1.1開關(guān)電源的國外的發(fā)展及現(xiàn)狀
開關(guān)電源在通訊系統(tǒng)中得到了廣泛的運用，并已成為現(xiàn)代通訊供電系統(tǒng)的干流，而通訊業(yè)的迅速發(fā)展又極大地推動了開關(guān)電源的發(fā)展。在通訊領(lǐng)域中，一般將高頻整流器稱為一次電源而將直流-直流(DC/DC)改換器稱為二次電源。一起,開關(guān)電源也在各種電子信息設(shè)備中，如計算機、充電電源等得到了廣泛的運用。
自1957年第一只可控硅(SCR)面世后，可控健取代了粗笨而且功率低下的硒或氧化亞銅整流器材，可控硅整流器就作為通訊設(shè)備的一次電源運用。在隨后的20年內(nèi)，由于半導(dǎo)體工藝的前進，可控硅的電壓、電流額外值及其它特性參數(shù)得到了不斷前進和改進，滿意了通訊設(shè)備不斷發(fā)展的需求，囚此，直到70時代，發(fā)達國家還一向?qū)⒖煽毓枵髌髯鳛榇蠖鄶?shù)通訊設(shè)備的一次電源運用。
盡管可控d整流器作業(yè)安穩(wěn)，能滿意通訊設(shè)備的要求，但它是相控電源，作業(yè)于工頻，有龐人粗笨的電源變壓器、電感線圈、濾波電容，嗓聲人，功率低，功率因數(shù)低，穩(wěn)壓精度也較低。因而，自1947年肖克萊創(chuàng)造晶體管，并在隨后的幾年內(nèi)對品體管的質(zhì)量和功用不斷完善前進后，人們就著力研討運用的體管進行高頻改換的方案。1955年美國羅耶(GH·Roger)創(chuàng)造的自激振動推挽晶體管單變壓器直流改換器，是完結(jié)高顏轉(zhuǎn)換電路的開端,1957年美國查賽(.J.J·JenSen)又創(chuàng)造了白激式推挽雙變壓器改換器電路。在此基礎(chǔ)上，1964年，美國科學(xué)家提出了取消工頻變壓器的串聯(lián)開關(guān)電源的想象，并在NEC雜志土發(fā)表了“脈寬調(diào)制運用于電源小型化”等文章，為使電源完結(jié)體積和重量的大幅下降供給了一條根本途徑,
跟著大功率硅品體管的耐壓前進和二極管反向康復(fù)時刻的縮短等元器材功用的改進，1969年終于做成了25RIz的開關(guān)電源。電源界把開關(guān)電源的頻率前進到20KHz以上稱為電源技能的“20KHz革新”。經(jīng)過幾年的努J，從開關(guān)屯源的電路拓撲型式到相配套的元器材等研討都取得了恰當(dāng)大的發(fā)展。在電路拓撲型式上開發(fā)出了單端貯能式反激電路、雙反激電路、單端正激式電路、雙正激電路、推挽電路、半橋電路、全橋電路，以適應(yīng)不同運用場合、不同功率層次的需求;在元器材方面，功率晶體管和整流二極管的功用也有了較人的前進。1976年美國硅通用公司第一個做出了型號為SGl52A的脈寬調(diào)制(PWM，PulseWidthModulation)操控芯片，極大地前進了開關(guān)電源的牢靠性，并進一步減小了體積。
在隨后的兒年中，大功率晶體管(GTR)和功率場效應(yīng)管(MOSFET)相繼被研發(fā)出來，其電壓、電流額外值大為前進，作業(yè)頻率也前進較多，牢靠性也明顯添加。到80時代中后期，絕緣柵雙極性晶休管(IGBT)已研發(fā)出來并投入了市場，各種通訊設(shè)備所需的一次電源大多采納PWM集成操控芯片、雙極型晶體管、場效應(yīng)管、絕緣柵雙極晶體管。
跟著微電子學(xué)的發(fā)展和元器材出產(chǎn)技能的前進，相繼開發(fā)出了耐壓高的功率場效應(yīng)管(VMOS管)和高電壓、大電流的絕緣柵雙極性品體管(IGBT)，具有軟康復(fù)特性的大功率高頻整流管，各種用處的集成脈寬調(diào)制操控器和高功用的鐵氧體磁芯，高頻用的電解電容器，低功耗的聚丙烯電容等。首要元器材技能功用的前進,為高頻開關(guān)電源向大功率、高功率、高牢靠性方向發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。
