1000W大功率开关电源设计

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

DESIGN OF 1000W SWITCHING HIGH-POWER SUPPLY

ABSTRACT

With the continuous development of power technology,switching power supply is a new type of power equipment that has been widely recognized and applied.Along with this trend,people in high power switching power supply of look forward to.The article from the switching power supply design directions,analyzed the composition and working principle of switching power supply,the main structure of switch power supply,assistive technology and the choice of switching device and drive etc..To master the related knowledge of switching power supply,understand the urgent demand of high-power switching power supply of the people.In addition,the last mentioned charging battery,this is because the high running times,makes the rapid charging technology emerge as the times require.Therefore as a power worker,I should be aware of it.

KEY WORDS:Switching power supply，High-power，Fast charging

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)

2.2 DC/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b C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)

4.1 PWM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)

4.3 UC3825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)

5.3.2 REFLEXTM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

U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i

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

U变成

i

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

U。

o

（a）原理电路

O O O

（b）波形图

图1-1开关电源工作原理

定义脉冲占空比如下：

T

t D on = （1-1） 式中，T 表示开关S 的开关重复周期：on t 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o U 与输入电压i U 之间具有如下关系：

D U U i o = （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on t ，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on t 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on t 不变，利用改变开关频率T

f 1=来实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压o U 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on t ，有改变T ，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D U U i o 可知，控制开关管的导通时间on t ，可以调整输出电压o U ，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on t 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on t ，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

电源以功率开关管的连接方式分类，可分为单端正激开关电源、单端反激开关电源、半桥开关电源和全桥开关电源；以功率开关管与供电电源、储能电感的连接方式以及电压输出方式分类，可分为串联开关电源和并联开关电源。

1.2.3 输出取样方式

取样电路是电源反馈电路的重要部分，取样方式对系统的稳定性有决定作用。

（1）直接取样电路。采用直接输出取样方式的开关电源安全性好，且具有便于空载检修、稳压反应速度快、瞬间响应时间短等优点。

（2）间接取样电路。该方式的缺点是响应慢。当输出电压因输入电压等原因发生突变时，输出电压的变化需经过开关变压器耦合才能反映到取样绕组两端，所以稳压的动态结果一般。

第2章系统分析和选择

本章从整体上对开关电源的各个模块进行了介绍，主要介绍了各模块的结构、功能以及相互之间的关系，并对当前开关电源常用的变换器进行了分析。并据此分析，选择相应的电路元器件。

2.1 开关电源系统概述

由第1章可知，开关电源由四个基本环节组成，分别是DC/DC变换器、驱动器、信号源、比较放大器。然而该系统设计中还应有辅助电路，主要为控制电路部分，其功能是产生电路所需的控制脉冲和提供各种保护。该系统结构框图如图2-1所示。

图2-1 开关电源结构框图

开关电源的主电路通过输入整流滤波、DC/DC变换、输出整流滤波将交流电压转换为所需的直流电压。由图2-1可知，开关电源主回路由以下三部分组成：

输入整流滤波电路。其作用是将交流电通过整流模块变成具有脉冲的直流电，然后通过滤波电容将其变为较平滑的直流电。

功率开关电路。其作用是将滤波得到较平滑的直流电变为高频的方波电压，再通过高频变压器送到输出端。

输出滤波回路。其作用是将高频方波电压转变成为所需要的直流电压或者电流。

由于控制电路部分在整个电源中起到首脑的作用，控制整个系统工作并实现相应的保护功能。所以，开关电源主回路进行正常的功率变换所需的触发脉冲是由系统的控制电路部分提供的。一般情况下，控制电路都具有控制脉冲产生电路、驱动电路、电压反馈控制电路等功能。

2.2 DC/DC变换器的选择

将一种直流电压变换成另一种直流电压（可调或固定）的过程称为DC/DC变换，DC/DC变换是开关电源的主要功能之一，随着电子技术的发展，DC/DC变换专用电路成为设计者常用的器件，称之为DC/DC变换器。

