高频开关电源设计.docx
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高频开关电源设计
引言
人类已经进入工业经济时代，并处于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。
电源涉及功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术等多学科的边缘交叉技术。
随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。
在现代通信，电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防以及某些高新技术中发挥着重要作用。
开关电源是直流电源系统的一个重要组成部分。
高频开关技术是采用高频功率半导体器件和脉宽调制（PWM）技术的功率变换技术。
其发展方向是高频，高功率因素，抗干扰和模块化，其中进一步实现高频化是开关电源的发展趋势，同时软开关技术也成为开关电源的主流技术，由于工作频率高，电路中的滤波电感和电容的体积可大大缩小；同时，高频变压器取代了工频变压器．则变压器的体积减小、重量降低；另外，由于开关管高频工作，功率损耗小，因而开关电源效率高。
开关管一般采用PWM控制方式，稳压稳流特性极佳。
现在应用于开关电源技术的仿真软件已有多种，它们有通用的软件，也有专业的软件，其中通用的最具影响的是PSPICE和MATLAB。
PSPICE是美国加州大学伯克利分校推出的集成电路分析软件SPICE的微机版，广泛应用于电子电路的设计。
早期的MATLAB主要应用于控制系统的仿真和分析，经过不断扩展已经成为包括通信、电气工程、优化控制等诸多领域的科学计算软件。
虽然上述两个软件均可用于开关电源系统的仿真，但是笔者认为开关电源技术作为一门跟实践紧密联系的课程，采用专业级的仿真软件效果将会更好，因此本次设计将采用专业级的电源仿真软件-SABER。
本文应用高频开关PWM技术，设计了一种开关频率50KHZ的高频开关电源，系统主电路包括三相桥式全控整流器、双管正激变换器、BOOST变换器。
根据题目要求，应用SABER软件对上述几个电路进行了原理性仿真测试，并对仿真结果进行了分析。
1本文概述
1.1选题背景
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MOSFET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。
从开关电源发展史来讲，如今已经走到第五代。
第一代是70年初，那时候从线性电源开始走向开关电源；第二代是1976开始取得UL安规认证；第三代从80年代中期开始，开关电源走向全球通用，因此电源的开发就不能局限在北美或者日本市场，输入电压要考虑85~265V范围内，同时欧规和其他安规都要考虑进来；第四代在90年中期，欧盟要求EMC（电磁兼容），包括PFC方面的高次谐波要求；现在进入了第五代，2006年7月，欧盟将强制执行ROHS条例，以限制有毒物质的使用，新一代的电源产品就这样诞生了。
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。
近年来，开关电源已广泛应用于电力，通信，交通等各个领域，并取得了显著的经济效益。
随着开关器件以及磁性材料性能的不断改进，开关频率逐步提高，功率逐步增大，开关电源的性能也更加优良。
相关技术的发展和开发软件的改进，也使开关电源的研发水平大大提高。
1.2本课题主要特点和设计目标
高可靠性、高电气指标等特征，使得开关电源具有更强的竞争力，应用领域不断扩大，高频开关电源向着高频、高效、高功率因素发展，必然将有更多更好的新技术出现，来不断完善它。
本文通过对开关电源的工作原理进行探究，分析了提高电源性能的新技术，设计了主体电路，分析了控制保护电路，并用SABER软件对电路进行原理性仿真模拟。
本课题所设计的开关电源，具体要求如下：
（1）输入：
三相交流输入380V，在±10％变化内；
（2）输出：
200VDC/10A；
（3）稳压精度0.1％，功率因数大于0.9，具有过流过压保护措施
1.3课题设计思路
交流输入的开关电源的设计电路如图1.1所示。
交流电经整流和PFC后转换成高压直流电，经DC/DC变换器后转换成所需的直流电输出。
图1.1开关电源的基本设计
本文主要通过对传统开关电源的研究，针对其不足，提出了改善，运用PWM技术，使电源输出更稳定，性能更好，效率更高。
2SABER软件
2.1SABER简介
