大功率开关电源的设计
2016届毕业设计方案
课题名称：《大功率开关电源的设计》
所在学院牵引与动力学院
班级动车134班
姓名
学号
指导老师
2016届毕业设计任务书
一、课题名称：多路输出单端反激式开关电源设计
二、指导老师：邓小木
三、设计内容与要求：
1、课题概述:
开关电源是通过控制开关晶体管开通和关断时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达80%一90%，比普通线性稳压电源效率提高近一倍。
本课题是设计多路输出单端反激式开关稳压电源。主电路采用多路输出单端反激变换器结构，采用控制芯片UC3844实现电压电流双闭环控制，系统工作频率在50kHZ，输出
+/-5V/0.5A（共4路），+/-12V/1A,，24V/1A 共7路隔离的电压。2、设计内容与要求：
1. 设计任务
1）多路输出高频开关变压器设计；
2）UC3844外围电路设计；
3）开关电源保护电路设计；
4）用PROTEL DXP绘制电路原理图，并制作PCB；
5）开关电源焊接、调试；
2．技术指标
1）开关电源的输入电压：AC 185~250V
2）开关电源输出电压及电流：+/-5V/0.5A（共4路），+/-12V/1A,，24V/1.5A
3）开关电源的开关频率：50kHZ
4）开关电源的效率：≥80%
四、设计参考书
1）张占松，蔡宣三．开关电源的原理与设计[M]，北京：电子工业出版社，2004．
2）周志敏，周纪海，纪爱华．开关电源实用电路[M]，北京：中国电力出版社，2006． 3）黄继昌．电源专用集成电路及其应用[M]，北京：人民邮电出版社，2006．
4）王增福，李昶，魏永明．新编常用稳压电源电路[M]，北京：电子工业出版社，2006． 5）黄俊，王兆安．电力电子变流技术[M]，北京：机械工业出版社，2006．
五、设计说明书要求
1、封面
2、目录
3、内容摘要(200-400字左右，中英文)
4、引言
5、正文（设计方案比较与选择，设计方案原理、分析、论证，设计结果的说明及特点）
6、结束语
7、附录(参考文献、图纸、材料清单等)
六、设计进程安排
第1周：资料准备与借阅，了解课题思路。
第2-3周:设计要求说明及课题内容辅导。
第4－7周：进行毕业设计，完成初稿。
第7-10周：第一次检查，了解设计完成情况。
第11周：第二次检查设计完成情况，并作好毕业答辩准备。
第12周：毕业答辩与综合成绩评定。
七、毕业设计答辩及论文要求
1、毕业设计答辩要求
答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。
学生答辩时，自述部分内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。
答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。
2、毕业设计论文要求
文字要求:说明书要求打印(除图纸外)，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。
图纸要求:按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。
曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。
摘要
大功率开关电源在日常的生产、生活中有着广泛的应用,尤其在军事、医疗和绝缘测试等领域应用更为频繁。传统的大功率开关电源采用线性电源技术的较多,这种结构形式造成电源整体效率较低,性能一般,体积大,重量沉。随着开关电源技术的进步和发展,各类用途的直流电源都倾向于采用开关电源技术。开关电源以其线性电源无法比拟的特点和优点己经成为电源行业的主流形式。开关电源技术应用于大功率电源领域,使大功率电源变得体积小,重量轻,效率高,性能更好。
在本文中，主要对大功率开关电源的结构组成、技术参数、控制电路工作原理等进行重点讲述，指出其常特点并详细分析结构。
关键词：大功率；脉冲触发电路；回馈电路。
Abstract
High power switching power supply has been widely used in daily production and life, especially in the fields of military, medical and insulation testing. The traditional high power switching power supply adopts linear power supply technology, which causes the overall efficiency of the power supply is low, the performance is general, the volume is large, the weight is heavy. With the development of the technology of switching power supply, DC power supply tends to use switching power supply technology. Switching power supply with its linear power can not match the characteristics and advantages of the power industry has become the mainstream form. Switching power supply technology is applied to the field of high power supply, which makes the power supply of high power supply small, light weight, high efficiency and better performance.
In this paper, the structure, technical parameters and working principle of high power switching power supply are mainly described.