因为DC/DC变换器的输入电压较大，对开关器件而言选择全桥式电路比较合适。全桥式电路可以使变压器磁芯和绕组得到最优利用；使效率等得到优化。

另外，当功率开关器件安全运行时，最大反向电压不会超过加在输入整流滤波电路两端的输出电压。但是，由于系统中的功率元器件比较多的缘故，功率损耗也会很大。

现在，全桥式变换器常用的有硬开关式、谐振式以及移相式。

2.2.1 硬开关式全桥变换器

硬开关式PWM电路（如图2-2）具有结构简单、控制方便的优点。在硬开关式PWM电路中，开关管工作在硬开关状态，为了保证不必要的损耗，同时使功率器件正常运行，经常加入缓冲电路，如RC吸收网络。但是系统总的损耗并没有减少，只是单纯地将开关损耗转移到了缓冲电路中。而且频率也会对开关损耗造成一定的影响。所以，当开关器件在高频下运行时，器件中的极间电容将占有不可忽略的地位。因为极间电容在进行电压转换时会产生较强的电磁干扰，影响开关电源系统的正常运行。

图2-2硬开关式全桥变换电路

2.2.2 谐振式全桥变换器

硬开关式电路在频率较高时受到的影响较大，所以，我们可以考虑应用谐振式软开关电路。与硬开关式全桥电路相比，它主要增加了谐振电感和谐振电容两个元件。其主要作用是利用谐振作用控制开关器件的导通或关断。谐振变换电路的其基本结构是通过开关器件和谐振电感、谐振电容的串并联实现的。其基本电路结构如图2-3所示。

（a ）零电流开关

（b ）零电压开关

图2-3谐振电路的基本结构图

由图2-3(a )可知为一ZCS 开关，是通过谐振元件和开关器件的串联来实现的。当开关管导通时，谐振网络接通并产生谐振，此时电流按正弦规律变化，当电流谐振到零时，令开关管关断，使谐振停止。

由图2-3(b )可知为ZVS 开关，是通过谐振元件和开关管的并联实现的。当

开关管关断时，谐振元件串联并产生谐振，此时电压按正弦规律变化，当电压谐振过零时，将开关管S导通。

采用谐振式全桥变换电路，可以大大提高开关电源工作的安全性。因为负载对谐振变换电路的影响较大，所以为了保证输出直流电压稳压的方式，采用了脉冲频率调制(PFM)。

2.2.3 移相式全桥变换器

由于移相控制全桥变换电路具有移相控制实现方便、开关损耗小、可靠性高等优点，已经普遍的应用在大功率应用场合中。其功能是指保持每个开关管的导通时间不变，每个桥臂的功率管互补导通成180°，两个桥臂的导通角相差一个相位。因此它是通过调节移相角的大小来调节输出电压的。除此之外，它还利用谐作用振来实现零电压或零电流的开关换流。

由以上分析可知，采用移相式全桥变换电路较好。

2.3 控制电路的设计

由于DC/DC变换器的正常工作运行是需要控制电路提供适当的驱动脉冲的，所以控制电路在开关电源系统中是不可或缺的。如果控制电路输出的触发信号不稳定，或者误触发，则会导致短路，损坏开关器件。

由各电路的功能，我们可以将控制电路部分分为脉冲触发电路、反馈控制电路、保护电路等部分（如图2-4）。我们从图2-4中可以看出，脉冲产生电路是由保护电路和软启动电路控制产生脉冲信号，然后经过触发电路作用于电源的主电路。

电源主电路

触发电路

脉冲产生电路软启动电路保护电路电压反馈控制电

路

辅助电路

图2-4 开关电源控制电路框图

电压反馈控制通过检测电压的大小，对输出电压进行采样，然后将采样电压与参考电压进行比较得到一个电压误差，再将电压误差进行处理后送给脉冲产生电路，从而调节输出脉冲的脉宽，实现输出电压稳压的目的。

驱动电路作为执行部分，其工作原理是将控制电路输出的PWM 脉冲信号驱动大功率开关管。由于所提供的脉冲幅度以及波形会影响开关管的开关过程，所以，应该选择适当的驱动电路。

因为电源的输出滤波电容较大，开始时会产生非常大的充电电流。它不仅使开关管有可能损坏，而且也会引起过流保护装置误动作。若为了避过流保护的误动作而将保护电路的动作时间延长，这将会降低过流保护的安全可靠性。输出电压在合闸时容易出现过冲，这种过冲，合闸时可能发生，在关闭电源时也可能产生。因此，软启动电路可以消除这种冲击，在启动时提供一个逐渐上升的电压信号给脉冲产生电路，使其得到缓冲而慢慢建立起电压。

