10kw直流开关电源设计学位论文Word格式.docx

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根据直流开关电源的工作原理确定设计方案，选择三相桥式不控整流滤波电路作为主电路的输入级电路，通过分析比较各种变化器的优缺点，选用移相式全桥变换器，设计了高频变压器，选择单相桥式整流电路作为主电路的输出级电路，在电压调节环节上，详细分析了基于UC3825控制芯片的PWM控制电路。

并根据任务要求完成了IGBT驱动电路、系统反馈电路的、保护电路、辅助电源以及均流电路的设计。

本次设计的10kW直流开关电源具有输出电压可调、输出电流大、纹波小等特点。

实验结果表明它基本达到设计要求，从而验证了理论分析的正确性，具有广阔的应用前景。

关键词：

变换器；

开关电源；

高频变压器；

PWM控制

Abstract

Switchingpowersupplywithhighefficiency,smallsize,lightweightandothersignificantcharacteristics.Atpresent,allthecountriesintheworldhaveawiderangeofapplications,especiallyintheresearchanddevelopmentoflargecapacityandhighfrequencyswitchingpowersupplyhasbecomeamainresearchfieldofmodernpowerelectronics,andderivealotofnewresearchdirections.

Thesubjectofthisdesignisthedesignof10kWDCswitchingpowersupply,theworkingprincipleofDCswitchingpowersupply:

thegridtotheACrectifiedfiltercircuitintoaDC,afterhighfrequencyinvertercircuitintoahigh-frequencyalternatingcurrent,highfrequencyalternatingcurrenttransformerbyhigh-frequencytransformerwill,thenhighfrequencyACsingle-phasebridgerectifierfiltercircuitfordc.AccordingtothedesignschemetodeterminetheworkingprincipleofDCswitchingpowersupply,selectionofthree-phaseuncontrolledrectifierfiltercircuitastheinputcircuitofmaincircuit,comparingtheadvantagesanddisadvantagesofvariouschangesthroughtheanalysis,selectionofphase-shiftfullbridgeconverter,highfrequencytransformerdesign,selectionofsinglephasebridgerectifiercircuitasoutputcircuitofthemaincircuit,onthevoltageregulationpart,adetailedanalysisoftheUC3825controlchipcontrolcircuitbasedonPWM.AndtheIGBTdrivecircuit,feedbackcircuit,protectioncircuit,auxiliarypowersupplyandaflowequalizationcircuitisdesignedaccordingtotherequirementofthetask.

Thedesignof10kWDCswitchingpowersupplyhasthecharacteristicsofadjustableoutputvoltage,outputcurrent,lowripple.Theexperimentalresultsshowthatitmeetsthedesignrequirement,whichverifiesthecorrectnessofthetheoreticalanalysis,hasabroadapplicationprospect.

Keywords:

converter；

Switchingpowersupply；

high-frequencytransformer；

PWMcontrol

第1章绪论

开关电源的简介

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。

随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。

目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。

线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。

随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。

现代开关电源有两种：

一种是直流开关电源；

另一种是交流开关电源。

这里主要介绍的只是直流开关电源，其功能是将电能质量较差的电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压（精电）。

直流开关电源的核心是DC/DC转换器。

因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。

也就是说，直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的，DC/DC转换器的分类基本上就是直流开关电源的分类。

开关电源的发展及国外现状

自1957年第一只可控硅（SCR）问世后，可控硅取代了笨重而且效率低下的硒或氧化亚铜整流器件，可控硅整流器就作为通信设备的一次电源使用。

在随后的20年内，由于半导体工艺的进步，可控硅的电压、电流额定值及其它特性参数得到了不断提高和改进，满足了通信设备不断发展的需要，因此，直到70年代，发达国家还一直将可控硅整流器作为大多数通信设备的一次电源使用。

