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高频开关电源设计
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长江大学工程技术学院
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学士学位论文
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高频开关电源设计
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专业:
测控技术与仪器
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2012.06
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高频电源开关设计
摘要
学生:
黄淦洲,信息系
指导教师:
张鹰峰,长江大学
[摘要]发电厂、变电所中,控制部分和保护部分需要安全可靠的供电电源,由蓄电池组构成的高频开关直流电源因其高可靠性成为电力操作电源系统中的重要组成部分。
本文分析了国内外高频开关电源的发展和现状,研究了高频开关电源的基本原理以及高频开关电源在电力直流操作电源系中的应用,设计出一种实用于电力系统的高频开关电源,以替代传统的相控电源。
该系统以MOSFET作为功率开关器件,构成桥式Buck开关变换,整个电源由输入电路、功率因数校正器、主逆变器、输出滤波电路、辅助电源、均流电路等部分组成。
系统主电路逆变部分采用了脉宽调制技术(PWM),PWM信号由集成控制器UC3825产生,从输出端实时采样电压、电流反馈信号,以控制输出电压和电流的变化。
IGBT驱动电路采用单独的集成驱动器M57962L控制器进行驱动。
控制电路和主电路之间通过变压器和光电祸合器进行隔离,提高了系统的可靠性和安全性。
由于模块工作于高频开关状态,系统具有体积小、重量轻、可靠性高、负载分担容易等一系列优点。
[关键词]:
高频,f关电源,Buck变换器,PWM,MOSFE。
Abstract
[Abstract]Inthepowerplantandtransformersubstations,theDCoperationpowerissuppliedfromhighfrequencyswitchingpowersupply(I-IFSPS)andusesbulkybatteriesasalternativepower.
Thepaperanalyzethepresentsituationdevelopmentofhighfrequencyswitchingpowersupplydomesticallyandoverseas,studyandresearchthebasalprincipleofthendesignHFSPSanditsapplicationinelectricpowersystem,thenHFSPSappliedinelectricpowersysteminordertoreplacetheoldsupplycontrolledbyphaseangle.Thefull-bridgeconverterismadeupoffourIGBT.
ThesystemconsistsoftheACinputstage,maininverter,outputlow-passfilter,auxiliarypowersupply,andloadcurrentsharingcircuit,etc.ThetheoryofPWMisusedinthesystem,andsingleofPWMisofferedbycontrollerUC3825.Thefeedbackvoltageandcurrentachievedfromoutputisusedtocontrolthechangeoftheoutput.ThecontrollerM57962LisusedintheIGBTdrive-circuit.Theprimarycircuitandthecontrolcircuitareinsulatedbythetransformerandphoto-coupler,increasingthereliabilityofthesystem.
Becauseofthehighfrequencyoperation,thisswitchingmodepowersupplyhasmanyadvantages:
lightweight,smallphysicalsize,highreliability,etc.
[Keywords]:
HFSwitchPowerSupply,Buck_Convertor,PWM,MOSFET
第一章.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(简称五新)不断地出现并应用到开关电源的缘故。
五新使开关电源更上一层搂,达到了频率高、效率高、功率密度高、功率因数高、可靠性高(简称五高)。
有了五高,开关电源就有更强的竞争实力,应用也更为扩大,反过来又遇到更多问题和更实际的要求。
这些问题和要求可归纳为以下五个方面:
(1)能否全面贯彻电磁兼容各项标准?
(2)能否大规模稳定生产或快捷单件特殊生产?
(3)能否组建大容量电源?
(4)电气额定值能否更高(如功率因数)或更低(如输出电压)?
(5)能否使外形更加小型化、外形适应使用场所要求?