Key words: high power; pulse trigger circuit; feedback circuit.
目录
摘要.................................................................... V Abstract .................................................................. VI 第1章绪论.. (1)
1.1高压直流电源简介 (1)
1.2高压开关电源简介 (2)
1.3高压开关电源发展趋势 (3)
第2章大功率开关电源的基本原理 (5)
2.1 大功率开关电源的组成 (5)
2.2 DC-DC 变换器拓扑的选择 (6)
2.2.1 DC-DC 变换器逆变电路拓扑 (6)
2.2.2 DC-DC 变换器次级整流拓扑 (10)
2.3 全桥式逆变拓扑控制方式 (15)
2.4 本章小结 (17)
第3章开关电源主电路的设计 (18)
3. 1 开关电源主电路的设计 (18)
3.2开关电源的设计要求 (18)
3.3 电路结构框图 (19)
3.3.1输入整流滤波电路 (19)
3.3.2 单相逆变桥 (20)
3.3.3 输出整流滤波电路 (20)
3.4 输入整流滤波电路设计 (20)
3.4.1 整流桥 (20)
3.4.2 输入整流电容 (21)
3.4.3 输入滤波电感 (22)
3.5 逆变电路的设计 (22)
3.5.1 功率转换电路的选择 (22)
3.5.2 确定电路工作频率f (22)
3.5.3 选用高压开关管 (23)
3.6 输出整流滤波电路 (24)
3.6.1 输出整流二极管 (24)
3.6.2 输出滤波电感 (25)
3.6.3 输出滤波电容 (25)
3.7 输出整流滤波电路 (26)
3.7.1 输出整流二极管 (26)
3.7.2 输出滤波电感 (26)
3.7.3 输出滤波电容 (27)
第4章开关电源控制电路的设计 (28)
4.1开关电源控制电路的设计 (28)
4.1 移相PWM控制芯片UC3879 的特性[11][12] (28)
4.2 驱动电路设计[13][14] (30)
4.2.1 驱动脉冲变压器的设计 (31)
4.2.2 驱动放大电路的设计 (31)
4.3反馈电路设计[15][16] (32)
4.3.1 反馈电路结构 (32)
4.4 保护电路的设计 (33)
4.5开关电源维修 (34)
第5章总结 (36)
致谢 (37)
参考文献 (38)
第1章绪论
1.1 高压直流电源简介
高压直流是指大小（电压高低）和方向（正负极）都不随时间（相对范围内）而变化，比如干电池。脉动直流电是指方向（正负极）不变，但大小随时间变化，比如：我们把50Hz的交流电经过二极管整流后得到的就是典型脉动直流电，半波整流得到的是50Hz的脉动直流电，如果是全波或桥式整流得到的就是100Hz 的脉动直流电，它们只有经过滤波（用电感或电容）以后才变成平滑直流电，当然其中仍存在脉动成分（称纹波系数），大小视滤波电路得滤波效果。
传统的高压直流电源通常用工频交流电源经升压变压器升压、整流滤波而得。如图1-1所示,其中T为升压变压器,C为滤波电容,R1、R2为电阻主要起限流保护的作用。对于电压不是很高的场合,可用半波整流电路,全波或桥式整流电路得到直流电压。
图1-1 整流电路
在实际应用中升压变压器之前要加自藕调压器,通过调整自藕调压器实现调整高压直流输出的目的。
这类整流电路优点是接线简单,缺点是所用设备、组件的电压较高,体积、重量和占地面积大,一般只能作为试验室内使用。
电路工作过程是这样的,在正弦波负半周电源通过V2对C1充电,在正弦波的正半周,电源C2和同时对C1充电,C2上获得的电压约为电源电压的峰值和C1上电压的和,因此,经过几个周期后,C2上的电压约为变压器输出电压峰值的2倍。若要更高的直流电压,可以把几级倍压电路串接在一起,每一级都能获得约2倍峰值电压的直流电压。若有n级串联,则可得到2n倍的直流电压,但级数越多,
