最新毕业设计高压电源的设计.docx

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最新毕业设计高压电源的设计

摘要

高压电源在日常的生产、生活中有着广泛的应用，尤其在军事、医疗、射线类探测器和静电喷涂等技术领域。

传统的高压电源多采用线性技术，这种结构形式造成电源变换效率低，体积大，重量沉，操作维修不方便。

随着电源技术的发展，人们对高压电源的转换效率和带负载能力提出了更高的要求。

开关电源相对于线性电源有体积小，重量轻，效率高的优点，已经成为电源行业的主流形式。

本论文设计研究了一种以单片机和脉宽调制（PWM）技术为基础的高压开关电源。

该电源由飞思卡尔MC9S12XS128单片机产生和控制PWM波形，采用全桥变换，经高频变压器升压，输出1000V电压。

该电源采用数字调节，模数电路相互结合，具有输出电压高，纹波小，输出功率较高等优点。

关键词：

开关电源桥式变换器高频变压器单片机

Abstract

High-voltagepowersupplyisappliedbroadlyindailylifeandproduction,especiallyusedinmilitary,medical,class-raydetectorandelectrostaticspraying.Traditionalhigh-voltagepowersupplymainlyadopttechnologyoflinearpowersupplysuchtypeofstructuremakesthewholeEfficiencyofpowersupplybelow,large,heavyandoperationandmaintenancewhichisnotconvenient.Withthedevelopmentofpowertechnology,peoplehaveahigherdemandontheconversionefficiencyofthethehigh-voltagepowerandloadcapacity.Switchingpowersupplyhavetheadvantagesofsmallsize,lightweight,highefficiencyrelativetothelinearpower.,ithavebecomeamainstreamformofthePowerindustry.Thispaperstudiesasingle-chipdesignandpulsewidthmodulation（PWM）technology-basedhigh-voltageswitchingpowersupply.PWMwaveformofthethepowersupplywasgeneratedandcontrolledbybyFreescaleMC9S12XS128microcontroller，usingfullbridge,thehigh-frequencystep-uptransformer,1000Voutputvoltage.Thepowersupplywithdigitaladjustment,moduluscombinedcircuit,ithastheadvantageofahighoutputvoltage,ripple,thehigherpoweroutputandsoon.

Keywords:

SwitchingpowersupplyBridgeconverterHigh-frequencytransformer

Microcontroller

第1章绪论

1.1课题研究的背景

开关电源已有几十年的发展历史。

1955年发明的自激推挽式晶体管单变压器直流变换器，率先实现了高频转换控制功能；1957年发明的自激推挽式双变压器，1964提出的无工频变压器式开关电源设计方案，有力地推动了开关电源技术进步。

1977年脉宽调制（PWM）控制器集成电路的问世，1994年单片开关电源的问世，为开关电源的推广和普及创造了条件。

与此同时，开关电源的频率也从最初的20KHz提高到几千赫兹至几兆赫兹。

目前，开关电源正朝高效节能，安全环保、短、小、轻、薄的方向发展。

各种新技术、新工艺和新器件如雨后春笋，不断问世，开关电源的应用也日益普及。

开关电源技术发展趋势可以归纳以下几点：

①小型化、薄型化、轻量化、高频化是开关电源的主要发展方向。

②提高可靠性，提高集成度，增加保护功能，拓宽输入电压范围，提高平均无故障时间。

③随着频率提高，开关电源的噪声随之增大，降低噪声也是高频开关电源的研究方向。

④提高电源装置和系统的电磁兼容性（EMC）。

⑤用计算机软件进行辅助设计与控制，具有高效、高精度、高经济性和高可靠性的优点，可以使开关电源具有最佳电路结构与最佳工作状况。

开关电源高频化的实现，与磁性元件和半导体功率器件的发展状况有着密切的关系。

1.2研究的目的及意义

1.2.1课题研究的目的

随着社会经济的发展，人类已经进入工业时代，并正在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。

本论文的目的就是查阅相关资料，掌握开关电源的内部结构，学习怎样设计小功率开关电源的方法，这以后从事相关事业打下基础，开阔视野，从而提高自身的能力。

1.2.2课题研究的意义

课题研究的意义在于：

当代许多高新技术均与电源的电压、电流、频率、相位和波形等基本技术参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，因此，电源技术不但本身是一种高新技术，而且还是其评它多项高新技术的发展基础。

