高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與制作

摘要洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGEIVPAGE6高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與制作洛陽(yáng)理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化系2011設(shè)計(jì)者黃貝利摘要本文首先針對(duì)所需要的高頻高壓開(kāi)關(guān)電源的要求，對(duì)高頻高壓開(kāi)關(guān)電壓的工作原理進(jìn)行分析，選用適合的開(kāi)關(guān)變換器、控制方式和功率MOSFET。其次，根據(jù)系統(tǒng)主電路的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的各單元電路。最后，對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行安裝調(diào)試，經(jīng)過(guò)多次的反復(fù)試驗(yàn)，達(dá)到了各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，并提出了系統(tǒng)的抗干擾措施，設(shè)計(jì)出一款全新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高頻高壓開(kāi)關(guān)電源。該系統(tǒng)以MOSFET作為功率開(kāi)關(guān)器件，構(gòu)成橋式Buck開(kāi)關(guān)變換器。采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，PWM控制信號(hào)由集成控制器SG3525產(chǎn)生，輸出實(shí)時(shí)采樣電壓反饋信號(hào)，以控制輸出電壓的變化，控制電路和主電路之間通過(guò)光電耦合器進(jìn)行隔離。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了軟啟動(dòng)和過(guò)流保護(hù)電路。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能安全、可靠運(yùn)行，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：高頻開(kāi)關(guān)電源；變換器；SG3525；過(guò)流保護(hù)

High-frequencyswitchingpowersupplydesignandproductionABSTRACTThispaperhasanalyzedthedevelopmentandthepresentsituationofthedomesticandforeignswitchingpowersupplyofhighfrequencyandhigh—voltage，hasstudiedthehighfrequencyandhighvoltageswitchpowersupply’sbasicprincipleandtheapplication．Thepaperdesignsthenewsystemstructureofthehighfrequencyandhighvoltageswitchpowersupplyforthesmallandmediumenterprisetogovernwastegasandthedust．ThissystemtakesthepowerswitchcomponentbypowerMOSFETtoconstitutebridge-typeBuckswitchconverterandusesthepulse-durationmodulation(PWM)technology．TheSG3525producesthePWMcontrolsignal，theoutputsignalofreal—timesamplingvoltagefeedbackcontrolsthechangeofoutputvoltage，Betweenthecontrolcircuitandthemaincircuitcarriesontheisolationthroughtheelectro-opticalcoupler．Wehavedesignedthesoftstartandtheoverflowprotectioncircuit．Throughtheexperimentwehaveprovedthatthissystemissafeandreliableandithasachievedthedesignrequirements．KEYWORDS:Highfrequencyswitchingpowersource；Converter；SG3525；Theoverflowprotectioncircuit前言目錄前言 1第1章緒論 21.1開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展方向 21.2課題簡(jiǎn)介及課題意義 41.2.1開(kāi)關(guān)電源國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì) 41.2.2開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用 51.2.3課題意義 6第2章方案總體設(shè)計(jì) 72.1方案對(duì)比 72.2方案討論 72.3方案選定 11第3章高頻高壓開(kāi)關(guān)電源的工作原理分析 123.1高頻高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的基本原理 123.1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 123.1.2高頻開(kāi)關(guān)電源的組成： 133.2變換器 153.2.1DC／DC變換 153.2.2AC／DC變換 153.3控制方式 163.4功率電路主要元器件的選擇與保護(hù) 183.4.1功率MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的選擇 183.4.2功率晶體管的保護(hù) 20第4章高頻高壓開(kāi)關(guān)電源的電路設(shè)計(jì) 234.1交流輸入濾波及輸入橋式整流濾波電路 234.2軟啟動(dòng)電路 264.3功率變換電路及其驅(qū)動(dòng)電路 274.3.1PWM控制器SG3525 284.3.2功率變換電路及其驅(qū)動(dòng)電路 314.3.3橋式斬波電路及其驅(qū)動(dòng)電路 32第5章系統(tǒng)的調(diào)試及抗干擾設(shè)計(jì) 355.1系統(tǒng)調(diào)試 355.2電磁干擾EMI與電磁兼容EMC 365.2.1概述 365.2.2干擾的方式與類(lèi)型 365.2.3抑制干擾的方法 375.3高頻高壓開(kāi)關(guān)的干擾抑制 38結(jié)論 40謝辭 42參考文獻(xiàn) 43附錄 44外文資料翻譯 46前言開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制集成芯片IC和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET構(gòu)成。開(kāi)關(guān)電源不僅體積小而且損耗低，故幾乎已應(yīng)用在所有的電子設(shè)備中。開(kāi)關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開(kāi)關(guān)電源小型化，并使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。開(kāi)關(guān)電源經(jīng)歷了三個(gè)重要發(fā)展階段：第一個(gè)階段是功率半導(dǎo)體器件從雙極型器件(BPT、SCR、GTO)發(fā)展為MOS型器件(功率MOSFET、IGBT、IGCT等)，使電力電子系統(tǒng)有可能實(shí)現(xiàn)高頻化，并大幅度降低導(dǎo)通損耗，電路也更為簡(jiǎn)單。第二個(gè)階段自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是過(guò)去20年國(guó)際電力電子界研究的熱點(diǎn)之一。第三個(gè)階段從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊(IPEM)技術(shù)開(kāi)始發(fā)展，它是當(dāng)今國(guó)際電力電子界亟待解決的新問(wèn)題之一。隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，進(jìn)入80年代計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代，進(jìn)入90年代開(kāi)關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地應(yīng)用了開(kāi)關(guān)電源，更進(jìn)一步促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展。目前市場(chǎng)上的高壓開(kāi)關(guān)電源大多采用晶閘管驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度低、損耗大、噪聲也大，并且使高壓開(kāi)關(guān)電源的頻率受到限制，從而縮小了其使用范圍。雖國(guó)內(nèi)已有少數(shù)廠家生產(chǎn)高頻高壓開(kāi)關(guān)電源，但價(jià)格昂貴。因此設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)價(jià)格低廉的高頻高壓開(kāi)關(guān)電壓是大勢(shì)所趨，具有良好的市場(chǎng)。第1章標(biāo)題第1章緒論開(kāi)關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開(kāi)關(guān)電源小型化，并使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義EQ。1.1開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展方向1955年美國(guó)羅耶(GH．Roger)發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，是實(shí)現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)換控制電路的開(kāi)端，1957年美國(guó)查賽(JenSen)發(fā)明了自激式推挽雙變壓器，1964年美國(guó)科學(xué)家們提出取消工頻變壓器的串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)想，這對(duì)電源向體積和重量的下降獲得了一條根本的途徑。到了1969年由于大功率硅晶體管的耐壓提高，二極管反向恢復(fù)時(shí)間的縮短等元器件改善，終于做成了25千赫的開(kāi)關(guān)電源。