开关电源Word文档下载推荐.docx

1、对输入滤波电容使用电压要求也较低，半桥式变换器在高频开关电源设计中得到广泛的应用。 1.2开关电源的国内外发展 1.2.1开关电源的发展最早的开关电源出现在60年代，出现的是串联型开关电源，功率晶体管用于开关状态，后来脉宽调制（PWM）控制技术有了发展，用以控制开关变换器，得到PWM开关电源， PWM开关电源效率可达65%-70%，1974年研制成了工作频率达到20kHz的开关电源，在电源技术发展史上誉为20kHZ革命。1976年，美国硅通用公司首次生产出世界上第一片集成脉宽调制器，使开关电源的控制器得到简化，系统的可靠性也大为增强。八十年代，国内高频开关电源只在个人计算机、电视机等若干设备上

2、得到应用。由于开关电源在重量、体积、用铜、用铁及能耗等方面都比线性电源和相控电源有显著减少，对整机多相指标有良好影响，因此它的应用得到了推广。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成

3、为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的的可靠性大大提高近年来越来越多领域应用开关电源，取得显著效益。在日益发展的今天，效率成为开关电源发展的重点方向。对于开关电源发展有以下几个方向： 1、频率要高。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。这样动响应才快，也是配合高速微处理器必须的；2、体积要减。变压器、电感、电容都要减小体积为了减小电力电子设备的体积和重量，必须设法改进电容器的性能，提高能量密度，并研究开发适合于电力电子及电源系统用的

4、新型电容器，要求电容量大、等效串联电阻ESR小、体积小等其次开关电源设计要求能够小型化。开关电源的应用领域中小型化，集成化的需求越来越高。比如笔记本电脑的电源系统，不仅需要完成充电控制，还需完成对微处理器供电的降压处理，对硬盘供电的降压处理，以及对屏幕供电的直流转交流变换等。所有的功能都希望在尽可能小的体积中完成。因此，小型化是开关电源的另一个发展方向；3、效率要高。产的热能减少，散热容易，容易达到高功率密度，进而制造超大功率的高频开电源，开关电源的设计要求有非常高的效率，高效率有着极为重要的意义。首先，高效率减少了能量在传递过程中的损失，最理想的情况就是输入端的能量完全传递到了输出端，在开关

5、电源内部不损失任何的能量，开关电源只是起到了能量形式转化的作用。然而，实际设计时这一点是不能实现的。如果电源内部有较大的损失，这部分能量将转化为热能损耗在器件上，这就要求开关电源有散热的设计，否则长时间的高温工作将减少使用寿命，大大增加不稳定性。而增大散热部件会对开关电源小型化起到巨大的阻碍作用。这一点在手持设备或者小型开关电源的应用中更为明显。其次，当今能源日趋紧张，全世界开始意识到节约能源的重要性，对于电子设备的功耗提出了硬性的指标规定。提高开关电源的效率不再是节省使用者电费开支的额外功能，开始成为各个产品必须满足的一项技术指标。4、电源系统的高度集成化。人们在开关电源技术领域是边开发相关

6、电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，也有AC/AC DC/AC 如逆变器 DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。开关电源技术由以下组成，一是元器件技术 ，包括涉及开关器件的电力电子器件技术和涉及变压器、电感等主要磁性元件的磁技术，以及涉及电容等其他无源元件的技术。二是电路技术，主要研究各种基本开关电路和

7、相应的软开关电路，以及各种吸收电路等。三是控制技术，主要研究适用于开关电源的各种控制方法，如电压模式控制和各种电流模式控制等。四是电磁兼容技术，研究开关电源中电磁干扰的产生、传播和抑制等问题。五是散热技术，利用传热学理论，分析和解决开关电源主要发热元件的散热问题。 1.2.2开关电源的主要应用领域 开关电源技术属于电力电子技术，它运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，可以满足各种用电要求。由于其高效节能可带来巨大经济效益，因而引起社会各方面的重视而得到迅速推广。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

8、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，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等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。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOSFET制成的500kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电

9、子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。 开关电源的使用为国家节省了大量铜材、钢材和占地