电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来为深远的影响。

1.3高频开关电源的发展情况

1.3.1开关电源的发展情况

目前我国通信、信息、家电和国防等领域的电源普遍采用高频开关电源，相控电源将逐渐被淘汰。

国内开关电源技术的发展，基本上起源于20世纪70年代末和80年代初。

当时引进的开关电源技术，在高等院校和一些科研院所停留在实验开发和教学阶段。

20世纪80年代中期开关电源产品开始推广和应用。

20世纪80年代开关电源的特点是采用20kHz脉宽调制（PWM）技术，效率可达65%-70%。

经过20多年的不断发展，开关电源技术有了重大进步和突破。

新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率MOSFET和IGBT可使小型开关电源的工作频率达到400kHz（AC/DC）或1MHz（DC/DC）;软开关技术使高频开关电源的实现有了可能，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了电源的效率（国产6kW通信开关电源采用软开关技术，效率可达93%）；控制技术的发展以及专用控制芯片的生产，不仅使电源电路大幅度简化，而且使开关电源的动态性能和可靠性大大提高；有源功率因数校正技术（APFC）的开发，提高了AC/DC开关电源的功率因数，既治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效率。

1.3.2高频开关电源的主要新技术标志

新型磁性材料和新型变压器的开发、新型电容器和EMI滤波器技术的进步以及专用集成控制芯片的研制成功，使开关电源实现了小型化，并提高了EMC性能。

微处理器监控技术的应用，提高了电源的可靠性，也适应了市场对其智能化的要求。

新型半导体器件的发展是开关电源技术进步的龙头。

目前正在研究高性能的碳化硅半导体器件，一旦开发成功，对电源技术的影响将是革命性的。

此外，平面变压器、压电变压器及新型电容器等元器件的发展，也将对电源技术的发展起到重要作用。

另外，集成化是开关电源的一个重要发展方向。

通过控制电路的集成、驱动电路的集成以及保护电路的集成，最后达到整机的集成化生产。

集成化和模块化减少了外部连线和焊接，提高了设备的可靠性，缩小了电源的体积，减轻了重量。

目前。

总之，回顾开关电源技术的发展过程，可以看到，高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性是大势所趋，也是今后的发展方向，因此高频开关电源的发展很具研究意义！

在开关电源领域，我国的民族产业在国内一直占有举足轻重的地位。

在开关电源应用的起步阶段，很多生产厂家采取的都是小作坊的生产模式。

经过20余年的不懈努力，逐步向大规模生产转化，产品也从单一品种走向系列化。

现在，我国已形成一批上亿元甚至10亿元以上产值的电源企业，有些产品已进入国际市场。

这是我国开关电源技术不断成熟的表现。

从技术上看，几十年来推动开关电源性能和技术水平不断提高的主要标志如下所述：

（1）新型高频功率半导体器件的开发使实现开关电源高频化有了可能

功率MOSFET和IGBT已完全可以取代功率晶体管和晶闸管，从而使中小型开关电源工作频率可以达到400KHz（AC-DC）和1MHz（DC-DC）的水平。

超快恢复功率极管，MOSFET同步整流技术的开发也使高效低电压输出（例如3V）开关电源的研制有了可能。

现在正在探索研制耐高温的高性能炭化硅功率半导体器件。

（2）软开关技术使高频率开关变换器的实现有了可能

PWM开关电源按硬开关模式工作（开/关过程中电压下降/上升和电流上升/下降波形有交叠），因而开关损耗大。

开关电源高频化可以缩减体积重量，但开关损耗却更大了（功率与频率成正比）。

为此必须研究开关电压/电流波形不交叠的技术，即所谓零电压开关（ZVS）/零电流开关（ZCS）技术，或称软开关技术。

小功率软开关电源效率可以提高到80-85%。

70年代谐振开关电源奠定了软开关技术的基础，以后新的软开关技术不断涌现，如准谐振（80年代中），全桥ZVS-PWM、恒频ZVS-PWM/ZCS-PWM（80年代末）、ZVS-PWM有源钳位；ZVT-PWM/ZVCT-PWM（90年代初）；全桥移相ZV-ZCS-PWM（90年代中）等，我国己将最新软开关技术应用于6KW通信电源中，效率达93%。