内阻抗越大,实际输出电压比预期值小得越多,同时脉动系数也越大。因此,级数不宜太多,一般不超过5级。
图1-2倍压整流电路
1.2 高压开关电源简介
随着电力电子器件和相关应用技术的发展,作为用电设备心脏的电源系统发生了很大的变化。以开关方式工作的直流稳压电源以其体积小、重量轻、效率高、稳压效果好的特点,正逐步取代传统电源的位置,成为电源行业的主流形式。高压直流电源领域也同样深受开关电源技术影响,并已广泛地应用于系统之中。
应用电力电子器件产生高压直流的结构框图见图 1.3,交流电源经整流单元整流、滤波后,变成低压直流,逆变单元由控制单元控制,使低压直流电压逆变成高频方波电压,经高频变压器形成高频高压的方波电压,然后经高压整流输出变成直流高压,电压反馈单元将输出的高压信号反馈到控制单元，只要调整控制单元的设定电压,就可调节直流高压的输出电压。其中整流单元通常采用不可控桥式整流,结合电感和电容加以滤波逆变单元根据所含开关管数量,可以分为单管、双管(半桥式和推挽式)和四管(桥式）,根据开关频率和电流电压参数不同,开关组件多用IGBT和MOSFERT；和高频变压器最重要的参数是频率,通常频率在几KHZ 至几十KHZ之间。
图1-3 应用电力电子器件的高压直流电源的结构图
采用开关电源技术的高压直流电源具有体积小,重量轻,控制精度高,稳定度高,纹波系数低,保护速度快等优点,因此它必然在高压直流电源中有更广泛的应用。
1.3 高压开关电源发展趋势
在要求高效率、小型、轻量的背景下开关电源得到大量的普及。在高压电源方面，工作频率为20KHZ～80KHZ的晶体管逆变器也已取代老式的市电频率方式的电源，成为电源的主流。在高压设备方面，作为负载的设备是多方面的，各种负载对电源的性能和功能的要求也有相当的差异。高压开关电源的阶段状况和发展前景决定输出电压有几KV～几百KV，输出功率有几W～几百w等各种各样。
高压开关电源的一般特征如下：
1、高频率、小型、轻量
2、响应速度快，在输入和负载急剧变化时，输出电压的稳定度好．
3、在负载放电时，由于平滑滤波电容是小型的，以及逆变器保护电路高速动作产生的对通过逆变部能量的抑制效果，把流向负载侧的剩余能量限制在最低限度，以保护负载。因此噪声产生量也少。
4、操作性好，适合作为设备内的电源适配器。
5、高稳定度，低波纹电压都比较容易实现。特别是在超高压范围更为有利。
在国外,从70年代开始,日本的一些公司开始采用开关电源技术,将市电整流后逆变为3kHZ左右的中频,然后升压,美国GE公司生产的AMX-2一移动式X 线机把蓄电池供给的直流电逆变成500Hz的中频方波送入高压发生器,从而减小体积和重量。进入80年代,高压开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关组件,将电源的开关频率提高到20kHZ以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。近十年来,随着电力电子技术的进步和开关器件的发展,高压开关电源技术不断发展。突出的表现是频率在不断提高:如Philips公司30kW以下移动式X光机的X线发生装置频率达30kHZ以上,德国的霍夫曼公司高压发生器频率高达40kHZ。98年以后通用电气公司和瓦瑞安公司都研制成功100kHZ X线机发生器。另外,高压开关电源的功率也在不断地提高,10-30kW的大功率高压开关电源在产品上己很成熟,更高功率的高压开关电源也有很快的发展,如:用于雷达发射机的140kW高压开关电源(俄罗斯);用于脉冲功率技术中的300kW大功率恒流
充电电源(美国EEV公司)等等。
可以看出，高压开关电源的发展的主要趋势是：
1、频率不断提高
2、功率不断增加
我国自年代初开始对高频化的高压大功率开关电源技术进行研究,分别列入了“七五”、“八五”、“九五”国家重点攻关项目。国家“八五”攻关项目(85-805-01),200kV高压直流开关电源的研制,输出功率达20Kw;国家自然基金资助项目(69871002)产生高浓度臭氧用20kHZ高压逆变电源的研制,电源的转换效率>80%,输出功率最高达20kW,电源体积降至原体积1/5,臭氧发生器体积降为原来1/6,还减少了原材料消耗静电除尘高压直流电源也实现了高频化,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压,在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHZ。
