开关电源设计.doc

目 录摘要ABSTRACT301 绪论1.1 电力电子技术简介随着19世纪初电磁学原理的发现，电力技术得到了很大地发展，各种电气设备如变压器、发电机、电动机相继出现，电能成为人们生活中不可缺少的部分。随后，晶体管特别是三极管的出现促使电子学进入一个新的台阶，集成电路和微电子技术的进一步发展成为可能。伴随着电力技术和电子技术的发展，许多新的控制技术和方法也诞生了。至今，随着用户对供电要求的提高，电力技术、电子技术和控制技术融为一体成为一门新兴的交叉学科:电力电子技术。电力电子技术是二十一世纪的关键技术之一，它是一门使用电力半导体器件，应用电路和控制理论知识分析开发，实现对电能的高效变换和控制的技术。电力电子技术是电工技术的分支之一。应用电力电子器件和以计算机为代表的控制技术，对电能特别是大的电功率进行处理和变换，是电力电子技术的主要任务。可以认为，电力电子技术研究的内容包括以下三个基本内容:(1) 元器件(电力电子器件，磁元件及电容器)。(2) 电力电子变流技术，包括改变频率、电压、电流及变换相数。(3) 电力电子电路的控制技术。现代电流源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制、计算机微处理器)技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术。在各种高质量、高效、高可靠的电流源中起关键作用，是现代电力电子技术的具体应用。当前，电力电子作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来.电力电子技术将使电流源技术更加成熟、经济、实用，实现高效率和高品质用电相结合.1.1.1 电力电子器件的发展概况电力电子学诞生以后，人们常把相对应的半导体学科分为两个分支:一个是以集成电路为核心的微电子学;另一个则是以大功率半导体器件为代表的电力电子学。前者单元器件的功率越来越小;后者单元器件的功率越来越大电力电子器件，既是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的强大动力。近年来，随着应用领域的不断扩大，要求集成电路功率化，功率器件集成化，这又把半导体学科的两个分支有机地结合起来，于是就出现了功率集成电路(PowerIC)简称PIC，它使微电子技术和电力电子技术相辅相成，把“信息”与“功率”合为一体。可以说电力电子技术的每一次飞跃都是以新器件的出现为契机的。下面概略介绍国内外先进的电力电子器件的发展动向和目前水平。(1) 双极功率晶体管最近几年来，双极功率晶体管的发展主要集中在高速开关反相应用器件方面。由于双扩散工艺的成熟，使器件的电压、电流、功率等额定值达到很高水平并己经出现了许多具有较快开关速度和较低开关损耗的新器件。随着模块化技术的进步，巨型晶体管(GiantTransistor)简称GTR，已经向高耐压、大容量方向发展。双极功率晶体管应用的主要局限性是随着阻断电压的增加，器件增益降低。由于双极功率晶体管是电流控制器件，增益减小导致了控制信号的增加，这就需要分立电路来实现，从而增加了成本。另外由于受安全工作区的限制，双极功率晶体管的应用需要缓冲电路，这也会提高应用中的系统成本。总之，目前双极功率晶体管器件发展的主要目标仍是高速晶体管、达林顿晶体管、功率模块以及混合集成器件的制造。(2) 晶闸管与可关断晶闸管(GTO)自从1957年晶闸管问世以来，其功率容量大约增加了3000倍。今后的发展方向仍是高压、大电流。目前最高科研水平为1000A,12000V。光触发晶闸管的稳定生产水平已经是4000A,8000V，而且具有过压自保护功能它在直流输电、无功补偿、大功率直流电流源、超大功率和高压变频调速等方面仍有广阔的应用领域。与晶闸管相比，GTO具有快的关断速度，高的关断电流容量和大的关断安全工作区。它代表了晶闸管的发展方向。(3) 功率MOSFET功率场效应晶体管集中了电子管、双极功率晶体管和晶闸管等优点，它具有开关速度快、驱动功率小和极好的安全工作区(SOA)等特性，因此，在高性能的开关电流源、斩波器和电机控制的逆变电流源中得到越来越广泛的应用。它的特点如下:MOSFET是多数载流子器件，不存在少数载流子的存贮效应，开关速度极快，目前IC直接驱动的功率MOSFET的开关频率均高于l00kHz。在IMHz左右高频工作下的DC/DC转换器已经问世。(4) 绝缘栅双极晶体管(IGBT)IGBT的主要特点是能集MOSFET的电压激励和达林顿管的大电流低导通电阻特性于一体，还保存了高速、高可靠、低开关损耗、低脉冲拖尾电流，对温度不敏感等MOSFET所拥有的一切优点。用相同面积芯片制作的工GBT，其最大输出电流可比同类MOSFET的输出电流增加两倍以上。IGBT有一个固有的特点，即其开关输出脉冲后沿有约1,us长的拖尾电流。此电流会产生一定的开关损耗。