（3）控制技术研究的进展

例如电流型控制及多环控制，电荷控制，一周期控制，功率因数控制，DSP控制及相应专用集成控制芯片的研制成功等，使开关电源动态性能有很大提高，电路也大幅度简化。

（4）有源功率因数校正技术（APFC）开发，提高了AC-DC开关电源功率因数

由于输入端有整流电容组件，AC-DC开关电源及一大类整流电源供电的电子设备（如逆变器，UPS）等的电网侧功率因数仅为0.65。

80年代用APFC技术后可以提高到0.95-0.99。

既治理了电网的谐波“污染”，又提高了开关电源的整体效率。

（5）磁性组件新型材料和新型变压器的开发，例如集成磁路，平面型磁心，超薄型（Lowprofile）变压器。

新型变压器如压电式，无磁心印制电路（PCB）变压器等，使开关电源的尺寸重量都可减少许多。

（6）新型电容器和EMI滤波器技木的进步，使开关电源小型化并提高了EMC性能。

（7）微处理器监控和开关电源系统内部通信技术的应用，提高了电源系统的可靠性。

90年代末又提出了新型开关电源的研制开发，这也是新世纪开关电源的远景。

如用一级AC-DC开关变换器实现稳压或稳流，并具有功率因数校正功能，称为单管单级（SingleSwitchSingleStage）或4S高功率因数AC-DC开关变换器；输出1V,50A的低电压大电流DC-DC变换器，又称电压调节模块VRM，以适应下一代超快速微处理器供电的需求。

1.4隔离式高频开关电源简介

隔离式开关电源的变换器具有多种形式。

主要分为半桥式、全桥式、推挽式、单端反激式、单端正激式等等。

在设计电源时，设计者采取那种变换器电路形式，主要根据成本、要达到的性能指标等因素来决定。

各种形式的电源电路的基本功能块是相同的，只是完成这些功能的技术手段有所不同。

隔离式高频开关电源电路的共同特点就是具有高频变压器，直流稳压是从变压器次级绕组约脉冲电压整流滤波而来。

开关电源的基本功能方框如图1.1所示。

图1.1隔离式开关电源的方框图

在图1.1中，交流线路电压无论是来自电网的，还是经过变压器降压的．首先要经过整流、滤波电路变成含有一定脉动电压成分的直流电压，然后进入高频变换部分。

高频变换部分的核心是有一个高频功率开关组件，比如开关晶体管、场效应管（MOSFET）等组件，高频变换部分产生高频（20kHz以上）高压方波，所得到的高压方波送给高频隔离降压变压器的初级，在变压器的次级感应出的电压被整流、滤波后就产生了低压直流。

为了调节输出电压，使得在输入交流和输出负载发生变化时，输出电压能保持稳定，在这里采用一个叫做脉冲宽度调制器（FWM）的电路，通过对输出电压采样，并把采样的结果反馈给控制电路，控制电路把它与基准电压进行比较，根据比较结果来控制高频功率开关组件的开关时间比例（占空比），达到调整输出电压的目的，在方波的上升沿和下降沿。