目前，開(kāi)關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開(kāi)關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此國(guó)外各大開(kāi)關(guān)電源制造商都致力于同步開(kāi)發(fā)新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體(Mn、Zn)材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度(Bs)下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。SMT技術(shù)的應(yīng)用使得開(kāi)關(guān)電源取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，在電路板兩面布置元器件，以確保開(kāi)關(guān)電源的輕、小、薄。開(kāi)關(guān)電源的高頻化就必然對(duì)傳統(tǒng)的PWM開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)己成為開(kāi)關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開(kāi)關(guān)電源工作效率。對(duì)于高可靠性指標(biāo)，美國(guó)的開(kāi)關(guān)電源生產(chǎn)商通過(guò)降低運(yùn)行電流，降低結(jié)溫等措施以減少器件的應(yīng)力，使得產(chǎn)品的的可靠性大大提高。模塊化是開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢(shì)，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)成N+1冗余電源系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴(kuò)展。針對(duì)開(kāi)關(guān)電源運(yùn)行噪聲大這一缺點(diǎn)，若單獨(dú)追求高頻化其噪聲也必將隨著增大，而采用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，在理論上即可實(shí)現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍存在著技術(shù)問(wèn)題，故仍需在這一領(lǐng)域開(kāi)展大量的工作，以使得該項(xiàng)技術(shù)得以實(shí)用化。(1)高頻化是電源技術(shù)發(fā)展的主流電源技術(shù)的精髓是電能變換，即利用電能變化技術(shù)，將市電或電池等一次電源變換成適用于各種用電對(duì)象的二次電源。開(kāi)關(guān)電源在電源技術(shù)中占有重要地位，從10kHz發(fā)展到高穩(wěn)定度、大容量、小體積、開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到兆赫級(jí)的高頻開(kāi)關(guān)電源。為高頻變換提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，促進(jìn)了現(xiàn)代電源技術(shù)的繁榮和發(fā)展。高頻化帶來(lái)了最直接的好處是降低原材料消耗、電源裝置小型化、加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)，進(jìn)一步提高電源進(jìn)入更廣闊的領(lǐng)域特別是高新技術(shù)領(lǐng)域，進(jìn)一步擴(kuò)展了它的應(yīng)用范圍。(2)新理論、新技術(shù)的指導(dǎo)諧振變換、移相諧振、零開(kāi)關(guān)PWM、零過(guò)渡PWM等電路拓?fù)淅碚?；功率因?shù)校正、有源箝位、并聯(lián)均流、同步整流、高頻磁放大器、高速編程、遙感遙控、微機(jī)監(jiān)控等新技術(shù)。指導(dǎo)了現(xiàn)代電源技術(shù)的發(fā)展。(3)新器件、新材料的支撐絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、智能IGBT功率模塊(IPM)、MOS柵控晶閘管(MCT)、靜電感應(yīng)晶體管(SIT)、超快恢復(fù)二極管、無(wú)感電容器、無(wú)感電阻器、新型鐵氧體、非晶和微晶軟磁合金、納米晶軟磁合金等元器件，裝備了現(xiàn)代電源技術(shù)，促進(jìn)產(chǎn)品升級(jí)換代。(4)控制的智能化控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路采用集成組件?？刂齐娐凡捎萌珨?shù)字化?？刂剖侄斡梦⑻幚砥骱蛦纹瑱C(jī)組成的軟件控制方式，達(dá)到了較高的智能化程度，并且進(jìn)一步提高了電源設(shè)備的可靠性。(5)電源電路的模塊化、集成化電源技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)是電源電路的模塊化、集成化。單片電源和模塊電源取代整機(jī)電源，功率集成技術(shù)簡(jiǎn)化了電源的結(jié)構(gòu)。已經(jīng)在通訊、電力獲得廣泛的應(yīng)用，并且派生出新的供電體制分布式供電，是集中供電單一體制走向多元化。(6)電源設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范電源設(shè)備要進(jìn)入市場(chǎng)，今天的市場(chǎng)意識(shí)超越區(qū)域融貫全球的一體化市場(chǎng)，必須遵從能源、環(huán)境、電磁兼容、貿(mào)易協(xié)定等共同準(zhǔn)則，電源設(shè)備生產(chǎn)廠家必須接受安全、EMC、環(huán)境、質(zhì)量體系等種種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的認(rèn)證。1.2課題簡(jiǎn)介及課題意義1.2.1開(kāi)關(guān)電源國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)傳統(tǒng)的工頻(50Hz)高壓開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)使用了十幾年，但具有以下的缺點(diǎn)：(1)工作頻率低，轉(zhuǎn)換效率低至75％以下，耗費(fèi)電能。(2)變壓器和濾波器體積大，重量重，耗費(fèi)大量的銅和鐵。(3)電源輸入為兩相交流工頻電源，又是工頻相位調(diào)節(jié)，致使輸入功率因數(shù)低至0.7以下，對(duì)電網(wǎng)造成很大的電磁干擾，電磁兼容性差。(4)體積龐大的電源控制調(diào)節(jié)機(jī)箱和隔離升壓用的工頻變壓器分居兩處，耗費(fèi)空間，增加基建費(fèi)用。(5)輸出紋波大，致使電暈電壓低下，波形又是單一的工頻波，使得無(wú)法適應(yīng)高比電阻的工況，達(dá)不到環(huán)保新要求。我國(guó)2000年的直流開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)值比1999年增長(zhǎng)了15%左右，約占世界開(kāi)關(guān)電源總產(chǎn)值的4.6%(不包括外資企業(yè))。如果包括外資企業(yè)，將達(dá)到50%左右。因?yàn)槭澜缗琶?、2、4、5的直流開(kāi)關(guān)電源廠和世界最大的計(jì)算機(jī)開(kāi)關(guān)電源廠都設(shè)在我國(guó)珠江三角洲。同時(shí)，在蘇州為中心的長(zhǎng)江三角洲和廈門(mén)附近的閩南地區(qū)，也相繼形成了直流開(kāi)關(guān)電源生產(chǎn)基地。從2000年起，計(jì)算機(jī)在我國(guó)的銷(xiāo)售市場(chǎng)迅速擴(kuò)大，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已超過(guò)2500億元。計(jì)算機(jī)主要是國(guó)外品牌，與之配套的計(jì)算機(jī)用開(kāi)關(guān)電源也主要是由外資企業(yè)和國(guó)外供應(yīng)。但是計(jì)算機(jī)用開(kāi)關(guān)電源的變壓器和電感器已逐漸轉(zhuǎn)向國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，出現(xiàn)一批磁芯生產(chǎn)廠和電子變壓器生產(chǎn)廠。目前，國(guó)外高壓開(kāi)關(guān)直流電源比較成熟，像Spellman、Classman等高壓電源公司已生產(chǎn)出小型化、高效化、智能化的高壓直流電源，然而價(jià)格比較昂貴，國(guó)內(nèi)直流高壓開(kāi)關(guān)電源研究起步較晚，與先進(jìn)國(guó)家相比有較大差距。尤其在高頻、高性能直流高壓開(kāi)關(guān)電源方面，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有形成批量生產(chǎn)能力，國(guó)內(nèi)廠商，比如大連電源技術(shù)有限公司、河南舞鋼規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所等生產(chǎn)的高壓開(kāi)關(guān)電源，價(jià)格均在數(shù)萬(wàn)元以上，還是比較昂貴的?，F(xiàn)在迫切需要物美價(jià)廉，能滿(mǎn)足多種不同工況要求的多規(guī)格、多品種、系列化的高質(zhì)量、高性能的高頻高壓開(kāi)關(guān)電源。1.2.2開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，電器產(chǎn)品的體積重量與其供電頻率的平方根成反比。所以當(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz時(shí)，用電設(shè)備的體積重量大體上降至工頻設(shè)計(jì)的（5～10）％。這正是開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)變頻帶來(lái)明顯效益的基本原因。逆變或整流焊機(jī)、通訊電源用浮充電源的開(kāi)關(guān)式整流器，都是基于這一原理。那么，以同樣的原理對(duì)傳統(tǒng)的電鍍、電解、電加工、浮充、電力合閘等各種直流電源加以類(lèi)似的改造，使之更新?lián)Q代為“開(kāi)關(guān)變換類(lèi)電源”，其主要材料可以節(jié)約90％或更高，還可節(jié)電30％或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來(lái)采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化，既可帶來(lái)顯著節(jié)能、節(jié)材的經(jīng)濟(jì)效益，更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價(jià)值。直流開(kāi)關(guān)電源是各種電源中應(yīng)用范圍和市場(chǎng)最大的一種，包括從交流輸入變?yōu)橹绷鬏敵龅摹伴_(kāi)關(guān)整流器”和從直流輸入變?yōu)橹绷鬏敵龅摹爸绷髯儞Q器”。直流開(kāi)關(guān)電源經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，集中了許多高新技術(shù)，包括高頻開(kāi)關(guān)技術(shù)、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、功率因數(shù)校正技術(shù)、同步整流技術(shù)、智能化技術(shù)、表面安裝技術(shù)，已經(jīng)形成高工作頻率、高效率、高功率密度、高可靠性等為特征的現(xiàn)代直流開(kāi)關(guān)電源。