相对而言我国高压开关电源技术己取得了很大的进步，但同国外相比还有很大的差距，特别是大功率高压开关电源技术仍处在研发之中。
第2章大功率开关电源的基本原理
2.1 大功率开关电源的组成
一般把从交流电网汲取电能，输出直流电的开关电源称之为AC-DC变换器。如图2-1所示，AC-DC变换器由输入整流滤波电路和DC-DC变换器组成。输入整流滤波电路的形式一般为整流桥并联滤波电容，这一部分存在的问题留待第四章进行详细的讨论。而所谓的DC-DC变换器是指把输入的直流电变换成满足用电设备要求的直流电的电能转换设备。
图2-1 AC-DC变换器组成框
现有的DC-DC变换器技术，按照变换器的输入和输出之间是否具有高频变压器进行电气隔离可分为两大类：非隔离式DC-DC变换器、隔离式DC-DC变换器。非隔离式DC-DC变换器常用的拓扑有[1]：降压式变换器、升压式变换器、升降压式变换器、丘克（Cuk）变换器、单端初级电感（SEPIC）变换器以及ZETA变换器。隔离式DC-DC变换器常用的拓扑有：正激式变换器、反激式变换器、双管正激式变换器、推挽式变换器、半桥式变换器以及全桥式变换器。隔离式DC-DC 变换器输入与输出之间存在电气隔离，在安全性方面与非隔离式DC-DC变换器相比，具有不可比拟的优势。此外，由于隔离式DC-DC变换器具有高频变压器，可以通过选取合适的匝比使得在额定负载下，占空比处于一个合适的范围内，同时也使得多路输出设计变得简单。大功率开关电源需要从交流电网中汲取电能，而且一般要三相输入，属于AC-DC变换器。三相电源经过输入整流滤波电路后输出为一个537V的高压，大功率开关电源中的DC-DC变换器输入为一个高压直流电。因此对于大功率率开关电源来说，尽管隔离式DC-DC变换器的成本较高，电路较复杂，但是出于安全性考虑，大功率开关电源一般采用隔离式DC-DC变换器结构。
如图2-2所示，隔离式DC-DC变换器主要由逆变电路、高频变压器、输出整流滤波电路三大部分组成。下面对隔离式DC-DC变换器各个部分的功能进行简单的介绍。
1）逆变电路。由变压器的基本原理可知，变压器只能传输交流信号，而
DC-DC变换器的输入为直流电，因此需要逆变电路把输入的直流电转换成高频交流电。增加交流电的频率，可以减小高频变压器的体积。
2）高频变压器。把开关电源的输出和输出进行电气上的隔离。由逆变电路产生的高频交流电，经过高频变压器传递到开关电源输出整流滤波部分。选择合适的匝比，可以把电压调整到设计的范围内。
3）输出整流滤波电路。把高频交流电整流成直流脉动，然后再通过滤波电路把直流脉动中的高频成分滤除，最终得到较为平滑的直流电输出。
4）控制电路。按照给定输出量及输出量实时回馈量之间偏差的大小，调节逆变电路，使得DC-DC变换器跟踪给定量输出。
图2-2 隔离式DC-DC变换器组成
DC-DC变换器中的各个组成部分都存在众多的技术方案，而这些已有的技术方案的适用场合又各有区别。本文将通过对各种现有的方案进行分析对比，从而为大功率开关电源选择较为合理的技术方案。
2.2 DC-DC 变换器拓扑的选择
2.2.1 DC-DC 变换器逆变电路拓扑
首先，分析一下各种逆变电路拓扑的磁芯工作状况[2]，从磁芯利用率的角度来为逆变电路拓扑的选取提供依据。图2-3为反激式（连续电流下）磁芯工作状态，可以看出工作在连续电流下，磁芯工作在第一象限，只能被单向磁化，直流偏磁大，交流分量小，工作在局部磁化曲线上，在此种情况下磁芯的利用率较低。图2-4为正激式磁芯工作状态，可以看出磁芯也工作在第一象限，只能被单向磁化，磁芯的利用率较低。图2-5为推挽、半桥、全桥磁芯工作状态，可以看出磁芯工作在B-H坐标的四个象限，被双向磁化，每个周期沿着整个磁化曲线磁化一