这五个问题是开关电源能否在更广泛领域应用的关键,是五个挑战。
(简称五挑战)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。
以功率因数为例,Ac—Dc开关电源或其他电子仪器输入端产生功率因数下降问题,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数校正的开关电源,(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数校正的开关电源,(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。
1.2高频电源开关的发展及国内外状况
自1957年第一只可控硅(SCR)问世后[1,21,可控硅取代了笨重而且效率低下的硒或氧化亚铜整流器件,可控硅整流器就作为通信设备的一次电源使用。
在随后的20年内,由于半导体工艺的进步,可控硅的电压、电流额定值及其它特性参数得到了不断提高和改进,满足了通信设备不断发展的需要,因此,直到70年代,发达国家还一直将可控硅整流器作为大多数通信设备的一次电源使用。
虽然可控硅整流器工作稳定,能满足通信设备的要求,但其是相控电源,工作于工频,有庞大笨重的电源变压器、电感线圈、滤波电容,噪声大,效率低,功率因数低,稳压精度也较低。
因此,自]947年肖克莱发明晶体管[3.41并在随后的几年内对晶体管的质量和性能不断完善提高后,人们就着力研究利用晶体管进行高频变换的方案。
1955年美国罗耶(GH"Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器,是实现高频转换电路的开始[51,1957年美国查赛(J.J.JenSen)又发明了自激式推挽双变压器变换器电路。
在此基础上,1964年美国科学家提出了取消工频变压器的串联开关电源的设想,并在NEC杂志上发表了“脉宽调制应用于电源小型化”等文章,为使电源实现体积和重量的大幅下降提供了一条根本途径。
随着大功率硅晶体管的耐压提高和二极管反向恢复时间的缩短等元器件性能的改善,1969年终于做成了25KHz的开关电源。
电源界把开关电源的频率提高到20KHz以上称为电源技术的“20KHZ革命”。
开关电源技术的这一新的发展,在世界上引起了强烈的反响,开关电源的研究成了国际会议的热门话题。
经过几年的努力,从开关电源的电路拓扑型式到相配套的元器件等的研究都取得了相当大的进展。
在电路拓扑型式上开发出了单端贮能式反激电路、双反激电路、单端正激式电路、双正激电路、推挽电路、半桥电路、全桥电路,以适应不同应用场合、不同功率档次的需要;在元器件方面,功率晶体管和整流二极管的性能也有了较大的提高。
1976年美国硅通用公司第一个做出了型号为SG1524的脉宽调制(PWM,PulseWidthModulation)控制芯片,极大地提高了开关电源的可靠性,并进一步减小了体积。
尽管如此由于功率器件的电压、电流额定值的限制,直到上世纪70年代末开关电源主要用于通信设备的二次电源,而通信设备的一次电源大多数仍采用可控硅整流器‘相控电源)。
在随后的几年中,大功率晶体管(GTR)和功率场效应管〔MOSFET)相继被研制出来[6],其电压、电流额定值大为提高,工作频率也提高较多,可靠性显著增加。
在电路拓扑、功率器件和控制芯片发展的基础上,80年代初,英国研制出48V成套直流电源,作为通信设备的一次电源使用,一个机架包括多个整流模块,交、直流配电模块等,这是当时利用高频直流变换技术为主开发的新成果。
在1982年国际通信能源会议上,关于这一成果发表的论文受到了普遍重视。
这一新技术,在研究开发和应用方面得到了迅速的发展。
到80年代中后期,绝缘栅双极晶体管(IGBT)己研制出来并投入了市场,各种通信设备所需的一次电源大多采取PWM集成控制芯片、双极型晶体管、场效应管、绝缘栅双极晶体管:
半桥或桥式变换电路;开关频率约为几十KHZ,效率约90%左右的高频开关电源。
随着微电子学的发展和元器件生产技术的提高,相继开发出了耐压高(400--500V)的功率场效应管(VMOS管)和高电压、大电流的绝缘栅晶体管(IGBT),具有软恢复特性的大功率高频整流管,各种用途的集成脉宽调制控制器和高性能的铁氧体磁芯,高频用的电解电容器,低功耗的聚丙烯电容等。
主要元器件技术性能的提高,为高频开关电源向大功率、高效率、高可靠性方向发展奠定了良好的基础。
考虑到交流电直接整流滤波后给开关电源供电时,由于PWM直流一直流变换将使交流电网侧功率因数恶化,对交流电网不利。
人们经过努力研制了功率因数校正电路(PFC,PowerFactorCorrector),该种电路将交流电经全波整流滤波得到的直流电进行直流一直流变换,并使输入电流平均值自动跟随全波整流直流电流基准,并且保持输出电压稳定,从而实现对PWM直流变换器稳压输出和接近单位输入功率因数。
当高频开关整流模块的功率容量较大时,加上功率因数校正电路就避免了对交流电网的影响。
为减少开关损耗和提高工作频率,在电路拓扑方面也取得了较大进展[5]在90年代设计并研制出准谐振开关变换器(QRC,QuasiResonantConvertor)和多谐振变换器(MRCMultiResonantConvertor),在这方面日本九洲大学原田(耕介)研究室、美国佛吉尼亚理工学院等走在前面,研制出了功率密度为3W/c时,开关频率从2.5-3.85MHz、效率达8083%的多谐振变换器。
