大容量可调ACDC直流开关电源主电路设计.docx

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大容量可调ACDC直流开关电源主电路设计

石家庄铁道大学四方学院毕业设计

大容量可调AC-DC直流开关电源主电路设计

TheMainCircuitDesignofLargeCapacityAdjustableAC-DCSwitchingPower

2013届系

专业

学号

学生姓名

指导教师

完成日期2012年5月15日

毕业设计成绩单

学生姓名

刘坤

学号

20086477

班级

方0810-2班

专业

电气工程及其自动化

毕业设计题目

大容量可调AC-DC直流开关电源主电路设计

指导教师姓名

刘建华

指导教师职称

副教授

评定成绩

指导教师

得分

评阅人

得分

答辩小组组长

得分

成绩：

院长（主任）签字：

年月日

毕业设计任务书

题　目

大容量可调AC-DC直流开关电源主电路设计

学生姓名

刘坤

学号

20086477

班级

方0810-2

专业

电气工程及其自动化

承担指导

任务单位

电气工程系

导师

姓名

刘建华

导师

职称

副教授

一、设计内容

用单片机和MOS管设计一种高性能、大容量可调AC-DC直流开关电源。

二、设计条件

输入电压：

380V±15%，三相三线制，频率50Hz±5%

输出：

DC28V，额定电流600A，电压可调范围0-35V。

具备输入过电压、欠电压，输入缺相，输出过电压，过流等保护功能。

动态性能：

超调<10%,调整时间<50ms（负载0—100%阶跃变化时）

稳压精度：

±0.5%（在电压>20V时测量）

三、设计的基本要求

1．设计该系统原理图，说明其工作原理。

2．设计AC-DC主电路，确定各元器件参数和型号。

3．DC-DC电路设计，确定各元器件参数和型号。

4．设计保护电路，确定元件型号和参数。

5.高频变压器设计。

四、参考文献

[1]黄俊电力电子变流技术机械工业出版社2004年

[2]莫正康半导体变流技术机械工业出版社1993年

[3]张延鹏高频开关电源人民邮电出版社1999年

[4]王水平开关稳压电源西安电子科技出版社1997年

五、进度计划

1-3周课题调研、收集、学习参考资料，查阅外文资料；

4周查阅相关的外文资料，并翻译；

5-6周整理参考资料，设计总体设计方案，作开题报告；

7周设计AC-DC主电路，计算各元器件参数，并选择各元件型号；

8-9周DC-DC电路设计，确定各元器件参数和型号；

10周设计保护电路，并确定各元器件参数和型号；

11-12周设计高频变压器，计算各参数并确定型号；

13周实现电路的MATLAB软件仿真；

14-15周整理并撰写毕业设计论文，提交论文给指导老师；

16周答辩。

教研室主任签字

时　间

年月日

毕业设计开题报告

题　目

大容量可调AC-DC直流开关电源主电路设计

学生姓名

刘坤

学号

20086477

班级

方0810-2

专业

电气工程及其自动化

一、研究背景

随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源。

进入二十世纪80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。

进入二十世纪90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电力检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

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和开关器件（MOSFET、BJT等）构成。

开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化,而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，推动了开关电源的发展前进，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。

开关电源大容量的实现使其在更广的范围内得以应用，以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。

二、国内外研究现状（要求1.过内现状2.国外现状）

由于开关电源具有功率转换效率高，文雅范围宽，功率密度大，重量轻等特点，已取代先行地那远，相控电源成为新一代电源的主题。

在传统开关电源中，由于功率器件工作在开关状态，器件常常在高电压下开通，在大电流下关断，所以，也存在一些问题，如射频干扰和电磁干扰大，开关损耗大，输出纹波大，器件的安全工作区窄，电路对分布系数比较敏感等等缺点。

随着技术的进步，特别是功率器件的更新换代，功率变换技术的不断改进，新型电磁材料的不断使用，控制方法的不断进步，以及相关科学的不断融合，开关电源的缺点正逐步得到克服，射频干扰和电磁干扰已经被抑制在一个很低的水平上，输出纹波降低到几毫伏以下已经不成问题。

开关电源的技术主要得益于以下三个方面技术的进步：

（1）电力电子器件的迅速发展和换代促进了变流技术和变流装置的现代化

自上个世纪五十年代末第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台，以此为基础开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的一次革命，使电能的变换和控制从旋转变流机和静止变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子学的诞生。

进入七十年代，晶闸管开始形成有低电压，小电流到高电压、大电流的系列产品，普通晶闸管不能自关断的半控制器件，被称为第一代电力电子器件。

随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，是电力电子技术的又一次飞跃，先后研制出GTRGTQ功率MOSFET等自关断全控型第二代电力电子器件。