直流開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用范圍和市場(chǎng)比較大，按日本電子機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)開(kāi)關(guān)電源專(zhuān)業(yè)委員會(huì)的分類(lèi)方法，包括：(1)各種電子計(jì)算機(jī)、中央處理器、存儲(chǔ)裝置用開(kāi)關(guān)電源；(2)計(jì)算機(jī)外圍終端設(shè)備，輸入輸出裝置用開(kāi)關(guān)電源；(3)有線(xiàn)通訊設(shè)備、程控交換機(jī)、戶(hù)內(nèi)通訊設(shè)備用開(kāi)關(guān)電源；(4)無(wú)線(xiàn)通訊設(shè)備、發(fā)送設(shè)備、移動(dòng)通訊設(shè)備用開(kāi)關(guān)電源；(5)工廠自動(dòng)化、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、空調(diào)設(shè)備、電力控制設(shè)備用開(kāi)關(guān)電源；(6)自動(dòng)售貨機(jī)、現(xiàn)金自動(dòng)交付機(jī)、現(xiàn)金自動(dòng)存儲(chǔ)機(jī)用開(kāi)關(guān)電源；(7)顯示器、示波器用開(kāi)關(guān)電源；(8)醫(yī)療設(shè)備、試驗(yàn)儀器、汽車(chē)電子、液晶顯示裝置用開(kāi)關(guān)電源；(9)文字書(shū)寫(xiě)機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)、傳真機(jī)用開(kāi)關(guān)電源；(10)復(fù)印機(jī)、速印機(jī)用開(kāi)關(guān)電源；(11)電視機(jī)、錄像機(jī)用開(kāi)關(guān)電源；(12)游戲機(jī)用開(kāi)關(guān)電源；(13)數(shù)字音響、電子樂(lè)器用開(kāi)關(guān)電源；(14)磁帶錄音機(jī)、立體聲錄放機(jī)用開(kāi)關(guān)電源；(15)插頭式開(kāi)關(guān)電源、充電器用開(kāi)關(guān)電源和住宅設(shè)備用開(kāi)關(guān)電源。之所以分得這樣細(xì)的原因是日本的直流工關(guān)電源市場(chǎng)占世界的50%~45%，品種多、用量大，可以針對(duì)各自不同的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，有利于追求最佳性能和最低成本。1.2.3課題意義(1)工程意義研究開(kāi)發(fā)低成本的高頻高壓開(kāi)關(guān)電源，填補(bǔ)了目前市場(chǎng)上的空缺，符合節(jié)約能源、可持續(xù)發(fā)展的基本國(guó)情，對(duì)加速?lài)?guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，也蘊(yùn)藏著巨大的經(jīng)濟(jì)商機(jī)。(2)理論意義本課題所設(shè)計(jì)的高頻高壓開(kāi)關(guān)電源的輸出頻率范圍為50～100kHz，最高頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工頻(50Hz)，擯棄了傳統(tǒng)的工頻、硅整流模式，設(shè)計(jì)出低成本、基于單片機(jī)控制技術(shù)和功率場(chǎng)效應(yīng)管器件的高頻開(kāi)關(guān)電源。REF_Ref168484390\r\h錯(cuò)誤！未找到引用源。REF_Ref168484424\h錯(cuò)誤！未找到引用源。PAGE6PAGE10第2章方案總體設(shè)計(jì)2.1方案對(duì)比方案一：采用SG3524芯片。SG3524開(kāi)關(guān)電源集成控制器采用了脈寬調(diào)制控制，工作頻率高于100KHZ；工作電壓范圍為6到40伏，內(nèi)基準(zhǔn)電壓為5伏，基準(zhǔn)源負(fù)載能力達(dá)50毫安；內(nèi)開(kāi)路集電極、發(fā)射極驅(qū)動(dòng)管的最大輸出電流為100毫安；工作溫度為0到70攝氏度。SG3524的內(nèi)部有兩只晶體管，利用這兩只晶體管可以組成不同的使用方法，使用電容和二極管可組成類(lèi)似全波整流和倍壓整流的使用方法，可以使用變壓器接成推挽方式使用。由于變壓器的傳輸是靠電磁感應(yīng)，對(duì)沒(méi)有直流成分的推挽電路有利。方案二：使用SG3525。不但SG3525在外形上和SG3524完全一樣，可以對(duì)SG3524進(jìn)行替換，而且SG3525的性能更優(yōu)良，能實(shí)現(xiàn)更新穎的應(yīng)用，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)200KHZ以上，適合于驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET。2.2方案討論SG3525在SG3524的基礎(chǔ)上，主要有以下幾點(diǎn)獨(dú)到之處：（1）增加PWM鎖存器使關(guān)閉作用更可靠。比較器（脈沖寬度調(diào)制）輸出送到PWM鎖存器，鎖存器由關(guān)閉電路置位，由振蕩器輸出時(shí)間脈沖復(fù)位。這樣，當(dāng)關(guān)閉電路動(dòng)作，即使過(guò)電流信號(hào)立即消失，鎖存器也可維持一個(gè)周期的關(guān)閉控制，直到下一個(gè)周期時(shí)鐘信號(hào)使鎖存器復(fù)位為止。（2）輸出級(jí)作了結(jié)構(gòu)性改進(jìn)。電路結(jié)構(gòu)改為確保其輸出電平處于高電平，或低電平狀態(tài)。另外，為了適應(yīng)驅(qū)動(dòng)MOSFET的需要，末級(jí)采用了推挽式電路，使關(guān)斷速度更快。（3）比較器有兩個(gè)反相輸入端。SG3524的誤差放大器、電流控制器和關(guān)閉控制3個(gè)信號(hào)共用一個(gè)反相輸入端，SG3525現(xiàn)改為增加一個(gè)反相輸入端，誤差放大器與關(guān)閉電路各自送至比較器的反相端。這樣，便避免了彼此相互影響，有利于誤差放大器和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)工作精度的提高。（4）增設(shè)欠壓鎖定電路。電路主要作用是當(dāng)IC輸入電壓小于8V時(shí)，集成塊內(nèi)部電路鎖定，停止工作（基準(zhǔn)源及必要電路除外），使之消耗電流降至很?。s2mA）。

（5）振蕩器作了較大改進(jìn)。SG3524中的振蕩器只有CT及RT兩引腳，充電和放電回路是相同的。SG3525的振蕩器，除了CT及RT引腳外，增加了放電引腳7、同步引腳3。RT阻值決定對(duì)CT充電的內(nèi)部恒流值，CT的放電則由腳5及腳7之間外接的電阻值RD決定。把充電和放電回路分開(kāi)，有利于通過(guò)RD來(lái)調(diào)節(jié)死區(qū)的時(shí)間，這是重大的改進(jìn)。在SG3525中增加了同步引腳3專(zhuān)為外同步用，為多個(gè)SG3525的聯(lián)用提供了方便。（6）有軟起動(dòng)電路。比較器的反相端即軟起動(dòng)控制端腳8可外接軟起動(dòng)電容。該電容由內(nèi)部5V基準(zhǔn)參考電壓的50μA恒流源充電，使占空比由小到大（50％）變化。（7）SG3525刪除了SG3524中使用的電流限制放大器電路，它采用關(guān)斷控制電路進(jìn)行限流控制，其中包括逐個(gè)脈沖電流限制和直流輸出電流限制。一般用法是將過(guò)電流脈沖信號(hào)送至關(guān)閉控制端（10腳），當(dāng)10腳電壓超過(guò)0.7V時(shí)，芯片將進(jìn)行限流操作，當(dāng)10腳電壓超過(guò)1.4V時(shí)，將使PWM鎖存器關(guān)斷輸出，直到下一個(gè)時(shí)鐘周期才能恢復(fù)，如果10腳信號(hào)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，則由慢啟動(dòng)電路重新啟動(dòng)電路工作。由于芯片內(nèi)部反應(yīng)速度及快，故通過(guò)10腳可實(shí)現(xiàn)逐個(gè)過(guò)電流脈沖限制的功能。SG3525增加的工作性能在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。例如，腳8增加的軟起動(dòng)功能，避免了開(kāi)關(guān)電源在開(kāi)機(jī)瞬間的電流沖擊，可能造成的末級(jí)功率開(kāi)關(guān)管的損壞。

對(duì)SG3525與SG3524的軟起動(dòng)功能。圖2-1給出了SG3525與SG3524軟起動(dòng)試驗(yàn)的原理圖。圖2-2給出了SG3525腳8接100μF電容和SG3524腳9接100μF電容時(shí)，在通電2s和5s時(shí)的輸出脈寬波形圖[16]。（a）采用SG3525設(shè)計(jì)的軟啟動(dòng)電路（b）采用SG3524設(shè)計(jì)的軟啟動(dòng)電路圖2-1

軟起動(dòng)原理圖（a）SG3524通電2s的波形（b）SG3525通電2s的波形（c）SG3524通電5s的波形（d）SG3525通電5s的波形圖2-2

兩種控制器分別在啟動(dòng)2s及5s后的波形

從圖2-2的波形以及表2-1和表2-2的數(shù)據(jù)比較可以看到，雖然SG3524與SG3525都可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)功能，但是，由于SG3525本身設(shè)計(jì)了軟起動(dòng)電路，因此，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)的過(guò)程中，由其內(nèi)部的恒流源給外部電容充電，工作時(shí)不會(huì)影響到其它的電路，而SG3524要實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，就要與誤差放大器、電流控制器等同用一個(gè)反相端，就會(huì)彼此互相影響。另外，在相同電容量的情況下，SG3525更有利于提高軟起動(dòng)時(shí)間。表2-1

SG3525腳8接不同的對(duì)地電容時(shí)的軟起動(dòng)時(shí)間腳8對(duì)地電容C/μF軟啟動(dòng)時(shí)間t/s100.58221.26331.84472.33表2-2

