高频开关电源的设计.doc

毕业设计毕 业 设 计学生姓名 学 号 学院 物理与电子电气工程学院专 业电子信息工程题 目高频开关电源的设计指导教师 （姓 名） （专业技术职称/学位）（姓 名） （专业技术职称/学位）2011年5月摘要：通信电源是电信网的能源，其供电质量的好坏直接关系到整个电信网的畅通。本文首先介绍了国内外高频开关电源的发展情况和趋势，以及在电力系统中的应用，详细分析了间接和直接变换器的基本工作原理和各自的优缺点，进行理论分析和电路实验，并在此基础上设计出一种实用的开关电源，从而替代传统电源。该系统以MOSFET作为功率开关器件,构成一种间接的开关变换器；控制电路采用脉宽调制技术；PWM控制信号由集成控制器UC3825系列芯片控制产生,输出实时采样电压回馈信号,控制输出电压。控制电路和主电路之间通过变压器和光耦合器进行隔离，并设计软启动电路和过压、过流保护电路，同时系统电路还包含有电流反馈电路和电压反馈电路，以确保输出的更加稳定可靠。通过设计计算可知，系统可靠性高、稳定性好，比普通电源更具有优势和发展前景。关键词: 高频开关电源；变换器； PWM；MOSFETAbstract：The correspondence power switch is the telecommunication network energy, its power supply quality quality relates directly to the entire telecommunication network unimpededness .This article first introduced the domestic and foreign high frequency switching power supplys state of play and tendency this article first introduced domestic and foreign high frequency switching power supplys state of play and tendency, as well as in electrical power systems application, multianalysis indirect and direct converters key job principle and respective good and bad points, based on this and designs one kind of practical switching power supply, thus substitution tradition power source. This system takes the power switch component by MOSFET, constitutes one kind of indirect switch converter; The control circuit uses the pulse-duration modulation technology; PWM control signal by integrated controller UC3825 series chip control production, output real-time sampling voltage feedback signal,control output voltage. Between the control circuit and the main circuit carries on the isolation through the transformer and the optical coupler, and designs the soft starting circuit and the pressure,the overflow protection circuit, simultaneously the system circuit also contain has the current feedback electric circuit and