而以绝缘栅双极晶体管为代表的第三代电力电子器件，开始超大功率，高频率，影响快，响应快，低损耗方向发展。

进入九十年代，电力电子器件正朝着复合化，标准模块化，智能化，功率集成的方向发展，在国际上电力电子技术是竞争最激烈的高新技术领域之一。

（2）变换器主电路拓扑结构的研究

一般来说，正激、反激、推挽、半桥、全桥这几种拓扑是最常用的，不同的拓扑适用于不同的场合。

正激变换电路简单，元件数量少，保护用以实现。

缺点是开关器件电压感应高，输出电压纹波比较大，变压器磁芯工作在第一象限，磁芯利用率低，而且需要附加磁复位电路，适用于小功率成和。

反激变换器元件数量少，输出电压纹波小。

缺点是磁芯利用率低，适用于小功率场合。

推挽变换器磁芯工作在一、三象限，利用率高，但是开关器件电压应力是输入电压的两倍，因此适合低压输入场合。

半桥变换器开关器件电压应低于输入电压，但是电流是相同条件下推挽变换器的两倍因此只适用于中小功率场合。

半桥变换器最大的优点在于其对电路不平衡有自动的抑制作用，因此使用非常广泛。

全桥变换器开关器件电压等于输入电压，输入电流是相同条件下半桥变换器的一半，适用于高压大功率场合。

缺点是开关器件数量多，控制复杂。

（3）微型计算机控制技术与专用控制芯片的迅速发展和广泛应用为开关电源的成功应用提供了技术手段和保证。

随着微电子技术和超大规模集成电路技术迅速发展，使得微型计算机计算速度更快、体积更小、性价比更高，同时功率损耗大大降低，可靠性比以前更高，使得对电源系统的监控的实时性更高、更方便。

另一方面，随着开关电源的广泛应用，全球一些知名厂家都竞相开发出各种电力电子电路控制用的集成电路，专门集成电路相对于分立器件控制电路来说，集成电路性能更优越，可靠性更高，成本更低。

这为开关电源的成功应用提供了技术手段和保证。

三、论文的主要工作和所采的方法手段：

（给出结构原理框图）

本文的主要工作是设计大容量可调AC-DC直流开关电源主电路，根据其设计具有的技术要求，分析得出，市电经过输入滤波以后，首先经过整流滤波电路变成含有一定脉动成分的直流电压，然后进人高频变换部分，此部分主要设计整流桥。

高频变换部分的核心是DC-DC变换器，它主要由高频功率开关和高频变压器组成。

高频功率开关将直流高压斩波，并有高频变换器转换成所需的电压范围内的方波，此部分主要确定逆变电路和高频变压器。

最后将这个方波电压整流滤波，得到所需的电压，此部分主要确定整流输出电路。

其中要考虑各个部分需要的保护电路，确保电路的可靠性与稳定性。

主要采用的方法是，根据不同电路应用的条件，器件的应用条件选择，外加不断试验比较选择最合适的电路与器件，确定开关电源主电路系统。

四、预期达到的结果：

通过循序渐进的原则，设计出各个模块，并对每个电源模块进行调试，然后对整个电源系统进行调试，设计出整个实验装置，满足设计要求，符合设计开关电源应具有的输入输出特性，具有一定的调节范围，具有输入过电压、欠电压，输入缺相，输出过电压，过流等保护功能等等，并可先在MATLAB中仿真模拟，做到准确可行或做出相应的改变。

教研室主任签字

时　间

　　年　月日

摘要

开关电源在效率、体积和重量等方面都远远优于线性电源因此已经基本取代了线性电源，成为电子设备供电的主要电源形式。

目前世界各国都有广泛的应用，特别是对大容量高频开关电源的研究和开发已成为当今电力电子学的主要研究领域，并派生了很多新的研究方向。

本文研究的主要内容就是大容量可调AC-DC直流开关电源主电路的设计。

本文详细的分析了大容量可调AC-DC直流开关电源的工作原理，并详细的讨论了主电路各个环节的可选设计方案。

在此基础上，完成了整个系统的主电路设计，及器件的选择。

根据分析的原理，交流市电经过输入滤波以后，首先经过整流、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DC-DC变换器部分。

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电压，电压再经过整流、滤波后就产生了低压直流。

本文同时探讨了该电源系统实现大容量的解决方案，即采用多个电源模块并联运行。

本文研制的直流开关电源具有输出电压可调、输出电流大等显著特点，使之具有广阔的应用前景。

关键词:

开关电源主电路DC-DC变换器高频变压器

Abstract

Switchingpowerisfarsuperiortothelinearpowersupplyinsuchaspectsastheefficiency,volumeandweight,thereforeithasreplacedthelinearpowersupplybasicallyandbecomethemainpowersupplyformforelectronicequipment.Countriesallovertheworldhaveextensiveapplicationinswitchingpower,especiallyresearchonlargecapacityhigh-frequencyswitchingpowernowadayshasalreadybecomethemainresearchfieldofpowerelectronicsandmanynewresearchdirectionshasderivedfromit.ThemaincontentofthispaperisthemaincircuitdesignoflargecapacityadjustableAC-DCswitchingpower.

