电气工程及其自动化毕业设计：大功率开关电源的设计.doc

1、 本科 毕业设计 大功率开关电源的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II 摘要 开关电源在现实生活中应用非常广泛，通过对本课题的探究，不求能做出像样的成品，但求对开关电源原理有更深入的了解。为了方便设计、调试，将系统分解成四个 部分，分别为功率因数校正电路，辅助电源电路，驱动电路以及主电路。在尝试制作实物之前，对局部电路利用仿真软件进行了虚拟仿真，仿真省去了实际制作过程中的诸多困难，可以帮助理解电路的工作原理，但实物制作又有别于仿真。 功率因数校正电路 可提高电路的功率因数，有利于改善电能的质量，功率因数校正电路路采用功率因数校正芯

2、片 UC3854；辅助电源为控制电路提供电能，电路以单片集成开关电源芯片 TOP204YN 为核心；驱动电路负责控制功率开关管 场效应管的开通与关断，设计过程中尝试了两种方案：第一种方案是采用 PWM 发生芯片加 脉冲变压器驱动，第二种方案是采用场效应管驱动芯片 IR2155。调试过程中发现第一种方案中因有脉冲变压器，其振荡波形不容易把握，第二种方案中， IR2155 可工作在 600V 的高压下不需要辅助电源供电，其外围电路也非常简单，但因两片 IR2155 信号难以实现同步，将造成有效占空比丢失从而导致输出电压不稳定根本带不动负载；由于设计要求功率很大，故主电路选择全桥式变换器电路，构成全

3、桥电路的开关元器件采用 IRFP460，其 漏 -源击穿电压为 500V，通态漏极电流为 20A，通态电阻小于等于 0.27 欧，符合设计要求。 关键词 ： 大功率；驱动； H 桥III Abstract The switching power supply is widely used in real life Through exploring this subject not to make out a perfect product but to understand the principle of switching power supply more in-depth In or

4、der to facilitate and commissioning the design， the system is decomposed into four parts， they are power factor correction circuit， auxiliary power supply circuit， MOSFET drive circuit and the main circuit Before trying to make out the powerful switching power supply parts of the circuit are simulat

5、ed on the simulation software， OrCAD Simulation can help understanding the principle of electric circuit， but different from object making Power factor correction circuit can improve the power factor of circuit and to improve the quality of electric power UC3854， a power factor correction chip is us

6、ed in the power factor correction circuit TOP204YN， the single integrated switching power supply chip is the core of the auxiliary power supply The driving circuit is responsible for controlling the enlightened and shut off of the MOSFET Two options are chosen：one way is using PWM generator chip plu

7、s pulse transformer， the second solution is driven by IR2155 MOSFET driven chip During the circuit debugging， found that in the first way its oscillations waveform is not easy to control While in the second way， the IR2155 can work in the high-voltage and its periphery circuit is also very simple， b

8、ut its hard to achieve signal synchronous between two IR2155s and it causes the output voltage instability Based on the design requirement， the main circuit choose the whole bridge type converter circuit The switching components adopt IRFP460 ， its drain-source breakdown voltage ups to 500V， the nor

9、mal drain current is 20A and the drain-source on resistance is less than 0.27 Absolutely， its qualified for this design requirements Keywords： High power； Drive； H-bridge IV 目录 前 言 . 1 第 1 章 绪论 . 2 1.1 开关电源发展趋势 . 2 1.2 设计任务及主要技术指标 . 3 1.3 系统总体设计方案 . 3 第 2 章 功率因数校正电路的设计 . 4 2.1 功率因数的定义 . 4 2.2 电流谐波 .

10、 4 2.3 功率因数校正的意义 . 5 2.4 桥式整流电路 . 5 2.4.1 桥式整流电路工作原理 . 5 2.4.2 桥式整流电路参数计算 . 6 2.5 电磁干扰滤波器的设计 . 7 2.6 升压斩波电路 . 8 2.7 电路设计 . 9 2.7.1 UC3854 芯片介绍 . 9 2.7.2 功率因数校正电路原理图 . 11 2.7.3 参数计算 . 11 第 3 章 辅助电源 的设计 . 13 3.1 开关电源的两种基本控制类型 . 13 3.2 钳位保护电路的设计 . 14 3.3 反馈电路的基本类型 . 15 3.4 高频开关电源的干扰及抑制 . 16 3.5 OrCAD 软