跟著通訊用開關(guān)電源技能的廣泛運用和不斷深化，實踐作業(yè)中人們對開關(guān)電源提出了更高的要求，提出了運用技能的高頻化、硬件結(jié)構(gòu)的模塊化、軟件操控的數(shù)字化、產(chǎn)品功用的綠色化、新一代電源的技能含量大大前進，使之更加牢靠、安穩(wěn)、高效、小型、安全。在高頻化方面，為前進開關(guān)頻率并戰(zhàn)勝一般的PWM和準諧振、多諧振改換器的缺陷，又開發(fā)了相移脈寬調(diào)制零電壓開關(guān)諧振改換器，這種電路戰(zhàn)勝了PM辦法硬開關(guān)構(gòu)成的較人的開關(guān)損耗的缺陷，又完結(jié)了恒頻I.作，戰(zhàn)勝了準諧振和多諧振改換器作業(yè)頻率改變及電壓、電流起伏大的缺陷。選用這種Ⅰ.作原理，人人減小了開關(guān)管的損耗，不光前進了功率也前進了I作頻率，減小了體積，更重要的是降低了改換電路對分布參數(shù)的最感性,拓寬了開關(guān)器材的安全作業(yè)區(qū),在必定程度上降低了對器什的要求，從而明顯前進了開關(guān)電源的牢靠性。
1.2國內(nèi)開關(guān)電源的發(fā)展及現(xiàn)狀
建國初期，我國郵電部門的科研技能人員開發(fā)了以國產(chǎn)大功率電動發(fā)電機組為主的成套設(shè)備作為通訊電源。在引進原民主德國FGD系列和前蘇聯(lián)BCC51系列白動化硒整流器基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)國外先進技能，與T.廠一起研發(fā)成功國產(chǎn)XZL系列白動化硒整流器，并在武漢通訊電源廠批量出產(chǎn),開端用硒整流器裝備通訊局(站)，替換原有的電動發(fā)電機組，這標志著我國國產(chǎn)通訊電源設(shè)備躍到一個新的水平。
但后來，我國的通訊電源發(fā)展恰當(dāng)緩慢。1963年開端研發(fā)和選用可控硅(SCR)整流器,1965年著手研發(fā)逆變器和晶休管直流—直流(DC/DC)改換器，其時與發(fā)達國家比較只落后五六年.后由于十年動亂，研發(fā)作業(yè)一向停滯不前，除了可控硅整流器丁1967年在武漢通訊電源廠開端構(gòu)成系列化出產(chǎn)，供通訊設(shè)備作一次電源運用，并不斷得到改進，功用和質(zhì)量逐步前進外，其它方面發(fā)展非常緩慢。一向到80時代才開端出產(chǎn)20KHzDC/DC改換器，但由于受元器材功用的影響，質(zhì)量很不安穩(wěn)，無法作為通訊設(shè)備的一次電源運用。只是作為通訊設(shè)備的二次電源運用(二次電源對元器材的耐壓及電流要求較低)。直到上世紀90時代初，我國大多數(shù)通訊設(shè)備所用的一次電源仍然是可控硅整流器。這種電源作業(yè)于工頻50Hz，有龐大的工頻變壓器、電感線圈、電解電容等，粗笨龐人、功率低、噪聲人、功用指標低，不易完結(jié)會集監(jiān)控。
由于通訊作業(yè)發(fā)展的需求，八十時代后期，郵電部加強了通訊電源技能發(fā)展的各項工.作，制訂了“通訊基礎(chǔ)電源系統(tǒng)設(shè)備系列暫行規(guī)定”，“通訊局(站)電源系統(tǒng)總技能要求”和電源設(shè)備職業(yè)標準等文件，屢次派代表參加世界電信能源會議，并在八十時代后期才第一批引進了澳大利亞出產(chǎn)的48V/50A(開關(guān)頻率為40KHz)和48V/10OA(開關(guān)頻率為20KHz)的高頻開關(guān)電源，在吸收國外先進技能的基礎(chǔ)上，投入較大的力氣，開端研發(fā)白己的開關(guān)電源。郵電部武漢電源廠、通訊儀表廠等廠家開發(fā)出了自己的以PWM辦法作業(yè)的開關(guān)電源,并推向電信職業(yè)運用，取得了較好的效果.隨后郵電部對電源提出了更新?lián)Q代和完結(jié)監(jiān)控(包括長途監(jiān)控)的要求，眾多廠家都投入力氣研發(fā)開發(fā)，推出了選用PWM技能的高頻開關(guān)電源，有些廠家還推出了完結(jié)長途監(jiān)控的處理方案，短短幾年后，電信部門所用的一次通訊電源幾乎都更換成了選用PWM集成操控芯片、大功率品體管、功率場效應(yīng)管、絕緣柵雙極晶體管的半橋或全橋電路,其開關(guān)頻率為幾十~~100KH7、功率高于90%、功率因數(shù)挨近1。穩(wěn)壓精度優(yōu)于0.5%,模塊化組合的高頻開關(guān)電源，電信職業(yè)成套電源技能前進到了一個簇新的水平。
總的說來,開關(guān)電源的發(fā)展趨勢為:繼續(xù)向高頻、高效、高牢靠、高密度化、低耗、低噪聲、抗攪擾和模塊化發(fā)展。
系統(tǒng)的全體剖析和挑選