ThispaperhasanalyzedthetheoryoflargecapacityadjustableAC-DCswitchingpowerindetail,andhasdiscussedeveryelementofthedesignofthemaincircuitthatcanbechosen.Onthisbasis,thispaperschemedoutthemaincircuitofthesystemdesignandthechoiceofthedevice.Onthebasisofanalyzingthetheory,PublicPowerSupplyACwhichhasgonethroughofinputfilterbecomeswithcertainvoltageripplecompositionofthedcvoltageafterfirstrectificationandfiltercircuit,andthengoesintothepartofDC-DCconverter.Thepartofhighfrequencytransformationinductshigh-frequency（above20kHz）andhighpressuresquarewave.Andthentheobtainedhighpressuresquarewavewillbeputontheprimaryofhighfrequencyisolationstep-downtransformer.Atthesecondarysideofthetransformer,itinductsthevoltage.AndthenitproducesthelowDCvoltageafterrectificationandfilter.Thispaperexplainedthesolutionofthislargecapacitypowersystematthesametime,namelysomepowermodulesaretobeconnectedinparallel.

Directcurrentswitchingpowerstudiedinthispaperhasmanyremarkablecharacteristicssuchasadjustableoutputvoltage,heavyoutputcurrentandsoon.Sothisswitchingpowerhaswideapplicationfields.

Keywords:

switchingpowerthemaincircuitDC-DCconverterhigh-frequencytransformer

第1章绪论

1.1课题研究的目的意义

随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源。

进入二十世纪80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。

进入二十世纪90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电力检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展[1]。

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和开关器件（MOSFET、BJT等）构成[2]。

开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化,而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，推动了开关电源的发展前进，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。

开关电源大容量的实现使其在更广的范围内得以应用，以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[3]。

1.2国内外研究现状和发展趋势

由于开关电源具有功率转换效率高，文雅范围宽，功率密度大，重量轻等特点，已取代先行地那远，相控电源成为新一代电源的主题。

在传统开关电源中，由于功率器件工作在开关状态，器件常常在高电压下开通，在大电流下关断，所以，也存在一些问题，如射频干扰和电磁干扰大，开关损耗大，输出纹波大，器件的安全工作区窄，电路对分布系数比较敏感等等缺点。

随着技术的进步，特别是功率器件的更新换代，功率变换技术的不断改进，新型电磁材料的不断使用，控制方法的不断进步，以及相关科学的不断融合，开关电源的缺点正逐步得到克服，射频干扰和电磁干扰已经被抑制在一个很低的水平上，输出纹波降低到几毫伏以下已经不成问题。

开关电源的技术主要得益于以下三个方面技术的进步：

（1）电力电子器件的迅速发展和换代促进了变流技术和变流装置的现代化

自上个世纪五十年代末第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台，以此为基础开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的一次革命，使电能的变换和控制从旋转变流机和静止变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子学的诞生。

进入七十年代，晶闸管开始形成有低电压，小电流到高电压、大电流的系列产品，普通晶闸管不能自关断的半控制器件，被称为第一代电力电子器件[4]。

随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，是电力电子技术的又一次飞跃，先后研制出GTRGTQ功率MOSFET等自关断全控型第二代电力电子器件。

而以绝缘栅双极晶体管为代表的第三代电力电子器件，开始超大功率，高频率，影响快，响应快，低损耗方向发展。

进入九十年代，电力电子器件正朝着复合化，标准模块化，智能化，功率集成的方向发展，在国际上电力电子技术是竞争最激烈的高新技术领域之一。

（2）变换器主电路拓扑结构的研究

一般，正激、反激、推挽、半桥、全桥这几种拓扑是最常用的，不同的拓扑适用于不同的场合。

正激变换电路简单，元件数量少，保护用以实现。

缺点是开关器件电压感应高，输出电压纹波比较大，变压器磁芯工作在第一象限，磁芯利用率低，而且需要附加磁复位电路，适用于小功率成和。

反激变换器元件数量少，输出电压纹波小。

缺点是磁芯利用率低，适用于小功率场合。

推挽变换器磁芯工作在一、三想先，利用率高，但是开关器件电压应力是输入电压的两倍，因此适合低压输入场合。

半桥变换器开关器件电压应低于输入电压，但电流是相同条件下推挽变换器的两倍因此只适用于中小功率场合。

半桥变换器最大的优点在于其对电路不平衡有自动的抑制作用，因此使用非常广泛[4]。

全桥变换器开关器件电压等于输入电压，输入电流是相同条件下半桥变换器的一半，适用于高压大功率场合。

缺点是开关器件数量多，控制复杂。

（3）微型计算机控制技术与专用控制芯片的迅速发展和广泛应用为开关电源的成功应用提供了技术手段和保证。

随着微电子技术和超大规模集成电路技术迅速发展，使得微型计算机计算速度更快、体积更小、性价比更高，同时功率损耗大大降低，可靠性比以前更高，使得对电源系统的监控的实时性更高、更方便。