11、件仿真 . 18 3.6 反激式高频变压器设计 . 20 第 4 章 驱动电路的设计 . 22 4.1 功率开关管的选择 . 22 4.2 场效应管的保护电路 . 22 V 4.3 场效应管的驱动电路 . 25 4.3.1 直接驱动式 . 25 4.3.2 耦合驱动方式 . 26 4.3.3 由集成电路构成的驱动电路 . 27 4.3.4 耦合驱动式和混合式 . 28 第 5 章 主电路的设计 . 29 5.1 主电路结构的选择 . 29 5.2 H 桥工作原理 . 29 5.3 主功率变压器的设计 . 36 5.4 全桥开关电源仿真波形 . 37 第 6 章 硬件电路调试 . 39 6.1

12、辅助电源的调试 . 39 6.2 驱动电路的调试 . 39 6.2.1 以 UC3875 为核心的 PWM 产生电路的调试 . 39 6.2.2 半桥式 MOSFET 柵极驱动器 IR2155 的调试 . 41 小 结 . 42 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 43 附录 1 OrCAD 仿真程序 . 44 附录 2 各部分电路 PCB 图 . 45 附录 3 电路装配图 . 48 1 前 言 开关电源具有体积小、重量轻、耗能低、使用方便等优点，在邮电通信、航空航天、仪 器仪表、工业设备、医疗器械、家用电器等领域应用效果显著。随着科学技术的迅猛发展，电气设备日新月异，尤其是以计

13、算机、信息技术为代表的高新技术的发展，开关电源的设计、制造技术不断吸收能源、材料及控制技术等领域的现代成果，使开关 电源不断地向高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性等方向发展。开关电源从广义上讲，包括交流不间断供电和直流不间断供电两大部分。开关电源作为各类控制系统的原动力，其地位也日益提高。随着现代大型用电设备的迅速发展，特别是微电子技术的发展，任何通信设备都离不开电源，开关电源装置的质量直接影响着通信的质量。2 第 1 章 绪论 1.1 开关电源发展趋势 在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术处于核心地位。在电动汽车和变频传动中都离不开开关电源技术，开关电源能改变用电频率，

14、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（如逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、电力操作电源、激光器电源等）的核心技术。 1、 高频化 电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。当把频率从工频 50Hz 提高 40 倍至 20kHz，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的 5 10%。无论是逆变式整流焊机还是通讯电源用的开关式整流器，都是基于这一原理。随着电力电子技术的不断发展，功率电子器件工作频率上限不断提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，带来显著节能效益。 2、 模块化 模块化有两方面的含 义，其一指功率器件的模块化

15、，其二指电源单元的模块化。开关器 件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标准”功率模块（ SPM）。有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中，构成了“智能化”功率模块（ IPM），不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的电应力（表现为过电压、过电流毛刺）。为了提高系统的可靠性，“用户专用”功率模块（ ASPM）应运而生，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再 有传统的引线连接，它类似于微电子中的用户专用集成电路（ ASIC）。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯

16、片，再把整个模块固定在相应的散热器上，就构成一台新型的开关电源装置。大功率开关电源由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑，一般采用多个独立的模块单元并联工作，采用均流技术，这样不但提高了功率的容量，而且极大地提高了系统的可靠性。 3、 数字化 在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的，现在数字式信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点，其优点便于 计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰、便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。 4、 绿色化 电源系统的绿色化指用电设备耗电量减小，对电网不

17、产生或产生很少污染。国际电工委 员会（ IEC）对此制定了一系列标准，如 IEC555、 IEC917、 IEC1000 等。实际中，许多功率电子节电设备，往往会变成对电网的污染源，如：向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。 20 世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了诸多修正 功率因数的方法。这些为批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。3 1.2 设计任务及主要技术指标 设计任务：研究开关电源的实现方法，并按照设计指标要求进行电路的设计与仿真。分 析、掌握该课题总体方案，广泛阅读相关技术资料，并提出自己的见解。掌握开关电

18、源的工作原理。设计硬件系统并进行仿真，掌握系统调试方法，使系统达到设计要求。 主要技术指标： 输出功率：额定功率 500W，最大功率 1000W。 输入电压自适应： 220AC10% 。 输出电压：有两路输出，第一路用于功率放大器，输出电压为 90V；第二路用于控制电 路，输出电压为 +15V。 开关频率： 50-100KHz。 效率： 85% 1.3 系统总体设计方案 大功率开关电源的原理框图如图 1.1 所示。该系统的核心部分是全桥功率变换电路。对于大功率的电源设备要考虑功率因数校正问题。普通的 AC/DC 变换器就是桥式整流加电容滤波电路，大容量电容用于减小输出电压纹波，但输入电流却呈尖