SG3524腳9接不同的對(duì)地電容時(shí)的軟起動(dòng)時(shí)間腳9對(duì)地電容C/μF軟啟動(dòng)時(shí)間t/s100.29220.58330.97471.161002.232.3方案選定從上面的方案論證中可知，SG3525的功能在許多方面都比SG3524優(yōu)良，尤其是SG3525本身設(shè)計(jì)了軟起動(dòng)電路，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)的過(guò)程中，由其內(nèi)部的恒流源給外部電容充電，工作時(shí)不會(huì)影響到其它的電路，但SG3524要實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，就要與誤差放大器、電流控制器等同用一個(gè)反相端，就會(huì)彼此互相影響。而且SG3525的反映速度要比SG3524快，本設(shè)計(jì)的過(guò)流保護(hù)電路是通過(guò)SG3525的10腳來(lái)控制的，速度較快對(duì)過(guò)流保護(hù)有用。所以，根據(jù)本設(shè)計(jì)對(duì)元件的要求和根據(jù)電路設(shè)計(jì)的需要，本設(shè)計(jì)選擇SG3525。第3章REF_Ref168484495\h錯(cuò)誤！未找到引用源。洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGE21第3章高頻高壓開(kāi)關(guān)電源的工作原理分析3.1高頻高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的基本原理3.1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理開(kāi)關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)器件，通過(guò)周期性間斷工作，控制開(kāi)關(guān)器件的占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓。開(kāi)關(guān)電源的基本構(gòu)成如圖3-1所示，其中DC／DC變換器進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，它是開(kāi)關(guān)電源的核心部分，此外還有起動(dòng)、過(guò)流與過(guò)壓保護(hù)、噪聲濾波等電路。輸出采樣電路(Rl、R2)檢測(cè)輸出電壓變化，與基準(zhǔn)電壓研比較，誤差電壓經(jīng)過(guò)放大及脈寬調(diào)制(PWM)電路，再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制功率器件的占空比，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓大小的目的。圖3-2是一種電路實(shí)現(xiàn)形式。DC／DC變換器有多種電路形式，常用的有工作波形為方波的PWM變換器以及工作波形為準(zhǔn)正弦波的諧振型變換器。圖3-1開(kāi)關(guān)電源的基本構(gòu)成圖3-2開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源的原理電路對(duì)于串聯(lián)線(xiàn)性穩(wěn)壓電源，輸出對(duì)輸入的瞬態(tài)響應(yīng)特性主要由調(diào)整管的頻率特性決定。但對(duì)于開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源，輸入的瞬態(tài)變化比較多地表現(xiàn)在輸出端。提高開(kāi)關(guān)頻率的同時(shí)，由于反饋放大器的頻率特性得到改善，開(kāi)關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)問(wèn)題也能得到改善。負(fù)載變化瞬態(tài)響應(yīng)主要由輸出端LC濾波器特性決定，所以可以利用提高開(kāi)關(guān)頻率、降低輸出濾波器LC乘積的方法來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)特性。高頻高壓開(kāi)關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)有多種：(1)按驅(qū)動(dòng)方式分，有自勵(lì)式和他勵(lì)式。(2)按DC／DC變換器的工作方式分：?jiǎn)味苏齽?lì)式和反勵(lì)式、推挽式、半橋式、全橋式等；降壓型、升壓型和升降壓型等。(3)按電路組成分，有諧振型和非諧振型。(4)按控制方式分：脈沖寬度調(diào)帶IJ(PWM)式；脈沖頻率調(diào)制(PFM)式；PWM與PFM混合式。(5)按電源是否隔離和反饋控制信號(hào)耦合方式分，有隔離式、非隔離式和變壓器耦合式、光電耦合式等。3.1.2高頻開(kāi)關(guān)電源的組成：開(kāi)關(guān)電源的組成框圖如圖3-3所示，它由以下幾個(gè)部分組成：圖3-3開(kāi)關(guān)電源的組成高頻高壓開(kāi)關(guān)電源通過(guò)MOSFET或IGBT的高頻工作，開(kāi)關(guān)頻率一般控制在50～100kHz范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。高頻開(kāi)關(guān)電源主要由以下幾個(gè)部分組成。1、主電路從交流電網(wǎng)輸入、直流輸出的全過(guò)程，包括以下幾個(gè)部分：（1）輸入濾波器其作用是將電網(wǎng)存在的雜波過(guò)濾，同時(shí)也阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。（2）整流與濾波將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電，以供下一級(jí)變換。（3）逆變將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開(kāi)關(guān)電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。（4）輸出整流與濾波根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。2、控制電路一方面從輸出端取樣，經(jīng)與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變其頻率或脈寬，達(dá)到輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測(cè)試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供控制電路對(duì)整機(jī)進(jìn)行各種保護(hù)措施。3、檢測(cè)電路除了提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)外，還提供各種顯示儀表數(shù)據(jù)。4、輔助電源為控制電路和保護(hù)電路提供滿(mǎn)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。[18]3.2變換器高頻高壓開(kāi)關(guān)電源可分為AC／DC和DC／DC兩大類(lèi)，DC／DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國(guó)內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶(hù)的認(rèn)可，但AC／DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問(wèn)題。3.2.1DC／DC變換DC／DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱(chēng)為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式Ts不變，改變ton(通用)，二是頻率調(diào)制方式，不變，改變Ts(易產(chǎn)生干擾)。其具體的電路由以下幾類(lèi)。(1)Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓Uo小于輸入電壓Ui，極性相同。(2)Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于輸入電壓Ui，極性相同。(3)Buck/Boost電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。(4)Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于或小于輸入電壓Ul，極性相反，電容傳輸。當(dāng)今軟開(kāi)關(guān)技術(shù)使得DC／DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍，美國(guó)VICOR公司設(shè)計(jì)制造的多種ECI軟開(kāi)關(guān)DC／DC變換器，其最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應(yīng)的功率密度為(6、2、10、17)W／cm3，效率為(80~90)％。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的高頻開(kāi)關(guān)電源模塊RM系列，其開(kāi)關(guān)頻率為(200～300)kHz，功率密度已達(dá)到27W／cm3，采用同步整流器(MOSFET代替肖特基二極管)，是整個(gè)電路效率提高到90％。3.2.2AC／DC變換AC／DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負(fù)載的稱(chēng)為“整流”，功率流由負(fù)載返回電源的稱(chēng)為“有源逆變”。AC／DC變換器輸入為50／60Hz的交流電，因必須經(jīng)整流、濾波，因此體積相對(duì)較大的濾波電容器是必不可少的，同時(shí)因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA)，交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)的元件，這樣就限制AC／DC電源體積的小型化，另外，由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開(kāi)關(guān)動(dòng)作，使得解決EMC電磁兼容問(wèn)題難度加大，也就對(duì)內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計(jì)提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開(kāi)關(guān)使得電源工作消耗增大，限制了AC／DC變換器模塊化的進(jìn)程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法才能使其工作效率達(dá)到一定的滿(mǎn)意程度。AC／DC變換按電路的接線(xiàn)方式可分為，半波電路、全波電路。按電源相數(shù)可分為，單項(xiàng)、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。3.3控制方式開(kāi)關(guān)K以一定的時(shí)間間隔重復(fù)地接通和斷開(kāi)，在開(kāi)關(guān)K接通時(shí)，輸入電源E通過(guò)開(kāi)關(guān)K和濾波電路提供給負(fù)載RL，在整個(gè)開(kāi)關(guān)接通期間，電源E向負(fù)載提供能量；當(dāng)開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)時(shí)，輸入電源E便中斷了能量的提供?？梢?jiàn)，輸入電源向負(fù)載提供能量是斷續(xù)的，為使負(fù)載能得到連續(xù)的能量提供，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源必須要有一套儲(chǔ)能裝置，在開(kāi)關(guān)接通時(shí)將一部份能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，向負(fù)載釋放。