(5) 静电感应晶体管(SIT)与静电感应晶闸管(SITH)静电感应晶体管(SIT)与静电感应晶闸管(SITB)分别于70年代初期及中期在日本研制成功，现已应用于许多领域。功率SIT是具有非饱和输出特性的多子器件，可实现极高速工作;由于它具有正温度特性，能实现多个SIT并联工作，容易实现大电流化。SITH与普通晶闸管和GTO相比，有低正向压降、高开关速度、高阻断增益、高导通和高关断电流增益，以及高di/dt和dvldt容量等优良特性。与SIT相比，导通电压较低，但开关速度也低于SIT。它在大容量应用方面很有前途。总之，今后电力电子器件将沿着一下几个方向发展:大容量化，即高压、大电流;高频化，即提高器件的开关速度;易驱动，主要向电压驱动方向发展;低导通压降，可降低导通损耗;模块化，使主电路结构简化，体积缩小:功能集成化，将驱动、保护、检测、控制等功能与器件集成，使装置更为简化。1.1.2电力电子变换技术的发展从电能变换功能来看，电流源设备中常用的变换电路有四种:AC/DC,DC/AC，DC/DC,AC/AC。每种又有单相，三相及其它各种电路类型。下面仅就四种变换电路的发展方向进行概述性的介绍:(1) AC/DC变换将交流电变换成直流电称为AC/DC变换，这种变换的功率流向由电流源传向负载，一般称为“整流”。通常单相半波可控整流电路因其性能较差，只应用于小功率场合，在实际应用中，广泛使用的是单相全波可控整流电路。其电路形式有:单相桥式全控整流、单相桥式半控整流及单相双半波整流电路。三相AC/DC变流器具有比单相变流器更加优越的性能，诸如输出电压高、脉动程度小、源侧功率因数高以及动态响应快等。因此它不仅在中、大功率领域中得到广泛应用，而且还在直流电机调速系统中得到应用。常规的整流装置，由于工作方式的影响，功率因数低，且谐波电流污染了电网，而导致用电设备之间的相互干扰。因此近年来，国内外研究功率因数校正器(PFC)成为热点。正是由于单级PFC电路在满足谐波标准的同时还能够实现低成本、高性能，尤其适用于小功率应用，因此具有很大的市场前景。(2) DC/AC变换将直流电变换成交流电称之为DC/AC变换，也就是通常所说的“逆变”。中、高压大功率逆变技术是当前电力电子技术的一个最新发展动向。它们主要应用于大功率电机调速传动系统和电力系统。这一方面是因为工业应用的实际需要;另一方面是因为在这一领域有许多挑战性的前沿研究课题:如高功率开关容量(50MVA)、高耐压(9000v)、大电流(6000A)的新型大功率器件;新型多电平逆变器;大功率逆变器的串并联及动态投切;超大功率逆变器的EMC、保护及控制:新型灵活交流输电系统等。(3) DC/DC变换将直流电能的任一参数(IGM值和极性)加以转换，实现这一转换的装置称为直流变换器或斩波器。以直流变换器为核心的开关电流源随着电力电子技术和计算机科学与技术的发展，其应用越来越广，目前己成为一个重要的新兴产业。1985年有人提出了移相控制PWM变换器，通过调节移相角的大小来调节输出电压。目前，DC/DC电流源的软开关技术仍是电力电子技术的一个研究热点。(4) AC/AC变换AC/AC变换亦称交流调压与周波变换，把恒定交流变换为可变交流称为交流调压，把固定频率的交流变为频率可变的交流称为变频。变频电路按照变换次数又可分为间接变频和直接变频两种结构。前者指包括整流和逆变两次变换，即将工频电网的交流电能经整流器变换为直流电能，再由逆变器变换为另一频率的交流电能。这种电路结构较简单，技术也较为成熟，生产上已得到广泛应用。直接变频电路较间接变频电路在结构上复杂，但只有一次转换，系统效率较高，对大容量装置有价值。1.1.3 电力电子控制技术的发展电力电子控制策略的发展体现在各种控制理论和控制思想的尝试和应用。目前，在PFC整流，波形控制方面都出现了许多令人满意的控制技术。比例积分PI控制是工程实际中应用最广的控制器，它概念清晰，容易实现，且鲁棒性强。比例P调节影响系统的稳定性，积分I调节消除静态误差、增加稳态精度，同时又增加了控制的相位滞后。PI控制无法实现对正弦指令的无静差跟踪，因此系统的稳态精度不容易满足要求。重复控制是一种基于周期的控制方法，现已广泛应用于质子同步加速器等高精度高稳定度磁铁电流源系统。重复控制的基本思想来源于控制理论中的内模原理，在重复信号发生器内模的作用下，控制器进行逐周期点对应式的积分控制，通过对波形误差的逐点补偿，实现稳态时无静差的控制效果。二瞬时内环反馈控制是通过负反馈使反馈量接近给定，并抑制反馈环所包围的环节的参数变动或扰动所引起的偏差。因此在逆变器控制中，若给定为正弦，瞬时值内环控制能使输出电压波形尽量接近正弦，从而减小输出电压畸变率。电压电流的双环控制可以避免单环控制在抵抗负载扰动方面的缺点，同时具备优异的动、静态特性，是一种高性能的波形控制方法。但是它也有自身的不足，就是电流内环的设计要求具备足够宽的带宽，这就使得对数字控制器提出了很高的要求。