W大功率开关电源设计.doc

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洛阳理工学院毕业设计（论文）

1000W大功率开关电源设计

摘要

随着电源技术的不断发展，开关电源作为一种新型电源设备得到了广泛的认可和应用。

伴随着这种趋势，人们也在期待着开关电源的大功率化。

本文从大功率开关电源的方向着手设计，分析了开关电源的组成与工作原理，了解了开关电源的主要结构、辅助技术以及开关器件的选择与驱动等方面。

从而掌握了开关电源的相关知识，理解了人们对大功率开关电源的迫切需求。

此外，本文最后提到了蓄电池的充电技术，这是因为时代的高速运转，使得快速充电技术应运而生。

因此作为一名电源工作者，应当有所了解。

关键词：

开关电源，大功率，快速充电

DESIGNOF1000WSWITCHINGHIGH-POWERSUPPLY

ABSTRACT

Withthecontinuousdevelopmentofpowertechnology,switchingpowersupplyisanewtypeofpowerequipmentthathasbeenwidelyrecognizedandapplied.Alongwiththistrend,peopleinhighpowerswitchingpowersupplyoflookforwardto.Thearticlefromtheswitchingpowersupplydesigndirections,analyzedthecompositionandworkingprincipleofswitchingpowersupply,themainstructureofswitchpowersupply,assistivetechnologyandthechoiceofswitchingdeviceanddriveetc..Tomastertherelatedknowledgeofswitchingpowersupply,understandtheurgentdemandofhigh-powerswitchingpowersupplyofthepeople.Inaddition,thelastmentionedchargingbattery,thisisbecausethehighrunningtimes,makestherapidchargingtechnologyemergeasthetimesrequire.Thereforeasapowerworker,Ishouldbeawareofit.

KEYWORDS:

Switchingpowersupply，High-power，Fastcharging

6

目　录

前　言 1

第1章开关电源的基本原理 2

1.1开关电源的组成与工作原理 2

1.1.1开关电源的工作原理 2

1.1.2开关电源的构成 3

1.1.3开关电源的特点 4

1.2开关电源的主要类型 5

1.2.1控制方式 5

1.2.2连接分类 6

1.2.3输出取样方式 6

第2章系统分析和选择 7

2.1开关电源系统概述 7

2.2DC/DC变换器的选择 8

2.2.1硬开关式全桥变换器 8

2.2.2谐振式全桥变换器 9

2.2.3移相式全桥变换器 10

2.3控制电路的设计 10

2.4整流滤波电路的设计 12

2.4.1输入整流滤波回路 12

2.4.2输出整流滤波回路 12

第3章开关电源主电路的设计 13

3.1开关电源的设计要求 13

3.2电路结构框图 13

3.3输入整流滤波电路 15

3.3.1整流桥电路 15

3.2.2输入整流电容 16

3.3.3输入滤波电感 17

3.4逆变电路的设计 17

3.4.1功率转换电路 17

3.4.2确定电路工作频率 17

3.4.3高频变压器的计算 17

3.4.4高压开关管的选择 21

3.4.5隔直电容的选择 22

3.5输出整流滤波电路 22

3.5.1输出整流二极管 23

3.5.2输出滤波电感 23

3.5.3输出滤波电容 23

第4章控制电路的设计 25

4.1PWM集成控制器的基本原理 25

4.2高速脉宽调制器UC3825 25

4.2.1主要特点 25

4.2.2极限参数 26

4.2.3内部工作原理 26

4.3UC3825的调试 30

4.4反馈电路的设计 32

4.5保护电路的设计 33

4.5.1软启动电路的设计 33

4.5.2过流过压保护 34

4.6均流电路的设计 36

4.6.1均流电路的简述 36

4.6.2开关电源并联系统的常用均流方法 37

4.7辅助电源 38

第5章对蓄电池充电的认识 40

5.1蓄电池充电的理论基础 40

5.2蓄电池的常规充电法 40

5.2.1恒压充电方式 41

5.2.2恒流充电方式 41

5.3蓄电池的快速充电方式 41

5.3.1脉冲式充电法 42

5.3.2REFLEXTM充电法 42

结　论 44

谢辞 45

参考文献 46

前　言

电源是实现电能变换和功率传递的主要设备。

在信息时代，各行业的迅猛发展对电源产品提出了更多、更高的要求，如节能、节电、节材、缩体、减重、环保、安全等，这就迫使电源工作者在电源的研发过程中不断探索，寻求各种相关技术。