改變接通時(shí)間和工作周期T的比例亦即改變脈沖的占空比，這種方法稱(chēng)為“時(shí)間比率控制TRC。按TRC控制原理，有三種方式：(1)脈沖寬度調(diào)制PWM開(kāi)關(guān)周期恒定，通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)改變占空比的方式。(2)脈沖頻率調(diào)制PFM導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)工作頻率來(lái)改變占空比的方式。(3)混合調(diào)制導(dǎo)通脈沖寬度和開(kāi)關(guān)工作頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它是以上二種方式的混合。PWM脈寬調(diào)制，是靠改變脈沖寬度來(lái)控制輸出電壓，通過(guò)改變周期來(lái)控制其輸出頻率。而輸出頻率的變化可通過(guò)改變此脈沖的調(diào)制周期來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣，使調(diào)壓和調(diào)頻兩個(gè)作用配合一致，且于中間直流環(huán)節(jié)無(wú)關(guān)，因而加快了調(diào)節(jié)速度，改善了動(dòng)態(tài)性能。由于輸出等幅脈沖只需恒定直流電源供電，可用不可控整流器取代相控整流器，使電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)大大改善。利用PWM逆變器能夠抑制或消除低次諧波。加上使用自關(guān)斷器件，開(kāi)關(guān)頻率大幅度提高，輸出波形可以非常接近正弦波。脈寬調(diào)制(PWM)控制方式就是對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率，采用現(xiàn)有的器件和電路技術(shù)，一般可使PWM開(kāi)關(guān)電源工作在幾十kHz至于百kHz的開(kāi)關(guān)頻率，電源裝置在重量、效率、可靠性、價(jià)格和外形尺寸方面可認(rèn)為是最佳的，適合于中、大功率的應(yīng)用場(chǎng)合。而且，采用一般的PWM調(diào)制方式，對(duì)元器件的要求也不會(huì)太高，很適合于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高性?xún)r(jià)比。脈沖寬度調(diào)制(PWM)變換器就是通過(guò)重復(fù)通／斷開(kāi)關(guān)工作方式把一種直流電壓(電流)變換為高頻方波電壓(電流)，再經(jīng)過(guò)整流平波后變?yōu)榱硪环N直流電壓輸出。PWM變換器有功率開(kāi)關(guān)管、整流二極管及濾波電路等元器件組成。輸入輸出間需要進(jìn)行電氣隔離時(shí)，可采用變壓器進(jìn)行隔離和升降壓。PWM變換器的工作原理如圖3-4所示。由于開(kāi)關(guān)工作頻率的提高，濾波電感L，變壓器T等磁性元件以及濾波電容C等都可以小型化。對(duì)于PWM變換器，加在開(kāi)關(guān)管S兩端的電壓弧及通過(guò)S的電流毛的波形近似為方波，如圖3-5所示。圖3-4PWM變換器的基本工作原理圖3-5變換器開(kāi)關(guān)工作的波形對(duì)于這種變換器，有兩種工作方式。一種是保持開(kāi)關(guān)工作周期不變，控制開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式，另一種是保持導(dǎo)通時(shí)間不變，改變開(kāi)關(guān)工作周期的脈沖頻率調(diào)制(PFM)方式[18]。3.4功率電路主要元器件的選擇與保護(hù)3.4.1功率MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的選擇功率MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管全稱(chēng)為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)功率MOSFET。它具有開(kāi)關(guān)速度快、安全工作區(qū)寬、高輸入阻抗和低電平驅(qū)動(dòng)、易于并聯(lián)使用等特點(diǎn)。選擇晶體管時(shí)，必須注意兩個(gè)基本參數(shù)：第一個(gè)參數(shù)是晶體管截止時(shí)的耐壓值，第二個(gè)參數(shù)是晶體管在導(dǎo)通時(shí)能承受的電流值。這兩個(gè)參數(shù)的選擇是由開(kāi)關(guān)電源的類(lèi)型決定的。半橋式變換器電路中開(kāi)關(guān)晶體管的選擇：圖3-6所示為半橋式變換器，變壓器的一次側(cè)在整個(gè)周期中都流過(guò)電流，磁心得到充分利用，對(duì)功率開(kāi)關(guān)管的耐壓要求較低，決不會(huì)超過(guò)線(xiàn)路峰值電壓。與推挽式電路相比，若輸出相同的功率，則開(kāi)關(guān)晶體管必須流過(guò)2倍的電流。在半橋式變換器電路中，因?yàn)樽儔浩鞯碾妷阂褱p少，為了獲得相同的功率，晶體管的工作電流將加倍。半橋式變換器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：它可以自動(dòng)校正變壓器磁心偏磁，避免變壓器磁心飽和。圖3-6半橋式變換器電路在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)，還應(yīng)考慮的是使用雙極型晶體管還是MOSFET管，這兩種晶體管各有優(yōu)缺點(diǎn)。二者相比較，雙極型晶體管價(jià)格較低，而MOSFET管由于驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，所以整個(gè)電路設(shè)計(jì)也比較簡(jiǎn)單。雙極型晶體管有一個(gè)缺點(diǎn)，就是工作截止頻率較低，一般在幾十kHz左右，而MOSFET管的開(kāi)關(guān)工作頻率可達(dá)幾百kHz。開(kāi)關(guān)電源工作頻率高就意味著設(shè)計(jì)出來(lái)的開(kāi)關(guān)電源體積較小。提高開(kāi)關(guān)電源的工作頻率，這是當(dāng)前開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的一個(gè)趨勢(shì)。功率MOSFET使用時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)柵極電路的阻抗非常高，容易受靜電破壞。(2)直流輸入阻抗高，但輸入容量大，高頻時(shí)輸入阻抗低，因此需要降低驅(qū)動(dòng)電路阻抗。(3)并聯(lián)工作時(shí)容易產(chǎn)生高頻寄生振蕩。(4)導(dǎo)通時(shí)電流沖擊大，容易產(chǎn)生過(guò)電流。(5)寄生二極管的反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)。(6)開(kāi)關(guān)速度快而產(chǎn)生誤操作，容易使驅(qū)動(dòng)電路誤操作。(7)漏極一柵極間電容較大，漏極電壓變化容易影響輸入。3.4.2功率晶體管的保護(hù)功率晶體管的保護(hù)有抗飽和、二次擊穿等問(wèn)題，這里重點(diǎn)介紹二次擊穿的防止及RC吸收回路元件參數(shù)的選擇方法。(1)正偏壓的二次擊穿要設(shè)計(jì)出一個(gè)工作穩(wěn)定、可靠的開(kāi)關(guān)電源，必須避免開(kāi)關(guān)晶體管出現(xiàn)正向偏置狀態(tài)下的二次擊穿現(xiàn)象。圖3-7表示晶體管集電極電流I與Ucc間的關(guān)系圖，曲線(xiàn)的軌跡代表的是晶體管可以工作的最大限度范圍。在晶體管導(dǎo)通期間，落入安全區(qū)正向偏置的負(fù)載曲線(xiàn)認(rèn)為是安全的，工作時(shí)不能超過(guò)廠家所提供的器件熱限度和安全工作區(qū)。圖3-7雙極型晶體管安全工作區(qū)正向偏置的二次擊穿現(xiàn)象是由若干個(gè)發(fā)熱點(diǎn)引起的。這些發(fā)熱點(diǎn)是由于晶體管在高壓下電流的不均衡而造成的。它們分布在功率晶體管工作面上的許多地方，由于晶體管的基極一發(fā)射極結(jié)間是負(fù)溫度系數(shù)，這些發(fā)熱點(diǎn)就增加了局部電流流動(dòng)，電流越大，則產(chǎn)生功率越大，進(jìn)而使得某一發(fā)熱點(diǎn)的溫度更高。由于集電極對(duì)發(fā)射極的擊穿電壓也是負(fù)溫度系數(shù)，所以與上述結(jié)果相同。由此可見(jiàn)，如果加在晶體管上的電壓不消失，電流就不會(huì)終止，集電極一發(fā)射極結(jié)就會(huì)被擊穿，而晶體管會(huì)由于無(wú)法抗拒高溫而損壞。有一種防止正向偏壓二次擊穿的新方法：在制造晶體管時(shí)增加了發(fā)射極平衡技術(shù)，使用這種技術(shù)制造的晶體管可以工作在它本身允許的最大功率和最大集電極電壓的條件下，而不必?fù)?dān)心會(huì)產(chǎn)生二次擊穿。應(yīng)用這種技術(shù)的器件如圖3-8所示。圖3-8防止二次擊穿的措施具體實(shí)現(xiàn)方法是在功率開(kāi)關(guān)晶體管的基極再串接一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，場(chǎng)效應(yīng)管起著基極平衡電阻的作用，其阻值隨集電極對(duì)基極電壓的變化而變化。當(dāng)集電極電壓變化時(shí)，能夠維持恒定的功耗。(2)反偏壓的二次擊穿當(dāng)晶體管用作開(kāi)關(guān)器件使用時(shí)，存儲(chǔ)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗是兩個(gè)重要的參數(shù)。如果不能有效地減少存儲(chǔ)時(shí)間，變壓器就會(huì)產(chǎn)生飽和，而且開(kāi)關(guān)電源的調(diào)整范圍就會(huì)受到限制。同時(shí)，對(duì)開(kāi)關(guān)損耗必須進(jìn)行控制，因?yàn)樗绊懼麄€(gè)電源系統(tǒng)的工作效率。實(shí)際應(yīng)用中，晶體管的反向偏置安全工作區(qū)(1mSOA)很有實(shí)用意義，如圖3-9所示。圖3-9反向偏置時(shí)安全工作區(qū)(RBSOA)RBSOA曲線(xiàn)表示，對(duì)于低于的情況，只受晶體管集電極電流的限制。對(duì)高于的情況，集電極電流必須隨所加的方向偏置電壓的增加而減少。很明顯，反向偏置電壓以b是非常重要的，它對(duì)RBSOA的影響非常大。在開(kāi)關(guān)晶體管加反向偏壓時(shí)，因?yàn)殛P(guān)斷時(shí)間會(huì)減少，應(yīng)避免基極一發(fā)射極結(jié)的雪崩現(xiàn)象發(fā)生。設(shè)計(jì)時(shí)可采用有箝位二極管的RC吸收回路以避免雪崩現(xiàn)象的發(fā)生。[5]第3章標(biāo)題PAGE8PAGE33第4章高頻高壓開(kāi)關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)4.1交流輸入濾波及輸入橋式整流濾波電路開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲包含共模噪音和差模噪音。