10、面积。由于变换效率提高，能耗减少，降低了电源周围环境的室温，改善了工作人员的环境。我国邮电通信部门广泛采用开关电源极大地推动了它在其它领域的广泛应用。值得指出的是，近两年来出现的电力系统直流操作电源，是针对国家投资4000亿元用于城网、农网的供电工程改造、提高输配电供电质量而推出的，它已开始采用开关电源以取代传统的相控电源。1.3课题背景 随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用, 人们对其需求量日益增长, 并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。为了适应市场需求, 全球各开关电源制造厂商不断推出各种性价比很高的产品或模块。开关电源以其效率高

11、、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源。桥式拓扑开关管的稳态关断电压等于直流输入电压，而不像推挽、单端正激或交错正激拓扑那样为输入电压的两倍。所以桥式拓扑结构广泛用于直接电网的离线式变换器。而对于推挽等拓扑来说，两倍的电网整流电压将超过其开关管的安全耐压容限。为此，输入网压为220V或更高的场合几乎都是采用桥式拓扑。桥式拓扑的另一优点是，能将变压器初级侧的漏感尖峰电压钳位于直流母线电压，并将漏感储存的能量归还到母线，而不是消耗于电阻元件。 半桥式变压器开关电源与推挽式变压器开关电源一样，由于两个开关管轮流交替工作，相当于两个开关电源同时输出功率，其输出功率约等于单

12、一开关电源输出功率的两倍。因此，半桥式变压器开关电源输出功率很大，工作效率很高，经桥式整流或全波整流后，输出电压的电压脉动系数Sv和电流脉动系数Si都很小，仅需要很小的滤波电感和电容，其输出电压纹波和电流纹波就可以达到非常小。1.4设计的主要内容目标设计一个半桥式开关电源变换器，内容包括整个电路框图的确定、主拓扑结构的确定、电路的设计、主要元器件参数的计算与选型、实际电路的制作与调试、各主要参数的测量与数据分析、撰写设计论文。 表1-1 设计参数输出电压电流功率 转换效率 工作频率预期目标5V20A100W 95%330KHz第二章 主电路设计方案2.1 电源整体设计思路整个电源的设计，分为三

13、部分。一、主电路的设计，包括整流输入滤波、半桥式电路、高频变压输出、输出整流、输出滤波。二、开关管的驱动电路及保护。三、控制电路的设计，包括控制逆变电路开关管工作的脉冲输出、软启动、调占空比以及保护电路。设计的流程框图如图2-1所示。图2-1 电源设计的流程图2.2 电源主电路的工作原理 2.2.1 电源的主电路首先，电源流入输入整流滤波回路将交流电通过整流模块变换成含有脉动成分的直流电，然后通过输入滤波电容将脉动直流电变为较平滑的直流电。其次，功率开关桥由控制电路提供触发脉冲把滤波得到的直流电变换为高频的方波电压，通过高频变压器传送到输出侧。最后，输出整流滤波回路将高频方波电压滤波成为所需的

14、直流电压或电流。 图2-2 半桥开关电源主电路半桥式开关电源主电路如图2-2所示。图中开关管Q1, Q2 选用 MO SFET , 因为它是电压驱动全控型器件,具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快及安全工作区大等优点。半桥式逆变电路一个桥臂由开关管Q1,Q2 组成, 另一个桥臂由电容C1, C2 组成。高频变压器初级一端接在C1, C2 的中点, 另一端接在Q1, Q2 的公共连接端,C1, C2中点的电压等于整流后直流电压的一半,Ui/ 2。开关Q1, Q2交替导通就在变压器的次级形成幅值为Ui/ 2 的交流方波电压。通过调节开关的占空比, 就能改变变压器二次侧整流输出平均电压Vo。2.3 半桥电路的结构与工作过程在半桥式逆变电路中，变压器一次侧的两端分别连接在电容C1,C2的中点和开关Q1, Q2中点。电容C1,C2的中点电压为。S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为的交流电压，改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压Ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。图 2-3 半桥式电路的结构 Q1导通时，二极管VD1处于通态；Q2导通时，二极管VD2处于通态,当两个开关都关断时，变压器绕组W1中的电流为零，根据变压器的磁势平衡方程，绕组NS1和NS2中的电流大小相等，方向相反，所以VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。Q1或Q2导通是电感L的电流