1、0 引言 开关电源 1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， 开 关 电源 一般由脉冲宽度调制（ PWM）控制 IC 和 IGBT 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。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
2、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。 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MOS-FET 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
3、响周围电子设备，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。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。 1 绪论 1.1 高压直流电源概况 高压直流电源在
4、日常生活中，应用于广泛的领域，在电力系统中，广泛的应用于高压电气设备的直流耐压和泄露试验，例如，电缆、避雷器、变压器绕组及发电机现场试验；在医学方面，常用在 CT 机、 X 光机等设备；在工业生产中，通过放电来达到静电除尘、激光器、污水处理等等；此外，在科研、军事上也大有用处 1。 传统的高压直流电源通常用于工频交流电源经升压、直流滤波而获得直流高压。直流高压电源的接线方式很多，有半 波整流电路，桥式、全波、倍压、多相整流电路及串级电路等。 半波整流电路优点是接线简单，缺点是设备、元件的电压较高，体积、重量、占地面积较大，一般只在实验室内使用。桥式、全波、倍压整流电路等电路较半波整流电路来说，
5、纹波小，但在体积、重量的小型化方面，优越性不太明显。要求容量较大，纹波较小的直流电源还可采用三相或多相交流电源经整流滤波后而获得。高电压、小电流的直流电源通常用串级直流电路。 串级直流电路可大大减小试验电源的体积、重量，电路简单，过载能力强，故障率低，但由于采用工频倍压，一般无闭环反馈，因而稳定度差 。 随着电力电子技术及开关器件的发展，新器件、新材料的进步以及控制的智能化等等，开关电源技术已广泛地应用于高压直流电源技术中。采用开关电源技术产生比工频高上千倍频率的方波或正弦波可以大大减小高压电源的体积和重量，这是高压直流电源的重要发展趋势。 用电力电子器件产生直流高压的方框图如图 1-1 所示
6、，交流电源经整流单元 1 整流、滤波后，变成低压直流，再经过逆变单元 2 逆变成高频方波电压，然后经高频高压变压器和串级直流倍压单元 3 将电压升高到直流高压，反馈单元 6 将输出的高压信号反馈到控制单元 5，控制单元 5 触发逆变单元 2 电 路中开关管的导通，只要通过调整控制单元 5 的触发预置电压，就可调节直流高压的输出电压。单元 4 是触发单元 5 的辅助电源 2。 输 出输 入1 2 34 65图 1-1 电力电子器件产生直流高压原理框图 Fig.1-1 DC high voltage power electronic devices produced block diagram 利
7、 用开关电源技术的高压直流电源具有体积小、重量轻、控制精度 高 、稳定度高、纹波系数低、保护速度快等优点，因此在高压直流电源中有着更广泛的应用。 1.2 高压开关电源技术的发展趋势 在国外，从 70 年 代开始，日本的一些公司开始采用开关电源技术，将市电整流后逆变为 3KHz 左右的中频，然后升压，美国 GE 公司生产的 AMX-2 移动式 X 线机把蓄电池供给的直流电逆变成 500Hz 的中频方波送入高压发生器，从而减小体积和重量。进入 80年代后，高压开关电源技术迅速发展，德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件，将电源的开关频率提高到 20KHz 以上，并将干式变压器技术成功地应用于高频
8、高压电源，取消了高压变压器油箱，使变压器系统的体积进一步减小。近十几年来，随着电力电子技术的进步和开关器件的发展，高压开关电源技术不断发展。突 出的表现是频率在不断提高，高压开关电源的功率也在不断地提高， 10KW 30KW 的大功率高压开关电源已相当成熟，更高功率的高压开关电源也得到了很快的发展。电力电子器件和控制技术的发展使得更高频成为可能，出现了各种软开关电源。微电子集成技术的发展为电力电子控制技术提供了新的思路，由最初的分立元件发展到集成电路、大规模集成电路再到后来的微处理器的出现，都为高频电源的控制技术带来了极大的便利。近年来， TI、 MOTOROLA、 ADI 等公司相继推出了适