SABER是由analogy公司开发、现由Synopsys公司经营的系统仿真软件，被誉为全球最先进的系统仿真软件，也是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品，现已成为混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准，可用于电子、电力电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真，这也是SABER的最大特点。
SABER作为混合仿真系统，可以兼容模拟、数字、控制量的混合仿真，便于在不同层面上分析和解决问题，其他仿真软件不具备这样的功能。
SABER仿真软件是当今世界上功能强大的电力电子仿真软件之一，我们从以下几个方面对SABER仿真软件进行介绍：
（1）原理图输入和仿真。
SABERSketch是SABER的原理图输入工具，通过它可以直接进入SABER仿真引擎。
在SABERSketch中，用户能够创建自己的原理图，启动SABER完成各种仿真（偏置点分析、DC分析、AC分析、瞬态分析、温度分析、参数分析、傅立叶分析、蒙特卡诺分析、噪声分析、应力分析、失真分析等），可以直接在原理图上查看仿真结果，SABERSketch及其仿真功能可以帮助用户完成混合信号、混合技术（电气、液压等）系统的仿真分析。
SABERSketch中的原理图可以输出成多种标准图形格式，用于报告、设计审阅或创建文档。
（2）数据可视化和分析。
CosmosScope是SABER的波形查看和仿真结果分析工具，它的测量工具有50多种标准的测量功能，可以对波形进行准确的定量分析。
它的专利工具——波形计算器，可以对波形进行多种数学操作。
CosmosScope中的图形也可以输出成多种标准图形格式用于文档。
（3）模型库。
SABER拥有市场上最大的电气、混合信号、混合技术模型库，它具有很大的通用模型库和较为精确的具体型号的器件模型，其元件模型库中有4700多种带具体型号的器件模型，500多种通用模型，能够满足航空、汽车和电源设计的需求。
SABER模型库向用户提供了不同层次的模型，支持自上而下或自下而上的系统仿真方法，这些模型采用最新的硬件描述语言（HDL），最大限度的保证了模型的准确性，支持模型共享。
（4）建模。
不同类型的设计需要不同类型的模型，SABER提供了完整的建模功能，可以满足各种仿真与分析的需求。
其建模语言主要有MAST、VHDL－AMS、Fortran，建模工具包括State－AMS、5维的图表建模工具TLU，SABER可以对SPICE、SIMULINK模型进行模型转换，同时SABER还拥有强大的参数提取工具，可以通过协同仿真实现模型复用。
SABER的混合信号、混合技术设计和验证能力已经得到了业界的验证，功能强大的原理图输入、仿真分析、模型库、建模语言、建模功能再加上先进的布局布线设计使SABER成为业界工程师的首选。
SABER的架构和独一无二的模型交换能力为市场上提供了最为强大的仿真工具，能够处理所有的仿真需求。
2.2SABER仿真流程
利用Saber软件进行仿真分析主要有两种途径，一种是基于原理图进行仿真分析，另一种是基于网表进行仿真分析.前一种方法的基本过程如下：
a.在SaberSketch中完成原理图录入工作;
b.然后使用netlist命令为原理图产生相应的网表;
c.在使用simulate命令将原理图所对应的网表文件加载到仿真器中,同时在Sketch中启动SaberGuide界面;
d.在SaberGuide界面下设置所需要的仿真分析环境,并启动仿真;
e.仿真结束以后利用CosmosScope工具对仿真结果进行分析处理.
在这种方法中,需要使用SaberSketch和CosmosScope两个工具,但从原理图开始,比较直观.所以,多数Saber的使用者都采用这种方法进行仿真分析.但它有一个不好的地方就是仿真分析设置和结果观察在两个工具中进行,在需要反复修改测试的情况下,需要在两个窗口间来回切换,比较麻烦.而另一种方法则正好能弥补它的不足.基于网表的分析基本过程如下:
f.启动SaberGuide环境,即平时大家所看到的SaberSimulator图标,并利用loaddesign命令加载需要仿真的网表文件;
g.在SaberGuide界面下设置所需要的仿真分析环境,并启动仿真;
h.仿真结束以后直接在SaberGuide环境下观察和分析仿真结果.
这种方法要比前一种少很多步骤,并可以在单一环境下实现对目标系统的仿真分析,使用效率很高.但它由于使用网表为基础,很不直观,因此多用于电路系统结构已经稳定,只需要反复调试各种参数的情况;同时还需要使用者对Saber软件网表语法结构非常了解,以便在需要修改电路参数和结构的情况下,能够直接对网表文件进行编辑.
