高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

1、目 錄1緒論1 1.1高頻開(kāi)關(guān)電源概述1 1.2意義及其發(fā)展趨勢(shì)22高頻開(kāi)關(guān)電源的工作原理32.1 高頻開(kāi)關(guān)電源的基本原理32.2 高頻開(kāi)關(guān)變換器5 2.2.1 單端反激型開(kāi)關(guān)電源變換器5 2.2.2 多端式變換器62.3 控制電路83高頻開(kāi)關(guān)電源主電路的設(shè)計(jì)9 3.1 PWM開(kāi)關(guān)變換器的設(shè)計(jì)9 3.2 變換器工作原理10 3.3 變換器中的開(kāi)關(guān)元件及其驅(qū)動(dòng)電路11 3.3.1 開(kāi)關(guān)器件11 3.3.2 MOSFET的驅(qū)動(dòng)11 3.4 高頻變壓器的設(shè)計(jì)13 3.4.1 概述13 3.4.2 變壓器的設(shè)計(jì)步驟13 3.4.3 變壓器電磁干擾的抑制15 3.5 整流濾波電路15 3.5.1 整流電

2、路15 3.5.2 濾波電路16 4 總結(jié)19參考文獻(xiàn)20 1 緒論1.1高頻開(kāi)關(guān)電源概述 八十年代,國(guó)內(nèi)高頻開(kāi)關(guān)電源只在個(gè)人計(jì)算機(jī)、電視機(jī)等若干設(shè)備上得到應(yīng)用。由于開(kāi)關(guān)電源在重量、體積、用銅用鐵及能耗等方面都比線性電源和相控電源有顯著減少,而且對(duì)整機(jī)多相指標(biāo)有良好影響,因此它的應(yīng)用得到了推廣。近年來(lái)許多領(lǐng)域,例如電力系統(tǒng)、郵電通信、軍事裝備、交通設(shè)施、儀器儀表、工業(yè)設(shè)備、家用電器等都越來(lái)越多應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源,取得了顯著效益。究其原因,是新的電子元器件、新電磁材料、新變換技術(shù)、新控制理論及新的軟件(簡(jiǎn)稱五新)不斷地出現(xiàn)并應(yīng)用到開(kāi)關(guān)電源的緣故。五新使開(kāi)關(guān)電源更上一層摟,達(dá)到了頻率高、效率高、功率密度

3、高、功率因數(shù)高、可靠性高(簡(jiǎn)稱五高)。有了五高,開(kāi)關(guān)電源就有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力,應(yīng)用也更為擴(kuò)大,反過(guò)來(lái)又遇到更多問(wèn)題和更實(shí)際的要求。這些問(wèn)題和要求可歸納為以下五個(gè)方面: (l)能否全面貫徹電磁兼容各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)? (2)能否大規(guī)模穩(wěn)定生產(chǎn)或快捷單件特殊生產(chǎn)? (3)能否組建大容量電源? (4)電氣額定值能否更高(如功率因數(shù))或更低(如輸出電壓)? (5)能否使外形更加小型化、外形適應(yīng)使用場(chǎng)所要求? 這五個(gè)問(wèn)題是開(kāi)關(guān)電源能否在更廣泛領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵,是五個(gè)挑戰(zhàn)。(簡(jiǎn)稱五挑戰(zhàn))把挑戰(zhàn)看成開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的動(dòng)力和機(jī)遇,一向是電源科技工作者的態(tài)度。以功率因數(shù)為例,AC-DC開(kāi)關(guān)電源或其他電子儀器輸入端產(chǎn)生功率因數(shù)下降

4、問(wèn)題,用什么辦法來(lái)解決?毫無(wú)疑問(wèn),利用開(kāi)關(guān)電源本身的工作原理來(lái)解決開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用中產(chǎn)生的問(wèn)題是最積極的態(tài)度。實(shí)踐中,用DC-DC開(kāi)關(guān)電源和有源功率因數(shù)校正的開(kāi)關(guān)電源,(成本比單機(jī)增加20%):成功解決了這個(gè)問(wèn)題?，F(xiàn)在,又進(jìn)一步發(fā)展成單級(jí)有功率因數(shù)校正的開(kāi)關(guān)電源,(成本只增加5%);在三相升壓式單開(kāi)關(guān)整流器中減少諧波方法,有人采用注入六次諧波調(diào)脈寬控制,抑制住輸入電流的五次諧波,解決了電流諧波畸變率小于100k的要求。1.2意義及其發(fā)展趨勢(shì) 發(fā)電廠和變電所中,為了供給控制、信號(hào)、保護(hù)、自動(dòng)裝置、事故照明、直流油泵和交流不停電電源裝置等的用電,要求有可靠的直流電源。為此,發(fā)電廠和ll0KV以上的變電