现在，电力电子器件、电力电子新电路以及新控制策略的发展都是相辅相成、相互促进的。新器件的产生使得新的电路和控制能够实现，同时一种新的电路和应用又反过来促进器件的发展。1.1.4电力电子技术的发展趋势时间进入21世纪，如何解决能源、资源和环境问题，成为困扰我们人类生存的重大问题，以功率变换为目的、以实现高效获得高品质电能为根本任务的电力电子反唇技术，同微电子、计算机技术相结合将成功地解决这些危机。功率变换技术的发展趋势可以概括为:高频化、高效率、无污染、模块化.21世纪电力电子技术研究领域可从电力半导体器件、电力电子成套装置及控制理论三大方面来探讨，而电力电子成套装置又随行业的不同可分为很多方面。1.1.5直流变换器软开关技术自电力电子开关变换器出现以后，PWM技术以效率高、动态性能好、线性度高等优点在各种电力变换器中得到广泛的应用，而且己经被认为是电力变换器领域中一项成熟、理想和重要的基本控制技术，在今后仍然具有较大的发展潜力。直流变换器一般采用PWM控制方式，开关管工作在硬开关状态。传统的PWM硬开关技术有下述缺陷:(1)开关器件在开通和关断时由于开关管的电压和电流的交叠区产生的开通损耗和关断损耗随开关频率的提高而增加;(2)开关器件关断时电路中的杂散电感产生很大的di/dt，过高的电压尖峰加在开关器件的两端容易造成开关器件电压击穿;(3)当开关器件在高压下开通时，开关器件结电容通过开关器件放电，产生很大的冲击电流，不仅增加器件的损耗，而且还可能导致器件的过热损坏;(4)开关器件在开关过程中产生的高频噪声造成传导和辐射干扰。因此硬开关直流变换器的开关频率不可能太高。然而电力变换器的体积和重量与开关频率有着直接的关系。提高开关频率可以使变换器中变压器、电感等磁性元件以及电容的体积和重量都大为减小，从而提高变换器的功率密度。此外，提高开关频率对于降低开关电流源的音频噪声和改善动态性能都大有好处。在直流电力变换器中，提高开关频率的基本思路是发展新型的主电路拓扑及运行方式实现“软开关”来改善器件的开关轨迹，提高开关频率，减小开关损耗。一般是通过有序、受控的谐振造成开关管的零电压或零电流开关环境，并让变换器中全部或部分开关管只在这种环境下进行开通和关断，即“软开关”技术。直流开关电流源的软开关技术一般可分为以下几类:(1)全谐振型变换器，一般称之为谐振变换器。(2)准谐振变换器和多谐振变换器。(3)零开关PWM变换器。(4)零转换PWM变换器。1.2 开关电流源的基本概念电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置，是所有靠电能工作的装置的动力源泉。直流开关电流源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置，顾名思义，其核心为电力电子开关电路，根据负载对电流源提出的输出稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。开关电流源的这一技术特点使其同其他形式的电流源，如采用调整管的线性电流源和采用晶闸管的相控电流源相比具有两个明显的优点：(1) 体积小、重量轻。开关电流源采用较高的开关频率，一般高于20kHz这一人耳的听觉极限。因此电路中的电感、电容等滤波元件和变压器都大大减少。而线性电流源和相控电流源通常都需要采用很大的滤波元件和笨重庞大的工频变压器。所以在同等功率的条件下，开关电流源的体积和重量仅为线性电流源和相控电流源的1/10。另外，开关电流源的效率较高，需要的散热器也较小，这在很大程度上减小了体积和重量。同时，还节省了很多硅钢片、铜、铝等原材料。(2) 效率高。采用占空比控制的开关电流源，在理想情况下，只进行能量的变换而没有损耗。实际上，电路中开关器件存在通态压降、断态漏电流、开关损耗等非理想因素，电感和电容元件也有等效串联电阻和漏电流等非理想因素，所以存在损耗。但电路的总效率仍能达到85%98%，远远高于靠动态电阻调节的线性电流源，通常比相控电流源的效率也要高些。因为具有这些优点，开关电流源的应用越来越广泛，大有取代线性电流源和相控电流源的趋势。值得注意的是，开关电流源的输出噪声和纹波一般比线性电流源大，所以在需要非常低的噪声与纹波的情况下，仍需要线性电流源，由于大功率全功率非常大（1MW以上）时，仍需采用相控电流源。但随着控制技术和元器件技术的不断发展，开关电流源的各方面的性能都在不断提高，容量也在不断扩大。1.3 开关电流源的发展1.3.1 开关电流源的发展史随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电流源，他们对电流源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化使电流源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联电流源是连续控制的线性电流源，这种传统的电流源技术虽然比较成熟，但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电流稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电流源效率很低一般只有45%左右。