the voltage feedback electric circuit, guarantees the output stably reliable. May know through the design calculation, the system reliability is high, the stability is good, has the superiority and the prospects for development compared to the ordinary power source.Key word: High frequency switching power supply； Converter； PWM； MOSFET目录1 绪论51.1高频开关电源概述51.2课题简介62 高频开关电源的工作原理和主电路结构的选择82.1高频开关电源的基本组成82.2全桥式变换器的分析102.3直接变换器的工作原理102.3.1电路的工作过程112.3.2 关系式122.4.Buck变换器的性质133 高频开关电源主电路的设计143.1PWM 开关变换器的设计153.2 高频变压器的设计173.3 整流滤波电路194 高频开关电源控制电路的设计224.1 控制方式的选择224.2 PWM控制器234.3 反馈和保护电路设计285 总结33参考文献34致谢351 绪论1.1 高频开关电源概述八十年代，国内高频开关电源只在个人计算机、电视机等若干设备上得到应用。由于开关电源在重量、体积、用铜用铁及能耗等方面都比线性电源和相控电源有显著减少，而且对整机多相指标有良好影响，因此它的应用得到了推广。近年来许多领域，例如电力系统、邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等都越来越多应用开关电源，取得了显著效益。究其原因，是新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件不断地出现并应用到开关电源的缘故。从而使开关电源更上一层搂，达到了频率高、效率高、功率密度高、功率因子高、可靠性高的要求。开关电源就有了更强的竞争实力，应用也更为扩大，反过来又遇到更多问题和更实际的要求.这些问题和要求可以归纳为以下几方面: 1、能否全面贯彻电磁相容?2、能否大规模稳定生产或单件特殊生产?3、能否组建大容量的电源?4、能否满足电气额定值更高或更底的要求?5、能否适应各种特殊使用场所的要求?这五个问题是开关电源能否在更广泛领域应用的关键，把挑战看成开关电源发展的动力和机遇，一向是电源科技工作者的态度。以功率因子为例，AC-DC开关电源或其它电子仪器输入端产生功率因子下降问题，用什么办法来解决?毫无疑问，利用开关电源本身的工作原理来解决开关电源应用中产生的问题是最积极的态度。实践中，用DC-DC开关电源和有源功率因子校正的开关电源，(成本比单机增加 20) ;成功解决了这个问题。现在，又进一步发展成单级有功率因子校正的开关电源，(成本只增加5);在三相升压式单开关整流器中减少谐波方法，有人采用注入六次谐波调脉宽控制，抑制住输入电流的五次谐波，解决了电流谐波畸变率小于10%的要求。这样的事例，不断从近年发表的科研论文中反映出来。开关电源干扰技术及防止电网污染技术已引起国内外专家注意。在21世纪，分布式电源系统的组成将强调“系统集成”、“电力电子封装技术”等。现在新的器件(能低压工作、降压很小)陆续进入市场，因而可得到1V的低压输出和功率小到lOmW的开关电源，为便携装置微型化提供了条件。现在可以用软开关PWM技术、印刷电路、折迭绕组变压器，可以采用非晶、纳米晶合金软磁材料的铁芯，小功率开关电源整机效率可达到90%,大功率电源可达到95%左右。开关频率以20KHz为下限，几十、几百倍的提高。体积设备、重量越来越显著下降。外形也可以作成轻、薄、短、小。总之，电源再不是大、粗、笨的设备，而是精致、灵巧可设计成兼有“智能”的装置了。