5、所通常用蓄電池作為直流電源,對(duì)上述的電源要求有高度的可靠性和穩(wěn)定性,電源容量和電壓質(zhì)量均應(yīng)在最嚴(yán)重的事故情況下保證用電設(shè)備的可靠工作。根據(jù)電力系統(tǒng)的要求,蓄電池直流系統(tǒng)的電壓等級(jí)為:1、控制負(fù)荷專用的蓄電池組的電壓采用11OV。2、動(dòng)力負(fù)荷和直流事故照明專用的電壓采用220V。3、國(guó)內(nèi)的發(fā)電廠和變電所的直流電壓大多采用220V。 所以,22OV直流電源在電力系統(tǒng)的操作電源系統(tǒng)中占有非常重要的地位。高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)目前,直流電源主要包括三種:相控電源、線性電源、開(kāi)關(guān)電源。相控電源即相位控制型穩(wěn)壓電源,它的主要原理就是將市電直接經(jīng)過(guò)整流濾波提供直流,由改變晶閘管的導(dǎo)通相位角來(lái)控制整流器的輸出電壓

6、,所以如果采用適當(dāng)?shù)目刂齐娐肥咕чl管的導(dǎo)通相位根據(jù)輸入電壓或負(fù)載電流變化自動(dòng)調(diào)整,整流器的輸出電壓就能穩(wěn)定不變。線性電源也是一種常用的穩(wěn)壓電源,通過(guò)串聯(lián)調(diào)整管可以連續(xù)控制,它的功率調(diào)整管總是工作在放大區(qū),流過(guò)的電流是連續(xù)的。線性穩(wěn)壓電源通常包括:調(diào)整管、比較放大器、反饋采樣部分以及基準(zhǔn)電壓部分。開(kāi)關(guān)電源的功率調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),功率損耗小,效率高,由于開(kāi)關(guān)工作頻率高,變壓器的體積大大減小,濾波電感、電容數(shù)值較小。 在目前的電力系統(tǒng)中,大部分用的都是相控電源,但是,相控電源用的是工頻變壓器,體積大,而且輸出電壓的紋波系數(shù)大,監(jiān)控系統(tǒng)不完善,采用主從備份方式,用戶使用不方便,對(duì)電力系統(tǒng)新的要求也

7、達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn),另外,由于充電設(shè)備與蓄電池并聯(lián)運(yùn)行,紋波系數(shù)較大,會(huì)出現(xiàn)蓄電池脈動(dòng)充電放電,影響蓄電池的使用壽命。而高頻開(kāi)關(guān)電源體積小、重量輕、頻率高、輸出紋波小、模塊疊加、N+1熱備份設(shè)計(jì)、便于計(jì)算機(jī)管理等優(yōu)點(diǎn),符合現(xiàn)代電源的潮流。所以,電力系統(tǒng)中的操作電源有高頻開(kāi)關(guān)電源取代相控電源的趨勢(shì)。 2 高頻開(kāi)關(guān)電源的工作原理2.1 高頻開(kāi)關(guān)電源的基本原理 高頻開(kāi)關(guān)電源是將交流輸入(單相或三相)電壓變成所需的直流電壓的裝置?；镜母綦x式高頻開(kāi)關(guān)電源的原理框圖如圖2-1-1所示,高頻開(kāi)關(guān)電源主要由輸入電網(wǎng)濾波器、輸入整流濾波器、高頻變換器、輸出整流濾波器、控制電路、保護(hù)電路、輔助電源等幾部分組成。其基本原

8、理是:交流輸入電壓經(jīng)電網(wǎng)濾波、整流濾波得到一直流電壓,通過(guò)高頻變換器將直流電壓變換成高頻交流電壓,再經(jīng)高頻變壓器隔離變換,輸出所需的高頻交流電壓,最后經(jīng)過(guò)輸出整流濾波電路,將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的高質(zhì)量、高品質(zhì)的直流電壓。 圖 2-1-1 開(kāi)關(guān)電源基本原理框圖 以全橋式變換器高頻開(kāi)關(guān)電源為例,圖2-1-2表示了交流輸入電壓到最后輸出所需直流電壓的各環(huán)節(jié)電壓波形變換流程。 圖 2-1-2 高頻開(kāi)關(guān)電源的波形變化 下面就圖2-1-1中每一部分的作用、原理分別簡(jiǎn)述如下:(1)輸入電網(wǎng)灘波器:消除來(lái)自電網(wǎng)的各種干擾,如電動(dòng)機(jī)起動(dòng),電器開(kāi)關(guān)的合閘與關(guān)斷,雷擊等產(chǎn)生的尖峰干擾。同時(shí)也防