另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，很难满足现代电子发展的要求。在近半个多世纪的发展过程中，开关电流源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电流源，并广泛运用于电子整机与设备中。开关型直流电流源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电流。以功率晶体管（GRT）为例，当开关饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零；当开关截止时，其集电极电流为零。所以功耗小，效率可高达70%95%。而功耗小，散热器也随之减小。开关型直流电流源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进行稳流，不需要电流源变压器。此外，开关工作频率为几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此开关电流源具有重量轻、体积小等优点。另外，由于功耗小，机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性。1.3.2 开关电流源的技术追求和发展趋势开关电流源产品的技术发展动向是高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化。 (1) 小型、薄型、轻运化 由于电流源轻、小、薄的关键是高频化，因此国外目前都在致力于同步开发新型高智能元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化，并同时采用SMT技术在电路板两面布置元件以确保开关电流源的轻、小、薄。 (2) 高效率 为了使开关电流源轻、小、薄，高频化（开关频率达兆赫级）是必然发展趋势。而高频化又必然使传统的PWM开关（属硬开关）功耗加大，效率降低，噪声也提高了，达不到高频、高效的预期效益，因此实现零电压导通、本电流关断的软开关技术将成为开关电流源产品未来的主流。采用软开关技术可使效率达到8588%。据悉，美国WICOR开关电流源公司设计制造了多种ECZ较开关DC/DC变换器，其最大输出功率有800W、600W、300W等，相应的功率密度为6.2、10、17w/cm3，效率为8090%；日本NemicLambda公司刚推出一种采用软开关技术的高频开关电流源模块RM系列（日本人称这种技术为“部分谐振” ），开关频率为200300kHz，功率密度为27W/cm3,用同步整流器（即用MOSFER代替肖特基二级管）使整个电路效率提高到90%。 (3) 高可靠 开关电流源比连续工作电流源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电流源的寿命。追求寿命的延长要从设计方面着眼，而不是从使用方面着想。美国一公司通过降低给温、减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其DC/D开关电流源系列产品的可靠性大大提高，产品的MTBF高达100万小时心上。 (4) 低噪声开关电流源的又一缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以低噪声。但谐振转换技术也有其难点，如很难准确地控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起适中损耗、元件热应力转向开关管等问题难以解决。日本把变压器设计成初次级分离阻燃密封，自身具备对体噪声功能的模无噪声隔离变压器，既节省了噪声滤波器，又减少了噪声。 (5) 抗电磁干扰（EMI） 当开关电流源在高频下开关时，其噪声通过电流源线产生对其它电子设备的干扰，世界各国已有抗EMI的开关电流源日益显行生要。 (6) 电流源系统的管理和控制 应用微处理器或微机集中控制与管理，可以及时反映开关电流源环境的各种变化，中内处理单元实现智能控制，可自动诊断故障、减少维护工作量，确保正常运行。 (7) 计算机辅助（CAD） 利用计算机对开关电流源系统、稳定性分析、电路仿真、印刷电路板、热传导分析、EMI分析以及可靠性等进行CAD设计和模拟试验，十分有效，是最为快速经济的设计方法。 (8) 产品更新加快。 