有很多高次谐波，如果这些高次TB波反馈到输入交流线，就会对其它电子设备产生干扰。

因此，在交流输入端必须要设置无线频率干扰（RFI）滤波器，把高频干扰减少到可接收的范围。

第2章高频开关电源的总体设计

2.1主电路的选择

开关电源的电路组成开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。

辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。

DC-DC变换有隔离和非隔离两种。

输入输出隔离的方式由于隔离变压器的漏磁和损耗等会造成效率的降低，但是却很安全，为了提高开关电源的安全性，所以此设计选择隔离方式。

考虑输出电压等级和功率选择全桥式电路来实现。

2.2控制电路的选择

根据论文题目要求，本设计是采用单片机控制的，单片机控制产生PWM波,控制开关的导通与截止。

根据A/D后的反馈电压程控改变占空比，使输出电压稳定在设定值。

负载电流在康铜丝上的取样经A/D后输入单片机，当该电压达到一定值时关闭开关管，形成过流保护。

采用的单片机型号为飞思卡尔MC9S12XS128。

2.3电流工作模式的方案选择

2.3.1电流连续模式分析

电流连续模式。

电流连续工作状态，在下一周期到来时，电感中的电流还未减小到零，电容的电流能够得倒及时的补充，输出电流的峰值较小，输出纹波电压小。

这种模式的设计要考虑电感的储能时间，不容易控制，所发实现起来是很复杂的。

2.3.2电流断续模式分析

电流断续模式。

断续模式下，电感能量释放完时，下一周期尚未到来，电容能量得不到及时补充，二极管的峰值电流非常大，对开关管和二极管的要求就非常高，二极管的损耗非常大，而且由于电流是断续的，输出电流交流成分比较大，会增加输出电容上的损耗。

由于对于相同功率的输出，断续工作模式的峰值电流要高很多，而且输出直流电压的纹波也会增加，损耗大。

但是这种模式工作设计不复杂。

鉴于上面分析，本设计采用电流断续模式。

图2.1综合结构电路图

2.4综合结构电路图

工频交流AC220V经过EMI滤波后进行不控整流得到直流电压VDC,再进过电容的平波稳压之后送给H桥进行斩波。

通过高频PWM信号来控制H桥对直流电压VDC斩波，通过隔直电容输入到高频变压器的原边，完成升压。

高频升压之后经过高频整流二极管进行整流，之后经LC滤波送负载。

输出端通过采样电阻把输出电压送到电压电子显示器实时显示。

第3章开关电源输入电路设计

3.1整流技术

3.1.1交流输入整流滤波电路原理

在前面已经提到，隔离式开关电源是直接对输入的交流电压进行整流，而不需要低频线性隔离变压器。

现代的电子设备生产厂家一般都要满足国际市场的需求，所以他们所设计的开关电源必须要适应世界范围的交流输入电压，通常是交流90——130V和180——260V的范围。

图3.1输入滤波、整流电路原理

输入滤波电路：

C1、L1、C2、C3组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。

当电源开启瞬间，要对C5充电，由于瞬间电流大，加RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。

因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。

3.2整流电路

本设计采用四个二极管进行不控整流，再由滤波器滤波得到直流电。

3.3输入尖峰电压保护

在一般情况下，交流电网上的电压为220v左右，但有时也会有高压的尖峰出现。

比如电网附近有电感性开关，暴风雨天气时的雷电现象，都是产生高尖峰的因素。

受严重的雷电影响，电网上的高压尖峰可达5kv。

另一方面，电感性开关产生的电压尖峰的能量满足下面的公式：

（3-1）

式3-1中L是电感器的漏感，I是通过线圈的电流。

由此可见，虽然电压尖峰持续的时间很短，但是它确有足够的能量使开关电源的输入滤波器、开关晶体管等造成致命的损坏，所以必须要采取措施加以避免。

用在这种环境中最通用的抑制干扰器件是金局氧化物压敏电阻（MOV）瞬态电压抑制器。

当高压尖峰瞬间出现在压敏电阻两端时，它的阻抗急剧减小到一个低值，消除了尖峰电压使输入电压达到安全值。

瞬间的能量消耗在压敏电阻上，在选择压敏电阻时应按下述步骤进行。

（1）选择压敏电阻的电压额定值，应该比最大的电路电压稳定值大10％-20％；

（2）计算或估计出电路所要承受的最大瞬间能量的焦尔数；

（3）查明器件所需要承受的最大尖峰电流。

上述几步完成后，就可以根据压敏电阻参数资料选择合适的压敏电阻器件。

第4章开关电源主电路设计

4.1全桥变换器电路的工作原理

全桥变换器电路如图4.1：

图4.1全桥电路工作原理图

换器初级承受相当于半桥变换器变压器初级两倍的输入电压，所以其匝数为半桥的两倍。

但当输出功率和输入直流电压相同时，全桥变换器初级电流峰值和有效值只有半桥电压型全桥逆变电路的原理如图4-1，它共有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。