共模干擾是由于載流導(dǎo)體與大地之間的電位差產(chǎn)生的，其特點(diǎn)是兩條線(xiàn)上的雜訊電壓是同電位同向的；而差模干擾則是由于載流導(dǎo)體之間的電位差產(chǎn)生的，其特點(diǎn)是兩條線(xiàn)上的雜訊電壓是同電位反向的。通常，線(xiàn)路上干擾電壓的這兩種分量是同時(shí)存在的。為此應(yīng)在電源輸入端加濾波器，濾波器阻抗應(yīng)與電源阻抗失配，失配越厲害，實(shí)現(xiàn)的衰減越理想，得到的插入損耗特性就越好。也就是說(shuō)，如果噪音源內(nèi)阻是低阻抗的，則與之對(duì)接的EMI濾波器的輸入阻抗應(yīng)該是高阻抗(如電感量很大的串聯(lián)電感)；如果噪音源內(nèi)阻是高阻抗的，則EMI濾波器的輸入阻抗應(yīng)該是低阻抗(如容量很大的并聯(lián)電容)。由于線(xiàn)路阻抗的不平衡，兩種分量在傳輸中會(huì)互相轉(zhuǎn)變，情況十分復(fù)雜。典型的EMI濾波器包含了共模雜訊和差模雜訊兩部分的抑制電路，如圖4-1所示。圖4-1電源濾波器圖中：差模抑制電容，：20.1～0.47μH；差模抑制電感，：100~130μH；共模抑制電容，：100EQ00pF；共模抑制電感L：15~25mH。設(shè)計(jì)時(shí)，必須使共模濾波電路和差模濾波電路的諧振頻率明顯低于開(kāi)關(guān)電源的工作頻率，一般要低于10kHz，即圖4-2是差模與共模干擾的示意圖。(a)差模干擾(b)共模干擾圖4-2差模與共模干擾示意圖在實(shí)際使用中，由于設(shè)備所產(chǎn)生的共模和差模的成分不一樣，所以，濾波電路可適當(dāng)增加或減少濾波元件。具體電路的調(diào)整一般要經(jīng)過(guò)EMI試驗(yàn)后才能有滿(mǎn)意的結(jié)果，安裝濾波電路時(shí)一定要保證接地良好，并且輸入端和輸出端要良好隔離，否則，起不到濾波的效果。圖4-3是兩種濾波電路，它們的濾波效果如圖4-4實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)所示。（a）濾波電路1（b）濾波電路2圖4-3兩種濾波電路。①加濾波器電路1②為加濾波電路2圖4-4兩種濾波電路效果實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)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(xiàn)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(chēng)電磁干擾(EMI)或射頻干擾(RFI)濾波器。本課題中的交流輸入濾波電路如圖4-5所示，采用前面提到的濾波電路。橋式整流濾波電路如圖4-6所示，沒(méi)有笨重的工頻變壓器，直接橋式整流濾波：圖4-5輸入EMI濾波電路圖4-6橋式整流濾波電路圖4-5中保險(xiǎn)絲F1、F2用以在電路發(fā)生故障時(shí)，防止電源進(jìn)一步損壞。電容C1、C2、C3、C4、電感L1構(gòu)成EMI濾波器，一方面抑制電網(wǎng)上的電磁干擾，另一方面對(duì)開(kāi)關(guān)電源本身產(chǎn)生的電磁干擾有抑制作用，以保證電網(wǎng)不受污染，也就是說(shuō)，輸入EMI濾波電路的作用是消除電磁干擾(EMI)。電阻R1用以抗御電網(wǎng)的浪涌電壓。為了實(shí)現(xiàn)高頻輸出，圖4-6中的橋式整流濾波電路無(wú)工頻變壓器。整流二極管選用普通的硅管，C7為高壓濾波電容。因?yàn)橛械膰?guó)家使用l10V交流電源，因此在整流電路中還加入了l10V到220V的轉(zhuǎn)換電路。市電經(jīng)EMI濾波后，經(jīng)由該電路得到300V所有的高壓直流電壓，送入功率變換電路。[9]4.2軟啟動(dòng)電路高頻高壓開(kāi)關(guān)電源的輸入端一般接有輸入濾波器。在開(kāi)機(jī)瞬間，濾波電容器會(huì)流過(guò)很大的浪涌電流，這個(gè)浪涌電流可以為正常輸入電流的數(shù)倍。這樣大的浪涌電流，重者往往會(huì)導(dǎo)致輸入熔斷器燒斷或合閘開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)燒壞，整流橋過(guò)流損壞，并使輸入保險(xiǎn)絲熔斷；輕者也會(huì)使空氣開(kāi)關(guān)產(chǎn)生打火現(xiàn)象，合不上閘。另外，浪涌電流也會(huì)損害電容器，使之壽命縮短，過(guò)早損壞。為此，要設(shè)置防止浪涌電流的軟啟動(dòng)電路，如圖4-7所示，以保證開(kāi)關(guān)電源正常而可靠地運(yùn)行。圖4-7軟啟動(dòng)電路圖4-7采用繼電器K1和限流電阻R2構(gòu)成軟啟動(dòng)電路。在輸入EMI濾波器的輸出斷接入一個(gè)限流電阻R2，通過(guò)這個(gè)限流電阻來(lái)對(duì)電容器充電。為了不使該限流電阻消耗過(guò)多的功率，以致影響開(kāi)關(guān)電源的正常工作，而在開(kāi)機(jī)暫態(tài)過(guò)程結(jié)束后，用一個(gè)繼電器K1自動(dòng)短接它，使直流電源直接對(duì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器供電，這種電路稱(chēng)之謂直流開(kāi)關(guān)電源的“軟啟動(dòng)”電路。4.3功率變換電路及其驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路是主電路和控制電路之間的接口，良好的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要意義。驅(qū)動(dòng)電路的作用是將單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng)功率器件。確定功率器件的種類(lèi)及其型號(hào)后，可根據(jù)功率器件工作模式選擇其合適的驅(qū)動(dòng)電路，包括驅(qū)動(dòng)電源、隔離裝置(例如光耦)隔離變壓器、邏輯門(mén)電路等等。本課題中開(kāi)關(guān)元件選用功率MOS管24N40E，其工作頻率可提高到200kHz以上，具有開(kāi)關(guān)速度快、易并聯(lián)、所需驅(qū)動(dòng)功率低等優(yōu)點(diǎn)。SG3525是用于驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET。SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來(lái)調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過(guò)輸出電感線(xiàn)圈的信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無(wú)論開(kāi)關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。SG3525根據(jù)變壓器副邊反饋的電壓信號(hào)調(diào)整輸出信號(hào)的占空比。由于主電路采用雙端正激式，門(mén)極信號(hào)需要隔離，因而SG3525輸出端接于變壓器T2原邊兩端，兩個(gè)副邊分別驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管柵極。[17]4.3.1PWM控制器SG3525PWM集成控制器通常分為電壓型控制器和電流型控制器兩種。電壓型控制器只有電壓反饋控制，可滿(mǎn)足穩(wěn)定輸出電壓的要求，電流型控制器增加了電流反饋控制，除了穩(wěn)定輸出電壓外，還有以下優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流達(dá)到給定值時(shí)，開(kāi)關(guān)管自動(dòng)關(guān)斷；自動(dòng)消除工頻輸入電壓經(jīng)整流后的紋波電壓，在開(kāi)關(guān)電源輸出端，300Hz以下的紋波電壓很低，因此可減小輸出濾波電容的容量；多臺(tái)開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)工作時(shí)，PWM開(kāi)關(guān)控制器具有內(nèi)在的均流能力；具有更快的負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)。(1)SG3525的引腳圖和內(nèi)部框圖：SG3525采用了DIPl6封裝，外型如圖4-8所示。引腳1為誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號(hào)。在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，該端與補(bǔ)償信號(hào)輸入端(引腳9)相連，可構(gòu)成跟隨器。引腳2為誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號(hào)。根據(jù)需要，在該端與補(bǔ)償信號(hào)輸入端(引腳9)之間接入不同類(lèi)型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類(lèi)型的調(diào)節(jié)器。引腳3為振蕩器外接同步信號(hào)輸入端。該端接外部同步脈沖信號(hào)可實(shí)現(xiàn)與外電路同步。引腳4為振蕩器輸出端。引腳5為振蕩器定時(shí)電容接入端。引腳6為振蕩器定時(shí)電阻接入端。引腳7為振蕩器放電端。該端與引腳5之間外接一只放電電阻，構(gòu)成放電回路。引腳8為軟啟動(dòng)電容接入端。該端通常接一只的軟啟動(dòng)電容。引腳9為PWM比較器補(bǔ)償信號(hào)輸入端。在該端與引腳2之間接入不同類(lèi)型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類(lèi)型調(diào)節(jié)器。引腳10為外部關(guān)斷信號(hào)輸入端。該端接高電平時(shí)控制器輸出被禁止。該端可與保護(hù)電路相連，用于實(shí)現(xiàn)限流控制，以實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。引腳11為輸出端A。引腳11和引腳14是兩路互補(bǔ)輸出端。引腳12為信號(hào)地。引腳13為輸出級(jí)偏置電壓接入端。引腳14為輸出端B。引腳14和引腳11是兩路互補(bǔ)輸出端。引腳15為偏置電源接入端，接SG3525的工作電源+15V。引腳16為基準(zhǔn)電源輸出端。該端可輸出溫度穩(wěn)定性極好的基準(zhǔn)電壓。圖4-8SG3525引腳圖SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4-9所示，主要有基準(zhǔn)電源、振蕩器、誤差放大器、PWM比較器和鎖存器、觸發(fā)器、或非門(mén)電路和圖騰輸出電路等幾大部分組成。圖4-9SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖(2)SG3525的工作原理SG3525內(nèi)置了5.1V精密基準(zhǔn)電源，微調(diào)至1.0％，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi)，無(wú)須外接分壓電組。SG3525還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也可以與外部系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)同步，為設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。