2.3本章小结
本章主要介绍了Saber软件的基本使用方法，总结了Saber软件的特点：
i.集成度高：
从调用画图程序到仿真模拟，可以在一个环境中完成，不用四处切换工作环境；
j.完整的图形查看功能：
Saber提供了SaberScope和DesignProbe来查看仿真结果，而SaberScope功能更加强大；
k.各种完整的高级仿真：
可进行偏置点分析、DC分析、AC分析、瞬态分析、温度分析、参数分析、傅立叶分析、蒙特卡诺分析、噪声分析、应力分析、失真分析等；
l.模块化和层次化：
可将一部分电路块创建成一个符号表示，用于层次设计。
3三相桥式全控整流器的设计
3.1工作原理
三相桥式全控整流电路拓扑如3.1所示，它通过对两组桥臂晶闸管元件的有序控制，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为VTl、VT3、VT5，共阳极组组与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。
它们可构成电源系统对负载供电的6条整流回路，各整流同路的交流电源电压为两元件所在的两相的线电压。
习惯上希望晶闸管按从VT1至VT6的顺序导通。
图3.1三相全控整流电路原理图
三相桥式全控整流电路电阻负载a=0°时晶闸管工作情况
时段
1
2
3
4
5
6
共阴极组中导通的晶闸管
VT1
VT1
VT3
VT3
VT5
VT5
共阳极组中导通的晶闸管
VT6
VT2
VT2
VT4
VT4
VT6
整流输出电压Ud
Uab
Uac
Ubc
Ubc
Uca
Ucb
3.1.1三相桥式全控整流电路的特点
（4）每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。
（5）对触发脉冲的要求：
6个晶闸管的脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60°；共阴极组VT1，VT3,VT5的脉冲依次差120°，共阳极组VT4，VT6，VT2也依次差120°；同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3和VT6，VT5和VT2，脉冲相差180°。
（6）整流输出电压Ud一周期脉动6次，每次波动的波形都一样，故该电路为6脉冲整流电路。
（7）在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。
可采用两种方法：
一种是使脉冲宽度大于60°（取80°-100°），称为宽脉冲触发。
另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲。
即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60°，脉宽一般为20°-100°，称为双脉冲触发。
双脉冲电路比较复杂，但要求的触发电路输出功率小。
宽脉冲触发电路虽然可以少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压器饱和，须将铁芯体积做得较大。
绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡，对于晶闸管串联使用不利。
所以常采用双脉冲触发。
3.2保护电路
3.2.1过电压产生的原因
（8）操作过电压。
由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，电网侧的操作过电压会由供电变压器电磁感应耦合，或由变压器绕组之间存在的分布电容静电感应耦合过来。
（9）雷击过电压。
由雷击引起的过电压。
（10）换相过电压。
由于晶闸管或者与全控器件反并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，而当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。
（11）关断过电压。
全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出过电压。
3.2.2过压保护
（12）避雷器保护。
可以在变压器网侧设置避雷器来抑制由雷击引起的过电压。
（13）抑制电路保护。
在变压器阀侧配置浪涌过电压抑制用RCD电路。
（14）压敏电阻保护。
在整流桥交流侧采用压敏电阻保护回路。
如图3.2所示。
采用压敏元件作为过电压保护，其主要优点在于：
压敏电阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作时只有很微弱的电流通过元件，而一旦出现过电压时，压敏电阻可通过高达数千伏的放电电流，将电压抑制在允许的范围内，并具有损耗低、体积小，对电压反应快等优点。