本章從全體上對開關(guān)電源的各種功用模塊進行了介紹，首要論述了各模塊的結(jié)構(gòu)、功用以及相互之間的聯(lián)系，其中要點介紹了主改換器和操控電路，對當(dāng)時開關(guān)電源常用的改換器的結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺陷、適用規(guī)模等進行了剖析，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合本文的實踐狀況，挑選了適宜的改換器結(jié)構(gòu);在操控電路部分，介紹了開關(guān)電源操控電路各操控單元的功用以及完結(jié)辦法。最終對開關(guān)電源整流濾波電路進行了簡略介紹。
2.1系統(tǒng)全體概述
依照各部分的功用劃分，從人的方面講，開關(guān)電源可分紅:機箱(或機殼)、電源主電路、電源操控電路二部分。機箱既可起到固定的作用，也可起到屏蔽的作用。電源的主電路是擔(dān)任進行功率轉(zhuǎn)換的部分，經(jīng)過恰當(dāng)?shù)牟倏仉娐纺軌驅(qū)⑹须娹D(zhuǎn)換為所需的直流輸出電壓。而操控電路則依據(jù)實踐的需求發(fā)生主電路所需的操控脈沖和供給各種維護功用。開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖可如圖2-1所示。
從圖中能夠看出，這兒部分是相得益彰的統(tǒng)一全體。在電源的研發(fā)和開發(fā)進程中有必要對每一部分都進行認真的剖析和研討，才能使所研發(fā)的開關(guān)電源滿意規(guī)劃要求。
電源主電路經(jīng)過輸入整流濾波、DC-DC改換、輸出整流濾波將市電轉(zhuǎn)為所需求的直流電壓。開關(guān)電源的主回路能夠分為:輸入整流濾波回路、功率開關(guān)橋、輸出整流濾波三部分。輸入整流濾波回路將溝通電經(jīng)過整流模塊改換成含有脈動成分的直流電，然后經(jīng)過輸入濾波電容使得脈動直流電變?yōu)檩^滑潤的直流電。功率開關(guān)橋?qū)V波得到的直流電改換為高頻的方波電壓，經(jīng)過高頻變壓器傳送到輸出側(cè)。最終，由輸出整流濾波回路將高頻方波電壓濾波成為所需求的直流電壓或電流，主回路進行正常的功率改換所需的觸發(fā)脈沖由操控電路供給。
操控電路是整個電源的大腦，它操控整個裝置作業(yè)并完結(jié)相應(yīng)的維護功用。一般操控電路應(yīng)具有以下功用:操控脈沖發(fā)生電路、驅(qū)動電路、電壓反應(yīng)操控電路、各種維護電路、輔佐電源電路。
為了使開關(guān)電源設(shè)備正常的作業(yè)，使電源的各個組成部分都能發(fā)揮其最大的效能，就有必要讓電源的各個組成部分相互協(xié)調(diào)、相互協(xié)作、在電源的研發(fā)與規(guī)劃進程中應(yīng)對這方面的問題給予滿意的重視。
DC-DC改換器的挑選
DC-DC改換器是開關(guān)電源中完結(jié)功率轉(zhuǎn)換的部分。DC-DC改換器的輸入電壓為三相整流電壓，電壓較大，對開關(guān)器材因而選用全橋式電路較為適宜，可使變壓器磁芯和繞組得到最優(yōu)運用，使功率、功率密度等得到優(yōu)化;另一方面，功率開關(guān)在較安全的狀況下運轉(zhuǎn)，最大的反向電壓不會超越輸入整流濾波電路的輸出電壓。可是需求的功率元件較多，在開關(guān)導(dǎo)通的回路上，至少有兩個管的壓降，因而功率損耗也較大。由于三相整流橋供給的直流電壓較高，作業(yè)電流相對較低，這些損耗仍是能夠接受的。現(xiàn)在，常用的全橋式改換器有傳統(tǒng)的硬開關(guān)式、諧振式以及移相式，下面分別簡略介紹一下。
1硬開關(guān)式全橋改換器
硬開關(guān)PWM電路曾以結(jié)構(gòu)簡略、操控便利得到廣泛運用，其電路結(jié)構(gòu)如圖2-2所示.在硬開關(guān)PM電路中開關(guān)管作業(yè)在硬開關(guān)狀況,開關(guān)器材在高電壓下導(dǎo)通，大電流下關(guān)斷，因而,在開關(guān)瞬間必然有天量損耗。因而，常常參加緩沖電路，如IRc吸收網(wǎng)絡(luò)。它能夠約束注冊時的du/dt和關(guān)斷時的di/dt，使功率器材安全正常運轉(zhuǎn)。可是需求注意的是，吸收電路是經(jīng)過把器材自身的開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路中而使器材得到維護的，因而這部分能量最終仍是被消耗了，系統(tǒng)總的損耗沒有減少。并且頻率越高，開關(guān)損耗越大，使系統(tǒng)功率大大降低。另外，開關(guān)器材在高頻下運轉(zhuǎn)時，器材自身的極間電容將成為-個重要參數(shù)。極間電容電壓轉(zhuǎn)換時的du/dt會藕合到輸入端，發(fā)生較強的電磁十?dāng)_，影響電源自身和電網(wǎng)中其他電器設(shè)備的運轉(zhuǎn)。此外，電路寄生電容、電感若構(gòu)成強烈的振動也會影響到設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。