9、止開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴(kuò)散而污染電網(wǎng)。一個(gè)典型的三相輸入電網(wǎng)濾波器如圖2-1-3所示: 圖 2-1-3 三相電網(wǎng)濾波器示意圖(2)輸入整流濾波器:將電網(wǎng)輸入的交流電進(jìn)行整流濾波,為變換器提供波紋較小的直流電壓。而且,當(dāng)電網(wǎng)瞬時(shí)停電時(shí),濾波電容器儲(chǔ)存的能量尚能使開(kāi)關(guān)電源輸出維持一定的時(shí)間。對(duì)三相交流電輸入,其典型電路如圖2-1-4所示: 圖 2-1-4 輸入整流濾波器電路圖(3)高頻開(kāi)關(guān)變換器(DCAC):它是開(kāi)關(guān)電源的關(guān)鍵部分。它把直流電壓變換成高頻交流電,經(jīng)過(guò)高頻變壓器再變成所需要的隔離輸出交流電壓。(4)輸出整流濾波:將變換器輸出的高頻交流電壓濾波得到需要的直流電壓。同時(shí)還防止高頻

10、噪音對(duì)負(fù)載的干擾。電路原理與輸入濾波器相同。(5)控制電路:檢測(cè)輸出直流電壓,與基準(zhǔn)電壓比較,進(jìn)行隔離放大,調(diào)制振蕩器輸出的脈沖寬度,從而控制變換器以保持輸出電壓的穩(wěn)定。一般控制電路還包括啟動(dòng)及禁止電路。(6)保護(hù)電路:在開(kāi)關(guān)電源發(fā)生過(guò)電壓、過(guò)電流或短路時(shí),保護(hù)電路使開(kāi)關(guān)電源停止工作以保護(hù)負(fù)載和開(kāi)關(guān)電源本身。有的還有發(fā)出報(bào)警信號(hào)的功能。(7)輔助電源:為控制電路和保護(hù)電路提供滿足一定技術(shù)要求的直流電源,以保證它們工作穩(wěn)定可靠。輔助電源可以是獨(dú)立的,也可以由開(kāi)關(guān)電源本身產(chǎn)生。2.2 高頻開(kāi)關(guān)變換器 在高頻開(kāi)關(guān)電源中,高頻開(kāi)關(guān)變換器是核心部分,圍繞開(kāi)關(guān)變換器將會(huì)有很多的控制和保護(hù)電路,變換器的種類

11、的選取將會(huì)影響整個(gè)功率器件耐壓程度等很多參數(shù),也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的其它各部分產(chǎn)生相應(yīng)的影響,所以,高頻開(kāi)關(guān)變換器的設(shè)計(jì)是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié),我們?cè)诤竺娴恼鹿?jié)將會(huì)對(duì)它進(jìn)行詳細(xì)地分析和介紹。 按電力電子技術(shù)的習(xí)慣稱謂,AC-DC稱為整流,包括整流及離線式變換,DC-AC稱為逆變,AC-AC稱為交-交變頻(包括變壓),DC-DC稱為直流一直流變換。所以,廣義地說(shuō),凡用半導(dǎo)體功率器件作為開(kāi)關(guān),將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種形態(tài)的主電路叫作開(kāi)關(guān)變換器電路。轉(zhuǎn)變時(shí)用自動(dòng)控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護(hù)環(huán)節(jié)則稱開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源的主要部分是DC-DC變換器,它是轉(zhuǎn)換的核心,涉及頻率變換。值得指出,常見(jiàn)到離線式開(kāi)關(guān)變換器名稱,是A

12、C-DC變換,也常稱開(kāi)關(guān)整流器,它不單是整流的意義,而且整流后又作了DC-DC變換,離線是指變換器中有高頻變壓器隔離。 2.2.1單端反激型開(kāi)關(guān)電源變換器 圖2-2-1所示為單端反激型開(kāi)關(guān)電源的主回路,當(dāng)功率晶體管T導(dǎo)通時(shí),高頻變壓器的原邊電壓等于輸入電源電壓U,其極性為上正下負(fù)。與之對(duì)應(yīng)的高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)頻變壓器副邊電壓為上負(fù)下正,此時(shí)整流二極管D承受的是反向偏置電壓,故不導(dǎo)通。負(fù)載RL上的電流是靠輸出電容C0的放電電流來(lái)提供,此時(shí),高頻變壓器將電能變?yōu)榇拍軆?chǔ)存起來(lái),而在晶體管受控截止時(shí),高頻變壓器原、副邊電壓極性改變。整流二極管D(和反相型開(kāi)關(guān)電源中的續(xù)流二極管相對(duì)應(yīng))由反偏變?yōu)檎珜?dǎo)通

13、,高頻變壓器就將原先儲(chǔ)存的磁能變?yōu)殡娔?通過(guò)整流二極管向負(fù)載供電和向輸出電容C0充電。此電路的整流二極管D是在功率晶體管截止時(shí)才導(dǎo)通的。故稱此電路為反激型電路。 圖 2-2-1 單端反激型開(kāi)關(guān)電源主回路2.2.2多端式變換器多端式變換器的主要回路最基本的有以下三種:推挽、半橋、全橋。如圖2-2-3所示: a. 推挽式開(kāi)關(guān)電源主回路 b. 半橋式式開(kāi)關(guān)電源主回路 C. 全橋式開(kāi)關(guān)電源主回路 圖 2-2-3（a.b.c) 三種多端式變換器 這里以全橋變換器說(shuō)明它的功率變換原理: 全橋式開(kāi)關(guān)電源變換器的原理圖如圖2-2-3c所示,VT1、VT4與VT2、VT3由基極激勵(lì)驅(qū)動(dòng)而輪流通斷,從而將直流電壓

