1、SouthChinaUniversityofTechnology電力電子技術課程設計報告正激式直流電源的設計專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：12電氣（6）班學號：2079名：指導老師：王學梅老師華南理工大學電力學院2014年1月12日課題名稱與研究現(xiàn)狀正激式直流電源的設計。所謂正激式直流電源（亦稱為正激式開關電源）只是開關電源的一種，按照不同的標準開關電源可以分成不同的種類:從工作性質(zhì)上分，大體上可分“硬開關”和“軟開關”兩種，從工作方式上分，又可以分為正激式、反激式、推挽式，將推挽式加以改進又可分為半橋式和全橋式。正激式的變壓器一次側與二次側同名端式一致的，而反激式的則剛好相反，而且在具體的功

2、能上二者也有區(qū)別，正激式變壓器只是起到一個能量的傳遞作用，而反激式變壓器則還要暫時的儲存能量起到一個電感的作用，因為由于變壓器電感的極性的不同，反激式變壓器一次側與二次側是不會同時導通的，但正激式和反激式變壓器基本上都是一個輸入端與反饋繞組共同構成一次側，而輸出端則只有一組，推挽式的變壓器則相當于兩個反相位工作的正激式變壓器的組合，其有兩個輸入端兩個輸出端。一般來說正激式的輸出功率要高一些，成本也相應的高一些，而反激式易于實現(xiàn)，但是功率比較小，成本也低一些，推挽式的電路比較復雜，輸出功率范圍比較廣。由于反激式開關電源中的開關變壓器起到儲能電感的作用，因此反激式開關變壓器類似于電感的設計，但需注

3、意防止磁飽和的問題。反激式在20100W的小功率開關電源方面比較有優(yōu)勢，因其電路簡單，控制也比較容易。而正激式開關電源中的高頻變壓器只起到傳輸能量的作用，其開關變壓器可按正常的變壓器設計方法，但需考慮磁復位、同步整流等問題。正激式適合50250W之低壓、大電流的開關電源。這是二者的重要區(qū)別！電源是各種電子設備必不可少的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接與電子設備的性能指標及是否能安全可靠地工作相關。開關電源具有小型輕量同時高效率等突出的優(yōu)點，到目前已經(jīng)廣泛用于各種電子電器設備，特別是計算機和通信設備，包括移動終端和消費類電子產(chǎn)品，可以說無所不在，不可或缺。開關電源是一種利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關管

4、開通與關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓或電流的電路，其一般由脈沖寬度調(diào)制與控制芯片和開關管（IGBT、BJT、M0SFET等）構成。由于這種PWM型的開關電源在使用和設計的時候比線性電源具有更高的效率和靈活性，所以可以在各種便攜式產(chǎn)品，航空和自動化產(chǎn)品，儀器與儀表中發(fā)現(xiàn)它們的存在。開關電源如今已經(jīng)發(fā)展到第5代。上世紀60年代初開發(fā)的是第一代開關電源，那時線性電源剛剛開始向開關電源發(fā)展，開關頻率低，成本高，使用范圍受到很大限制，僅使用在軍事、航天等少數(shù)高科技領域。第二代無工頻變壓器的開關電源在70年代末開始研制，但是受當時技術條件的限制，生產(chǎn)的電源產(chǎn)品因為效率較低、頻率低、電路復雜度較高，調(diào)試難

5、度大，不易推廣使用等一系列的問題讓其應用范圍受到較大限制，所以第三代開關電源的研發(fā)勢在必行。它誕生于80年代初期，電力電子技術的成熟以及功率半導體技術和控制技術的發(fā)展使得多種型號的中小功率高頻開關電源的研發(fā)成為可能，并被應用于計算機、電視、通信、移動等產(chǎn)品領域，取得了比較豐碩的成果。在此時期內(nèi)，IC技術與電源技術和自動控制技術互相融合，開發(fā)出各種開關電源專用芯片，這種新型節(jié)能電源得到了極大發(fā)展。目前，電源的開關頻率已從20千赫茲提高到了幾百千赫茲甚至更高。90年代中期開始研制第四代開關電源，開關電源在設計時將要考慮EMC（電磁兼容），PFC（功率因素校正）等其他方面較高的技術要求。同時開關電源