2諧振式全橋改換器
硬開關(guān)式電路在頻率不高時其缺陷還不是很突出，跟著頻率的前進，開關(guān)損耗和電磁攪擾將變成一個非常嚴重的問題，為了處理這一問題，有人提出了諧振式軟開關(guān)的概念。諧振式軟開關(guān)和硬開關(guān)比較，首要是添加了兩個附加心件--諧振電感和諧振電容。運用諧振電感和諧振電容的諧振作用，使開關(guān)器材在正弦波的零電壓或零電流處注冊或關(guān)斷。諧振改換電路有多種拓撲結(jié)構(gòu)，但其根本組成部分仍是經(jīng)過開關(guān)器材和諧振元件I、C之間串聯(lián)或并聯(lián)完結(jié)的，再配以恰當(dāng)?shù)牟倏夭呗詠硗杲Y(jié)開關(guān)器材的零電壓或零電流動作。其根本電路結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。
圖2-3(a)為零電流(7.ero-Current-Switching)開關(guān)，它是經(jīng)過電感I.r和開關(guān)S的串聯(lián)完結(jié)的。Lr和Cr之間的諧振是靠S的導(dǎo)通來鼓勵的，運用Lr和ICr諧振構(gòu)成開關(guān)器材導(dǎo)通期間的正弦波電流波形，電流過零點時行將開關(guān)S關(guān)斷。零電流開關(guān)對于具有存儲效應(yīng)的開關(guān)器什更加有用，如GTR、IGBT。
圖2-3(b)為零電壓(Zero-Voltage-Swilching)開關(guān)，它是經(jīng)過電感Lr和開關(guān)S的并聯(lián)完結(jié)的。I.r和Cr之間的諧振是靠S的關(guān)斷來鼓勵的，利川兒I.r和Cr諧振構(gòu)成開關(guān)器材關(guān)斷期間的正弦波電流波形，電壓過零點時行將開關(guān)S導(dǎo)通。
只需將圖中2-2中的硬開關(guān)換成諧振式軟開關(guān)，即為諧振式全橋改換器。選用諧振全橋改換器，電源工.作的安全性大為前進。可是，諧振式改換器與負載聯(lián)系很大，對負載的改換很敏感，為堅持輸出在各種運轉(zhuǎn)條件下根本不變，有必要選用脈沖頻率調(diào)制(PFM)，因而，高頻變壓器、電感等磁元件要按最低頻率規(guī)劃，不或許做的很小，完結(jié)最優(yōu)規(guī)劃恰當(dāng)困難;另外，其操控電路中需求添加電壓-頻率轉(zhuǎn)換功用，電路要復(fù)雜許多。所以，80時代后期，許多專家進一步研討開發(fā)能完結(jié)恒頻操控的軟開關(guān)技能,兼有諧振改換器和PWM改換器的特色,構(gòu)成了ZCS或ZVSPWM改換技能。
3移相式全橋改換器
近年來，移相操控全橋改換器由于具有恒頻軟開關(guān)運轉(zhuǎn)、移相操控完結(jié)便利、電流和電壓應(yīng)力小、巧妙運用寄生元件等一系列突出長處，倍受各方的廣泛重視.移相操控辦法作為全橋改換器特有的-種操控辦法，它是指堅持每個開關(guān)管的導(dǎo)通時刻不變，同一橋臂兩只管子相位相差180度。對全橋改換器來說，只需對角線上兩只開關(guān)管一起導(dǎo)通時，改換器才輸出功率，所以可經(jīng)過調(diào)理對角線上的兩只開關(guān)管導(dǎo)通重合角的寬度來完結(jié)穩(wěn)壓操控，而在功率器材環(huán)流期間，它又運用變壓器的漏感、功率半導(dǎo)體器材的結(jié)電容或外加的附加電感電容的諧振來完結(jié)零電壓或零電流的開關(guān)換流。
本文依據(jù)實踐技能要求開發(fā)的開關(guān)電源的主電路，應(yīng)該選用移相式全橋改換器的拓撲結(jié)構(gòu)。
2.3操控電路的完結(jié)
操控電路是開關(guān)電源系統(tǒng)的另一重要部分。DC-DC改換器需求操控電路供給恰當(dāng)?shù)尿?qū)動脈沖，才能有用的作業(yè)。假如操控電路不完善，主電路規(guī)劃得再好也無法發(fā)揮其白身的功用，例如;假如操控電路輸出的觸發(fā)信號不安穩(wěn)，或許呈現(xiàn)誤觸發(fā)，有或許引起開關(guān)橋的直通，導(dǎo)致知路，從而損壞開一征u一J