14、Vi變換成高頻矩形波交流電壓,然后通過(guò)Dl、D2整流,L、C2濾波后給負(fù)載提供穩(wěn)定的直流電壓。 四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管組成橋的四臂,橋的一對(duì)交點(diǎn)輸入直流電壓,另一對(duì)交點(diǎn)接高頻變壓器原邊繞組。VT1和VT4由一組開(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng),VT1和VT4導(dǎo)通時(shí)電流方向?qū)υ吚@組是又上向下。過(guò)半個(gè)周期,VT1和VT4截止,VT2和VT3在另一組驅(qū)動(dòng)信號(hào)下導(dǎo)通,導(dǎo)通電流由電源Vi正端經(jīng)VT3,原邊繞組由下向上,VT2流向電源負(fù)端。兩對(duì)開(kāi)關(guān)管是輪流導(dǎo)通,導(dǎo)通時(shí)繞組電壓近似等于Vi。每只開(kāi)關(guān)管均為并聯(lián)一只高速功率二極管,其鉗位作用以減小開(kāi)關(guān)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換為截止時(shí),變壓器產(chǎn)生的電壓尖峰,以保護(hù)開(kāi)關(guān)管不被擊穿。 全橋式變換器的優(yōu)點(diǎn)

15、是:主變壓器原邊繞組比推挽式少了一半,變壓器利用率提高;開(kāi)關(guān)管可用低耐壓(如400V)、大電流的功率管輸出功率大。DC-DC可分為PWM式、諧振式和它們的結(jié)合式。為保證輸出電壓不隨輸入電壓和負(fù)載變化,諧振式主要靠調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率,屬于調(diào)頻系統(tǒng)。PWM型開(kāi)關(guān)電源具有控制簡(jiǎn)單,穩(wěn)態(tài)直流增益,與負(fù)載無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)損失隨開(kāi)關(guān)頻率的提高而增加。調(diào)頻系統(tǒng)不如PWM開(kāi)關(guān)那樣易控,加上諧振電壓和電流峰值高,開(kāi)關(guān)應(yīng)力大。 根據(jù)我們的設(shè)計(jì)要求,我們選用PWM,即脈寬調(diào)制型變換器。2.3 控制電路 控制電路是高頻開(kāi)關(guān)電源的很重要的部分,是電源系統(tǒng)可靠工作的保證,在圖2-3-1的原理框圖中,虛線框內(nèi)為控制部分電路

16、。開(kāi)關(guān)電源的控制方式基本上都采用時(shí)間比率控制(TRC)方式。這種方式又大致分為三大類:l、脈沖寬度調(diào)制(簡(jiǎn)稱PWM)方式，它用調(diào)整脈沖寬度和控制占空比的方法來(lái)達(dá)到輸出電壓的穩(wěn)定。2、脈沖頻率調(diào)制(即PFM)方式,它采用脈沖頻率來(lái)改變脈沖占空比來(lái)控制輸出電壓的穩(wěn)定。3、混合調(diào)制方式,即前二者兼而有之的方式,既控制脈沖寬度,又改變脈沖頻率,用綜合技術(shù)來(lái)改變脈沖占空比和脈沖周期來(lái)控制輸出電壓的穩(wěn)定。 目前,以脈沖調(diào)制PWM應(yīng)用最多。圖2-3-1是脈寬調(diào)制器的基本原理圖。 圖 2-3-1 脈寬調(diào)制原理圖 基準(zhǔn)電壓:芯片內(nèi)大部分電路由它供電,同時(shí),兼作誤差放大器的基準(zhǔn)電壓輸入。 振蕩器:由恒流充電快速放

17、電電路以及電壓比較器組成,振蕩頻率由外接RC元件所決定,頻率f=1/RC。 誤差放大器:將取樣電壓和基準(zhǔn)電壓比較放大,送至脈寬調(diào)制電路輸入端。 脈寬調(diào)制器:輸入為誤差放大器輸出。輸出分兩路,一路送給門電路,另一路送給振蕩器輸入端。 門電路:門電路輸入分別受分頻器和脈寬調(diào)制器的輸入控制。分頻器:將振蕩器的輸入分頻后輸出,控制門電路輸出脈沖的頻率。 從總體上說(shuō),開(kāi)關(guān)電源的控制電路還包括過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)、均流控制等。 3 高頻開(kāi)關(guān)電源主電路的設(shè)計(jì)3.1 PWM開(kāi)關(guān)變換器的設(shè)計(jì) 我們知道PWM開(kāi)關(guān)變化器按工作方式可分為: 單端反激變換器、單端正激變換器、推挽式變換器、半橋式變換器、全橋式變換器。其中3、