九十年代以来，美国、德国等西方国家新建电厂和变电站已全部采用高频开关电源，近几年来，国内开关电源技术已经有了长足的进展，理论、研究、生产、应用等己有相当的成果或规模，采用了有效的均流技术和软开关技术，如大家所熟悉的朝阳电源就是一种较为完善的开关电源，但是，现在的开关电源都是为邮电通讯系统设计的低电压的模块，象电力系统的操作电源所用的220V/110V的电源则研究较少，深圳华为公司的电源模块有用于电力系统的智能型高频开关电源，质量不错，但是，它的三次和五次谐波较大，我们知道谐波对电网有危害作用，大量的谐波分量倒流入电网，造成对电网的谐波“污染”，一方面产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波电压降，反过来使电网电压也发生畸变;另一方面，会造成电路故障，使用电设备损坏。例如线路和配电变压器过热;谐波电流会引起电网LC谐振，或高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过流、过热而爆炸;在三相电路中，中线流过三相三次谐波电流的迭加，使中线过流而损坏。另外，因为它没有采用有源功率因数校正，功率因数较低，只达到0.9，如果采用有效的功率因数校正，功率因数可以达到0.99以上。1.2 课题简介1.2.1 所选课题的意义 发电厂和变电所中，为了供给控制、信号、保护、自动装置、事故照明、直流油泵和交流不停电电源装置等的用电，要求有可靠的直流电源。为此，发电厂和110KV以上的变电所通常用蓄电池作为直流电源，对上述的电源要求有高度的可靠性和稳定性，电源容量和电压质量均应在最严重的事故情况下保证用电设备的可靠工作。根据电力系统的要求蓄电池直流系统的电压等级为: 1、控制负荷专用的蓄电池组的电压采用110V。2、动力负荷和直流事故照明专用的电压采用220V。3、国内的发电厂和变电所的直流电压大多采用220V。所以，220V直流电源在电力系统的操作电源系统中占有非常重要的地位。 目前，直流电源主要包括三种:相控电源、线性电源、开关电源。相控电源即相位控制型稳压电源，它的主要原理就是将市电直接经过整流滤波提供直流，由改变晶闸管的导通相位角来控制整流器的输出电压，所以如果采用适当的控制电路使晶闸管的导通相位根据输入电压或负载电流变化自动调整，整流器的输出电压就能稳定不变。线性电源也是一种常用的稳压电源，通过串联调整管可以连续控制，它的功率调整管总是工作在放大区，流过的电流是连续的。线性稳压电源通常包括:调整管、比较放大器、回馈采样部分以及基准电压部分。开关电源的功率调整管工作在开关状态，功率损耗小，效率高，由于开关工作频率高，变压器的体积大大减小，滤波电感、电容数值较小。在目前的电力系统中，大部分用的都是相控电源，但是，相控电源用的是工频变压器，体积大，而且输出电压的纹波系数大，监控系统不完善，采用主从备份方式，用户使用不方便，对电力系统新的要求也达不到标准，另外，由于充电设备与蓄电池并联运行，纹波系数较大，会出现蓄电池脉动充电放电，影响蓄电池的使用寿命。而高频开关电源体积小、重量轻、频率高、输出纹波小、模块迭加、N+l热备份设计、便于计算机管理等优点，符合现代电源的潮流。所以，电力系统中的操作电源有高频开关电源取代相控电源的趋势。1.2.2 课题所做主要工作本系统中,我们所做的主要工作如下：1、对高频开关电源的主电路拓扑结构进行分析。2、结合系统的技术参数，确定系统的主电路拓扑,设计出主电路。3、结合系统的具体情况,设计出滤波、整流、反馈和保护控制等部分。本系统要达到的技术指针如下:输入电压:380V20%电网频率:50HZ10%功率因子:0.99输入过压告警:437V5V输出标称电压:220VDC输出额定电流:5A输出过压保护:325V5V输出欠压保护:195V5V效率:90%2 高频开关电源的工作原理和主电路结构的选择2.1 高频开关电源的基本组成高频开关电源是将交流输入电压变换成所需直流电压的装置.基本的隔离式高频开关电源的原理图如图2.1所示,高频开关电源主要有输入电网滤波器、输入整流滤波器、高频变换器、输出整流滤波器、控制电路和辅助电源等几部分组成。其基本原理是：日常所用的交流输入电压经电网滤波电路和整流滤波电路的变换得到一直流电压，再通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压，再经高频变压器隔离变换，输出所需的高频交流电压，最后经过输出整流滤波电路，将变换器输出的高频交流电压进行整流滤波，从而得到所需要的高质量。 