这种变换器的优点是实现了软开关,大大降低了开关损耗,可以吸收电路的寄生参数(不在乎电路寄生参数的存在),而且几乎不产生电磁干扰。
缺点是输出同样功率时,比PWM方式的电压、电流值大,对开关器件要求较高,而且工作频率随输入电压和负载变化有一定的变化范围,不便设计输出滤波电路的参数。
到90年代初,国外通信用一次电源应用最多的是采用PWM控制集成芯片、大功率高压功率场效应管或绝缘栅双极晶体管的开关整流器,德国、英国、法国、澳大利亚、加拿大、日本等国家的开关整流器的开关频率为50-100KHz,功率因数接近1,效率高于90%,单模块容量最大可达200A/48V。
随着通信用开关电源技术的广泛应用和不断深入研究,实际工作中人们对开关电源提出了更高的要求,提出了应用技术的高频化、硬件结构的模块化、软件控制的数字化、产品性能的绿色化,新一代电源的技术含量大大提高,使之更加可靠、稳定、高效、小型、安全。
在高频化方面,为提高开关频率并克服一般的PWM和准谐振、多谐振变换器的缺点,又开发了相移脉宽调制零电月;(零电流)开关(PSPWMZVS,PhaseShiftPulseWidthModulationZeroVoltageSwitch)谐振变换器,这种电路克服了PWM方式硬开关造成的较大的开关损耗的缺点,又实现子f频工作,克服了准谐振和多谐振变换器工作频率变化及电压、电流幅度大的缺点。
采用这种工作原理,大大减小了开关管的损耗,不但提高了效率也提高了工作频率,减小了体积,更重要的是降低了变换电路对分布参数的敏感性,拓宽了开关器件的安全工作区,在一定程度上降低了对器件的要求,从而显著提高了开关电源的可靠性。
目前,美国、挪威、新西兰、英国、法国等不少国家已经采用VMOS,IGBT研制出工作频率为1MHZ,效率达93%,可靠性显著提高的DC-DC变换器用于通信电源。
建国初期,我国邮电部门的科研技术人员开发了以国产大功率电动发电机组为主的成套设备作为通信电源。
在引进原民主德国FGD系列和前苏联BCC51系列自动化硒整流器基础上,借鉴国外先进技术,与工厂共同研制成功国产XZL系列自动化硒整流器,并在武汉通信电源厂批量生产,开始用硒整流器装备通信局(站),替换原有的电动发电机组,这标志着我国国产通信电源设备跃到一个新的水平。
但后来,我国的通信电源发展相当缓慢。
1963年开始研制和采用可控硅(SCR)整流器1[5],1965年着手研制逆变器和晶体管直流一直流(DC/DC)变换器,当时与发达国家相比只落后五六年。
后由于+年动乱,研制工作一直停滞不前,除了可控硅整流器于1967年在武汉通信电源厂开始形成系列化生产,供通信设备作一次电源使用,并不断得到改进,性能和质量逐步提高外,其它方面进展十分缓慢。
一直到80年代初才开始生产20KHzDC一DC变换器,但由于受元器件性能的影响,质量很不稳定,无法作为通信设备的一次电源使用。
只是作为通信设备的二次电源使用(二次电源对元器件的耐压及电流要求较低)。
直到上世纪90年代初,我国大多数通信设备所用的一次电源仍然是可控硅整流器。
这种电源工作于工频50Hz,有庞大的工频变压器、电感线圈、电解电容等,笨重庞大、效率低、噪声大、性能指标低,不易实现集中监控。
由于通信事业发展的需要,八十年代后期,邮电部加强了通信电源技术发展的各项工作,制订了“通信基础电源系统设备系列暂行规定”,“通信局(站)电源系统总技术要求”和电源设备行业标准等文件[31,多次派代表参加国际电信能源会议,并在八十年代后期第一批引进了澳大利亚生产的48V/50A(开关频率为40KHz)和48V/100A(开关频率为20KHz)的高频开关电源,在吸收国外先进技术的基础上,投入较大的力量,开始研制自己的开关电源。
邮电部武汉电源厂、通信仪表厂等厂家开发出了自己的以PWM方式工作的开关电源[71,并推向电信行业应用,取得了较好的效果。
随后邮电部对电源提出了更新换代和实现监控(包括远程监控)的要求,众多厂家都投入力量研制开发,推出了采用PWM技术的高频开关电源,有些厂家还推出了实现远程监控的解决方案,短短几年后,电信部门所用的一次通信电源几乎都更换成了采用PWM集成控制芯片、大功率晶体管、功率场效应管、绝缘栅双极晶体管的半桥或全桥电路,其开关频率为几十一100KHZ、效率高于90%、功率因数接近1.稳压精度优于士0.5%、模块化组合的高频开关电源,电信行业成套电源技术提高到了一个崭新的水平。
最近几年来,为了提高开关电源的可靠性,进一步提高转换效率,提高工作频率,减小体积,并降低电磁干扰,在借鉴国外最新进展的基础上,开始了准谐振、多谐振开关变换器和相移脉宽调制零电压(零电流)谐振变换器的研究实验工[81。
尤其是由于后者具有较多的优点,受到了大家的重视,投入了较多的研究力量,取得了一些进展,提高了效率、可靠性,降低了电磁干扰,并已有一些应用,但总的来说仍处于研究探索阶段。
在远程集中监控方面,有些地方已采取乡支局电源监控模块(含单片机)一调制解调器(Modem)一电话线一调制解调器一县电信局PC计算机的方案实现了支局电源的远程集中监控和乡支局机房的无人值守。
从整体性能看,我国通信电源设备与国外同类产品相比存在一定的差距。
主要差距在丁作的可靠性、稳定性和技术性能等方面。