为了提高安全可靠性，开关电源保护电路的功能为过流保护、过压保护、欠压保护、温度保护。其中，过流保护和过压保护是为了保护负载和电源两者而设置的；欠压保护和温度保护是为了电源本身而设置的。

2.4 整流滤波电路的设计

整流滤波包括输入和输出整流滤波，可以提高电压或者电流的稳定度。

2.4.1 输入整流滤波回路

本文设计的是1000W大功率电源。为了减小电源的输入滤波电容，本文使用的输入整流滤波是通过三相桥式整流和谐振元件组成。

2.4.2 输出整流滤波回路

在大功率电源的设计中，常用的输出整流滤波分为桥式整流和全波整流。桥式整流电路相比较于全波整流除了适合输出电压比较高的电路之外，还具有使变压器结构简单和降低整流管电压的作用，所以桥式整流电路在输出滤波上更好。

第3章开关电源主电路的设计

3.1 开关电源的设计要求

本文设计的大功率开关电源主要应用于电力系统的高频开关电源，确定技术指标如下:

1.输入电压:380V±20%；

2.电网频率:50Hz±10%；

3.功率因数:0.93以上；

4.输入过压告警:437V±5V；

5.输入欠压告警:320V±5V；

6.输出标称电压:220V；

7.输出电压范围:176-286V；

?为10mV；

8.输出纹波电压:V o

9.输出额定电流:5A；

10.输出过压保护:325V±5V；

11.输出欠压保护:195V±5V；

在该课题的设计过程中，主要对大功率开关电源的工作原理、电路结构作了分析，并结合开关电源的相关参数，确定并设计出了开关电源的电路结构。

3.2 电路结构框图

通过对大功率开关电源设计的任务要求，我们对选取的方案作了一些验证和比较。通过图3-1可以看出主电路和控制电路的基本组成。其中，主电路包括输入整流滤波、高频逆变和输出整流滤波三个部分。控制电路

包括监控单元、控制和保护单元、辅助电源和反馈四个部分。

图3-1开关电源的电路结构框图

经过分析比较和电路元器件的选择后作具体的电路设计，如图3-2所示。该电路分为输入整流滤波电路、单相逆变桥和输出整流滤波电路。

三相交流输入电首先要经过EMI 整流滤波，其作用主要是是滤除功率管开关产生的电压电流尖峰和毛刺，减小对系统的干扰。然后再将信号送到全桥整流滤波电路，它采用了LC 滤波，其主要作用是延长了电流导通时间，限制了电流峰值，从而达到提高电源的输入功率因数的目的。除此之外，电阻1R 和2R 存在的目的是为了平衡串联电容上的电压，维持系统稳定。而高频电容与电解电容的并联是为了滤除高频谐波，同时也弥补了电解电容在高频特性方面的不足。

图3-2开关电源的电路结构图

为了满足高压、高功率的要求，在单相逆变桥电路中选择使用绝缘栅双极晶体管（IGBT ）。其中，电容C7和C8并联在两个桥臂之间，起到了降低两个桥臂之间的尖峰的干扰的作用。电感L2和电容C16、C17、C18起到了防止变压器T2的直流偏磁的作用。为了检测原边电流是否满足要求，变压器的原边需要添加交流互感器。

在输出整流滤波电路中，选择全桥整流滤波电路，以满足高压的要求。其中，高频滤波电感L4，电解电容（C9、C11、C15）和高频电容（C10、C14）是为了滤除高频谐波分量。共模电感L3，Y 电容（C12、C13）是为了抑制共模分量。电流采样电阻和输出二极管D3是为了防止电池电流反灌。

3.3 输入整流滤波电路

该电源的输入整流滤波电路为整流桥电路和输入滤波电路两部分。

3.3.1 整流桥电路

工作频率为50Hz ，输入电压为380V 三相交流电压，采用三相整流桥。

（1）耐压

整流桥输入电压的最大值

V U U in in 4562.13802.1m ax .=?=?= （3-1）

整流二极管的电压峰值为

V U in 8.644%)201(38022max .=+??= （3-2）

选取的裕量为50%时V 2.967%)501(8.644=+?

根据整流桥的实际电压参数，我们选择耐压为1200V 的整流桥。

（2）额定电流

因为电源的效率会随着输入功率的变化而变化，所以我们应选择电源的效率的最小值。因此，选择的电源效率为80%。

输入功率为