交流稳压电源的设计带总电路图毕业设计.docx

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交流稳压电源的设计带总电路图毕业设计

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引言

随着电子计算机技术应用到各工业、科研领域后，各种电子设备都要求稳定的交流电源供电，而交流稳压电源的出现解决了这一问题。

车站信号电源屏从功能上分为调压、转换（包括2路电源转换和输出转换）、输出（包括交流输出和直流输出）几部分,其中稳压部分是电源屏质量的关键。

目前铁路车站现场应用的电源屏稳压部分其最主要的缺点是响应速度慢,在两路电网转换过程中容易产生过压或欠压;有机械磨损,易损坏;输出失真大。

随着技术进步,继电式设备正逐步被电子设备所取代,设备对电源质量要求越来越高。

稳压电路具有效率高、可靠性高、抗干扰能力强。

补偿变压器功率较小,从而明显降低材料成本及功率损耗,达到提高效率,减小重量体积的目的。

微机控制使控制电路大大简化,还可加入辅助功能,如故障诊断、稳压指示、超限声光报警、延时启动、故障检测、缺相保护等各种功能。

通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。

高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。

在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流（DC/DC）变换器称为二次电源。

一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。

目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源（也称为开关型整流器SMR）通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。

近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。

在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。

对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。

在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。

高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源（逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等）的核心。

1电源技术概述

1.1现代电源技术的应用领域

高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。

上世纪80年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。

接着开关电源技术相继进入了电子、电器设备领域。

计算机技术的发展,提出了绿色电源。

绿色电源系指高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星”计划规定,桌上型个人电脑或相关的外围设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电源的要求。

提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。

就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50W的能源。

1.1.1通信用高频开关电源

通信用高频开关电源就是通过电路控制开关管进行高速的道通与截止．将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50Hz高很多．所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热。

1.1.2直流-直流（DC/DC）变换器

DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。

斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式TS不变，改变ton（通用），二是频率调制。

这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。

用直流斩波器代替变阻器可节约电能20%~30%。

直流斩波器不仅能起调压的作用（开关电源）,同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

通信电源的二次电源DC／DC变换器已商品化，模块采用高频PWM技术，开关频率在500kHz左右，功率密度为5W—20W／in3。

随着大规模集成电路的发展，要求电源模块实现小型化，因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构，目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块，功率密度有较大幅度的提高。

1.1.3不间断电源（UPS）

UPS（UninterruptiblePowerSystem），即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。

主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。

当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时，UPS立即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。

UPS设备通常对电压过大和电压太低都提供保护。

不间断电源（UPS）是计算机、．通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。

交流电输入经整流器变成直流，一部分能量给蓄电池组充电，另一部分高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源，代表了当今焊机电源的发展方向。

由于IGBT大容量模块的商用化，这种电源更有着广阔的应用前景。

1.1.4变频器电源

变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。

变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。

工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器,将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。

1.1.5高频逆变式整流焊机电源

变频电源是将市电中的交流电经过AC→DC→AC变换,输出为纯净的正弦波，输出频率和电压一定范围内可调。

它有别于用于电机调速用的变频调速控制器，也有别于普通交流稳压电源。

理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波（无失真）。

变频电源十分接近于理想交流电源，因此，先进发达国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的供电环境，便于客观考核用电器的技术性能。

变频电源主要有二大种类：

线性放大型和SPWM开关型。

1.1.6大功率开关型高压直流电源

逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流（AC-DC-AC-DC）变换的方法。

50Hz交流电经全桥整流变成直流，IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波，经高频变压器耦合，整流滤波后成为稳定的直流，供电弧使用。

由于焊机电源的工作条件恶劣，频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中，因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题，也是用户最关心的问题。

采用微处理器做为脉冲宽度调制（PWM）的相关控制器，通过对多参数、多信息的提取与分析，达到预知系统各种工作状态的目的，进而提前对系统做出调整和处理，解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。

国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A，负载持续率60%，全载电压60~75V，电流调节范围5~300A，重量29kg。