因此,组织力量研制开发具有自主知识产权、技术含量高的新一代通信电源,对振兴民族工业,提高产品的质量和市场竞争力,提高开发队伍的研究水平都具有重要意义,同时,也会带来显著经济和社会效益。
第二章.课题论证
2.1课题简介
1.2.1.课题研究的意义
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:
l、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、反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、模块叠加、N+I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本课题的研究方法
高频开关电源性能优于相控整流电源,它能否得到广泛工业应用的关键是其可靠性,特别是输出直流电压较高时应能可靠工作。
除元器件及生产工艺等因素外,开关电源的可靠性主要取决于其主电路拓扑结构及控制方法。
在本系统中,我们先通过对高频开关电源的主电路拓扑结构的分析,并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;然后,通过用MATLAB对系统的动态性能进行仿真分析,并结合系统的具体情况,设计出滤波、整流、软启动和保护控制部分。
本课题所要研究的就是一种用于电力系统的智能高频开关电源。
本系统要
达到的技术指标如下:
输入电压:
380V±20%
电网频率:
50HZ±10%
功率因数:
≥0.99
输入过压告警:
437V±5V
输入欠压告警:
320V±5V
输出电压:
浮冲:
198—290V
均冲:
230—320V
稳压精度:
≤±0.5%
稳流精度:
≤±0.5%
纹波系数:
≤±0.1%
均流不平衡度:
≤±3%
输出标称电压:
220VDC
输出额定电流:
5A
输出过压保护:
325V±5V
输出欠压保护:
195V±5V
效率:
≥90%
绝缘电阻:
≥10M
绝缘耐压:
输出对机壳2KVAC
漏电流≤30mA
时间lmin无飞弧
第三章.过程(设计或实验)论述
3.1高频开关电源的基本原理
高频开关电源是将交流输入(单相或三相)电压变成所需的直流电压的装置。
基本的隔离式高频开关电源的原理框图如图1所示,高频开关电源主要由输入电网滤波器、输入整流滤波器、高频变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路、辅助电源等几部分组成。
其基本原理是:
交流输入电压经电网滤波、整流滤波得到一直流电压,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整流滤波得到需要的高质量、高品质的直流电压。
图1开关电源基本原理框图
以全桥式变换器高频开关电源为例,图2表示了交流输入电压到最后输出所需直流电压的各环节电压波形变换流程。
图2高频开关电源的波形变化
下面就图1中每一部分的作用、原理分别简述如下:
(1)、输入电网滤波器:
消除来自电网的各种干扰,如电动机起动,电器开关的合闸与关断,雷击等产生的尖峰干扰。
同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散而污染电网。
一个典型的--N输入电网滤波器如图3所示:
图3三相电网滤波器示意图
(2)、输入整流滤波器:
将电网输入的交流电进行整流滤波,为变换器提供波纹较小的直流电压。
而且,当电网瞬时停电时,滤波电容器储存的能量尚能使开关电源输出维持一定的时间。
对三相交流电输入,其典型电路如图4所示:
图4输入整流滤波器电路图
(3)、高频开关变换器(DCkAC):
它是开关电源的关键部分。
它把直流电压变换成高频交流电,经过高频变压器再变成所需要的隔离输出交流电压。
(4)、输出整流滤波:
将变换器输出的高频交流电压滤波得到需要的直流电压。
同时还防止高频噪音对负载的干扰。
电路原理与输入滤波器相同。
(5)、控制电路:
检测输出直流电压,与基准电压比较,进行隔离放大,调制振荡器输出的脉冲宽度,从而控制变换器以保持输出电压的稳定。
一般控制电路还包括启动及禁止电路。
(6)、保护电路:
在开关电源发生过电压、过电流或短路时,保护电路使开关电源停止工作以保护负载和开关电源本身。
有的还有发出报警信号的功能。
(7)、辅助电源:
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,以保证它们工作稳定可靠。
辅助电源可以是独立的,也可以由开关电源本身产生。
3.2高频开关变换器
在高频开关电源中,高频开关变换器是核心部分,围绕开关变换器将会有很多的控制和保护电路,变换器的种类的选取将会影响整个功率器件耐压程度等很多参数,也会对系统的其它各部分产生相应的影响,所以,高频开关变换器的设计是很重要的一个环节,我们在后面的章节将会对它进行详细地分析和介绍。
按电力电子技术的习惯称谓,AC—DC称为整流,包括整流及离线式变换,DC—AC称为逆变,AC—AC称为交一交变频(包括变压),DC.DC称为直流一直流变换。
所以,
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