高频开关电源设计毕业设计.docx
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高频开关电源设计毕业设计
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引言
.........................................................
1
1
本文概述..................................................
1
1.1
选题背景............................................................................................................................
1
1.2
本课题主要特点和设计目标............................................................................................
2
1.3
课题设计思路....................................................................................................................
2
2
SABER软件................................................
3
2.1
SABER简介......................................................................................................................
3
2.2
SABER仿真流程.............................................................................................................
4
2.3
本章小结............................................................................................................................
4
3
三相桥式全控整流器的设计..................................
5
3.1
工作原理............................................................................................................................
5
3.1.1
三相桥式全控整流电路的特点......................................................................................
5
3.2
保护电路............................................................................................................................
6
3.2.1
过电压产生的原因..........................................................................................................
6
3.2.2
过压保护..........................................................................................................................
6
3.2.3
过电流产生的原因..........................................................................................................
7
3.2.4
过流保护..........................................................................................................................
8
3.3
SABER仿真....................................................................................................................
10
3.3.1
设计规范........................................................................................................................
10
3.3.2
建立模型........................................................................................................................
10
3.3.3
仿真结果........................................................................................................................
11
3.3.4
结果分析........................................................................................................................
13
3.4
本章小结..........................................................................................................................
13
4
功率因素校正技术.........................................
13
4.1
谐波..................................................................................................................................
13
4.1.1
谐波的危害....................................................................................................................
13
4.1.2
谐波补偿和功率因素校正............................................................................................
13
4.2
有源功率因数校正..........................................................................................................
14
4.2.1APFC技术分类.............................................................................................................
14
4.2.2
临界导电模式APFC的控制原理...............................................................................
15
4.2.3
功率因素校正电路的缺点及解决方法........................................................................
16
4.3
本章小结..........................................................................................................................
16
1
5
软开关功率变换技术.......................................
16
5.1
软开关技术的提出..........................................................................................................
16
5.1.1
开关损耗的成因............................................................................................................
16
5.2
软开关技术......................................................................................................................
17
5.2.1
软开关技术的一般实现方法........................................................................................
18
5.2.2
软开关的发展历程主要分类........................................................................................
18
5.3
本章小结..........................................................................................................................
19
6
双管正激变换器的设计.....................................
19
6.1
工作原理..........................................................................................................................
19
6.2
SG3525的功能介绍以及应用.......................................................................................
20
6.2.1
SG3525基本工作原理和应用特点..............................................................................
21
6.2.2
SG3525在双管正激开关电源中的应用......................................................................
22
6.3
启动电路的改进..............................................................................................................
23
6.4
SABER仿真....................................................................................................................
24
6.4.1
设计步骤简介................................................................................................................
24
6.4.2
设计规范........................................................................................................................
24
6.4.3
开环设计（功率电路设计）........................................................................................
25
6.4.4
调制器设计和闭环仿真................................................................................................
28
6.5
仿真结果..........................................................................................................................
31
6.6
本章小结..........................................................................................................................
31
7
BOOST变换器的设计.......................................
31
7.1
工作原理..........................................................................................................................
31
7.2
SABER仿真....................................................................................................................
32
7.2.1
设计规范........................................................................................................................
32
7.2.2
参数设计........................................................................................................................
32
7.2.3
仿真结果........................................................................................................................
33
7.3
本章小结..........................................................................................................................