9、用于开关电源使用的 DSP 芯片，且功能越来越完善，性能也越来越优越。 综上所述， 60 年代开始出现开关电源， 80 年代开始出现软开关技术， 90 年代开始用DSP 进行控制开关电源。开关电源经历了由模拟控制到数字控制，由低频到高频的过程。由此我们可知，高压开关电源有两大发展方向：一是频率不断提高；二是功率不断提高。 我国自 80 年代初开始对高频化的高压大功率开关电源技术进行研究，分别列入了“七五”、“八五”、“九五”国家重点攻关项目。国家“八五”攻关项目 (85-805-01)， 200KV 高压直流开关电源的研制，输出功率达 20KW；静电除尘高压直流电源也实现了高频化，采用全桥零电
10、流开关串 联谐振逆变电路将直流高压逆变为高频电压，然后由高频变压器升压，最后整流为直流高压，在电阻负载条件下，输出直流电压达到 55KV，电流达到 15mA，工作频率为 25.6KHz。在我国开关电源的控制领域， DSP 芯片的研制还处于起步阶段，但其算法的研制已经有了较大的发展。 DSP 芯片和控制算法的出现，使得开关电源的控制技术朝着全数字化、智能化和网络化的方向发展，对电力电子技术的发展起到了巨大的推动作用。 总而言之，我国的高压开关电源技术已取得了很大的进步，但与国外还是相差甚远，特别是大功率高压开关电源尚未研发成功。 1.3 选题思想及主要研究工作 1.3.1 选题思想 电源大致可分
11、为线性稳压电源和开关稳压电源两大类。所谓线性稳压电源，就是其调整管工作在线性放大区。线性稳压电源的主要缺点是变换效率低，一般只有 35% 65%；开关稳压电源的调整管工作在开关状态，开关频率可以大幅度地提高，主要的优点表现在变换效率高，可达 75% 95%。我们知道，传统的大中功率电源大多是线性稳压电源，采用工频变压器直接升压，虽然电路比较简单，但是频率低，体积、重量大、且纹波、稳定性均差强人意。随着现代电力电子技术和和新型电力电子器件如 MOSFET、 IGBT 的迅速发展，使高压电源高频化得以顺利实现，从而大大降低了电源的体积和重量。本文根据设计的要求，电源的开关频率达到 20KHz，电源
12、效率达到 85%以上。 按照 DC/DC 变换器中开关管的开关方式分类， DC/DC 变换器可分为硬开关和软开关两种。硬开关方式是指 DC/DC 变换器的开关管在承受电压、流过电流的情况下接通或断开，因此在开通或关断过程中伴随着较大的损耗，即所谓的开关损耗。在硬开关方式下，当 DC/DC 变换器工作状态一定时，开关管的开通和关断损耗也是一定的，因此开关频率越高，开关损耗越大，这是制约着 开关电源进一步高频化的关键因素。 80 年代迅速发展起来的谐振开关技术为解决降低器件的开关损耗和提高开关频率找到了有效方法，引起了电力电子技术领域和工业界同行的极大兴趣和普遍的重视。 研究本课题的主要理论意义有
13、一下三点：一是 DSP 技术在开关电源中的应用；二是利用变压器漏感来实现的软开关技术；三是高频变压器和倍加器的优化设计。 1.3.2 主要研究工作 本文预计设计一台高压直流开关电源，具体参数如下： 1） 输入电压：交流 220V； 2） 输入频率： 50Hz； 3） 输出电压： 100KV； 4） 电源功率 ： 100W； 5） 开关频率： 20KHz； 6） 纹波系数： 0.5%； 7） 转换效率： 85%。 2 开关电源的原理及控制方案设计 2.1 高频开关电源的 PWM 技术 2.1.1 开关电源的基本原理 首先我们要了解的是高频开关电源主要组成部分，它主要由输入整流滤波器、高频开关变换
14、器、高频变压器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路、辅助电源等几部分组成。其基本原理是：交流输入电压经整流滤波后成为一粗糙的直流电压，高频变换器将这一直流电压变换成高频交流电压，再经高频变压器变压和隔 离，最后经过输出整流滤波电路，将变压器输出的高频交流电压整流滤波得到高质量、高品质的直流电压。采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断工作，控制开关元件的导通时间占空比来调整输出电压。开关电源中的 DC/DC 变换器进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有启动电路、过流及过压保护电路、噪声滤波器等部分组成。反馈回路检测输出电压变化，与基准电压比较，其误差电压通过放大器放大和脉宽调制