把桥臂1和桥臂4作为一对，桥臂2和桥臂3作为另一对，组成的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180°。

桥式变换器的特点：

桥式变换器由四个功率晶体管组成，相对于半桥而言，功率晶体管及驱动装置个数要增加一倍，成本较高，但可用在要求功率较大的场合。

全桥的优点：

主变压器只需要一个原边绕组，通过正反向的电压得到正反向的磁通，副边有一个中心抽头绕组用于整流输出，因此变压器铁芯和绕组最佳利用，使功率,功率密度得到提高。

另一个优点是:

功率开关在非常安全的情况下运作，在一般情况下最大的反向电压不会超过电源电压，四个能量恢复二极管能消除一部分有漏感产生的瞬时电压。

这样无需设置能量恢复绕组反激能量便得到恢复利用。

全桥变换器初级施加的是幅值为

Vdc的方波电压，是半桥变换器的2倍，但其晶体管承受的关断电压却与半桥变换器相同，等于最大输入直流电压。

所以在晶体管承受相同的峰值电流和电压的条件下，全桥变换器输出功率是半桥变换器的两倍。

当然，由于全桥变的一半。

所以相同功率下，两种变换器的变压器大小是一样的。

但若使用较大体积的变压器，全桥变换器可在相同晶体管电流电压额定下得到两倍于半桥的功率输出。

4.2开关晶体管的设计

4.2.1器件介绍

本设计整流环节采用二极管实现不控整流在逆变环节为了实现输出达到高频采用电力MOSFET，MOSFET的原意是：

MOS（MetalOxideSemiconductor金属氧化物半导体），FET（FieldEffectTransistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。

功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）,简称功率MOSFET（PowerMOSFET）。

结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor--SIT）。

其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

4.2.2.功率MOSFET的结构和工作原理

功率MOSFET的种类：

按导电沟道可分为P沟道和N沟道。

按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。

1.功率MOSFET的结构

功率MOSFET的内部结构和电气符号如图4.2所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。

导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET,大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。

（a）内部结构断面示意图（b）电气图形符号

图4.2功率MOSFET的结构和电气图形符号

2.功率MOSFET的工作原理

截止：

漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。

P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。

导电：

在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。

但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子-电子吸引到栅极下面的P区表面。

当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。

4.2.3.功率MOSFET的主要特点

功率MOSFET的主要特点有以下几点:

1，输入阻抗高，可达106Ω以上；

2，工作频率范围宽，开关速度快（开关时间为几十纳秒到几百秒）开关损耗小；

3，有较优良的线性区，并且MOSFET的输入电容比双极型的输入电容小得多，所以它的交流输入阻抗极高；噪声也小。

4，功率MOSFET可以多个并联使用，增加输出电流而无需均流电阻。

5，MOSFET是电压控制型器件因此在驱动大电流时无需推动级，电路较简单。

4.2.4MOSFET的导通特性

功率MOSFET和双极型晶体管不同，它的栅极电容比较大，在导通之前要先对该电容充电，当电容电压超过阈值电压（VGS-TH）时MOSFET才开始导通。

因此，栅极驱动器的负载能力必须足够大，以保证在系统要求的时间内完成对等效栅极电容（CEI）的充电。

功率MOSFET以其导通电阻低和负载电流大的突出优点，已经成为SMPS控制器中开关组件的最佳选择，专用MOSFET驱动器的出现又为优化SMPS控制器带来了契机。

那些与SMPS控制器集成在一起的驱动器只适用于电路简单、输出电流小的产品；而那些用分立的有源或无源器件搭成的驱动电路既不能满足对高性能的要求，也无法获得专用单片式驱动器件的成本优势。

专用驱动器的脉冲上升延时、下降延时和传播延迟都很短暂，电路种类也非常齐全，可以满足各类产品的设计需要。

在计算栅极驱动电流时，最常犯的一个错误就是将MOSFET的输入电容（CISS）和CEI混为一谈，于是会使用下面这个公式去计算峰值栅极电流。

I=C（dv/dt）（4-1）

实际上，CEI的值比CISS高很多，必须要根据MOSFET生产商提供的栅极电荷（QG）指标计算。

QG是MOSFET栅极电容的一部分，计算公式如下：

QG