目前的开关电流源产品要求输入电压通用（适用世界全中国电网电压规模）、输出电压范围扩大（如计算机和工作站需要增加3.3V这一档电压、程控需要增加DC150V这一电压）、输入端功率因数进一步提高（最有效的方法是加一级“有源功率因数校正器APFC”），并具有安全、过压保护等功能。开关电流源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁性元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等，对于开关电流源小型化始终产生着巨大的推动作用。总子，人们在开关电流源技术领域里，边研究低损耗回路技术，边开发新型元器件，两者相互促进并推动着开关电流源以每年超过两位数的市场增长率向小型化、薄型、低噪声以及高可靠性方向发展。1.4 开关电流源的技术动态和要点 开关电流源自20世纪90年代中期问世以来便显示出强大的生命力，它作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电流源界的普遍关注。开关电流源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现己成为开发中、小功率开关电流源、精密开关电流源及开关电流源模块的优选集成电路。目前，开关电流源正朝着短、小、轻、薄、节能、安全的方向发展，涌现出许多开关电流源的新技术和新产品。开关电流源技术包含以下重要的组成部分：(1) 元器件技术。包括涉及开关器件的电力电子器件技术和涉及变压器、电感等主要磁性元件的磁技术，以及涉及电容等其他无源元件的技术。(2) 电路技术。主要研究各种基本开关电路和相应的软开关电路，以及各种吸收电路等。(3) 控制技术。主要研究适用于开关电流源的各种开关控制方法，如电压模式控制和各种电流模式控制等。(4) 电磁兼容技术。研究开关电流源中电磁干扰的产生、传播和抑制等问题。(5) 散热技术。利用传热学理论，分析和解决开关电流源主要发热元件的散热问题。自20世纪90年代以来，开关电流源的发展更是日新月异。许多新的领域和新的要求又对开关电流源提出了更新更高的挑战。如果从一个开关电流源的输入和输出窗口观察，我们可以发现，输入的要求变得更严了，不符合IEC1000-3-2标准的产品将陆续被淘汰；输出则派生出了许多特殊的应用领域，研制和开发的难度变得更大了。正是由于外界的这些要求推动了两个开关电流源的分支技术一直成为当今电力电子的研究课题，它们是有源功率因数校正技术和低压大电流高功率DC/DC变换技术。另外由于技术性能和要求的提高，使得许多相关技术课题的研究，例如EMI技术、PCB Layout问题、热理论的分析、集成磁技术、新型电容技术、新型功率器件技术、新型控制以及结构和工艺等正在迅速增加。1.5 本论文的内容电流源给定的电流，此线路通电流为定值，与你的负载阻值没有关系。开关电流源体积小、效率高，被誉为高效节能电流源，现已成为电流源的主导产品。高度集成、功能强大的开关型直流电流源代表着开关电流源发展的主流方向。本论文主要围绕当前流行的集成开关电流源芯片进行了小功率开关型电流源特性的研究。本论文的主要内容如下：开关型直流电流源是采用全控型电力电子器件作为开关，具有体积小、重量轻、噪音小，以及可靠性高等特点。本设计是设计出一种可以输出稳定电流的恒流源电路，主要采用SG3843、SFH617 、LM2904等专用芯片以及其他的电路元件相配合，使设计出的开关电流源具有稳流的功能。2 电流源的基本分类和工作原理2.1 电流源的基本分类2.1.1 直流稳流电流源的分类按照控制方式不同，直流稳流电流源还可分为以下几种:线性电流源、相控电流源和开关电流源。(1) 线性电流源。利用大功率晶体管的放大特性来进行工作，它又分为串联调整稳流和并联调整稳流两种方式。线性电流源的稳流特性好，动态响应快，噪声小，但是在大电流工作时，需要串联和并联较多数量的大功率晶体管，特别是作为低压大电流电流源时，因为有调压器预调压，因此效率更低，响应很慢。(2) 晶闸管相控电流源。是利用晶闸管的相控特性来稳流的。晶闸管相控电流源输出纹波较大，对电网干扰比较严重，一般采用多相串联或并联整流工作以减小纹波，由于晶闸管是半控元件，有一定的失控时间，因此电流源的动态响应较线性电流源慢。但是相控电流源输出功率大，相关技术已相当成熟，可靠性好、效率高，性价比高。(3) 开关电流源。可分为斩波器方式和变换器方式两种。开关电流源利用开关管的开关特胜，通过控制开关管占空比进行工作，工作频率达几十至几百千周，省掉了体积庞大的工频变压器和电抗器，因而电流源效率高、体积小，但输出功率较小，且存在电磁兼容问题。但是近十年来，随着新型半导体开关元件的出现，和各种软开关拓扑结构的提出，有效克服了开关电流源的固有缺点，提高了开关电流源单机输出功率，开关电流源迅速普及开来，得到广泛应用。目前在中小功率电流源方面，几乎完全取代了线性电流源和相控电流源。同时采用变换器并联和开关管并联，开关电流源的输出功率大幅度提高，在中、大功率领域也逐步占有一席之地。