15、(PWM)电路，再经过驱动器控制开关器件的通断时间比，从而调整输出电压的大小。 A CE M I滤 波 器整 流滤 波辅 助电 源高 频 变 换 器高 频 变 压 器P W M调 制 器控 制 电 路误 差 比 较放 大 器基 准 电 压保 护 电 路高 频 整 流滤 波 输 出电 压 电 流采 样 电 路D C图 2-1 开关电源基本原理图 Fig.2-1 The basic principles of map switching power supply 1） 输入电网滤波器：消除来自电网的各种干扰。同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散而污染电网。 2） 输入整流滤波器：将电网输入的
16、交流电进行整流滤波，为变换器提供纹波较小的直流电压。而且，当电网瞬时停电时，滤波电容器储存的能量尚能使开关电源输出维持一定的时间。 3） 高频开关变换器：把直流电压变换成高频交流电，经过高频变压器再变成所需要的隔离输出交流电压。 4） 输出整流滤波：将变换器输出的 高频交流电压滤波得到需要的直流电压。同时还防止高频噪音对负载的干扰。 5） 控制电路：检测输出直流电压，与基准电压比较，进行隔离放大，调制振荡器输出的脉冲宽度，从而控制变换器以保证输出电压的稳定。 6） 保护电路：在开关电源发生过电压、过电流或短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和开关电源本身。 7） 辅助电源：整个电源电路
17、设计要用到一些芯片，而这些芯片都需要单独供电，为控制电路和保护电路提供满足一定技术要求的直流电源以保证它们工作稳定可靠。 2.1.2 PWM 技术 1） 高频开关电 源的电路结构： a. 按驱动方式分：自激式和他激式。 b. 按电路组成分：谐振型和非谐振型。 c. 按隔离和耦合方式分：有隔离式和非隔离式，有变压器耦合及光耦合等。 d. 按控制方式分： PWM； PFM； PWF 与 PFM 混合式。 以上的组合可构成多种方式的开关电源。在工程应用中，我们经常要求电力电子变换器能对输出电流、电压、功率及频率进行有效灵活的控制。采用基频控制的逆变器输出为方波，含较多谐波，动态响应慢，效率低，只能应
18、用于小功率设备。针对基频控制的不足，60 年代提出了脉宽调制 控制法，解决了当时变换器存在的问题，为近代交流调速开辟了新的发展领域。 PWM 控制器通过重复通 /断开关工作方式把一种直流电压 (电流 )变换为高频方波电压 (电流 )，再经过整流平滑后变为另一种直流电压输出。 PWM 变换器由功率开关管、整流二极管和滤波电路等元件组成。 PWM 控制器对逆变电路开关器件的通断进行控制，输出一系列幅值相等而脉宽不相等的脉冲，用这些脉冲代替正弦波或所需的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。采用 PWM 的逆变电路可同时解决改善电压和波形的双重任
19、 务。 2） 软开关技术的提出 目前开关电源普遍采用脉宽调制技术，在这种变换方式中，开关器件在高电压、大电流下导通关断。如图 2-2 是开关管开关时的电压和电流波形。 tt00Pl o s sPl o s s( o n ) Pl o s s( o f f )Vc eic图 2-2 开关管硬开关时的电压电流波形 Fig.2-2 Switch hard-switching voltage and current waveforms when 由于开关管不是理想器件，在开通时开关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电流也不是立即上升到负载电流，也有一个上升时间。在这段时间里，电流和
20、电压有一 个交叠区，产生损耗，我们称之为开通损耗 (Turn-on loss)。当开关管关断时，开关管的电压不是立即从零上升到电源电压，而是有一个上升时间，同时它的电流也不是立即下降到零，也有一个下降时间。在这段时间里，电流和电压也有一个交叠区，产生损耗，我们称之为关断损耗 (Turn-off loss)。因此在开关管开关工作时，要产生开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗 (Switching loss)3。在一定条件下，开关管在每个开关周期中的开关损耗是恒定的，变换器总的开关损耗与开关频率成正 比，开关频率越高，总的开关损耗越大，变换器的效率就越低。开关损耗的存在限制了变换器开关频率的提高，从