虽然可控硅整流器工作稳定，能满足通信设备的要求，但它是相控电源，工作于工频，有庞大笨重的电源变压器、电感线圈、滤波电容，噪声大，效率低，功率因数低，稳压精度也较低。

因此，自1947年肖克莱发明晶体管，并在随后的几年内对晶体管的质量和性能不断完善提高后，人们就着力研究利用晶体管进行高频变换的方案。

1955年美国罗耶（GH·

Roger）发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换电路的开始,1957年美国查赛（JJ·

JenSen）又发明了自激式推挽双变压器变换器电路。

在此基础上，1964年，美国科学家提出了取消工频变压器的串联开关电源的设想，并在NEC杂志上发表了“脉宽调制应用于电源小型化”等文章，为使电源实现体积和重量的大幅下降提供了一条根本途径。

随着大功率硅晶体管的耐压提高和二极管反向恢复时间的缩短等元器件性能的改善，1969年终于做成了25kHz的开关电源。

电源界把开关电源的频率提高到20kHz以上称为电源技术的“20kHz革命”。

经过几年的努力，从开关电源的电路拓扑型式到相配套的元器件等研究都取得了相当大的进展。

在电路拓扑型式上开发出了单端贮能式反激电路、双反激电路、单端正激式电路、双正激电路、推挽电路、半桥电路、全桥电路，以适应不同应用场合、不同功率档次的需要；

在元器件方面，功率晶体管和整流二极管的性能也有了较大的提高。

1976年美国硅通用公司第一个做出了型号为SG1524的脉宽调制（PWM,PulseWidthModulation）控制芯片，极大地提高了开关电源的可靠性，并进一步减小了体积。

在随后的几年中，大功率晶体管（GTR）和功率场效应管（MOSFET）相继被研制出来，其电压、电流额定值大为提高，工作频率也提高较多，可靠性也显著增加。

到80年代中后期，绝缘栅双极性晶体管（IGBT）已研制出来并投入了市场，各种通信设备所需的一次电源大多采取PWM集成控制芯片、双极型晶体管、场效应管、绝缘栅双极晶体管。

随着微电子学的发展和元器件生产技术的提高，相继开发出了耐压高的功率场效应管（VMOS管）和高电压、大电流的绝缘栅双极性晶体管（IGBT），具有软恢复特性的大功率高频整流管，各种用途的集成脉宽调制控制器和高性能的铁氧体磁芯，高频用的电解电容器，低功耗的聚丙烯电容等。

主要元器件技术性能的提高，为高频开关电源向大功率、高效率、高可靠性方向发展奠定了良好基础。

随着通信用开关电源技术的广泛应用和不断深入，实际工作中人们对开关电源提出了更高的要求，提出了应用技术的高频化、硬件结构的模块化、软件控制的数字化、产品性能的绿色化、新一代电源的技术含量大大提高，使之更加可靠、稳定、高效、小型、安全。

在高频化方面，为提高开关频率并克服一般的PWM和准谐振、多谐振变换器的缺点，又开发了相移脉宽调制零电压开关谐振变换器，这种电路克服了PWM方式硬开关造成的较大的开关损耗的缺点，又实现了恒频工作，克服了准谐振和多谐振变换器工作频率变化及电压、电流幅度大的缺点。

采用这种工作原理，大大减小了开关管的损耗，不但提高了效率也提高了工作频率，减小了体积，更重要的是降低了变换电路对分布参数的敏感性，拓宽了开关器件的安全工作区，在一定程度上降低了对器件的要求，从而显著提高了开关电源的可靠性。

国内开关电源的发展及现状

建国初期，我国邮电部门的科研技术人员开发了以国产大功率电动发电机组为主的成套设备作为开关电源用于通信。

在引进原民主德国FGD系列和前苏联BCC51系列自动化硒整流器基础上，借鉴国外先进技术，与工厂共同研制成功国产XZL系列自动化硒整流器，并在武汉通信电源厂批量生产，开始用硒整流器装备通信局（站），替换原有的