在引腳5和引腳7之間加入一個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)死區(qū)時(shí)間的調(diào)節(jié)功能。由于SG3525內(nèi)部集成了軟啟動(dòng)電路，因此只需要一個(gè)外接定時(shí)電容。SG3525的軟啟動(dòng)接入端(引腳8)上通常接軟啟動(dòng)電容。上電過(guò)程中，由于電容兩端的電壓不能突變，因此與軟啟動(dòng)電容接入端相連的PWM比較器反向輸入端處于低電平，PWM比較器輸出高電平。此時(shí)，PWM瑣存器的輸出也為高電平，該高電平通過(guò)兩個(gè)或非門(mén)加到輸出晶體管上，使之無(wú)法導(dǎo)通。只有軟啟動(dòng)電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時(shí)，SG3525才開(kāi)始工作。由于實(shí)際中，基準(zhǔn)電壓通常是接在誤差放大器的同相輸入端上，而輸出電壓的采樣電壓則加在誤差放大器的反相輸入端上。當(dāng)輸出電壓因輸入電壓的升高或負(fù)載的變化而升高時(shí)，誤差放大器的輸出將減小，這將導(dǎo)致PWM比較器輸出為正的時(shí)間變長(zhǎng)，PWM鎖存器輸出高電平的時(shí)間也變長(zhǎng)，因此輸出晶體管的導(dǎo)通時(shí)間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)，反之亦然。外接關(guān)斷信號(hào)對(duì)輸出級(jí)和軟啟動(dòng)電路都起作用。當(dāng)引腳10上的信號(hào)為高電平時(shí)，PWM瑣存器將立即動(dòng)作，禁止SG3525的輸出，同時(shí)，軟啟動(dòng)電容將開(kāi)始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動(dòng)電容將充分放電，直到關(guān)斷信號(hào)結(jié)束，才重新進(jìn)入軟啟動(dòng)過(guò)程。注意，引腳10不能懸空，應(yīng)通過(guò)接地電阻可靠接地，以防止外部干擾信號(hào)耦合而影響SG3525的正常工作。欠電壓鎖定功能同樣作用于輸出級(jí)和軟啟動(dòng)電路。如果輸入電壓過(guò)低，在SG3525的輸出被關(guān)斷同時(shí)，軟啟動(dòng)電容將開(kāi)始放電。此外，SG3525還具有以下功能，即無(wú)論因?yàn)槭裁丛蛟斐蒔WM脈沖中止，輸出都將被中止，直到下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到來(lái)，PWM鎖存器才被復(fù)位。[19]4.3.2功率變換電路及其驅(qū)動(dòng)電路功率變換電路分別如圖4-10和圖4-11所示。圖4-10功率變換電路圖4-10中的功率MOS管Q2、Q3的柵極由SG3525驅(qū)動(dòng)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q2、Q3導(dǎo)通時(shí)，二極管D4、D5截止，輸入的整流電壓經(jīng)Q2、Q3和L2向ClO充電，這一電流使電感L2中的儲(chǔ)能增加。當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，電感L2感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，經(jīng)負(fù)載和續(xù)流二極管D4、D5釋放電感L2中存儲(chǔ)的能量，維持輸出直流電壓不變。電路輸出直流電壓的高低由加在開(kāi)關(guān)管基極上的脈沖寬度確定。驅(qū)動(dòng)電路如圖4-11所示。圖4-11功率變換電路的驅(qū)動(dòng)4.3.3橋式斬波電路及其驅(qū)動(dòng)電路功率MOSFET管的柵極驅(qū)動(dòng)電路有基本驅(qū)動(dòng)、帶過(guò)電流保護(hù)的驅(qū)動(dòng)、采用脈沖變壓器的驅(qū)動(dòng)、采用光電耦合器的柵極隔離驅(qū)動(dòng)。本文中采用帶光電耦合器的柵極隔離驅(qū)動(dòng)電路，具有體積小、重量輕、價(jià)格低廉、驅(qū)動(dòng)功率小的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是不能傳輸功率，需要輔助電源電路。橋式斬波電路及其驅(qū)動(dòng)電路如圖4-12和圖4-13所示。圖4-12全橋斬波電路圖4-13全橋斬波驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)關(guān)管的控制方式采用脈沖寬度調(diào)N(PWM)方式。主電路的PWM信號(hào)是由SG3525(美國(guó)硅通用半導(dǎo)體公司推出)產(chǎn)生出來(lái)的。單相斬波器的電路有推挽斬波電路，半橋斬波電路，全橋斬波電路等。推挽斬波電路會(huì)帶來(lái)不平衡現(xiàn)象，導(dǎo)致變壓器飽和，功率管電流過(guò)大。而半橋斬波電路的直流電壓的利用率不高，要輸出220V的交流電壓就要使用至少620V直流電壓，會(huì)增加功率管的應(yīng)力。全橋斬波電路比較適合運(yùn)用于大功率的場(chǎng)合。本課題中采用全橋斬波電路。全橋斬波電路由Q4、Q5、Q6、Q7和SG3525電路組成，其驅(qū)動(dòng)電路如圖4-13所示。通過(guò)該電路將160V的直流電壓變?yōu)榻涣麟妷骸＜煽刂破鱏G3525的振蕩頻率7r由7腳的電阻、6腳的電阻和電容決定。綜上得：EQEQREF_Ref168484640\r\h錯(cuò)誤！未找到引用源。REF_Ref168484646\h錯(cuò)誤！未找到引用源。PAGE40第5章系統(tǒng)的調(diào)試及抗干擾設(shè)計(jì)5.1系統(tǒng)調(diào)試當(dāng)SG3525正常工作時(shí)，他的供電電壓值是+20V，由三端穩(wěn)壓器輸出加到SG3525的15腳。此時(shí)用萬(wàn)用表測(cè)量SG3525各引腳輸出直流電壓如下表所示。表5-1SG3525各引腳輸出直流電SG3525的11腳和14腳輸出的電壓波形如下圖所示：圖5-1SG3525的11腳和14腳輸出電壓波形下面又給出了在MOSFET柵極限流電阻上，用示波器測(cè)量的柵極電流波形和柵極電壓波形圖：圖5-2MOEFET柵極電流和電壓波形5.2電磁干擾EMI與電磁兼容EMC5.2.1概述電磁兼容(EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。歐共體將產(chǎn)品的電磁兼容性要求納入技術(shù)法規(guī)，強(qiáng)制執(zhí)行89／336／EEC指令，即規(guī)定從1996年1月1日起電氣和電子產(chǎn)品都必須符合EMC要求，并加貼CE標(biāo)志后才能在歐共體市場(chǎng)上銷(xiāo)售以來(lái)，促進(jìn)各國(guó)政府從國(guó)際貿(mào)易的角度，高度重視電磁兼容技術(shù)。EMC標(biāo)準(zhǔn)按所述的內(nèi)容可分為基本標(biāo)準(zhǔn)、通用標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)3類(lèi)?；緲?biāo)準(zhǔn)主要是規(guī)定EMC的試驗(yàn)和測(cè)量方法等；通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在指定環(huán)境中EMC的允許值和具體測(cè)試方法的規(guī)定，主要是根據(jù)產(chǎn)品的性質(zhì)而不是用途來(lái)指定的，一些產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)還按電氣、電子設(shè)備應(yīng)用的場(chǎng)所分為A類(lèi)和B類(lèi)。按照頻率范圍劃分，EMC標(biāo)準(zhǔn)又以9kHz為界限，將電氣、電子設(shè)備的頻率分成高頻和低頻兩類(lèi)。電磁干擾源可能對(duì)附近的應(yīng)用系統(tǒng)引起干擾，造成信號(hào)失真。5.2.2干擾的方式與類(lèi)型電源干擾可以以“共?！被颉安钅！狈绞酱嬖凇！肮材！备蓴_是指電源對(duì)大地，或中線(xiàn)對(duì)大地之間的電位差?！安钅！备蓴_存在于電源相線(xiàn)與中線(xiàn)之間，對(duì)于三相電路來(lái)說(shuō)，還存在于相線(xiàn)與相線(xiàn)之間。兩種干擾模式的區(qū)別是十分重要的，因?yàn)閷?duì)共模干擾是不能用差模的方式來(lái)解決的，反之亦然。干擾類(lèi)型可以從持續(xù)期很短的尖峰干擾到完全失電之間進(jìn)行變化。其中也包括電壓變化(如電壓的跌落、浪涌與中斷)、頻率變化、波形失真(電壓的或電流的)、持續(xù)噪聲或雜波，以及瞬變等。能夠通過(guò)電源進(jìn)行傳輸并造成設(shè)備的破壞或影響其工作的主要是電快速瞬變脈沖群和浪涌沖擊波，而靜電放電等干擾只要電源設(shè)備本身不產(chǎn)生停振、輸出電壓跌落等現(xiàn)象，就不會(huì)造成由電源引起的對(duì)用電設(shè)備的影響。良好的電源設(shè)計(jì)應(yīng)使電源在較惡劣的電磁環(huán)境中本身能正常工作，同時(shí)應(yīng)對(duì)電源線(xiàn)中的各種脈沖干擾有較好的抑制作用。干擾是由高次諧波產(chǎn)生的，抗干擾的根本任務(wù)是抑制高次諧波。5.2.3抑制干擾的方法一般的干擾抑制方法有以下幾種：(a)在電源的輸入端加入線(xiàn)路濾波器。如圖5-3所示。圖5-3典型的電源線(xiàn)路濾波器其中LI和L2的線(xiàn)圈同方向繞在同一磁芯上，這兩個(gè)電感對(duì)于差模電流和主電流所產(chǎn)生的磁通是互相抵銷(xiāo)的，因此不會(huì)引起磁芯的飽和。而對(duì)于共模電流則可以反映為很大的電感，以便獲得最大的濾波效果，所以又稱(chēng)為共模電感。Cx電容被用來(lái)衰減差模干擾，CY電容用于衰減共模干擾。R用于消除可能在濾波器中出現(xiàn)的靜電積累。電源濾波器主要用于抑制30MHz以下頻率范圍的噪聲，而對(duì)于脈沖干擾，其諧波頻率往往高達(dá)上百兆赫，實(shí)際使用下來(lái)其效果往往并不明顯。例如某研究機(jī)構(gòu)對(duì)20種電源濾波器的抑制浪涌波的能力進(jìn)行了測(cè)試，超過(guò)20dB的僅有4種，甚至有的會(huì)在輸出端產(chǎn)生振蕩。(b)采用帶屏蔽層的變壓器由于共模干擾是一種相對(duì)大地的干擾，所以它主要通過(guò)變壓器繞組間的耦合電容來(lái)傳遞。如果在初、次級(jí)之間插入屏蔽層，并使之良好接地，便能使干擾電壓通過(guò)屏蔽層旁路掉，從而減小輸出端的干擾電壓。屏蔽層對(duì)變壓器的能量傳輸并無(wú)不良影響，但影響了繞組間的耦合電容。圖5-4畫(huà)出了帶屏蔽層的隔離變壓器的共模干擾通路。圖5-4帶屏蔽層的變壓器從圖5-4中可以看到要使共模衰減量大，只要變壓器屏蔽層接地阻抗小，便能奏效。理論上帶屏蔽層的變壓器能使衰減量達(dá)到60dB左右。但實(shí)際使用后可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于尖峰干擾有抑制，其效果也不十分明顯。(c)壓敏電阻、氣體放電管、TVS管、固體放電管等吸波器件。這類(lèi)器件都有共同的特點(diǎn)，即在閾值電壓以下呈現(xiàn)高阻抗，而一旦超過(guò)閾值電壓，則阻抗便急劇下降，因此對(duì)尖峰電壓都有一定的抑制作用，但也有各自的局限性，例如氣體放電管的響應(yīng)速度較慢，壓敏電阻的電流吸收能力又不夠大，TVS管和固體放電管的閾值電壓一般僅為300V~400V。