2.1.2直流稳流电流源的选择 一般来说，功率很小的电流源（1100W）采用电路简单、成本低的反激型电路较好；当电流源功率在100W以上且工作环境干扰很大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁时，则应采用正激型电路；对于功率大于500W、工作条件较好的电流源，则采用半桥或全桥电路较为合理；如果对成本要求比较严，可以采用半桥电路；如果功率很大，则应采用全桥电路；推挽电路通常用于输入电压很低、功率较大的场合。基于本设计中开关型电流源是采用全控型电力电子器件作为开关，利用控制开关的占空比来调整输出电流的新型电流源，具有体积小、重量轻、噪音小，以及可靠性高等特点。本设计旨在设计出一种开关型直流电流源，主要采用SG3843、SFH617 、FZ44NS等芯片以及其他的电路元件相配合，使设计出的电流源输出稳定的直流电流。因此，本设计就选择了基于SG3843的反激式开关电流源。2.2 开关电流源的基本工作原理 开关型直流电流源按控制方式分为调宽式和调频式两种。在目前开发和使用的开关电流源电路中，绝大多数为脉宽调制型,即为PWM技术。PWM技术，全称脉冲宽度调制（Pulse width Modulation,PWM）技术，是通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需波形（含形状和幅值）的。PWM控制技术主要是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从事测量、通信到功率控制与变换的诸多领域。开关电流源的基本工作原理就是在输入电压、内部参数以及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电流源的输出电流被控制信号稳定。 开关电流源的工作过程相当容易理解。在线性电流源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电流源不同的是，开关电流源是让功率晶体管工作在导通和关断状态。在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏安乘积总是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）。功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。与线性电流源相比，开关电流源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比是开关电流源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来生高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压，控制器的主要目的式保持输出电流稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。开关电源的工作原理是:(1)交流电源输入经整流滤波成直流；(2)通过高频PWM信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上；(3)开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载；(4)输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的。2.3 开关电流源的组成模块输入PFI滤波器和浪涌抑制器输入整流和滤波反馈网络启动、IC供电和驱动电电路保护电路整流与滤波变压器功率开关控制器驱动VCC地地保护抑制输出Vin(DC)Vout(DC)3 设计思想与方案论证3.1 设计思想开关电流源在使用时比线性电流源具有更高的效率和灵活性。开关电流源的重量要比线性电流源轻的多。因为对于相同的输出功率，开关电流源的散热器要小的多。但是开关电流源的成本较高，而且需要较长的时间开发。所以开关电流源的的成本和效率是本设计的主要问题。基于这些问题，所以在本设计中，我们要注重成本的问题和设计电流源的时间。3.2 方案论证3.3开关电流源电路各部分电路具体设计3.3.1 整流滤波电路的设计AC输入整流滤波电路原理：(1) 防雷电路：当有雷击，产生高压经电网导入电流源时，由F1、R1、R2组成的电路进行保护。当加在压敏电阻R2两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、R1会烧毁保护后级电路。浪涌抑制型压敏电阻R2：指用于抑制雷电过电压和操作过电压等瞬态过电压的压敏电阻器，这种瞬态过电压的出现是随机的，非周期的，电流电压的峰值可能很大。