做出最好的电源产品。

开关电源是一种新型电源设备，较之于传统的线性电源，其技术含量高、能耗低、使用方便。

开关电源技术作为电力电子学的一个重要组成部分，目前在国内的相关资料较少，使得在一定程度上影响了这一新技术在我国的推广和应用。

然而近年来，伴随大量电源工作者的辛苦研发工作，开关电源在通信设备、数控装置、仪器仪表、视频音响、家用电器等电路中得到了广泛应用。

本文通过对开关电源基本原理的分析，提出了大功率开关电源的主电路和控制电路的设计方案，并完成了开关电源的硬件电路部分的设计。

本次论文主要分析了开关电源的桥式整流、滤波回路、PWM集成控制部分等的分析。

本文在编写过程中，我们参考了各种文献资料和期刊论文，对我的帮助很大，对此，向这些文献作者表示感谢。

第1章开关电源的基本原理

开关电源中的功率调整管工作在开关状态，具有功耗小、效率高、稳压范围宽、温升低、体积小等突出优点，在通信设备、数控装置、仪器仪表、视频音响、家用电器等电子电路中得到广泛应用。

1.1开关电源的组成与工作原理

1.1.1开关电源的工作原理

开关电源的工作原理可以用图1-1进行说明。

图中输入的直流不稳定电压经开关S加至输入端，S为受控开关，是一个受脉冲控制的开关调整管。

开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压变成矩形脉冲电压。

这个脉冲电压经过滤波电路进行平滑滤波就可得到稳定的直流输出电压。

（a）原理电路

（b）波形图

图1-1开关电源工作原理

定义脉冲占空比如下：

（1-1）

式中，T表示开关S的开关重复周期：

表示开关S在一个开关周期中的导通时间。

开关电源直流输出电压与输入电压之间具有如下关系：

（1-2）

由上面两式可以看出：

（1）若开关周期T一定，改变开光S的导通时间，即可改变脉冲占空比D，达到调节输出电压的目的，这种保持T不变而只改变来实现占空比调节的方式，称为脉冲宽度调节（ＰＷＭ）。

由于ＰＷＭ式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，因此ＰＷＭ式开关电源用的较多。

（2）若保持不变，利用改变开关频率来实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压稳压的方式，称为脉冲频率调制（ＰＦＭ）。

由于开关频率不固定，所以ＰＦＭ方式的输出滤波电路的设计不易实现最优化。

（3）既改变，有改变，从而实现脉冲占空比的调节的稳压方式，称为脉冲调频调宽方式。

在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节方式均有应用。

1.1.2开关电源的构成

开关电源由以下四个基本环节组成（如图1-2）：

（1）DC/DC变换器：

用以进行功率变换，是开关电源的核心部分。

DC/DC变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。

（2）驱动器：

开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号放大、整形，以适应开关管的驱动要求。

（3）信号源：

产生控制信号，由它激或自激电路产生，可以是PWM信号，也可以是PFM信号或其他信号。

（4）比较放大器：

对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，达到稳定输出电压的目的。

图1-2开关电源基本组成框图

除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动电路、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等。

开关电源与线性电源相比，输入的瞬态变换比较多地表现在输出端，在提高开关频率的同时，由于反馈放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应指标也能得到改善。

负载变换瞬态响应主要由输出端LC滤波器的特性决定。

所以可以通过提高开关频率、降低输出滤波器LC的值的方法改善瞬态响应特性。

1.1.3开关电源的特点

开关电源具有以下特点：

（1）效率高。

开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小、效率高。

调整管的效率一般为80%~90%，高的可达90%以上。

（2）重量轻。

由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，所以电源的重量只是同容量线性电源的1/5，体积也大大缩小。

（3）稳压范围宽。

开关电源的交流输入电压在90~270V范围变化时，输出电压的变化在±2%以下。

合理设计电路还可使稳压范围更宽，并保证开关电源的高效率。

（4）安全可靠。

在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护电路，所以当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保护功能可靠。

（5）元件数值小。

由于开关电源的工作频率高，一般在20KHz以上，所以滤波元件的数值可以大大减小。

（6）功率小。

功率开关管工作在开关转台，其损耗小；电源温升低，不需要采用大面积散热器。

采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。

1.2开关电源的主要类型

下面从电路的控制方式和输出取样方式两方面对开关电源做一大致分类。

1.2.1控制方式

1.脉冲宽度调制式

由开关电源输出直流电压表达式可知，控制开关管的导通时间，可以调整输出电压，达到输出稳压的目的。

脉冲宽度调制（PWM）方式是采用恒频控制，即固定开关周期T，通过改变脉冲宽度来实现输出稳压。

开关器件的开关频率f由自激或它激方式产生。

2.脉冲频率调制方式

脉冲频率调制（PFM）方式是利用反馈来控制开关脉冲频率或开关脉冲周期，实现调节脉冲占空比D，从而达到输出稳压的目的。

3.脉冲调频调宽式

这种控制方式是利用反馈控制回路，既控制脉冲宽度，又控制脉冲开关周期T，以实现调节脉冲占空比D，从而达到输出稳压的目的。

4.其他方式

若触发信号利用电源电路中的开关管、高频脉冲变压器构成正反馈环路，完成自激振荡，使开关电源工作，则这种电源称为自激式开关电源。

它激式开关电源需要外部振荡器，用以产生开关脉冲来控制开关管，使开关电源工作，输出直流电压。

它激式电源大多数需要专用的PWM触发集成电路。

1.2.2连接分类

电源以功率开