基于软开关技术的开关电源设计.doc
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太原科技大学
毕业论文
基于软开关技术的开关电源设计
太原科技大学教务处
二○一五年五月
摘 要
随着电力电子技术的不断发展，开关电源凭借自身效率高、体积小及控制灵活等一系列优越性，广泛应用于航空航天、计算机通信以及自动控制等领域，并有逐步取代传统线性稳压电源的趋势。
因此，不断提高开关电源性能是开关电源市场所需要的，其中就包括功率因数校正（PFC）技术和软开关技术。
本文从Boost变换器入手，分析了其工作原理和在单级功率因数校正方面的应
用。
结合全桥变换器拓扑，本文提出了开关电源的新型拓扑应用，即基于全桥架构的单级PFC电路拓扑。
该新型拓扑结合了Boost变换器和全桥变换器的优点，兼具功率因数校正和较大功率应用的优势。
同时，为了提高开关电源效率，本文在电路设计中加入了钳位电路，通过合理设计驱动信号时序，实现开关管的零电压开通的软开关技术。
在系统控制策略选择上，本文采用单周期控制技术。
该控制技术的理念新颖，将其应用于有源功率因数校正电路中，可以大大减小电流畸变和实现较高功率因数。
同时，该控制技术取消了传统控制方法所必须的乘法器，较低了控制电路的设计难度，是当前一种很有应用前景的控制策略。
在此基础上，完成了系统的控制算法编写。
通过系统地分析，本文设计了一台基于上述理论，功率级别为1KVA的开关电源样机，采用市电输入，直流稳压输出。
详细分析了主电路参数设计，介绍了各个功能模块的电路设计。
最后展示了开关电源样机的各个测试信号，得到较为理想的开关电源输出电压和较为良好的单级PFC效果。
由此，验证了本开关电源设计的正确性和可行性。
关键词：
开关电源，单级PFC，软开关，全桥，单周控制
ABSTRACT
Withthedevelopmentofpowerelectronics,switchingpowersupplywhichisofmanyadvantages,suchas:
highefficiency,smallvolumeandflexiblecontrolstrategies,andsoon,iswidelyusedinaerospace,computercommunicationandautomaticcontrolandotherfields.Therefore,toimprovetheperformanceofswitchingpowersupplyisrequiredforswitchingpowersupplymarket,includingpowerfactorcorrectionandsoftswitchtechnology.
ThispaperstartsfromtheBoostconverteranalysis,includingitsworkingprincipleandapplicationinthefieldofsingle-stagepowerfactorcorrection（S2-PFC）.Combinedwiththefullbridgeconvertertopology,thispaperpresentsanewtopologyofswitchingpowersupply,whichisbasedonasingle-stagePFCcircuittopologyoffullbridgestructure.ThenewtopologycombinestheadvantagesofBoostconverterandfull-bridgeconverter,andthenewonecanbeusedinlargepowerapplicationwiththepurposeofthepowerfactorcorrection.Atthesametime,inordertoimprovetheefficiencyofthe
switchingpowersupply,thispaperjoinedtheclampcircuitinthecircuitdesign.
Onthesystemcontrolstrategies,thispaperadoptsOne-Cycle-Control（OCC）technology.Thiscontroltechnologythatisuseintheactivepowerfactorcorrectioncircuitcangreatlyreducethecurrentdistortionandrealizethehighpowerfactor.Meanwhile,thecontroltechnologywillnotusethemultiplierasthetraditionalmethod,andreducethedifficultyofdesignofcontrolcircuit.
Throughthesystematicanalysis,asetofswitchpowersupplyprototype,whosepowervolumeisabout1KVA,isfinishedpreliminarilybasedontheabovetheory.SwitchpowersupplyprototypeinputsthegridACvoltage,outputsDCvoltagesteadily.Analyzethemaincircuitparameter,anddescribethecircuitdesignofeachfunctionalmodule.Attheend,presenteachtestsignaloftheswitchingpowersupplyprototype,whichcouldimprovethecorrectnessandfeasibilityofthetheoreticalanalysisandengineeringdesign.