依據(jù)電路功用的分工可將操控電路分為幾大部分:脈沖發(fā)生電路、觸發(fā)電路、電壓反應(yīng)操控電路、軟發(fā)動電路、維護電路、輔佐電源電路等，具體操控電路如圖2-4所示。從圖2-4能夠看出，脈沖發(fā)生電路是操控電路的中心。脈沖發(fā)生電路依據(jù)電壓反應(yīng)操控電路、維護電路以及軟發(fā)動電路等供給的操控信號發(fā)生出所需的脈沖信號，然后該脈沖信號經(jīng)過觸發(fā)電路的擴大后去驅(qū)動開關(guān)元件，使開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷。
電壓反應(yīng)操控電路經(jīng)過檢測電壓的大小，對輸出電壓進行采樣，然后將采樣電壓和參考電壓比較較得出差錯信號，反應(yīng)操控電路將差錯信號進行PI處理后得到一操控電壓。最終，反應(yīng)操控電路將該操控電壓送給脈沖發(fā)生電路，進而調(diào)理輸出脈沖的脈寬到達調(diào)理輸出電壓的意圖。
操控電路輸出的PWM信號，電平幅值和功率才能均不足以驅(qū)動大功率開關(guān)元件，因而挑選適宜的驅(qū)動電路是有必要的。驅(qū)動電路是將操控電路輸出PWM脈沖信號經(jīng)過電阻隔后進行功率擴大和電壓調(diào)整再去驅(qū)動大功半開關(guān)管，由于所供給的脈沖起伏以及波形聯(lián)系到開關(guān)管的開關(guān)進程，直接影響到損耗，所以，應(yīng)該合理規(guī)劃驅(qū)動電路，完結(jié)開關(guān)管的最佳注冊與關(guān)斷。
電源的輸出濾波電容較大，輸出電壓的忽然樹立將會構(gòu)成非常大的電容充電電流，疊加在負載電流上，它不僅使開關(guān)管的負擔(dān)過重而或許損壞，而且，由于持續(xù)時刻長，往往會引起過流維護電路發(fā)生誤動作,若為了避免由此引起的誤動作而將維護電路搞得非常遲鈍，這將會添加過流維護的不安全性。輸出電壓在合閘時簡單呈現(xiàn)過沖，這種過沖,合閘時或許發(fā)生,在關(guān)閉電源時也或許發(fā)生q只需到達滿意的起伏將會給負載構(gòu)成危害，而且，重復(fù)的人電流沖擊對電容器自身也不利，一起還會引起攪擾，因而，開關(guān)電源有必要具有輸出電源軟發(fā)動的功用。軟發(fā)動電路在電源合閘和從頭發(fā)動時供給一個逐步上升的電壓信號給脈沖發(fā)生電路，從而使操控電路的輸出脈沖有一個逐步樹立的進程。
維護電路是操控電路的一個重要組成部分，為了前進電源的牢靠性有必要不斷完善維護電路的功用。當(dāng)時開關(guān)電源電路的首要維護功用有:過流維護、過壓維護、欠壓維護、溫度維護。過流維護和過壓維護是為了維護負載和電源兩者而設(shè)置的,而欠壓維護和溫度維護是為了電源自身而設(shè)置的。
輔佐電源電路的功用是為操控電路供電。輔佐電源的類型有很多種，既能夠選用串聯(lián)線性調(diào)整型電源，也能夠選用開關(guān)電源。輔佐電源也能夠經(jīng)過高頻變壓器獲得輸出后反應(yīng)供給，輔佐電源自身作為開關(guān)電源的一組負載。選取輔佐電源電路方式時，只需該電源能滿意操控電路的要求即可。
整流濾波回路的挑選
整流濾波回路是開關(guān)電源的重要組成部分，它可曾經(jīng)進電壓、電流的安穩(wěn)度，減小攪擾。開關(guān)電源中分別存在輸入和輸出整流濾波回路。
1輸入整流濾波回路
電源額外作業(yè)狀況的技能要求為:輸出電壓220V，輸出電流5A，輸出功率為1.1kw，歸于大功率電源。為了堅持三相溝通電源的對稱性和減小電源的輸入濾波電容等原因，大功率電源一般選用三相電源作為供電電源。因而，本文試驗用電源電路選用三相橋式整流，電感和電容組成輸入整流濾波回路。
2輸出整流濾波回路
在大功率電源中，常用的輸出整流電路有橋式整流電路和全波整流電路。由于本文試驗要求輸出電壓為220V。橋式整流電路適用于輸出電壓較高的場合，還能夠使變壓器結(jié)構(gòu)簡略，下降整流管的電壓定額，所以咱們選用橋式整流電路作為輸出整流電路。輸出濾波電路一般可選用一級濾波也可選用兩級濾波。輸出濾波電路的作用是濾除二次側(cè)整流電路輸出的脈動直流中的溝通成分，得到滑潤的直流輸出。在開關(guān)電源中一般選用一級LC濾波電路，當(dāng)要求輸出紋波很小時，也能夠選用兩級LC濾波電路。
開關(guān)電源主電路的規(guī)劃