图3.9 AC输入整流滤波电路原理图(2) 输入滤波电路：C1、L1、组成的双型滤波网络主要是对输入电流源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电流源干扰，同时也防止电流源本身产生的高频杂波对电网干扰。(3) 整流滤波电路：交流电压经BR86D整流后，经C6滤波后得到较为纯净的直流电压。若C6容量变小，输出的交流纹波将增大。AC输入整流滤波电路工作流程：AC输入整流滤波电路原理图如上图3.9所示，220V电网电压经电流源开关H、N两端,经压敏电阻R2，限流电阻R1，保险管F1，再经过阻抗变换器L1后加到桥式整流管D1，通过C6滤波，输出300V直流电压。3.3.2 高频变换电路的设计(1) 尖峰吸收电路：当经桥式整流后的输出电压突然增大时（异常过电压），为保护开关管Q3不被击穿，需要将300V的输出电压先经过R19、C8、R3、D3组成的尖峰吸收电路。(2) 自激振荡电路：当接入电流源后在R6给开关管Q3提供启动电流，使Q3开始导通，其集电极电流Ic在第一个绕阻中线性增长，在第二个绕阻中感应出使Q3栅极为正，源极为负的正反馈电压，使Q3很快饱和。与此同时，感应电压给C9充电，随着C9充电电压的增高，Q3栅极电位逐渐变低，致使Q3退出饱和区，Ic开始减小，在第二个绕阻中感应出使Q3栅极为负、源极为正的电压，使Q3迅速截止，这时二极管D7导通，高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。在Q3截止时，第二个初级绕阻中没有感应电压，直流供电输人电压又经R6给C9反向充电，逐渐提高Q3栅极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电流源那样，由变压器T的次级绕组向负载输出所需要的电压。 (3) 高频变压器电路：高频变压器是开关电流源中进行能量储存与传输的重要部件，开关电流源中高频变压器性能的优劣，不仅对电流源效率有较大的影响，而且直接关系到电流源的其它技术指标和电磁兼容性(EMC)。为此，一个高效率的高频变压器应具备直流损耗和交流损耗低、漏感小、绕组的分布电容及各绕组间的耦合电容小等条件。开关电流源中变压器的功能是把输入的高频高电压转变为所需要的高频低电压。所以实际工作情况与线性稳压电流源中的电流源变压器差别很大。线性稳压电流源中变压器输入的是正弦交流电，而开关变压器的初级是开关电流源的一部分，工作在直流高频斩波状态下进行。这也是设计开关变压器的基本出发点。 下图3.10所示为开关电流源的高频变换图：图3.10 高频变换图 选择恰当的磁芯与骨架：由于该电流源的输出功率为38W，高频变压器的漏感应尽量小，一般应选用能够满足132kHz开关频率的锰锌铁氧体，为便于绕制，磁芯形状可选用EI或EE型，变压器的初、次级绕组应相间绕制。参考其他同类型相关的实验数据资料，本设计就选用R2KDP锰锌铁氧体材料制成的EE22型铁氧体磁芯，R2KDP属于高频低功耗电流源铁氧体材料。 该开关电流源高频变压器的参数计算当开关电流源的额定输出功率PO=38W时，设开关电流源的效率H达到85%90%，则高频变压器的额定输入功率PI=PO/H= 38W/（85%90%）= 42W。初级感应电压UOR的计算:K2141关断且次级电路处于导通状态时，次级电压会感应到初级。初级感应电压Uor是开关管断开期间初级感应到的电压值。Udcimin=110V，则由公式（3.1）：Uor=Udciminton/toff=UdciminDmax/（1-Dmax） 公式（3.1）ton开关管导通时间；toff开关管截止时间计算得到：Uor=72V。确定变压器各绕组匝数n: 因次级绕阻输出电压为Uo=8V,所以根据公式（3.2）：n=Uor/Uo=N1/N2 公式（3.2）计算得n=9；当N1=54匝时，N2=6匝。确定变压器各绕组的电感L:电感系数AL为0.195473。根据公式L=ALNN，我们易得出原边线圈电感为：L1=570uH； 副边线圈电感为：L29uH。3.3.3 输出整流滤波电路的设计(1) 输出整流电路：本次设计中采用的为半波整流电路，它是通过整流二极管D7来实现的；在电路中，电容C11和R24主要的作用就是防止高次谐波辐射产生的影响。由一个整流两极管构成一个简单的整流电路（半波整流电路）如图3.11所示：图3.11 半波整流电路半波整流电路简单,元件少,但输出电压直流成分小（只有半个波），如图3.12所示,脉动程度大,整流效率低,适用于输出电流小、允许脉动程度大、要求较低的场合。图3.12 整流前后形波对比(2) 输出滤波电路：低压滤波电容C13，与C18并联组成输出滤波电路。(3) 减小纹波电路：从D7、C13、C18整流滤波出来的输出电压Vo会含有许多的纹波干扰，那么我们在输出整流滤波电路后加接一个电感L2，就可减小纹波的干扰。