Keywords:
Switchingpowersupply,S2-PFC,Soft-Switching,Full-Bridge,OCC
目录
第一章绪论.........................................................1
1.1开关电源概述.................................................1
1.2开关电源国内外发展现状与趋势.................................2
1.3本论文的研究背景、目的及意义.................................4
1.4本文所做的主要工作...........................................5
第二章开关电源系统硬件设计.........................................34
2.1主电路模块参数设计..........................................34
2.1.1整流电路参数设计......................................34
2.1.2输入电感的参数设计....................................35
2.1.3输出电容的参数设计....................................36
2.2控制模块芯片选择............................................38
2.3信号采样模块硬件电路设计....................................38
2.3.1输入电压采样电路......................................38
2.3.2输入电流采样电路......................................39
2.4高频变压器参数设计..........................................39
2.5驱动模块硬件电路设计........................................41
第三章单周期控制技术软件实现.......................................43
3.1单周期控制策略系统软件设计..................................51
3.2系统主程序设计........................................52
3.3中断服务子程序设计....................................53
3.4PI调节子程序设计 56
第四章系统实验结果分析.............................................59
4.1各个功能模块调试结果及分析..................................59
4.1.1采样电路模块的调试....................................59
4.1.2控制电路模块的调试....................................61
4.1.3驱动电路模块的调试....................................62
4.1.4辅助电源模块的调试....................................63
4.2开关电源系统实验结果及分析..................................63
4.3本章小结....................................................65
第五章结论...................................................66
5.1全文总结....................................................66
5.2工作展望....................................................66
致谢..............................................................68
参考文献............................................................69
第一章绪论
1.1开关电源概述
电源是电子设备的重要组成部分，其性能的好坏直接影响着电子设备运行的安全性和可靠性。
目前常用的直流稳压电源可分为线性稳压电源和开关稳压电源。
线性稳压电源，是指稳压电源电路中的功率调整管工作于其线性放大区，工作原理为：
将工频电网电压经线性变压器降压后，通过整流、滤波以及线性稳压处理，最终输出所需的直流电压[1]。
线性稳压电源虽然具有一系列优点，如：