18、4、5統(tǒng)稱為多端變換器,在以上的各種變換器中,通過(guò)第一章第二節(jié)的介紹,我們可知,全橋式變壓隔離器開(kāi)關(guān)承受最小的開(kāi)關(guān)電壓和最小的開(kāi)關(guān)電流,根據(jù)我們所設(shè)計(jì)的高頻開(kāi)關(guān)電源的實(shí)際情況,輸出功率較大(22OV、5A),工作頻率較高(100KHZ),我們選用全橋隔離式PWM變換器。這種線路的優(yōu)點(diǎn):1、 主變壓器只需要一個(gè)原邊繞組,通過(guò)正、反向的電壓得到正、反向磁通,副邊繞組采用全橋全波整流輸出。因此,變壓器鐵芯和繞組最佳利用,使效率、功率密度得到提高。2、功率開(kāi)關(guān)在非常安全的情況下運(yùn)作。在一般情況下,最大的反向電壓不會(huì)超過(guò)電源電壓Vs,四個(gè)能量恢復(fù)(再生)二極管能消除一部分由漏感產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓。這樣,無(wú)需

19、設(shè)置能量恢復(fù)繞組,反激能量便得到恢復(fù)利用。缺點(diǎn):1、需要功率元件較多;在導(dǎo)通回路上,至少有兩個(gè)管壓降,因此功率損耗也比雙晶體管推挽式變換器大一倍。但是在高壓離線開(kāi)關(guān)系統(tǒng)中,這些損耗還是可以接受的。另外,能量恢復(fù)(再生)方式,由于四個(gè)二極管,因此,損耗略有增加。 2、值得注意的是,全橋變換器易發(fā)生橋臂直流短路及變壓器原邊偏磁飽和,其可靠性難以保證。但是,這種缺點(diǎn)我們將采取一定的措施進(jìn)行避免。 圖 3-1-1 MOSFET全橋式變換器 整個(gè)變換器的電路如圖4-1-1所示。圖中每個(gè)MOSFET旁均并聯(lián)有組容吸收回路(R、C)作為緩沖器,在MOSFET瞬間斷開(kāi)時(shí),緩沖器元件R、C將通過(guò)提供交流通道減少

20、功率管斷開(kāi)時(shí)的集電極電壓應(yīng)力。作為后級(jí)整流的二極管選用德國(guó)IXYS公司的DSIE 30-10A。3.2 變換器工作原理 在圖4-l-1中,P1、P4和P2、P3分別構(gòu)成全橋的兩臂,我們?cè)O(shè)定P1、P4由驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1驅(qū)動(dòng),其中,Pl是驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1通過(guò)變壓器隔離后驅(qū)動(dòng)的；P2、P3由驅(qū)動(dòng)信號(hào)S2驅(qū)動(dòng),其中,P2是驅(qū)動(dòng)信號(hào)S2通過(guò)變壓器隔離后驅(qū)動(dòng)的;驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1、S2是由PWM信號(hào)控制器UC3825產(chǎn)生的,它們是一對(duì)互補(bǔ)的、占空比都不超過(guò)50%的信號(hào),也就是說(shuō),同一時(shí)間,不可能出現(xiàn)兩個(gè)信號(hào)同時(shí)為高電平的情況。當(dāng)Sl信號(hào)來(lái)時(shí),Pl和P4導(dǎo)通,電流經(jīng)過(guò)Pl進(jìn)入變壓器原邊,再經(jīng)P4形成回路;當(dāng)S2信號(hào)來(lái)時(shí),

21、P2和P3導(dǎo)通,電流經(jīng)過(guò)P2進(jìn)入變壓器原邊,再經(jīng)P3形成回路,但是電壓的極性與Sl驅(qū)動(dòng)的相反。這樣,直流電壓K經(jīng)過(guò)變換器變換以后,得到的為一高頻變化的交流電壓,完成了從DC到AC的變換。具體的波形見(jiàn)圖4-1-2。 圖 3-2-1 開(kāi)關(guān)變換器工作波形圖 3.3 變換器中的開(kāi)關(guān)原件及其驅(qū)動(dòng)電路3.3.1開(kāi)關(guān)器件前面已經(jīng)介紹了高頻變換器的分類和原理,根據(jù)它們的優(yōu)缺點(diǎn)及課題設(shè)計(jì)的要求,功率變換部分選擇由4只MOSFET管構(gòu)成的全橋變換器,每一個(gè)MOSFET管源極與漏極間的電容和電阻用于吸收MOSFET管通斷時(shí)所產(chǎn)生的尖脈沖,保護(hù)MOSFET管。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,4只MOSFET功率管選用功率管SSH11N