ACEMI滤波器整流滤波高频变压器高频整流滤波输出控制及保护电路辅助电源DC 图2.1 开关电源结构图 以全桥式变换器高频开关电源为例，图2.2表示了交流输入电压到输入整流滤波DC-AC变换高频变压输出整流滤波ACDC图2.2 高频开关电源的波形变化最后输出所需直流电压的各环节电压波形变换流程。下面就图2.1中每一部分的作用及原理分别简述如下：1、输入电网滤波器：其主要作用是用来消除来自电网的各种干扰，像大型电机的启动，电器设备的开关，以及雷电等产生的尖峰干扰。同时也可以防止开关电源的高频噪声污染扩散到电网，这是一个双向的保护措施。下图是一个典型的三相输入电网滤波器。如图2.3：C1C2L3C4图2.3 三相电网滤波器示意图C3ABCL2C6C5L12、输入整流滤波器:其主要功能是将电网输入的交流电压进行整流滤波，为逆变器提供波纹较小的直流电压。而且，在当电网由于事故或其它原因停电时，滤波电容器储存的能量尚未用完，还能使开关电源维持一定的时间。对用电设备起到保护作用。对三相交流电输入，其电路图形如图2.4：2.4 输入整流滤波器电路图3、高频开关变换器（DC/DC）:它是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频直流电输出，其主要形式有两种：直接变换和间接变换。其中间接变换是指变换器中有高频变压器。4、控制及保护电路：它用于检测输出直流电压，与基准电压进行比较，进行隔离放大，调制振荡器输出的脉冲宽度，从而控制变换器保持输出电压的稳定。再开关电源发生过电压、过电流或短路时，保护电路就会使开关电源停止工作以保护负载和开关电源本身。5、辅助电源：主要是为控制电路和保护电路提供满足一定技术要求的直流电源，以保证它们工作可靠稳定运行。其电路可以是独立的，也可以由开关电源本身产生。6、滤波输出：为了确保输出的可靠稳定，一般在电路输出端都接有滤波电路，从而确保了输出的可靠稳定性。 在工频滤波器中，一般大电流的工频滤波电感取值不宜过大，否则断电时会产生较大反向电动势损坏电子器件，开机瞬间或功率管切换时，因滤波电容容量大，易产生的浪涌电流，故采用电感输入式滤波，其滤波电感能限制电流的突变。 在电源输出滤波中，滤波电感与滤波电容一起对整流后脉冲方波起平滑作用。从滤波电感的等效电路看，滤波电感的最高使用频率决定于等效电容和电感形成的并联谐振点。在高频工作状态下，铁芯损耗大，需采用电阻率非常大铁氧体磁芯。2.2全桥式变换器的分析全桥式变换器的原理图：VT1、VT4与VT2、VT3由基极激励驱动而轮流通断，从而将直流电压Vi变换成高频矩形波交流电压，随后经D1、D2整流，L、C2滤波后传送给负载，为其提供稳定的直流电压。四个功率开关管组成桥的四臂，桥的一对交点输入直流电压，另一对交点接高频变压器原边绕组。VTl和VT4由一组开关信号驱动，VT1和VT4导通时电流方向对原边绕组是又上向下。过半个周期，VTl和VT4截止，VT2和VT3在另一组驱动信号下导通，导通电流由电源Vi正端经VT3，原边绕组由下向上，VT2流向电源负端。两对开关管是轮流导通，导通时绕组电压近似等于Vi。每只开关管均为并联一只高速功率二极管，其钳位作用以减小开关管由导通转换为截止时，变压器产生的电压尖峰，以保护开关管不被击穿。全桥式变换器的优点是:主变压器原边绕组比推挽式少了一半，变压器利用率提高;开关管可用低耐压(如400V)、大电流的功率管输出功率大。LD1VT3VT1VoVT2VT4D2图2.5全桥式变换器的原理图2.3 直接变换器的工作原理直接变换器有很多种，例如：Buck、Boost等，由于Buck变换器是最基本的直接变换器，在这里亦Buck变换器为例进行简单介绍。Buck变换器又称为降压变换器。线路组成如图2.6所示，完成直流电压间的相互转换。VsTrLDD1CRVo图2.6 Buck变换器为分析其稳态特性，简化推导公式的过程，特作如下的假定：1、电感、电容均为理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零。2、开关晶体管、二极管都为理想元件。即导通时压降为零，截止时漏电流为零。3、输出电压中的文波电压与输出电压的比值小到允许忽略。2.3.1 电路的工作过程 当开关晶体管导通时，如图2.7（a）所示，电流=流线圈L,在其未饱和前，电流线性增加，在负载R上流过电流，两端输出电压，极性上正下负。