瞬态响应速度快；输出纹波电压较小；工作噪声低；电源稳定度较高等。
但是由于其自身拓扑结构，同时也有一系列的缺点，如：
转换效率较低，通常情况下只有45%左右；电源系统体积较大，重量较大，不利于小型化，并且原材料消耗更多而成本较高；输入电压的动态范围比较小等。
这些缺点成为其长远发展的巨大障碍[2]。
开关电源，又称变换式电源、开关变换器，是一种利用现代电力电子技术实现高频化电能转换的装置。
通过控制开关管的开通时间和关断时间比率，将一个标准的电压转换为所需的电压或电流。
开关电源的输入电压来源一般是蓄电池，光伏电池，燃料电池或者通过整流器输入[3]。
相较于线性稳压电源而言，开关电源自身优点在于：
（1）电源系统内部功耗较小，转换效率较高。
功率开关晶体管在驱动信号的激励下，周期性地工作在开-关状态，这就使得开关管的功耗很小，大幅提高了电源系统效率，一般电源系统效率都能达到90%以上。
（2）电源产品体积较小，重量较轻。
由于高频技术的成熟应用，现代开关电源不再使用传统的工频变压器，并且由于功率开关晶体管耗散功率降低而可以采用较小的散热器件，所以开关电源具有较小的体积和较轻的重量，节省了相应的原材料成本。
（3）稳压范围较宽，线性调整率较高。
开关电源的输出电压是根据驱动信号的占空比来实现调节的，一旦输入信号电压发生变化，则可以快速相应地通过调节开关频率或调节驱动脉冲宽度来保持稳定的输出。
（4）滤波效率较高，同时极大地减小了滤波电容和滤波电感的体积。
开关电源
的功率开关晶体管开关频率较高，目前成熟应用技术基本都在50kHz以上，是以往线性稳压电源工作频率的1000倍以上，所以相比而言，开关电源的滤波效率也几乎提高了1000倍。
（5）电路拓扑选择余地大。
常见的有调频式和调宽式；升压式、降压式和升降压式；单端式和双端式等。
设计人员可以充分利用各类电路拓扑的特长，设计出应用于各种场合的优质开关电源。
1.2开关电源国内外发展现状与趋势
（1）功率半导体器件的发展
在近20年的时间里，一大批优秀的功率半导体器件的研发成功极大地推动了开关电源的快速发展，这些器件现在已非常常见，如电力晶体管GTR，功率MOSFET，绝缘栅极双极性晶体管IGBT等，这些器件均是基于硅晶片研制而成。
21世纪最有希望研制成为优秀功率半导体器件的是一种叫做碳化硅（SiC）的新型功率半导体器件。
其优点是：
宽禁带，热稳定性好，通态电阻小，导热性好，漏电流小等一系列优秀电气特性，非常适合制造成耐高温的高频大功率功率半导体开关器件，如：
SiC功率MOSFET，SiC型IGBT等等。
（2）高效率和软开关技术
工作于开关状态的开关电源，功率开关晶体管的损耗主要包括开通损耗和关
断损耗，为此，研究人员研究了在开关过程中开关器件的电流和电压波形不相交叠的技术，即零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）技术，总称软开关技术，理论上使功率开关晶体管的开关损耗为0，在减小开关损耗的同时，还大大降低了开关噪声，减小了电磁干扰。
据报导，最近国外小功率DC-DC转换器开关电源模
块（48V/12A）总效率可达到96%；48V/5ADC-DC转换器开关电源模块的效率可达到92%～93%。
20世纪末，我国自行生产的通信用50～100A输出，全桥移相式ZVS-PWM开关电源模块效率已超过93%。
DSP的计算辅助软开关技术的应用，可以有效提高变换器效率，同时，很多高效率的拓扑通过高级非线性数字控制技术使开关电源在全工作范围内的性能都得到优化[5]。
1.3本论文的研究背景、目的及意义
自20世纪50年代发展起来开关电源PWM调制技术，其功率开关管工作在硬开关（HardSwitching）状态，在开通和关断的时候，电压和电流存在一定的交叠，所以会产生相应的开关损耗（SwitchingLoss）。
在一定的条件下，功率开关管在每个开关周期中的开关损耗是一定的，那么，开关损耗和开关频率是成正比关系的，开关频率越高，开关电源的总体效率反而越低，从这一点上来说，开关损耗限制了开关电源的高频化发展，也就限制了其小型化和轻量化的发展。
此外，硬开关工作状态的功率开关管还会产生很高的瞬时电流和电压冲击，产生较大的电磁干扰（EMI），同时也会对功率开关管本身造成很大的冲击而损坏。
软开关技术的实现，为解决上述问题提供了一种有效的技术手段，有利于减小开关损耗，有利于提高开关频率。
软开关技术目前已广泛应用于开关电源设备当中。
由于应用场合对开关电源的要求不断提高，研究人员对开关电源系统的输入功率因数和谐波污染等课题有了更加深入的探讨。
本文基于上述课题背景，在开关电源的设计过程中，运用单级PFC技术，并融入软开关技术，结合全桥架构，探索开关电源在较高功率应用场合下单级PFC技术的工程设计，并优化开关电源性能。
1.4本文所做的主要工作
本论文研究的主要目的是优化现有采用单级PFC技术的Boost变换器在较大功率应用场合时的实现方案，设计输出功率为1KVA、工作频率为20kHz的开关电源样机。