输出整流滤波的具体电路如图3.13所示：图3.13 输出整流滤波电路3.3.4 保护电路的设计输出过压保护电路的作用是：当输出电压超过设计值时，把输出电压限定在一安全值的范围内。当开关电流源内部稳压环路出现故障或者由于用户操作不当引起输出过压现象时，过压保护电路进行保护以防止损坏后级用电设备。应用最为普遍的过压保护电路有如下几种： 可控硅触发保护电路； 光电耦合保护电路； 输出限压保护电路； 输出过压锁死电路；在本次设计中，我们使用了第一种保护电路可控硅触发保护电路。首先我们先要了解可控硅的一些基本特性：可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图3.14所示:当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制图3.14 可控硅等效图解图极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化。可控硅导通和关断条件: 从关断到导通:a、阳极电位高于是阴极电位；b、控制极有足够的正向电压和电流；两者缺一不可。维持导通：a、阳极电位高于阴极电位；b、阳极电流大于维持电流；两者缺一不可。从导通到关断：a、阳极电位低于阴极电位；b、阳极电流小于维持电流；任一条件即可。可控硅触发的保护电路如下图3.15所示。图3.15 保护电路原理图当IN4输入电压升高，稳压管D8击穿导通，可控硅Q4的控制端得到触发电压，因此可控硅导通。OUT4输出电压对地短路，过流保护电路或短路保护电路就会工作，停止整个电流源电路的工作。当输出过压现象排除，可控硅的控制端触发电压通过R16对地泄放，可控硅恢复断开状态。3.3.5 稳压电路的设计在设计稳压电路前，我们有必要进一步了解KA431AZ基准源及光电耦合器的特性及工作过程。(1) KA431AZ基准源内部原理图及简化图：图3.16 内部原理图图3.17 简化图R为基本端，输出基准电压Vref=2.5v；A为阳极端，K为阴极端。KA431AZ基准源阴极电流与阴极电压的关系如下图3.18所示：图3.18 KA431AZ基准源阴极电流与阴极电压的关系KA431AZ基准源输入输出电压与时间的关系如下图3.19所示：图3.19 KA431AZ基准源阴极电流与阴极电压的关系KA431AZ基准源3-接线端固定的标准仪的输出电压如下如下图3.20所示：图3.20 KA431AZ基准源输出电压标准仪输出电压的计算公式为：Vo=Vref(1R1/R2)Vref为参考电压，调节R1的阻值可得到不同的输出电压Vo。(2) CNY17-3光电耦合器工作过程如下：光敏三极管的导通与截止，是由发光二极管所在加正向电压控制的。当发光二极管加上正向电压时，发光二极管有电流通过发光，使光敏三极管内阻减小而导通；反之，当发光二极管不加正向电压或所加正向电压很小时，发光二极管中无电流或通过电流很小，发光强度减弱，光敏三极管的内阻增大而截止。本次设计的稳压电路采用了集成器件KA431AZ基准源及光电耦合器CNY17-3,具体的电路连接如下图3.21所示。电路工作过程：由KA431AZ基准源提供基准电压Vref，输出电压Vo,将其送入CNY17-3光电耦合器发光二极管的阴极，而CNY17-3光电耦合器发光二极管的阳极电压由输出电压Vo提供，由于VoVo，所以发光二极管有电流通过发光，使光敏三极管内阻减小而导通，进而影响三极管Q2的基极电流，使其进入放大导通，产生电流Ic，进而影响开关管Q3的栅极电流。当输出电压Vo升高时，因Vref不变，输出电压Vo也不变，所以发光二极管的正向电压加大，发光二极管发光加强，因此影响CNY17-3光电耦合器的光敏三极管导通加强进入深度饱和区，三极管Q2的基极电流随之增大，Q2进入饱和区，此时开关管Q3的栅极电流亦增大，Q3处于接通的状态，此时初级绕阻储存能量。当输出电压Vo降低时，因Vref不变，输出电压Vo也不变，所以发光二极管的反向电压加大，发光二极管发光减弱，因此影响CNY17-3光电耦合器的光敏三极管进图3.21 稳压电路入截止状态，其电流很小，三极管Q2的基极电流很小，Q2进入截止区，开关管Q3的栅极电流亦很小，Q3处于截止的状态，此时初级绕阻储存的能量将释放，经高频变换器释放给次级绕阻，完成电压的变换。稳压电路在上述的过程中，始终提供基准电压Vref不变， Vo也不变，当Vo变化时，通过反馈回路影响开关管Q3的工作状态。3.3.6 可调电压的输出设计首先，我们来看图3.22，此图为输出8.2V/2.5A开关电流源输出电路,其中C14为图3.22 8.2V/2.5A开关电流源输出电路低压滤波电容，滤除高次谐波干扰；D10为稳压二极管，起到过压保护的作用；W2为保险管，其作用是限制输出电流，当输出电流过高时，W2烧断，保护外部器件。根据我们现有的器件，将上图的电阻R13换成10K的可调变阻器与1K的恒电阻并联，在与1.2K电阻串联，这样