因此，是一种较好的过电压保护元件，在各种变流装置中被普遍采用。
压敏电阻的缺点在于：
持续平均功率太小，如果选择不当，在正常工作时将引起电压超过其额定值而损坏，且损坏时所产生的电弧往往波及邻近的电器设备，造成故障扩大化。
图3.2压敏电阻保护回路
（15）用RC吸收电路保护。
其电路如图3.3所示
图3.3RC吸收回路
3.2.3过电流产生的原因
晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类：
一类是由于整流电路内部原因，如整流晶闸管损坏，触发电路或控制系统有故障等；其中整流桥晶闸管损坏类较为严重，一般是由于晶闸管因过电压而击穿，造成无正、反向阻断能力，它相当于整流桥臂发生永久性短路，使在另外两桥臂晶闸管导通时，无法正常换流，因而产生线间短路引起过电流。
另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，这类情况时有发生，因为整流桥的负载实质是逆变桥，逆变电路换流失败，就相当于整流桥负载短路。
另外，如整流变压器中性点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。
3.2.4过流保护
对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，最常见的保护方式就是接入快速熔短器。
快速熔短器的接入方式共有三种：
如图3.4所示
图3.4快速熔断器的几种接入方式
采用电力电子电路进行过电流保护对于重要且易发生短路的晶闸管设备，或者工作频率较高，很难用快速熔断器保护的全控型器件，需要采用电力电子电路进行过电流保护。
图3.5所示为过电流保护电子电路系统原理图，检测到过流之后关断被保护电路。
电路包括过流信号采集模块、整流模块、电压比较整定模块、74LS74D控制门及执行电路模块。
图3.5晶闸管整流及其保护电路原理图
对各模块功能及过流保护原理的介绍。
（16）信号采集模块。
通过三相电流互感器，在主电路晶闸管交流侧采集电流信号。
采用互感器的主要作用：
a隔离高压电路。
互感器一次和二次没有电的联系，只有磁的联系，因而使保护电路与高压电路隔开，以保证二次设备和工作人员的安全。
b使继电器小型化，标准化，可简化结构，降低成本，有利于大规模生产。
电流互感器选择的要求：
a额定电压应大于或等于电网电压。
b一次额定电流应大于或等于（1.2-1.5）倍的长时最大工作电流Iar.m，即
Iar.m≥（1.2-1.5）Iar.m
c电流互感器的精确等级应与二次设备的要求相适应。
互感器的精确等级与二次负载容量有关，如容量过大，精确等级过大。
根据工程经验，过流保护用电流互感器的精确等级应不小于0.5级。
d动热稳定性校验。
（17）整流模块
整流模块是不可缺少的一部分，它将电流互感器采集到的交流信号，转化为直流电压信号输送给电电压比较器。
（18）电压比较整定模块
将上一步不可控整流桥的电压输出信号作为一个输入信号输送给电压比较器的一端，而电压比较器输入端口的另一端用来整定。
如图3.6所示，当R1=R2=R3=R4时，可得
Vo=Vs2-Vs1
整定时，将采集到的信号作为，将整定值作为Vs2,一旦大于Vs1，比较器就将输出一正脉冲。
图3.6电压比较器原理图
（19）控制门74LS74D。
当PRE及CLR为高电平，时钟脉冲为上升沿时，只要D端接高电平，Q输出端就为高，而此时D端接低电平时，Q端输出就为低电平。
本设计正是利用这一点来对执行电路进行控制。
（20）执行电路
当晶体管基极加高电平时，晶体管导通，继电器线圈得电，其与断路器相连的常闭触点断开，使断路器动作，进而起到保护系统的作用。
a.继电器的选择
继电器要求动作灵敏，工作可靠。
b.晶体管的选择
晶体管要根据继电器参数来选择，晶体管的额定电流应大于继电器的额定电流。
而且根据的74LS74D输出特性应当选择NPN型的管子，特征频率要高，以保证动作的灵敏性。
c.限流电阻选择
限流电阻要根据晶体管及继电器参数来选择。
3.3SABER仿真
3.3.1设计规范
输入规范：
LineInput380Vac
输出规范：
Vout378Vdc
Vout（ripple）1.5Vp-p
3.3.2建立模型
在Saber环境下，运用各种元件模型建立三相桥式全控整流电路模型，如图3.7
图3.7三相桥式全控整流电路的仿真模型
相应参数设置：
①交流电压源参数U=380V，f=50HZ，相位依次延迟6.668ms②晶闸管参数设置如上图。
③同步触发脉冲f=50HZ，周期为20ms,脉冲宽度为4ms（保证可靠触发）。
④设置a=1.67ms，R=1515Ω，C=1500uf。
3.3.3仿真结果
如图3.8所示
图3.8三相桥式全控整流电路带电阻负载a=30°时的波形
3.3.4结果分析