主要包含如下工作：
（1）分析基本的Boost变换器和全桥变换器的工作原理，分析APFC技术的工作原理和实现方式。
在此基础上，针对目前单级PFC技术主要应用于功率小于300W的场合且功率因数普遍低于0.85的现状，提出采用单级PFC结构实现1KVA功率级的开关电源设计方案，同时设计钳位电路实现开关管的零电压开通，并对基于该结构的主电路进行工作原理的详细分析。
（2）在理论分析完善的基础上，设计系统的硬件电路，用以研制理论设计的可行性。
主要硬件电路模块包括控制电路模块，采样电路模块，主回路电路模块，驱动电路模块，辅助电源模块，高频变压器模块。
根据系统设计要求，对系统中主要的硬件电气参数进行理论分析和计算。
（3）设计基于单周期控制技术模式的数字PFC控制算法，分析该算法的实现原理以及优势所在，通过小信号建模分析了PFC控制的稳定性。
编写系统控制程序，实现系统稳定输出。
（4）本设计开关电源具有较高的整机效率，较为宽泛的输入电压范围。
尤其是在单级PFC技术的应用方面，在千瓦级功率应用场合，本设计开关电源样机功率因数高于目前同技术路线下功率因数为0.8~0.9的技术现状，具有较为优良的市场应用价值。
开关电源样机的主要设计指标为：
（I）输入电压Vin：
市电输入AC220V（1±15%），50Hz；
（II）输出电压/电流Vout：
DC96V/10A；
（III）功率因数PF：
0～50%负载时，大于0.85；50%～100%负载时，大于0.90；
（IV）整机效率η：
≥90%；
（V）具有输入过电流，过电压，欠电压保护功能，输出过电流和过载保护等功能。
第二章开关电源系统硬件设计
在第三章对开关电源系统工作原理分析的基础上，本章主要对开关电源的主电路参数进行设计。
开关电源系统采用模块化设计思路，便于分类设计和测试。
硬件电路模块主要包括主电路模块，信号采样模块，控制模块，驱动模块，辅助电源模块。
2.1主电路模块参数设计
2.1.1整流电路参数设计
2.1.1.1输入整流桥的选择
系统输入为工频市电，其理论峰值为311V，有效值为220V。
设计2～3倍的输入电压峰值裕量，整流桥堆耐压应为622～933V。
考虑系统输出功率为1KVA，故整流桥堆正向导通的平均电流应大于5A，则设计2～3倍的输入电流峰值裕量，则峰值电流应设为20A左右。
综合这些因素，系统选用Won-TopElectronics公司的整流桥堆KBPC3508，其主要参数为：
（1）最大反向重复峰值电压URRM：
800V；
（2）最大有效值电压URMS：
560V；
（3）最大输出平均电流IAV：
35A；
（4）工作温度范围TJ：
-55～+125℃。
2.1.1.2输出端整流电路参数设计
由于输出端整流电路工作在高频状态，故需要考虑整流二极管的工作频率问题。
系统功率开关管工作频率为20KHz，直流输出电压为96V，输出电流为10A。
由此选用仙童公司生产的快恢复二极管RHRP3040，其主要参数为：
（1）最大反向重复峰值电压URRM：
400V；
（2）最大输出平均电流IAV：
30A；
（3）工作温度范围TJ：
-65～+175℃；
（4）最大恢复时间t：
﹤40ns。
2.1.1.3逆变桥硬件电路设计
在第三章主电路工作原理分析的基础上，设计了如图4-1所示的逆变器主电路。
开关管的G极通过反串联的稳压管构成限幅器，保证了+15V开通驱动和-9V的关断驱动电压，避免造成开关管的损坏和误开关。
工程设计中，为了减小功率开关管承受的开关应力，需要额外设计缓冲电路。
以开关管Q7为例，电容C108和电阻R108在Q7关断瞬间，吸收了较大的电压尖峰，减小了Q7所受到的冲击电压。
电容C3，二极管D3、D4以及电阻R28、R29、R30构成RCD缓冲电路，对开关管形成关断缓冲电路，有效保护功率开关管。
M
R88
G5
R81
D88
F11
Q11
R89
C118
G1
R125
R43 Q7
R41
R7
F5D41
C108
C3R108
D3
R25
R28
G2
R29
R64R62
F7D71
Q9
R13
C111
C6R111
D5
R31
R34
R35
C_L
R30
C_N
R36
R54
G3
Q8 C105
D4
R26
R74
G4
Q10
C114
D6
R32
C17
R52
F6D51
R10
R105
C4
R27
R72
F8D81
R16
R114
C5
R33
N
图4-1逆变桥电路原理图
2.1.2输入电感的参数设计
输入电感的设计决定了输入端高频纹波电流含量，同时，也会影响输入电流的跟踪速度。
一般情况下，输入电感的设计原则是按照限制纹波电流来设计的。
从极端情况考虑，即输入电压最小而输出功率最大时，输入电流和纹波电流都是最大的。
当开关管开通时，输入电感电流开始线性增加，电感两端感应电势Es为
E=Ldi=LΔi
（4-1）
s dt DT
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