当时，电容C处于充电状态。此时二极管D1承受反向电压;当截止时，如图2.9(b) 所示，由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，以保持其电流IL不变，负载R两端电压仍是上正下负。在时，电容处于放电状态，有利于维持、不变。此时二极管D1承受正向偏压为电流构成通路。2.3.2 关系式 设开关周期为,闭合时间为=，断开时间为-=;1，称为接通时间占空比，且+=1.由假设可知，+_Vs+_IsD1L+_CR（a）+-Vs+Is=0+RC(b)图2.7变换器工作原理图、不变，则导通时，电感电流线性上升，其增量为： (2.1) 式中：为电流增量;为输入电源电压;为输出电压；L为电感。当截止时，电流增量为： (2.2) 由于稳态时这两个电流变化量相等，即|,故：整理可得： (2.3)有上式可知，输出电压随占空比而变化，由于1,故，电压增益M为： (2.4)当电感L较小，负载电阻R较大，或较大时，将出现电感电流已下降到0，新的周期却尚未开始的情况。当新的周期来到时，电感电流从0开始，线性增加，这种工作方式称为电感电流不连续的模式。此时，由得 (2.5)式中晶体管开断、二极管导通时间占空比。通过计算可得电感电流不连续情况下的Buck变换器的电压增益为： (2.6)其中由上述的讨论可知，Buck变换器电压增益M与占空比存在函数关系。在连续与不连续状态之间有个临界状态，其发生条件为：连续状态：临界状态：不连续状态：由（3-1-2）可知，临界时,整理得： (2.7) 上式为临界条件的表达式。此时的电感定义为临界电感L,可表示为： (2.8)式中：为临界电感量，为输出电压，为开关工作频率，为变换器输出功率。由上式（2.8）可知，对于和为 固定值时，Buck变换的电流连续与否是由R决定的，当R的值增大时，工作状态由连续转化为不连续。另一方面，如果R和为 固定值，则电感L时，其工作状态由连续转化为不连续。当增大时，即减小时，则用于保持开关变换其在连续状态下工作的降低。2.3.3 Buck变换器的性质 1、输入电流是脉动的，与变换器的工作状态连续与否无关。这个脉动电流在实际应用中应受到限制，以免影响其它部分的工作。通常，在电源和变换器之间会加上一些输入滤波器，这种滤波器必须在开关变换器设计的早期阶段和建立模型的过程中就要预先进行考虑，否则，在开关变换器与输入滤波器连接时，可能会引起意外的自激振荡。 2、在高功率应用中，变换器应避免不连续工作状态。因为在不连续工作状态，功率晶体管和二极管必须具有较高峰值电压的电流。 3、输出滤波器的截止频率定义为:当所选的C能达到的所需的输出滤波要求时，L可以选得足够大，以便使开关变换器保持在连续的工作状态，但电容本身没有完美的电气性能，所以其内部的等效串联电阻将消耗一些功率。另外，等效串联电阻上的压降会产生输出纹波电压，欲减小纹波电压，只能靠减少等效串联电阻的值和动态电流的值。选择电容C的类型，经常由纹波电流的大小决定。截止频率的高低，LC的大小，都将影响输出纹波电压。从改善动态特性看，可考虑选择小电感量，大电容值。3 高频开关电源主电路的设计一般情况下，变换器都需要变压器进行隔离，即所谓的离线开关变换器。以有全桥变压隔离器的Buck变换器为例进行简单说明，其简单的电路图如图3.1所示： D1 L S3 S4 C R Cs Vs S1 S2 T1 D2 图3.1 全桥变压隔离器的Buck变换器 图3.1就是由基本的Buck变换器派生而来的，根据本系统的要求，图示所选变换器拓扑结构是合理的。且具有以下两个优点：1、由于有了隔离功能的双绕组，绕组可以靠匝数调节变比，因此，电路电压增益变化不只靠占空比，而且还可以靠绕组匝数比，这就给适用设计带来了很多好处，也大大提高了稳定性和可靠性。2、变压隔离器可以克服基本变换器拓扑实际中存在的局限性，例如，输入输出不隔离，输入输出电压比或电流比不能过大以及无法实现多路输出等问题。3.1 PWM开关变换器的设计3.1.1 开关变换器结构我们知道PWM开关变换器按工作方式可分为：单端反激变换器、单端正激变换器和多端变化器三种。其中多端变换器又包括推挽式变换器、半桥式变换器和全桥式变换器。