由仿真结果可知，经整流后，输出电压最大为378.2V，最小为375.5V，输出纹波为1.2V，符合设计要求。
3.4本章小结
（21）本章首先介绍了三相全控整流桥的工作原理，分析了过电压，过电流产生的原因，并对保护电路的设计进行了探索，分析了三相全控整流常用保护电路的工作原理。
（22）利用SABER设计了输出378VDC的三相全控整流桥，分析了电路的工作波形，并对输出结果进行了测试，效果理想。
4功率因素校正技术
4.1谐波
4.1.1谐波的危害
大多数开关电源是通过整流器和电力网相接的，在普通电力电子装置中，整流电路通常采用不控整流后接电容滤波或是晶闸管相控整流。
整流器-电容滤波电路是一种非线形元件和储能元件的组合。
虽然输入交流电压是正弦的，但输入电流是仅在交流电压波顶附近区域导通，滤波电容被整流后的电流充电，因此输入交流电严重畸变，呈脉冲状。
这种电流的基波是和输入正弦电压同相位的，故产生有功功率，但交流波形中含有较大的高次谐波，这些高次谐波与输入正弦电压既不同频也不同相。
一方面发生“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波压降，反过来使电网电压（原来是正弦波）也发生畸变。
另一方面，造成电路故障，损坏设备。
如使线路和配电压过热，谐波电流还会引起电网LC谐振，或者高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过流和过热而损坏。
三相四线制电路中，三次谐波在中线同相位，合成中线电流很大，可能超过相电流，中线又无保护装置，会造成过热火灾，造成电器设备的损坏。
4.1.2谐波补偿和功率因素校正
解决谐波问题的主要方法有两种，一种是被动的方式，即在电网侧对己经产生的谐波进行补偿。
另一种是主动的方式，即对产生谐波的电力电子装置的拓扑结构和控制策略进行改进，使其产生较少的谐波，甚至不产生谐波，使得输入电流和输入电压同相，即输入单位功率因数。
功率因数校正技术大致可分为无源和有源两类：
（23）无源：
早期的功率因素校正在电网输入端可串联笨重的大电感器，大电容LC，后来改进的无源功率因素校正在全波整流器之后再串接C-L-C滤波网络。
它可用于镇流器，中小功率电源；新型的无源PFC：
在全波整流器之后串接多个二极管与电容器组合D-C网络，它又称为“填谷式”PFC电路，它主要是在二极管整流桥前面串接一个LC组成的滤波器，它可以使得整流桥中二极管的导通角增大，从而使得电流波形得到明显改善。
这种无源的功率因数校正电路结构简单可靠。
（24）有源PFC：
低频有源PFC主要指大功率晶闸管电路：
高频有源PFC是基于BOOST变换器的PFC电路。
另外还有其他PFC新技术：
软开关PFC，三电平PFC，磁放大器PFC技术等。
4.2有源功率因数校正
4.2.1APFC技术分类
Vin
功率因数校正技术是在整流电路和主开关电路中插入功率因数校正电路，使其按一定的斩控频率通断，以维持网侧电流的连续性，并按正弦规律变化。
功率因数校正下技术的根本就是强制电流按照电压的正弦变化而变化，从而达到提高功率因数目的，如图4.1所示，图中Vin是电源电压，Il是电源电流。
U
I
图4.1功率因素校正技术下的电压电流跟踪波形
有源功率因数校正主要有断续导电模式（DCM）、连续导电模式（CCM）以及临界导电模式（TM）三种控制方法。
（25）断续导电续模式PFC，由于其输入峰值电流自动跟随输入电压，通常工作在固定的开关频率，采用单环控制，因此结构非常简单，且不存在二极管的反向恢复问题，电感量小等优点，但是一般只能满足小功率场合，有很大的关断损耗和器件应力，输入滤波器体积较大且输入平均电流存在一定程度畸变。
（26）连续导电模式PFC可以获得很大的功率转换容量，由于电感电流连续，输入电流纹波小，因此输入滤波简单。
但它一般是基于乘法器（Multiplier）的原理，结构复杂且需要双环反馈控制，存在二极管的反向恢复问题，影响了功率变换器的效率。
当采用峰值电流控制时，在半个工频周期内，总有一部分工作在占空比大于50%的情况下，所以还需要斜坡补偿。
（27）令功率变换器始终工作在临界导电模式，则具有最佳的综合性能，它既没有断续导电模式那么大的器件应力，也不存在连续导电模式所具有的二极管的反向恢复问题，且输入平均电流与输入电压成线性关系，适用于中小功率场合。
4.2.2临界导电模式APFC的控制原理
在临界导电模式下，本PFC电路具有两种工作状态。
图4.2给出了BOOSTPFC的主电路简图。
（28）当开关S导通时，二极管D关断，电源Vin向电感充电，同时输出滤波电容Co给负载Rl提供能量。
设导通时的持续时间为Ton，电感电流iL从零开始上升。
根据基尔霍夫电压定律可得：
式中Vin为输入电压的瞬时值，因为开关频率比输入电压的频率大的多，所以可近
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