開關(guān)電源最重要的兩部分就是主電路和操控電路。本章將依據(jù)大功率直流開關(guān)電源的要求對主電路各部分進行功用剖析并核算各項參數(shù)，依據(jù)核算所得的數(shù)據(jù)成果挑選各元器材，規(guī)劃出各個獨立模塊，最終組裝成開關(guān)電源的主電路。
1開關(guān)電源的規(guī)劃要求
本文規(guī)劃的大功率直流開關(guān)電源首要運用于電力系統(tǒng)的高頻開關(guān)電源，承認技能指標如下:
1．輸入電壓:380V±20%
2．電網(wǎng)頻率:50Hz±10%
3．功率因數(shù):>0.93
4．輸入過壓告警:437V士5V
5．輸入欠壓告警::320V±5V
6.輸出標稱電壓:220VDC
7.輸出電壓規(guī)模:176-286VDC
8．輸出紋波電壓:Ay,10mV9．輸出額外電流:5A
10．輸出過壓維護:325V±5V
11.輸出欠壓維護:195V±5V
12．使于出產(chǎn)和維護
在研討的進程中，主要對大功率開關(guān)直流電源的作業(yè)原理、電路的拓撲結(jié)構(gòu)和運轉(zhuǎn)方式進行了深化研討，并結(jié)合系統(tǒng)的技能參數(shù)，承認系統(tǒng)主電路的拓撲，規(guī)劃出主電路，即分別規(guī)劃出濾波、整流、DCDC改換器、軟發(fā)動和維護操控等部分。下面就對電源主電路的規(guī)劃進行具體闡明。
2主電路組成框圖
依據(jù)需求規(guī)劃大功率開關(guān)電源的技能要求，本文進行了方案的驗證與比較，規(guī)劃如圖3-1所示的軟開關(guān)直流開關(guān)電源的主電路框圖。虛線以上是主電路，主電路首要分為輸入整流濾波、逆變開關(guān)電路、逆變變壓器和輸出整流濾波;虛線以下為操控回路，操控回路首要包括信息檢測電路、操控和維護單元、監(jiān)控單元和輔佐電源。
本電源選用ZVZCS-PWM拓撲，原邊加奔位二極管，三相溝通輸入整流后，加LC濾波，曾經(jīng)進輸入功率因數(shù)，主功率管選用IGBT，操控電路選用UC3875移相操控專川集成芯片，電流電壓雙閉環(huán)操控。具體規(guī)劃主電路如圖3-2所示，包括三個部分:(1)輸入整流濾波電路;(2）單相逆變橋;(3)輸出整流濾波電路.
1輸入整流濾波電路
三相溝通電經(jīng)開關(guān)電源內(nèi)部EMI濾波后，加到整流濾波模塊。EMI濾波器的作用是濾除功率管開關(guān)發(fā)生的電壓電流尖峰和毛刺，減小電源內(nèi)部對電網(wǎng)的攪擾，一起又能減小其他用電設(shè)備經(jīng)過電網(wǎng)傳向電源的攪擾。濾波電路選用LC濾波，電感的作用是拓開電流導(dǎo)通時刻，約束電流峰值，可曾經(jīng)進電源的輸入功率因數(shù)。濾波電容選用四個電解電容，兩個串聯(lián)后并聯(lián)運用，滿意三相整流后的高壓要求。電R1、R2是平衡串聯(lián)電容上的電壓，高頻電容與電解電容并聯(lián)運用，濾除高頻諧波，彌補電解電容高頻特性差的缺陷。
2單相逆變橋
單相逆變橋選用IGBT，以滿意高壓、高功率的要求。無感電容(C7、C8)并聯(lián)在兩橋臂之間，降低兩橋臂之間電壓尖峰的攪擾，諧波電感L;，隔直電容C15﹑C16、C17避免變壓器的直流偏磁，原邊籍位二極管減輕副邊振動，主變壓器起到原、副邊的阻隔、耦合作用，原、副邊各一副繞組，以滿意副邊選用全橋整流的要求，原邊加溝通互感器，檢測原邊電流作維護用。
3輸出整流濾波電路
選用全橋整流滿意開關(guān)電源高壓的要求，高頻濾波電感Lf，電解電容(E5、E6、E7)，高頻電容(C18，C21)濾除高頻諧波重量，共模電感(L2)，Y電容(C19、C20)，按捺共模重量，電流采樣電阻R3~～R5，輸出二極管D14，避免電池電流反灌。
第4章操控電路的規(guī)劃
開關(guān)電源的PWM集成操控器根本原理
PWM集成操控器一般分為電壓型操控器和電流型操控器兩種。電壓型操控器只需電壓反應(yīng)操控，可滿意安穩(wěn)電壓的要求，電流型操控器添加了電流反應(yīng)操控，除了安穩(wěn)輸出電壓外，還有以下長處:
1.當(dāng)流過開關(guān)管的電流到達給定值時，開關(guān)自動關(guān)斷;
2.自動消除工頻輸入電壓經(jīng)整流后的紋波電壓，并開關(guān)電源輸出端300IIz以下的紋波電壓很低，因而u減小輸出濾波電容的容量;
3.多臺開關(guān)電源并聯(lián)作業(yè)時，PWM開關(guān)操控器具有內(nèi)涵的均流才能;