1.1.7电力有源滤波器

电力有源滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，之所以称为有源，顾名思义该装置需要提供电源，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点（传统的只能固定补偿），实现了动态跟踪补偿，而且可以只补谐波不补无功；三相电路瞬时无功功率理论是APF发展的主要基础理论；APF有并联型和串联型两种，前者用的多；该装置的主要缺点是复杂、成本高，限制了它的使用。

电力有源滤波器的研究与应用，国内有源电力滤波器在技术研究虽然与国内有一定的差距，但近几年在技术已取得突破性的进展。

国内已有多家公司提出了APF产品，并在工业领域取得了成功的应用，如西安萨博、英纳仕电气等。

但随着我国对电网谐波污染治理日益重视，“绿色电力电子”的呼声愈来愈高，电力有源滤波器必然会得到广泛地推广应用。

1.1.8大功率开关型高压直流电源

高压直流电源有着广泛的应用领域，电力系统中广泛的用于高压电气设备的直流耐压和泄露试验，如电力系统避雷器，电力电缆，变压器绕组及发电机的现场试验；工业中用于环保的静电除尘，污水处理，激光器等；医学方面用于X光机，CT等大型设备；科研上用于高能物理，等离子物理；军事上雷达发射器，脉冲点火技术等。

1.2电源的发展趋势

1.2.1小型、薄型、轻量化

使电源小型化的具体办法有：

一是高频化。

为了实现电源高功率密度，必须提高PWM变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量。

二是应用压电变压器。

应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度。

压电变压器利用压电陶瓷材料特有的“电压-振动”变换和“振动-电压”变换的性质传送能量，其等效电路如同一个串并联谐振电路，是功率变换领域的研究热点之一。

三是采用新型电容器。

为了减小电子设备体积和重量，提高能量密度，研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电容器。

四是同时采用SMT技术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄。

1.2.2可靠化

开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，对于电力电子装置，元器件数量越多，发生故障的机率越大，装置的可靠性越低。

从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。

追求寿命的延长要从设计方面做工作。

美国一公司通过降低结温、减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其DC/DC开关电源系列产品的可靠性大大提高，产品的MTBF高达100万h以上。

1.2.3效率化

为了使开关电源轻、小、薄，高频化（开关频率达兆赫级）是必然发展趋势。

而高频化又必然使传统的PWM开关功耗加大、效率降低、噪声提高，且达不到高频、高效的预期效益，因此实现零电压导通、零电流关断的软开关技术将成为开关电源产品的发展方向。

采用软开关技术可使效率达到85%~88%。

据悉，美国VICOR开关电源公司设计制造了多种ECZ软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有800W、600W、300W等，相应的功率密度为101.60W/cm3、160.38W/cm3和278.58W/cm3，效率为80%~90%；日本Nemic-Lambda公司推出一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，开关频率为200~300kHz，功率密度为442.45W/cm3，用同步整流器（即用MOS-FER代替肖特基二极管）使整个电路效率提高到90%。

1.2.4模块化

在电源集成技术的发展进程中，已经经历了电力半导体器件模块化，功率与控制电路的集成化，集成无源元件（包括磁集成技术）等发展阶段。

近年来的发展方向是将小功率电源系统集成在一个芯片上，可以使电源产品更为紧凑，体积更小，也减小了引线长度，从而减小了寄生参数。

在此基础上，可以实现一体化，所有元器件连同控制保护集成在一个模块中。

上世纪90年代，随着大规模分布电源系统的发展，一体化的设计观念被推广到更大容量、更高电压的电源系统集成，产品设计中提高了集成度，出现了集成电力电子模块（IPEM）。

IPEM将功率器件与电路、控制以及检测、执行等元件集成封装的模块，既可用于标准设计，也可用于专用、特殊设计。

目前，可快速高效为用户提供产品，显著降低成本，提高可靠性。

无论是AC/DC或是DC/DC变换器都是朝着模块化方向发展，特点是：

可用模块电源组成分布或电源系统；可以设计成N+1冗余电源系统，从而提高可靠性；可以做成插入式结构，实现热更换，从而在运行中出现故障时能快速更换模块插件；多台模块并用可实现大功率电源系统。

此外，还可在电源系统建成后，根据需要扩充容量。

1.2.5绿色化

电源系统的绿色化有两层含义:

首先是显著节电,这意味着发电容量的节约