在以上的各种变换器中，我们知道全桥式变压隔离器开关承受最小的开关电压和最小的开关电流，根据我所设计的高频开关电源的实际需求，输出功率较大，因此选用全桥隔离式PWM变换器。这种线路的优缺点是：优点:1、主变压器只需要一个原边绕组，通过正、反向的电压得到正、反向的磁通，副边绕组采用全桥全波整流输出。因此，变压器铁芯和绕组最佳利用，使效率、功率密度得到提高。2、功率开关在非常安全的情况下运作。在一般情况下，最大的反向电压不会超过电源电压Vs，四个能量恢复二极管能消除一部分由漏感产生的瞬时电压。这样，无需设置能量恢复绕组，反激能量便能得到恢复利用。缺点:1、需要功率元件较多;在导通回路上，至少需要有两个管压降，因此功率损耗也比双晶体管推挽式变换器大一倍。但是在高压离线开关系统中，这些损耗还是可以接受的。另外，能量恢复方式，由于是四个二极管，因此，损耗略有增加。2、值得注意的是，全桥变换器易发生桥臂直流短路及变压器原边偏磁饱和，其可靠性难以保证。但是，这种缺点我们将采取一定的措施进行避免。以后章节将详细介绍。整个变换器的电路图如图3.2所示。图中每个MOSFET旁均并联有组容吸收回路作为缓冲器，在晶体管瞬间断开时，缓冲器原件R、C将通过提供交流通道来减少功率管断开时的集电极电压应力。这样可增进系统元件的安全性。其工作原理是：由P1、P4和P2、P3分别构成全桥的两臂，设定P1、P4由驱动信号S1驱动，其中，P1是驱动信号S1通过变压器隔离后驱动的；P2、P3由驱动信号S2驱动，其中，P2是驱动信号S2通过变压器隔离后驱动的；驱动 R1 R2 高频变压器 P1 C1 C2 P2 Vi Vo P3 R3 R4 P4 C3 C4 图3.2 全桥式变换器信号SI、S2是由PWM信号控制器产生的，它们是一对互补的、占空比都不超过50%的信号，也就是说，同一时间，不可能出现两个信号同时为高电平的情况。当S1信号到来时，P1和P4导通，电流经过P1进入变压器原边，再经P4形成回路;当S2信号来时，P2和P3导通，电流经过P2进入变压器原边，再经P3形成回路，但是电压的极性与信号S1驱动的相反。这样，直流电压K经过变换器变换以后，得到的为一高频变化的交流电压，完成了从DC到AC的变换3.1.2 开关元件及其驱动电路设计中的功率变换部分选择由4只MOSFET管构成的全桥变换器，且都有电容和电阻来吸收MOSFET管通断时产生的尖脉冲，从而保护MOSFET管。根据设计要求，MOSFET功率管可选用的功率管主要有以下几种SSH11N90、IRFPE50、IRFPE52、2SK684。由于全桥式变换器需要两路独立的驱动电路，所以电路相对复杂，通过集成芯片进行控制，控制电路和主电路之间要通过变压器进行隔离。 一、场效应管的主要参数介绍 1、最大漏极电流，在特性曲线饱和区中，漏极电流达到的饱和电流值。 2、阀值电压，又称为开启电压，是指功率MOSFET流过一定量的漏极电流时的最小栅极电压。当栅源电压大于阀值电压时，功率MOSFET开始导通。且阀值电压一般在1.5V5V之间。 3、漏源击穿电压,用来表征功率管的耐压极限。 4、跨导，又称互导。用来表征功率,MOSFET的放大特性。且互导为：5、最高工作频率，在漏源电压的作用下，电子从源区通过沟道到漏区是需要一定时间的。当栅源之间的控制信号的周期与此时间相当时，电子就来不及跟随控制信号。这个信号的频率就是最高工作频率。我们选用MOSFET的原因之一便是由于它的响应频率较高，一般达到几百KHZ 。6、导通电阻，其是指在确定的栅源电压下，功率MOSFET处于恒流区的直流电阻，他与输出特性密切相关，在开关电源中，决定了输出电压和自身的损耗。一般导通电阻较小，漏源击穿电压高的器件较好。7、导通时间和关断时间， MOSFET是依靠多数载流子传导电流的。一般来说，影响开关速度的主要因数是器件的输入电阻、输入电容、输出电阻、输出电容。导通时间定义为:从输入信号波形上升至幅值的10到输出信号下降至幅值的90所需时间;关断时间定义为:从输入信号波形下降至幅值的90到输出信号上升至幅值的10%所需时间:开关时间几乎与温度变化无关，但与栅极驱动电源以及漏极所接的负载性质、大小有关。一般导通时间为几十纳秒，关断时间为几百到几千纳秒。随增加而增加，却随几增加而减小。