4.具有更快的負載動態(tài)響應(yīng):
開關(guān)電源常用的脈寬調(diào)制(PWM)型集成操控器如圖4-1所示的幾個部分組成。基準電壓和采樣反應(yīng)信號經(jīng)過差錯擴大器比較擴大后，輸出的差值信號和鋸齒波(或三角波)比較，從而改變輸出脈沖的寬度，以完結(jié)穩(wěn)壓。有些操控器儀有一個輸出端，而多數(shù)操控器都設(shè)有用觸發(fā)器和“與”門電路組成的相位分離器，用它來將單-脈沖改換成替換改變的二路脈沖輸出，用于供驅(qū)動推挽和橋式改換器中的功率開關(guān)管，此刻改換器的作業(yè)頻率等于操控器內(nèi)部鋸齒波振動器振動頻率的一半。當(dāng)然也可將操控器的兩路輸出并聯(lián)起往來不斷驅(qū)動單端改換器或串聯(lián)調(diào)整型穩(wěn)壓開關(guān)電源中的功率開關(guān)管，此刻開關(guān)穩(wěn)壓電源的工.作頻率就等于操控器內(nèi)部鋸齒波振動器的頻率。
1高速脈寬調(diào)制器UC3825
依據(jù)咱們所規(guī)劃的開關(guān)電源系統(tǒng)的要求，咱們選的PWM集成操控器為UC3825。下面將具體介紹此芯片的首要特色、作業(yè)原理和運用及調(diào)試。
1首要特色:
適用于電壓型或電流型開關(guān)電源電路;實踐開關(guān)頻率可達1MHz;
輸出脈沖最大傳輸延遲時刻為50ns;
具有兩路大電流推拉式輸出(峰值電流為2A);內(nèi)有寬頻帶差錯信號擴大器;
具有較高的頻率精度并可對死區(qū)進行操控，一起振動器放電電流也可調(diào);帶有雙重按捺脈沖和全封閉邏輯;
具有軟發(fā)動操控;
內(nèi)有逐脈沖限流比較器;
具有全周期再發(fā)動的封閉式過流比較器;
發(fā)動電流很小-+(典型值為10omA):
欠壓確認--16V/10V(B型)
在欠壓確認期間輸出低電:
可調(diào)整的帶隙基準電壓;
可調(diào)的上升沿封閉閥值，可調(diào)低上升沿噪音。
2極限參數(shù):
電源電壓(15，B腳)22N
輸出腳電流(流出或流入)(11，14腳)
直流0.5A
脈沖(0.5ms)2.2A
地線(12腳)-0.2V
模仿輸入
(1，2，7腳)一0.3~-7V
(9，8腳)-0.3~~-6V
時鐘輸出電流(4腳)-5mA
差錯擴大器輸出電流(3腳)5mA
軟發(fā)動電流(8腳)20mA
震動器充電電流(5腳)-5mA
功耗(溫度60℃)lw
貯存溫度規(guī)模-65~~-150℃
焊接溫度(焊接時刻為10s);300℃
(注:所有電壓均以地線電壓為基準;流入管腳的電流為正值。)
3內(nèi)部電路作業(yè)原理
該芯片內(nèi)部電路如圖4-2所示。它由振動器、PWM比較器、限流比較器、過流比較器、基準電壓源、故障鎖存器、軟發(fā)動電路、欠壓確認、PWM鎖存器、輸出驅(qū)動器等組成。咱們將具體介紹各部分的狀況，以理解芯片的作業(yè)原理。
(1振動器
振動電路如圖4-3所示。UC3823A、B和UC3825A、B內(nèi)部都有一個鋸齒波振動器。鋸齒波上升沿的斜率由RT、Cr決議，確認RT、CT的辦法是:首要依據(jù)要求的最大占空比Dmax、挑選RT，再依據(jù)要求的頻率以及RT和Dmax挑選CT計算公式為:
RT的最佳阻值應(yīng)為1～10k2之間,Dmax應(yīng)大于70%。
在實踐的運用中，RT選為6.65k，CT選為2nf，作業(yè)頻率為20OKHZ.。
(2)上升沿封閉
上升沿封閉作業(yè)波形如圖4-4所示，UC3823A、B和UC3825A、B選用固定頻率脈寬調(diào)制。UC3823A、B的兩個輸出端可一起輸出脈沖，輸出脈沖的頻率與振動器頻率持平，脈沖占空比可在0%~100%內(nèi)調(diào)整。UC3825A、B的兩個輸出端替換輸出脈沖，因而，每個輸出端輸出脈沖的頻率是振動器頻率的1/2，振動器的頻率為200KHZ，所以輸出PWM-脈沖的頻率為100KHz，輸出脈沖占空比在0%~一50%以內(nèi)調(diào)整，實踐橋式改換器的運用中一般達不到50%，由于橋式改換器在PWM脈沖的占空比為50%時，由于功率管截止時刻的問題，使得橋臂簡單短路，這在今后的部分將具體介紹。
為了約束最大占空比，在振動電容放電期間，內(nèi)部時鐘脈沖對兩路輸出進行封閉。在時鐘的下降沿，輸出端為高電平。輸出脈沖的下降沿由脈寬調(diào)制比較器、限流比較器和過流比較器聯(lián)合操控。