22、90,可替換元件為IRFPE50、IRFPE52、2SK684、2SK1032。由于全橋式變換器需要兩路獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路,所以電路較復(fù)雜,每路驅(qū)動(dòng)信號(hào)選用PWM控制集成芯片輸出控制?？刂齐娐泛椭麟娐芬ㄟ^(guò)變壓器隔離。3.3.2 MOSFET的驅(qū)動(dòng) 由上所知,功率MOSFET工作頻率可以達(dá)到很高,但是,當(dāng)功率MOSFET工作在高頻時(shí),就會(huì)出現(xiàn)振蕩。為了防止振蕩,應(yīng)注意兩點(diǎn): 1、盡可能減少功率MOSFET各端點(diǎn)的連線長(zhǎng)度,特別是柵極引線?；蛘咴诳拷鼥艠O處串聯(lián)一個(gè)小電阻以便抑制寄生振蕩； 2、由于功率MOSFET的輸入阻抗高,驅(qū)動(dòng)電源的阻抗必須比較低,以避免正反饋所引起的振蕩。 功率MOSFET的驅(qū)

23、動(dòng)我們采用UC3825的輸出直接驅(qū)動(dòng),在橋路的高電壓端采用變壓器隔離驅(qū)動(dòng)。具體電路圖如圖4-1-5所示。圖中的隔離變壓器要求頻率響應(yīng)要好,能量的傳輸效率要高,磁芯一般采用鐵氧體,使得變壓器不容易出現(xiàn)磁飽和。 由SS11N90的參數(shù)可知,MOSFET的關(guān)斷時(shí)間與開(kāi)通時(shí)間比較起來(lái),要大很多,所以,MOSFEF的關(guān)斷比較慢,這樣將導(dǎo)致同一橋臂上兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí) 圖 3-3-1 MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通而造成短路的嚴(yán)重情況,特別是在頻率很高的時(shí)候。我們通過(guò)查閱資料和實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在電阻R1的兩端加上如圖3-3-5中的由二極管D和三極管T組成的電路,對(duì)于縮短MOSFET的截止時(shí)間很有效,從波形圖上看,下降沿

24、沿明顯地陡峭了。電路中,D為防止三極管T雪崩擊穿的,T為PNP管,整個(gè)工作波形圖如圖3-5-6所示。 圖3-5-6中,VGS表示驅(qū)動(dòng)波形,其占空比小于50%,VO1表示未加快恢復(fù)電路的輸出波形,VO2表示加了快恢復(fù)電路的輸出波形,td1表示VO1對(duì)應(yīng)的截止延遲時(shí)間,td2表示VO2對(duì)應(yīng)的截止延遲時(shí)間,由圖可以看出,td1明顯地大于td2,實(shí)驗(yàn)證明,MOSFET管的截止時(shí)間較長(zhǎng),驅(qū)動(dòng)電路需要加合適的快恢復(fù)電路,以防止兩路同時(shí)導(dǎo)通造成電路短路的情況的發(fā)生。 圖 3-3-2 MOSFET的驅(qū)動(dòng)波形圖 3.4 高頻變壓器的設(shè)計(jì)3.4.1概 述在前面的章節(jié)我們已經(jīng)分析了升壓和降壓等變換器,它們可以完成直

25、流電壓的變換,但是,它們實(shí)際上存在著轉(zhuǎn)換功能上的局限性,例如,輸入輸出不隔離,輸入輸出電壓比或電流比不能過(guò)大以及無(wú)法實(shí)現(xiàn)多路輸出等。這些局限只能通過(guò)變壓隔離器來(lái)克服。高頻變壓器在電路中,主要起隔離和降壓的作用。理想的變壓隔離器有如下的特征: (1)從輸入到輸出能夠通過(guò)所有的信號(hào)的頻率,即從理想的直流到不理想的直流都能變換； (2)變換時(shí)可不考慮能量損耗； (3)能使輸入輸出之間完全隔離； (4)變換中,無(wú)論從原邊到副邊,或副邊到原邊,都是一樣方便有效。3.4.2變壓器的設(shè)計(jì)步驟 橋式變壓器的設(shè)計(jì)相對(duì)比較容易,兩個(gè)半周期都用同一個(gè)原邊繞組,磁芯和繞組使用率都比較高。為了減少磁化電流,最好原邊繞組

26、匝數(shù)較多,電感量大,為此,選用高導(dǎo)磁率合金材料的磁芯是合適的,而且磁芯不帶氣隙。具體設(shè)計(jì)步驟如下: 1、選擇鐵芯型號(hào) 根據(jù)輸出功率、效率求出輸入功率。我們?cè)O(shè)計(jì)的電源為220V、SA的直流電源,用于電力系統(tǒng)的直流操作電源系統(tǒng)。輸出功率為: PO=220×5=1100W效率按90%計(jì)算,則輸入功率: Pi=1100/0.91200w又知工作頻率為l00KHZ,所以由鐵芯選擇圖可以選擇EE55/55/21磁芯。2、選擇最佳磁感應(yīng)強(qiáng)度 變壓器設(shè)計(jì)為求有最佳效率,均從銅耗等于鐵耗出發(fā)的。對(duì)于每一個(gè)設(shè)計(jì)者,有一個(gè)最佳磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值Bopt,它依賴于工作頻率、鐵芯損耗,所加的電壓和原、副邊的匝數(shù)比

