而IR1150S成为制作无整流桥PFC的最方便的控制IC。综上所述，开关电源的主要发展趋势如下：（1）频率高、体积小、重量轻。向高频化发展是开关电源未来的方向。通过提高开关电源的频率，就能够减小电路中的电感和电容的容量和体积，同时降低重量，这样就实现了开关电源的小型化。同时频率的进一步提高又能够改善电路的动态性能，并且能够抑制电路干扰。（2）提高电路的可靠性，向集成化、小型化、模块化的方向发展。（3）降低电路的噪声。随着开关电源频率的不断提高，工作中的噪声也会增大，所以必须采取措施来降低电源的噪声，比如部分谐振转换回路电路等。所以低噪声将成为开关电源的发展方向之一。（4）无污染。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,使供电网受到明显污染。如何提高其功率因数是当前的研究热点。项目的创新点和特色本项目的创新点在于电路中使用两级 PFC 电路，并在 DC-DC 变换器中使用一种带原边钳位二极管的ZVS 零电压开关技术来降低电路损耗，提高了功率因数，同时采用移相全桥拓扑来满足大功率的要求。项目的技术路线及预期成果技术路线（1）大量阅读相关文献与资料，洞悉开关电源的发展状况；（2）找出一般开关电源的缺点并分析产生的原因，提出设计方案并进行论证；（3）设计电路，建设仿真模型，并进行对比仿真分析，调整电路参数；（4）搭建实验平台，验证理论结果；（5）分析存在的问题，提出工作展望。预期结果（1）提交项目总体报告；（2）发表专业论文1-2篇。年度目标和工作内容（分年度写）2014年：2014年4月到2014年5月，搜集并学习参考文献，了解国外该领域的研究动态，提出设计方案并进行论证。2014年6月到2015年8月，前级功率因数校正环节分析与设计。2014年9月到2014年10月，ZVS 移相全桥 DC/DC 变换电路分析与设计。2014年11月到2014年12月，主电路分析与设计。2015年：2015年1月，控制芯片的选取与外围控制电路的设计。2015年2月，工作频率分