二、功率MOSFET的优势功率MOSFET与功率晶体管相比较有如下的优点：1、 安全工作区域大，功率MOSFET没有二次击穿。2、 漏极电流为负的温度系数有良好的热稳定性。可以简单地并联以增加其电流容量。3、 开关速度非常的快。功率MOSFET是多数载流子器件，不存在功率BJT的少数载流子存储效应，所以具有非常快的开关速度。一般低压器件开关时间为10ns数量级，高压器件为100ns数量级。特别适合制作高频开关，可以大大减少元件的损耗、尺寸和重量。4、 高输入阻抗和低驱动电流。3.2 高频变压器的设计3.2.1 变压器设计步骤桥式变压器的设计相对比较容易，两个半周期都用同一个原边绕组，磁芯和绕组使用率都比较高。为了减少磁化电流，最好原边绕组匝数较多，电感量大，为此，选用高导磁率合金材料的磁芯是合适的，而且磁芯不带气隙。 具体设计步骤如下: 1、选择铁芯型号根据输出功率、效率求出输入功率。我们设计的电源为220V、5A的直流电源，用于电力系统的直流操作电源系统。输出功率为:Po=2205=1100W效率按90%计算，则输入功率:Pi=1100/0.91200W又知工作频率为1OOKHZ，所以由铁芯选择图可以选择EE55/55/21磁芯。2、选择最佳磁感应强度变压器设计为求有最佳效率，均从铜耗等于铁耗出发的。对于每一个设计者，有一个最佳磁感应强度幅值Bopt，它依赖于工作频率、铁芯损耗，所加的电压和原、副边的匝数比等等。3、线圈匝数计算原边线圈匝数:式中： -原边线圈所加直流电压，在有波动时取小值； -最大导通时间； -总磁感应强度增量； -磁芯有效面积。 4、副边线圈匝数从3中确定每伏所需匝数。输出回路压降大小加上输出额定电压即为副边电压Vs.根据这两个参数可以确定副边线圈的匝数。对于高频变压器的设计，常用的有两种方法，第一种是先求出磁芯窗口面积与磁芯有效截面积的乘积 (=，称磁芯面积乘机)。根据值，查表找出所需磁性材料的编号，称为法;第二种是先求出几何参数，查表找出磁芯编号，再进行设计，称为Kg法。3.2.2 变压器设计常会遇到以下问题1、阶梯饱和由于两个功率管存储时间不同或输出整流二极管正向电压的不同，会引起在变压器原边绕组所受的正向和反向伏秒值不平衡，这个不平衡造成某运行周期变压器铁芯的磁感应强度阶梯式趋向饱和。2、瞬时饱和效应假设有一对功率管在饱和点附近工作，如果负载瞬时增加，控制电路使脉冲宽度快速增加，以补偿损耗和增加电流，这样，铁芯出现单向饱和，一对功率管可能流过突发性的过电流。如果功率管有独立的、快速反应的限流装置，那么触发脉冲能在过电流造成危害之前消失，电源装置就可避免损坏。但这并不是一个好的解决办法。如果减少放大器放大倍数使输出电压的摆动幅度小，使每个周期只允许增加脉冲少量的脉冲宽度，则有可能防止过度饱和。这种方法会使电路的瞬态响应稍稍变差。3、趋肤效应导线流过高频电流时，只在导线表皮流过，称为趋肤效应由于趋肤效应使得导线有效面积减少，电流密度有所提高，引起铜耗增加，效率下降。当导线流过突变电流时，产生磁力线，磁力线引起涡流，涡流的方向加大了导线表面的电流，抵消中心线的电流，使得电流只在导线的表面流动，中心则无电流，这种效果是导线本身的电流产生的。为了解决这个问题，我们可以用多股导线缠绕在一起来饶制高频变压器，这样就可以避免趋附效应。4、变压器电磁干扰的抑制变压器产生的瞬变干扰可能传导和辐射到负载上，而且还返回到电源配电系统。当电源电压通过零点改变极性时，非线性磁滞回线特性使不同数量的剩余磁通残留在变压器铁芯中。这种情况往往增加了剩磁通而使铁芯饱和，因而导致了电流过流。磁化电流的瞬变，即传导性电磁干扰，既影响到变压器的次级，而且也返回到配电系统。对于变压器所产生的传导、辐射干扰，有如下的措施:1、选择高导磁通的铁芯材料，减少变压器漏磁通；2、变压器采取静电屏蔽措施；3、静电屏蔽的目的是使变压器初次级绕组间的电容减到最少，并且对共模噪声提供一个低阻抗的对地通路；4、在变压器的外围中部做一短路环，以抵消变压器的漏磁通；5、减小铁芯中磁通密度将会使杂散磁场的幅度大约按磁通密度的平方而减小。这样做虽然变压器的体积增大了，但却有利于减小电磁干扰和散热，比屏蔽变压器更为经济有效。3.3 整流滤波电路3.3.1 整流电路高频电源系统还包括整流滤波部分，整流电路分为两个部分：前级整流和后级整流。