27、等等。3、線圈匝數(shù)計(jì)算 原邊線圈匝數(shù): 式中: VS-原邊線圈所加直流電壓,在有波動(dòng)時(shí)取小值(V)； Ton-最大導(dǎo)通時(shí)間(us)； B-總磁感應(yīng)強(qiáng)度增量(T)； Ae-磁芯有效面積(mm2)；4、副邊線圈匝數(shù) 從3中確定每伏所需匝數(shù).輸出回路壓降大小加上輸出額定電壓Vo即為副邊電壓VS.根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)可以確定副邊線圈的匝數(shù)。 對(duì)于高頻變壓器的設(shè)計(jì),常用的有兩種方法,第一種是先求出磁芯窗口面積Aw與磁芯有效截面積Ae的乘積AP(AP=Aw×Ae,稱磁芯面積乘積)。根據(jù)Ap值,查表找出所需磁性材料的編號(hào),稱為AP法：第二種是先求出幾何參數(shù),查表找出磁芯編號(hào),再進(jìn)行設(shè)計(jì),稱為Kg法。3.

28、4.3變壓器電磁干擾的抑制 變壓器產(chǎn)生的瞬變干擾可能傳導(dǎo)和輻射到負(fù)載上,而且還返回到電源配電系統(tǒng)。當(dāng)電源電壓通過(guò)零點(diǎn)改變極性時(shí),非線性磁滯回線特性使不同數(shù)量的剩余磁通殘留在變壓器鐵芯中。這種情況往往增加了剩磁通而使鐵芯飽和,因而導(dǎo)致了電流過(guò)流。磁化電流的瞬變,即傳導(dǎo)性電磁干擾,既影響到變壓器的次級(jí),而且也返回到配電系統(tǒng)。對(duì)于變壓器所產(chǎn)生的傳導(dǎo)、輻射干擾,有如下的措施: (l)選擇高導(dǎo)磁通的鐵芯材料,減少變壓器漏磁通：(2)變壓器采取靜電屏蔽措施： (3)靜電屏蔽的目的是使變壓器初次級(jí)繞組間的電容減到最少,并且對(duì)共模噪聲提供一個(gè)低阻抗的對(duì)地通路: (4)在變壓器的外圍中部做一短路環(huán),以抵消變壓器

29、的漏磁通:(5)減小鐵芯中磁通密度將會(huì)使雜散磁場(chǎng)的幅度大約按磁通密度的平方而減小。這樣做雖然變壓器的體積增大了,但卻有利于減小電磁干擾和散熱,比屏蔽變壓器更為經(jīng)濟(jì)有效。 3.5 整流濾波電路3.5.1整流電路 高頻電源系統(tǒng)還包括整流濾波部分,整流電路分為兩個(gè)部分:前級(jí)整流和后級(jí)整流。前級(jí)整流是指三相交流電經(jīng)濾波后需要整流變?yōu)橹绷饕院蟛拍茌斎氲介_(kāi)關(guān)變換器進(jìn)行頻率變換,完成DC-AC的變換。前級(jí)整流部分的電路如圖3-5-1所示。 圖 3-5-1 前級(jí)整流電路圖 圖4-3-1中EMI表示防電磁干擾的環(huán)節(jié),選用EMI濾波器模塊來(lái)完成防電磁干擾的工作,U1和U2是整流模塊,由于,U1和U2的正極和正極相

30、接,負(fù)極和負(fù)極相接,所以輸入部分有一個(gè)AC端懸空是不影響三相交流的全波整流的。三相交流輸入的是380V、50HZ的工頻交流電,經(jīng)過(guò)全波整流以后,電壓將有一定的上升,大約510V左右,這一點(diǎn)在以后部分中是值得注意的。 后級(jí)整流部分,是將高頻變壓器變壓后的高頻交流電進(jìn)行整流,這一部分比較簡(jiǎn)單,根據(jù)我們?cè)O(shè)計(jì)的要求,選用了四只IXYS公司的DSEI 30-10A功率二極管組成橋式全波整流即可完成工作。3.5.2濾波電路 由于電源模塊工作于高頻狀態(tài),而我們又必須獲得無(wú)諧波的直流電壓,因此,相對(duì)于相控型整流器,開(kāi)關(guān)電源必須有更復(fù)雜的抑制干擾與濾除雜音的電路。共模與差模原理常被用來(lái)衰減及消除輸入諧波,并將濾