電磁干擾(ElectromagneticInterference)，簡(jiǎn)稱(chēng)EMI，有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。傳導(dǎo)干擾主要是電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)或公共電源線(xiàn)互相產(chǎn)生干擾；輻射干擾是指電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過(guò)空間耦合把干擾信號(hào)傳給另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)或電子設(shè)備。5.3高頻高壓開(kāi)關(guān)的干擾抑制在電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中為了盡量減小干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，盡可能地提高開(kāi)關(guān)電壓的頻率。本課題采取了如下方法，使開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾降到最低點(diǎn)。(1)精心設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制電源，在帶所有負(fù)載的情況下，控制電源的紋波盡可能小。(2)整個(gè)控制器的印刷電路板鋪上屏蔽地，以減少共模干擾。(3)采樣電路與控制器的距離盡可能短，減少信號(hào)傳送產(chǎn)生的干擾，同時(shí)在芯片的AD轉(zhuǎn)換腳加一個(gè)很小的濾波電容，消去傳送過(guò)程產(chǎn)生的干擾。(4)每塊電路板的電源端都加0.1uF的電容，減少電源線(xiàn)的干擾。(5)數(shù)字地與模擬地的連接為單點(diǎn)連接，避免數(shù)字電路地線(xiàn)上的突變電流給模擬地帶來(lái)干擾。(6)主電路的接線(xiàn)盡可能短，并且將幾根線(xiàn)絞起來(lái)，減少環(huán)路面積，以便起到減少線(xiàn)路漏感的作用。(7)在主電路的功率開(kāi)關(guān)管和二極管兩端加阻容吸收，一方面減少功率和二極管的應(yīng)力，另一方面減小開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電流變化率，從而減少主電路對(duì)控制電路的干擾[12]。結(jié)論結(jié)論在本次課題設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)高頻高壓開(kāi)關(guān)電源國(guó)內(nèi)外發(fā)展方向和趨勢(shì)的分析，以及對(duì)現(xiàn)有實(shí)物模型的工作原理的解剖，期望設(shè)計(jì)出一款全新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高頻高壓開(kāi)關(guān)電源。首先針對(duì)所需要的高頻高壓開(kāi)關(guān)電源的要求，對(duì)高頻高壓開(kāi)關(guān)電壓的工作原理進(jìn)行分析，選用適合的開(kāi)關(guān)變換器、控制方式和功率MOSFET。其次，根據(jù)系統(tǒng)主電路的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的各單元電路。第三，對(duì)所設(shè)計(jì)的高頻高壓開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行單元模塊設(shè)計(jì)。最后，對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行安裝調(diào)試，經(jīng)過(guò)多次的反復(fù)試驗(yàn)，達(dá)到了各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。通過(guò)對(duì)高頻高壓開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)，可以總結(jié)出以下結(jié)論：(1)針對(duì)系統(tǒng)電壓輸出要求和輸出頻率，選用復(fù)合結(jié)構(gòu)的主電路結(jié)構(gòu)，將斬波調(diào)壓電路與橋式變換器相組合達(dá)到效果。選用MOSFET作為功率變換器器件，用光電耦合器進(jìn)行隔離，構(gòu)成了完整的橋式開(kāi)關(guān)變換器，完成DC—AC的變換。(2)高頻高壓變壓器的設(shè)計(jì)是高頻高壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的重要部分，它直接影響電源的轉(zhuǎn)換效率等重要性能，設(shè)計(jì)過(guò)程中變壓器在變壓器生產(chǎn)廠家特殊定制。(3)采用PWM控制方式，其控制信號(hào)由集成控制器SG3525提供。反饋電壓可以直接反應(yīng)PWM的占空比的的大小，此控制器還將過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、軟啟動(dòng)、欠電壓鎖定、擊穿短路保護(hù)等功能集成進(jìn)去了，并且具有能量回收功能。用SG3525驅(qū)動(dòng)MOSFET，保證其可靠開(kāi)通和關(guān)斷。(4)應(yīng)用單片機(jī)與模擬電路控制相結(jié)合的方式，保證了系統(tǒng)的既具有很強(qiáng)的可操作性，又具有很高的可靠性，不必?fù)?dān)心單片機(jī)的死機(jī)等問(wèn)題對(duì)系統(tǒng)輸出的影響。通過(guò)對(duì)高頻高壓開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)，可以看到以下需要完善的問(wèn)題：由于本人知識(shí)和水平有限，所設(shè)計(jì)的高頻高壓開(kāi)關(guān)電源還有很多地方需要進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化，才能正式投入使用。本人認(rèn)為以下幾方面值得進(jìn)一步研究：(1)如何加大使用領(lǐng)域。本文中的開(kāi)關(guān)電源規(guī)模不可能兼顧所有工業(yè)領(lǐng)域，優(yōu)勢(shì)集中在自身擅長(zhǎng)的除塵領(lǐng)域，需要進(jìn)一步進(jìn)行市場(chǎng)細(xì)分，加大優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域的資源組合，擴(kuò)大其使用領(lǐng)域。(2)如何延長(zhǎng)其“生命力”。由于廉價(jià)的勞動(dòng)力和原材料，該產(chǎn)品價(jià)格上目前占有較大的優(yōu)勢(shì)，隨著中國(guó)社會(huì)的發(fā)展和國(guó)家的富強(qiáng)，價(jià)格和成本優(yōu)勢(shì)將逐漸消除，從而失去市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。(3)如何發(fā)展獨(dú)立的工藝技術(shù)。本文的設(shè)計(jì)在大型器件、芯片技術(shù)上采用了國(guó)外技術(shù)，今后需要發(fā)展國(guó)內(nèi)獨(dú)立的工藝技術(shù)。(4)如何進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)電源頻率。本文中的最高輸出頻率為100kHz，因其使用場(chǎng)合的不同，可能需要更高的頻率。要提高開(kāi)關(guān)電源的頻率，需要采用合適的功率器件，還必須考慮干擾。(5)如何進(jìn)一步提高輸出電壓。要提高開(kāi)關(guān)電源的電壓，需要合理地設(shè)計(jì)高頻變壓器。本課題中的高頻變壓器是在變壓器生產(chǎn)廠家特殊定制的，并沒(méi)有自己設(shè)計(jì)，如何自己設(shè)計(jì)并繞制高頻變壓器也是今后研究的課題。致謝洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文16PAGE60謝辭到今天為止，畢業(yè)設(shè)計(jì)已接近尾聲。本畢業(yè)設(shè)計(jì)歷時(shí)兩個(gè)多月，在這段時(shí)間里，有過(guò)成功的喜悅，也有過(guò)失敗的痛苦！但也使我學(xué)到了許多的東西。我想借此機(jī)會(huì)對(duì)關(guān)心和支持我的所有人表示感謝！首先我要衷心的感謝楊文方老師對(duì)我的指導(dǎo)和幫助！楊老師為我提供了良好的試驗(yàn)條件和實(shí)踐機(jī)會(huì)，并隨時(shí)關(guān)心我論文的進(jìn)度，為我提出許多寶貴的意見(jiàn)。楊老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)、忘我的工作精神、對(duì)學(xué)術(shù)敏銳的洞察力，以及博大精深的知識(shí)水平使我受益匪淺。在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，只要我們有什么問(wèn)題，他馬上就會(huì)想辦法為我們解答。是他引領(lǐng)我步入電氣設(shè)計(jì)的大門(mén)，引領(lǐng)我鍛煉自己分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。沒(méi)有他一直的以來(lái)的悉心指導(dǎo)和無(wú)私關(guān)懷，單憑我個(gè)人的能力還不至于能在這么短的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)！在此向楊老師致以我最誠(chéng)摯的謝意！當(dāng)然，還要感謝許許多多的學(xué)者，本文的許多概念和思路都來(lái)自他們的實(shí)踐，雖然不能一一提及他們的名字，希望通過(guò)參考文獻(xiàn)表達(dá)出他們的貢獻(xiàn)，并向他們致敬。大學(xué)生活即將結(jié)束，我感到自己樹(shù)立了正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀。在此，我要感謝學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)，是他們教會(huì)了我做人的道理。深深感謝我的父母，親人，你們的支持和鼓勵(lì)是我最大動(dòng)力源泉。感謝曾經(jīng)所有幫助過(guò)我的朋友，友誼是永遠(yuǎn)的財(cái)富。同時(shí)，也要感謝幫助過(guò)我的同學(xué)們。最后祝各位老師身體健康，工作順利，也祝愿母校的明天更美好！附錄PAGE16參考文獻(xiàn)[1] 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陳國(guó)呈.PWM變頻調(diào)速變換技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2001附錄1．與輸入相關(guān)的術(shù)語(yǔ)(1)交流輸入電壓交流輸入電壓的值，可用正弦波的有效值(rms)表示，可分為IOOV系列(包含120V等)，200V系列(包含220V、240V等)以及其他。均須針對(duì)此項(xiàng)輸入電壓，以確定“輸入電壓±若干％或者±若干V”。(2)直流輸入電壓所謂直流輸入電