34
8系统集成调试.............................................34
9结论与展望...............................................35
谢辞36
参考文献36
附录37
2
引言
人类已经进入工业经济时代，并处于转入高新技术产业迅猛发展的时期。
电源是向
负载提供优质电能的供电设备，是工业的基础。
电源涉及功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术等多学科的边缘交叉技术。
随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。
在现代通信，电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防以及某些高新技术中发挥着重要作用。
开关电源是直流电源系统的一个重要组成部分。
高频开关技术是采用高频功率半导体器件和脉宽调制（PWM）技术的功率变换技术。
其发展方向是高频，高功率因素，抗
干扰和模块化，其中进一步实现高频化是开关电源的发展趋势，同时软开关技术也成为开关电源的主流技术，由于工作频率高，电路中的滤波电感和电容的体积可大大缩小；同时，高频变压器取代了工频变压器．则变压器的体积减小、重量降低；另外，由于开
关管高频工作，功率损耗小，因而开关电源效率高。
开关管一般采用PWM控制方式，
稳压稳流特性极佳。
现在应用于开关电源技术的仿真软件已有多种，它们有通用的软件，也有专业的软
件，其中通用的最具影响的是PSPICE和MATLAB。
PSPICE是美国加州大学伯克利分校
推出的集成电路分析软件SPICE的微机版，广泛应用于电子电路的设计。
早期的MATLAB
主要应用于控制系统的仿真和分析，经过不断扩展已经成为包括通信、电气工程、优化
控制等诸多领域的科学计算软件。
虽然上述两个软件均可用于开关电源系统的仿真，但是笔者认为开关电源技术作为一门跟实践紧密联系的课程，采用专业级的仿真软件效果将会更好，因此本次设计将采用专业级的电源仿真软件-SABER。
本文应用高频开关PWM技术，设计了一种开关频率50KHZ的高频开关电源，系统主电路包括三相桥式全控整流器、双管正激变换器、BOOST变换器。
根据题目要求，应用SABER软件对上述几个电路进行了原理性仿真测试，并对仿真结果进行了分析。
1本文概述
1.1选题背景
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。
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，这一点称为成本
反转点。
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，这一成
1
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阔的发展空间。
从开关电源发展史来讲，如今已经走到第五代。
第一代是70年初，那时候从线性电源开始走向开关电源；第二代是1976开始取得UL安规认证；第三代从80年代中期开始，开关电源走向全球通用，因此电源的开发就不能局限在北美或者日本市场，输入
电压要考虑85~265V范围内，同时欧规和其他安规都要考虑进来；第四代在90年中期，欧盟要求EMC（电磁兼容），包括PFC方面的高次谐波要求；现在进入了第五代，2006
年7月，欧盟将强制执行ROHS条例，以限制有毒物质的使用，新一代的电源产品就这样诞生了。
开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。
另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
近年来，开关电源已广泛应用于电力，通信，交通等各个领域，并取得了显著的经济效益。
随着开关器件以及磁性材料性能的不断改进，开关频率逐步提高，功率逐步增大，开关电源的性能也更加优良。
相关技术的发展和开发软件的改进，也使开关电源的研发水平大大提高。
1.2本课题主要特点和设计目标
高可靠性、高电气指标等特征，使得开关电源具有更强的竞争力，应用领域不断扩大，高频开关电源向着高频、高效、高功率因素发展，必然将有更多更好的新技术出现，来不断完善它。
本文通过对开关电源的工作原理进行探究，分析了提高电源性能的新技术，设计了主体电路，分析了控制保护电路，并用SABER软件对电路进行原理性仿真模拟。
本课题所设计的开关电源，具体要求如下：
（1）输入：
三相交流输入380V，在±10％变化内；
（2）输出：
200VDC10A；
（3）稳压精度0.1％，功率因数大于0.9，具有过流过压保护措施
1.3课题设计思路
交流输入的开关电源的设计电路如图1.1所示。
交流电经整流和PFC后转换成高压直流电，经DCDC变换器后转换成所需的直流电输出。
图1.1开关电源的基本设计
2
本文主要通过对传统开关电源的研究，针对其不足，提出了改善，运用PWM技术，使电源输出更稳定，性能更好，效率更高。
2SABER软件
2.1SABER简介
SABER是由analogy公司开发、现由Synopsys公司经营的系统仿真软件，被誉为
全球最先进的系统仿真软件，也是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品，现已成为混
合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准，可用于电子、电力电子、机电一体化、
机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真，这也是SABER的最大
特点。
SABER作为混合仿真系统，可以兼容模拟、数字、控制量的混合仿真，便于在
不同层面上分析和解决问题，其他仿真软件不具备这样的功能。
SABER仿真软件是当今世界上功能强大的电力电子仿真软件之一，我们从以
下几个方面对SABER仿真软件进行介绍：
（1）原理图输入和仿真。
SABERSketch是SABER的原理图输入工具，通过它可以直接进入SABER仿真引擎。
在SABERSketch中，用户能够创建自己的原理图，启动SABER完成各种仿真（偏置点分析、DC分析、AC分析、瞬态分析、温度分析、
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