31、波器件封裝在磁屏蔽盒內(nèi),并要可靠接地。布局上為輸入輸出隔離,輸出線用絞合線或平行配線(短且粗)。機(jī)架地線與信號(hào)線分設(shè)。變壓器初次級(jí)或開(kāi)關(guān)管管腳之間配置高頻抑射元件。輸出濾波電容器用四端高頻電解電容器、疊層式無(wú)感電容器。降低噪聲經(jīng)常采用消除或抑制干擾源并同時(shí)隔斷干擾禍合途徑的方式。在高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源中,采用電源輸入濾波、工頻濾波、電源輸出濾波與抗輻射干擾等主要措施來(lái)減少噪聲的傳遞與影響。（1）電源輸入濾波 開(kāi)關(guān)電源的高速開(kāi)關(guān)瞬態(tài)往往會(huì)產(chǎn)生很高的射頻分量,從而污染交流饋電線路,交流電源能傳遞電氣噪聲和電磁輻射,導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源中的瞬變?cè)佥椛浜蛡鬟f到其它負(fù)載。電源輸入濾波主要由工頻低通濾波器和

32、共模扼制元件組成,封閉在磁屏蔽盒內(nèi)且可靠接地。電源輸入濾波又稱電磁干擾(EMI)或射頻干擾(RFI)濾波器。 在電源輸入濾波器中,通常用高頻旁路電容和共模扼流圈來(lái)衰減和吸收縱向共模噪聲,用常態(tài)濾波電感、常態(tài)濾波電容抑制差模常態(tài)噪聲。圖4-3-2為開(kāi)關(guān)電源實(shí)際使用的三相三級(jí)輸入濾波器。 圖 3-5-2 三相輸入濾波器 圖中,Ll、L2、L3常態(tài)濾波電感 L4、LS共模扼流圈 Cl、CZ、C3共模濾波電容 C4Cg一一常態(tài)濾波電容其中L4、L5共模扼流圈實(shí)際上是三線并繞的環(huán)形磁芯電感,繞制時(shí)適當(dāng)加大匝間距離以減少分布電容提高高頻特性,其電感量不宜過(guò)大,一般為幾十微亨。常態(tài)濾波電容C4-Cg一般為0

33、.01-0.luF的小電容。C1、C2、C3為共模電流提供低阻抗通路。在實(shí)際應(yīng)用中,我們采用圖3-5-l中EMI濾波模塊。（2）工頻濾波 開(kāi)關(guān)電源中工頻濾波器接在工頻整流與開(kāi)關(guān)變換器之間,既能將脈動(dòng)電流變?yōu)槠交闹绷?還能抑制高頻干擾,尤其是開(kāi)關(guān)變換中產(chǎn)生的高頻干擾,圖3-5-3為開(kāi)關(guān)電源的工頻濾波器。 圖 3-5-3 開(kāi)關(guān)電源工頻濾波器其中L1、C5、C6濾除共模噪聲,C1、C2濾除差模噪聲,C1、C2、C5、C6為小容量高頻電容器,L2、C3、C4、C7、C8為常態(tài)濾波元件,C3、C4為大容量電解電容,C7、C8為小容量無(wú)感電容,用來(lái)補(bǔ)償大容量電解電容器的高頻性能,起高頻旁路作用,L2、C

34、3、C4組成低頻濾波器,其余電感電容組成高頻濾波器。（3） 電源輸出濾波 開(kāi)關(guān)電源在開(kāi)關(guān)變換器之后,還需要高頻變壓器進(jìn)行隔離降壓,而后經(jīng)過(guò)橋式整流后再接電源輸出濾波器,以得到高質(zhì)量的符合設(shè)計(jì)要求的直流電壓,所以電源的輸出濾波部分是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。圖3-5-4所示為電源的輸出濾波器。 圖 3-5-4 高頻開(kāi)關(guān)電源的輸出濾波器 其中C4為400V/220uF的電解電容,C1、C2、C7、C8為小容量的無(wú)感電容,C3、C5、C6為luF的無(wú)極性電容,L2為一個(gè)用于抑制共模信號(hào)的扼流圈。（4）濾波電容與濾波電感 濾波電容、電感是組成濾波電路的重要器件,而電容、電感通常不是理想的電容電感,實(shí)際上是一個(gè)R、L、C的綜合器件。 圖 3-5-5 電容器的等效電路 圖 3-5-6 電感等效電路圖3-5-5中,電感L是由引線和電容器圈繞的結(jié)構(gòu)形成的:Rl為電容器等效串聯(lián)電阻,其值是電容器品質(zhì)因數(shù)的函數(shù);R2為并聯(lián)泄漏電阻,是介質(zhì)材料電阻率的函數(shù)。選擇電容器,考慮上述因素的同時(shí),電容器所工作的頻率也是一重要依據(jù)。在電源輸入濾波器中,共模與常模濾波電容器用于抗高頻干擾,應(yīng)選用小容量高頻電容器。在工頻濾波器中,除了將工頻整流器輸出的脈動(dòng)電流變?yōu)槠交绷魍?對(duì)高頻干擾也起到抑制作用。在輸出濾波器中,電解電容通過(guò)的鋸齒波電流頻率一般達(dá)幾百KHz,濾波電容的容抗與工作頻率成反比:XC