一般，脈寬調(diào)制比較器檢測出斜坡電壓與操控電壓(差錯擴大器輸出電壓)的交點，并且在該交點處，停止輸出脈沖。由于選用了上升沿封閉，在脈沖前沿的必定時刻內(nèi)，脈寬調(diào)制比較器不起作用。這樣，開關(guān)電源的固有噪聲就能被有用的按捺。一起，由于選用了輸出脈沖上升沿封閉，脈寬調(diào)制器的斜坡輸入就不需求再經(jīng)過濾波。
為了調(diào)整上升沿封閉時刻，CL.K/LEB腳應(yīng)接入電容C，這樣，輸出脈沖前沿封閉時刻就由電容C和內(nèi)部10k電阻確認的放電時刻來決議。
為了更精確操控前沿封閉時刻，可在外部并聯(lián)一個2k2(2%)電阻R。前沿封閉時刻可由下式計算:
tLED-0.5×(R//10k)XC式中，外接電阻R不能小于2kS2。
上升沿封閉也適用于限流比較器。上升沿封閉之后，假如限流(ⅠLIM)腳的電壓超越1V，輸出脈沖就停止。可是，過流比較器不能選用前沿封閉。這樣，才不會囚為前沿封閉而延伸維護時刻，從而能夠及時捕捉過流故障。在任何時刻，只需限流(ILIM)腳的電壓超越1.2V,故障封閉就起作用,從而使輸出端變?yōu)榈碗娖健榇耍谙蘖?/span>(ⅠLIM)腳需接入噪音濾波電容器。
(3）欠壓確認、軟發(fā)動以及故障處理
軟發(fā)動和故障處理波形如圖4-5所示。軟發(fā)動是經(jīng)過軟發(fā)動(SOFT,START)腳的外接電容完結(jié)的。接通電源后，軟發(fā)動腳外接電容放電,該腳處于低電平，差錯擴大器輸出低電平，開關(guān)電源無輸出電壓。當(dāng)9uA的內(nèi)部電流源給軟發(fā)動腳外接電容充電時，差錯放人器輸出電壓逐步升高，直到閉環(huán)調(diào)理功用開端T.作，開關(guān)電源輸出電壓逐步升高到額外值。一旦限流(ILIM)腳的電平超越1.2V，故障鎖存器置位，輸出腳變?yōu)榈碗娖?/span>;一起，軟發(fā)動腳外接電容以250uA的電流放電。在軟發(fā)動電容放完電后，限流腳電平降到1.2V以下時，故障鎖存器就不輸出脈沖。這時，故障鎖存器復(fù)位，芯片開端軟發(fā)動進程。
在軟發(fā)動期問，假如故障鎖存器置位，輸出會立即間斷。可是軟發(fā)動腳外接電容在足夠電之前不會放電。這樣，在故障接連呈現(xiàn)的狀況下，輸出就會呈現(xiàn)一個間斷期。
(4)大電流輸出電路
功率MOSFET驅(qū)動電路如圖4-6所示。UC3825推拉式輸出電路的每個輸出端都可輸出峰值為2A的電流。該輸出電流在20ns內(nèi)可使1000pF電容兩端的電壓上升15V。選用獨立的集電極電源Uc和功率地線PGND腳，能夠減小大功率門極驅(qū)動噪聲對集成電路內(nèi)模仿電路的攪擾。每個輸出端(OUT)到Uc和PGND之間，都應(yīng)參加一只3A的肖特基二極管(IN5120，USID245或相同功用的器材),如圖4-6所示。該二極管可將輸出電壓的幅值鉗位在電源電壓，這對任何電感性和電容性負載都是必要的。
4.3UC3825的調(diào)試
UC3825是操控電路的中心，經(jīng)過前面的介紹，咱們知道，這種PWM集成操控器集成了很多的功用,曾經(jīng)需求用分立單元完結(jié)的功用，現(xiàn)在都能夠經(jīng)過UC3825來完結(jié)，它的-般用法如圖5-7所示。
圖4-7中，VREF為參考電壓，在咱們規(guī)劃的電路中的用處是供給線性光耦合器操控部分的電壓;RT和CT用來調(diào)理PWM的最人占空比Dmax和振動頻率;輸入是從端口2進入，OutA和OutB是PWM信號的輸出端口，信號的幅值由端口13的vc決議。OutA和lOutB輸出的兩個PWM信號是相互之間有死區(qū)時刻的互補信號。經(jīng)過試驗咱們測得端口2的數(shù)值規(guī)模為:0.945V~一2.132V，依據(jù)系統(tǒng)的具體狀況，最大占空比咱們規(guī)劃為Dmax—40%，由于功率MOSFFT的截止時刻比導(dǎo)通時刻長，假如Dmax過大，將會導(dǎo)致橋臂短路的狀況。
經(jīng)過試驗可知,UC3825的2腳輸入和outA.、outB輸出的PWM脈沖信號的占空比是滿意線性聯(lián)系的。具休試驗數(shù)據(jù)如表4-1所示。咱們界說UC3825的2腳輸入為v2,輸出的PM信號占空比為D。從表41中的數(shù)據(jù)能夠看出,端口2的數(shù)值范鬧為:0.945V~-2.132v，而PWM脈沖信號的占空比在0%~-40%之間改變，與上述的結(jié)論是吻合的。