19、峰脉冲状，这会导致变换器输入功率因数下降，对电网产生污染。 输出 输入 输入整 流滤波 功率因 数校正 全桥功率 变换电路 驱动电路 辅助电源 输出整 流滤波 图 1.1 大 功率开关电源系统框图 4 第 2 章 功率因数校正电路的设计 2.1 功率因数的定义 工程中通常用到功率 因数的概念，其定义为： c o s 1Z (2-1) Z 称为功率因数角（不含独立源的一端口的阻抗角）。它是衡量传输电能效果的一个非常重要的指标，表示传输系统有功功率所占的比例，即： (2-2) 式 (2-2)中 P 为有功功率（即平均功率）其定义为： (2-3) 它是瞬时功率不可逆部分的恒定分量，也是其变动部分的振

20、幅，它是衡量一端口实际所吸收的功率，其单位用 W（瓦）表示。 Q 为无功功率，其定义为： (2-4) 它是瞬时功率可逆部分的振幅，是衡量由储能元件引起的与外部电路交换的功率，这里“无功”的意思是指这部分能量在往复交换的过程中，没有“消耗”掉。其单位用 var(乏 )表示。 2.2 电流谐波 现有的开关电源都是将交流电压进行低通滤波、全波整流。电容滤波后，输出较为平直的直流高压。这种低通滤 波、整流电路是非线性的，虽然电网电压是一种正弦波，但因负载的影响，输出电流将会发生严重畸变，呈现出一种脉冲波。这种波会给供电电网带来危害，使输入功率因数下降。 根据桥式整流中的二极管单向导电的特性，只有在输入

21、端的交流电压瞬时值超过滤波电容上的电压时，整流二级管才会因正向偏置而导通。而输入交流电压的瞬时值低于滤波电容上的电压时，整流二极管则反向偏置而截至。于是，只有在输入交流电压的峰值附近，整流二极管才会导通，它的导通角约为 60。这样整流二极管的导通角明显变小，对交流输入电压波形并不产生很大影响，大体上仍 然保持正弦波形状，但是实际上交流输入电流波形是脉冲尖波，脉宽约为 3ms，是半周期（ 10ms）的 1/3，见图 2.1。由此可见，开关电源输入端电流畸变是由整流二极管导通角太小引起的，而二极管导通角变小的直接原因则是大容量的滤波电容作为桥式整流输出负载。 01 c o sTZP p d t U

22、 IT sin ZQ UI PSIi D1CVi（ a) 电路图 Ii Vi t （ b) 输入电流电压波形 图 2.1 交流整流电路与输入电压、电流波形 5 脉冲电流中含有大量的谐波，谐波的产生，一方面使谐波噪声含量提高，另一方面使整流电路加入的滤波电容体积加大。 为了减小交直变流电路输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐波污染，保证电网供电质量，提高电网的可靠性；同时也为了提高输入端功率因数达到节 能的效果，必须限制输入端谐波电流分量。目前，相应的国际标准已经颁布并实施，如 IEC0-555-2， EN60555-2等。一般规定各次谐波不得大于某极限值。表 2.1 给出一个例子说明有的标

23、准所规定的谐波电流限制。 表 2.1 交直变流电路对输入端谐波电流的限制数值举例 谐波分量 二次 三次 五次 七次 % 2 30 10 7 2.3 功率因数校正的意义 功率因数校正电路能提高电路的功率因数，这意味着电源不需要吸收较多的无功功率，减轻了供电系统的负担，降低了线路损耗和容量浪费。同时，由于加入功率因 数校正电路，强迫使整流电路工作电流波形与电压波形同频同相，不会对电网造成污染，有利于改善电能的质量。随着电源绿色化概念的提出，作为电能质量管理重要方法之一的 PFC 技术越来越受到人们的重视。功率因数校正电路系统框图如图 2.2 所示。 2.4 桥式整流电路 2.4.1 桥式整流电路工作原理 整流电路的功能是将交流电转变为直流电。完成交直流电转变主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。常见的整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。此设计中采用单相桥式 整流电路，当输入信号处于正半周期时，其电流流通路径如图 2.3（ a）所示，输入信号处于负半周期时，电流流通路径如图 2.3（ b）所示。 图 2.2 功率因数校正电路系统框图