前级整流是指三相交流电经滤波后需要整流变为直流以后才能输入到开关变换器进行频率变换，完成AC-AC的变换。前级整流部分的电路如图3.3所示： 图3.3 前级整流电路图图3.3中前面的电感和电容组成EMI防电磁干扰环节，可以有效防止电磁干扰等，达到有稳定的交流输入，从而确保整流的可靠进行，本设计选用六个整流二极管进行整流，可以有效的得到所需要的交流输出电压。后级整流部分，是将高频变压器变压后的高频交流电进行整流，这一部分比较简单，根据我们设计的要求，选用了四只IXYS公司的DSEI 30-10A功率二极管组成桥式全波整流即可完成工作。 3.3.2 滤波电路由于电源模块工作于高频状态，而我们又必须获得无谐波的直流电压，因此，相对于相控型整流器，开关电源必须有更复杂的抑制干扰与滤除杂音的电路。共模与差模原理常被用来衰减及消除输入谐波，并将滤波器件封装在磁屏蔽盒内，并要可靠接地。布局上为输入输出隔离，输出线用绞合线或平行配线。机架地线与信号线分设。变压器初次级或开关管管脚之间配置高频抑射元件。输出滤波电容器用四端高频电解电容器、叠层式无感电容器。 1、 电源输入滤波开关电源的高速开关瞬态往往会产生很高的射频分量，从而污染交流馈电线路，交流电源能传递电气噪声和电磁辐射，导致开关电源中的瞬变再辐射和传递到其它负载。电源输入滤波主要由工频低通滤波器和共模扼制元件组成，封闭在磁屏蔽盒内且可靠接地。电源输入滤波又称电磁干扰(EMI)或射频干扰(RFI)滤波器。在电源输入滤波器中，通常用高频旁路电容和共模扼流圈来衰减和吸收纵向共模噪声，用常态滤波电感、常态滤波电容抑制差模常态噪声。图3.4为开关电源实际使用的三相三级输入滤波器.图中，L1、L2、L3为常态滤波电感，L4、U L1 C1 L4 L5 RV L2 C4 C6 C7 C9 SW L3 C2 C5 C8 T C3 N 图3.4 三相输入滤波器L5为共模扼流圈，C1、C2、C3为共模滤波电容，C4C9为常态滤波电容。2、 电源输出滤波 开关电源在开关变换器之后，还需要高频变压器进行隔离降压，而后经过桥式整流后再接电源输出滤波器，以得到高质量的符合设计要求的直流电压，所以电源的输出滤波部分是很重要的一个环节。图3.5所示为电源的输出滤波器。 L1 接 C7 L2 C1 接整负 C6 C5 C4 C3 流器载 C8 C2 图3.5 高频开关电源的输出滤波器 3、 工频滤波开关电源中工频滤波器接在工频整流与开关变换器之间，既能将脉动电流变为平滑的直流，还能抑制高频干扰，图3.6为开关电源的工频滤波器。 L2 C1 L1 C5 C2 C3 C7 C6 C8图3.6 开关电源工频滤波器图3.5开关电其中L1, C5, C6滤除共模噪声，C1, C2滤除差模噪声，C1, C2, C5, C6为小容量高频电容器，L2, C3, C4, C7, C8为常态滤波元件，C3, C4为大容量电解电容，C7, C8为小容量无感电容，用来补偿大容量电解电容器的高频性能，起高频旁路作用，L2, C3, C4组成低频滤波器，其余电感电容组成高频滤波器。在工频滤波器中，一般大电流的工频滤波电感取值不宜过大，否则断电时会产生较大反向电动势损坏电子器件，开机瞬间或功率管切换时，易产生大的浪涌电流.从滤波电感的等效电路看，滤波电感的最高使用频率决定于等效电容和电感形成的并联谐振点。4 高频开关电源控制电路的设计4.1 控制方式的选择开关电源的控制方式基本上都采用时间比率控制方式，而这种方式又可以大致分为以下三大类：脉冲宽度调制方式、脉冲频率调制方式和混合调制方式。1、脉冲宽度调制方式，简称PWM方式。其主要是通过调整脉冲宽度和控制AB基准电压脉宽调制振荡器分频器门电路门电路U误差放大器图4.1 脉宽调制原理图 占空比的方法来达到输出电压的稳定的。目前，以此方法应用最多。上图4.1为其基本原理图。基准电压:芯片内大部分电路由它供电，同时，兼作误差放大器的基准电压输入。振荡器:由恒流充电快速放电电路以及电压比较器组成，振荡频率由所外接的RC组件所决定，频率f=1/RC 。误差放大器:将取样电压和基准电压比较放大，送至脉宽调制电路输入端。脉宽调制器:输入为误差放大器输出。输出分两路，一路送给门电路，另一路送给振荡器输入端。门电路:门电路输入分别受分频器和脉宽调制器的输入控制。分频器:将振荡器的输入分频后输出，控制门电路输出脉冲