另一方面，随着开关电源的广泛应用，全球一些知名厂家都竞相开发出各种电力电子电路控制用的集成电路，专门集成电路相对于分立器件控制电路来说，集成电路性能更优越，可靠性更高，成本更低。

这为开关电源的成功应用提供了技术手段和保证。

进入21世纪，开关电源技术将有更大的发展，主要集中在一以下几个方面[4][5][6]：

（1）高性能碳化硅（SiC）功率半导体器件

可以预见，碳化硅将是21世纪最有可能成功应用的新型功率半导体器件材料，碳化硅的优点是：

禁带宽、工作温度高（可达600℃）、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高等等。

（2）高频磁技术

高频开关电源中用了多种磁元件，有许多基本问题需要研究，如磁芯损耗的数学建模，磁滞回线的仿真建模，高频变压器一维和二维仿真模型等。

此外，高频磁元件的设计决定了高频开关电源的性能、损耗分布和波形，因此，人们希望给出设计准则、方法、磁参数和结构参数与电路性能的依赖关系，明确设计的自由度与约束条件等。

同时，人们将研究损耗更小、散热性能更好、磁性能更优越的高频磁性材料。

高频磁技术的研究还包括磁电混合集成技术，即将铁氧体或其它薄膜材料高密度集成在硅片上，或者将硅材料集成在铁氧体上。

（3）新型电容器

研究开发适用于功率电源系统用的新型电容器和超大电容。

要求电容量大、等效串联电阻（ESR）小、体积小等。

20世纪90年代末，美国已经开发出330uF新型固体钽电容，其ESR显著下降。

（4）高频开关电源的电磁兼容研究

高频开关电源的电磁兼容问题通常涉及到开关过程产生的di/dt，du/dt，它引起强大的传导型电磁干扰和谐波干扰。

有些情况还会引起强电磁场辐射。

不但严重污染周围电磁环境，对附近的电气设备造成电磁干扰，还可能危及附近操作人员的安全。

同时，开关电源内部的控制电路也必须能承受主电路及工业应用现场电磁噪声的干扰。

显然，在电磁兼容领域有许多前沿课题有待人们研究，如典型电路与系统的传导干扰和辐射干扰建模；印制板电路和开关电源EMC优化设计软件；大功率开关电源EMC测量方法的研究等。

（5）开关电源的设计、测试技术

建模、仿真和CAD是一种新的、方便且节省的设计工具。

为了仿真开关电源，首先要进行建模。

仿真模型中应包括电力电子器件、变换器电路、数字和模拟控制电路，以及磁元件和磁场分布模型，电路分布参数模型等，还要考虑开关管的热模型、可靠性模型和EMC模型。

开关电源的CAD，包括主电路和控制电路设计、器件选择、参数优化、磁设计、热设计、EMI设计和印制电路板设计、可靠性预估、计算机辅助综合和优化设计等。

此外，开关电源的热测试EMI测试、可靠性测试等技术的开发、研究与应用也是应大力发展的。

（6）低电压大电流的开关电源的开发

数据处理系统的速度和效率日益提高，新一代处理器的逻辑电压低达1.1～1.8V，而电流达50～100A，其供电电源-低电压、大电流输出DC-DC变换器模块将会成为开关电源新的研究方向之一。

1.3论文研究内容

本文的主要工作是设计大容量可调AC-DC直流开关电源系统的主电路。

首先根据其基本原理，市电经过输入滤波以后，首先经过整流滤波电路变成含有一定脉动成分的直流电压，然后进人高频变换部分。

高频变换部分的核心是DC-DC变换器，它主要由高频功率开关和高频变压器组成。

高频功率开关将直流高压斩波，并由高频变换器转换成所需的电压范围内的方波，最后将这个方波电压整流滤波，得到所需的电压。

根据以上简单叙述的要求设计出直流开关电源系统原理图。

之后可以大致将主电路分为两部分进行研究，首先设计AC-DC变换电路，主要确定整流桥的结构及确定各元器件参数和型号，再对DC-DC环节予以设计，确定逆变电路及确定各元器件参数和型号。

在DC-DC环节