21、而限制了变换器的小型化和轻量化。同时由于受到开关器件寄生电容和 变压器漏感的影响，开关器件承受了较大的 du/dt 和 di/dt，工作中产生较强的电磁干扰。为了解决上述问题，国际上开始研究软开关技术，即开关器件的导通与关断都在零电流或零电压下进行，减小了开关器件的损耗及电磁干扰，提高了开关电源的频率及功率水平。 2.2 软开关技术的发展 2.2.1 软开关的优点 按开关管的开关条件，直流变换器可以分为硬开关和软开关两种。传统 PWM 变换器中的 开关器件工作在硬开关状态，硬开关工作有开通和关断损耗大、感性关断问题、容性开通问题及二极管反向恢复等四大缺陷，妨碍了开关器件工作频率的提高。 为了克
22、服以上缺点，我们采用了软开关技术。最理想的软开通过程：电压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，此时开通损耗近似为零。另外，因器件开通前电压已下降到零，器件结电容上的电压亦为零，故解决了容性开通问题，意味着二极管已经截止，其反向恢复过程结束，因此二极管反向恢复问题也得到解决。最理想的软关断过程：电流先下降到零，电压再缓慢上升到断态值，关断损耗近似为零。由于器件关 断前电流己下降到零，即线路电感中电流亦为零，所以感性关断问题也得到解决。 由上可知，软开关技术可以解决硬开关 PWM 变换器的开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题、二极管反向恢复问题，大大提高了开关器件的工作频率。同时也能解决由硬
23、开关引起的电磁干扰问题。 变换器的软开关技术实际上是利用电感和电容来对开关的开关轨迹进行调整，最早的方法是采用有损缓冲电路来实现。从能量的角度来看，它是将开关损耗转移到缓冲电路消耗掉，从而改善开关管的开关条件。这种方法对变换器的变换效率没有提高，甚至会使效率有所降低。目前所研究的软 开关技术不再采用有损缓冲电路，这是真正减小开关损耗，而不是开关损耗的转移。 2.2.2 软开关技术的分类 全谐振型 变换 器，一般称之为谐振变换器。该类变换器实际上是负载谐振型变换器，按照谐振元件的谐振方式，分为串联谐振变换器和并联谐振变换器两类。按负载与谐振电路的连接关系，谐振变换器可分为两类：一类是负载与谐振回
24、路相串联，称为串联负载谐振变换器；另一类是负载与谐振回路相并联，称为并联负载谐振变换器。在谐振变换器中，谐振元件一直谐振工作，参与能量变换的全过 程。该变换器与负载关系很大，对负载的变化很敏感， 一般采用频率调制方法。 1） 准谐振变换器和多谐振变换器。这是软开关技术的一次飞跃，这类变换器的特点是谐振元件参与能量变换的某一阶段，不是全程参与。根据谐振开关的用途，准谐振变换器分为零电流开关准谐振变换器和零电压开关准谐振变换器。多谐振变换器一般实现开关管的零电压开关。这类变换器需要采用频率调制控制方法。 2） 零开关 PWM 变换器。它可分为零电压开关 PWM 变换器和零电流开关 PWM 变换器。
25、该类变换器是在准谐振变换器的基础上，加入一个辅助开关管，来控制谐振元件的谐振过程，实现恒定频率控制，即实 现 PWM 控制。与准谐振变换器不同的是，谐振元件的谐振工作时间与开关周期相比很短，一般为开关周期的 1/101/5。 3） 零转换 PWM 变换器。它可分为零电压转换 PWM 变换器和零电流转换 PWM 变换器。这类变换器是软开关技术的又一飞跃。它的特点是变换器工作在 PWM 方式下，辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一段时间，实现开关管的软开关，其他时间则停止工作，从而减小了辅助电路的损耗。 在直流开关电源的软开关技术中，还有无源无损软开关技术，即不附加有器件，只是采用电感、电容和二
26、极管来构成无损缓冲网络。 2.3 移相控制 ZVS PWM DC/DC 全桥变换器 2.3.1 变换器的控制方式 控制电路是高频开关电源的很重要的部分，是电源系统可靠工作的保证。开关电源的控制方式基本上都采用时间比率控制（ TRC）方式。此方式可分为三类：宽度调制方式、脉冲频率调制方式、混合频率调制方式。 目前 ,以脉冲调制 PWM 应用最广，本设计采用 PWM，即脉冲宽度调制型变换器来电路的占空比进行控制而得到理想的输出电压。图 2-3 是脉宽调制原理图。 误 差 放 大 器基 准 电 压脉 宽 调 制振 荡 器分 频 器门电路门电路图 2-3 脉宽调制原理图 Fig.2-3 PWM schematic 基准芯片：芯片内大部 分电路由它供电，同时，兼作误差放大器的基准电压输入。 振荡器：由恒流充电快速放电电路以及电压比较器组成，震荡频率由外接 RC 元件所决定，频率 f=1/RC。 差放大器：将取样电压和基准电压比较放大，送至脉宽调制电路输入端。 门电路：门电路输入分别受分频器和脉宽调制器的输入控制。 分频器：将振荡器的输入分频后输出，控制门电路输出脉冲的频率。