6、使用的電子元器件也獲得較快發(fā)展。瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）、壓敏電阻器（如TL431）、電磁干擾濾波器（EMIFilter）、非晶合金制造的磁珠（magneticbead）等一大批新器件、新材料正被廣泛采用。高頻化和模塊化是開關電源在未來主要發(fā)展的兩個方向，高頻化使其不斷小型化成為可能，進而可推動高性能的開關電源的應用范圍不斷擴展，尤其是在高新電子技術領域。面臨著原油價格的不斷上漲和其他能源的緊缺，高性能的開關電源在能源和資源的優(yōu)化使用，效率提升以及保護環(huán)境等許多方面意義重大。模塊化是開關電源發(fā)展另一個總體趨勢，模塊化使電源的設計更加合理，電源的應用可以更加多樣化和更有針對性。同時可以采用模塊化

7、的電源構成分布式的電源系統(tǒng)如冗余電源系統(tǒng)，實現(xiàn)多個電源的并聯(lián)，擴充容量。課題設計任務，指標內(nèi)容及要求技術指標正激式開關電源的技術指標項目參數(shù)輸入電壓單相交流220V輸入電壓變動范圍180Vac240Vac輸入頻率50Hz輸出電壓V12V*5A輸出功率60W2.2主要設計內(nèi)容主電路的詳細設計和參數(shù)選擇；開關器件的選擇；驅動電路的設計；脈沖變壓器的設計及選型；控制電路；仿真軟件自選；全部元器件型號參數(shù)（列表說明）。特殊要求給出如下仿真波形和結果：1）額定輸出下正常運行2）突加突減額定負載運行（空載額定負載一一空載）*可選總體電路的功能框圖，基本原理及其說明交流輪入整流謔*波電路電子開關正激變換器開

8、關占空比VE比較F控制電路電路VREF取!樣:/I路I功能框架原理圖上圖所示是正激開關電源電路的典型結構，它主要由整流濾波電路、DC/DC變換電路、開關占空比控制電路以及取樣比較電路等模塊構成。前級整流濾波電路用來消除來自電網(wǎng)的干擾，同時也防止開關電源產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴散，并將電網(wǎng)輸入電壓進行整流濾波，為變換器提供直流電壓。變換器是開關電源的關鍵部分，它把高頻交流電壓（開關管的開通與關斷形成的高頻交流電壓）變換成直流電壓，并且起到將輸出部分與輸入電網(wǎng)隔離的作用。取樣電路和開關占空比控制電路通過檢測輸出直流電壓，并將其與基準電壓比較，進行放大，調(diào)制振蕩器的脈沖寬度，從而控制變換器以保持輸出電

9、壓的穩(wěn)定。開關電源的基本工作原理：輸入交流電（市電）首先經(jīng)過整流濾波電路形成直流VS，該直流電V。再經(jīng)過通、斷狀態(tài)控制的電子開關電路后，變換成脈沖狀態(tài)交流電VO,V0再經(jīng)正激變換器構成的整流濾波電路平滑后，輸出直流。顯然,輸出直流V0的大小取決于脈沖狀交流電V0的有效值大?。ǔ烧龋鳹0的有效值又與開關的導通占空比D=TON/T（其中T二TON+TOFF）成正比。此外，通過取樣比較電路中對輸出電壓V0取樣，并使之與基準電壓VREF進行比較，若取樣電壓高于VREF,則比較電路輸出Ve減小，取樣控制占空比控制電路，使TON/T下降，從而使V0下降；若取樣電壓低于VREF，則比較電路輸出Ve增加

10、，使TON/T增加，從而使V0增加，這樣就可以使開關電源的輸出電壓V0穩(wěn)定在一個恒定值上。jfAMP實際電路圖經(jīng)典單端正激變換器的工作原理3基本電路D.正激電陪的原理囹-正激電路的理想化披形基本工作原理正激電路的工作過程圖2-6中開關S開通后，變壓器繞組W1兩端的電壓為上正下負，與其耦合的W2繞組兩端的電壓也是上正下負。因此VD1處于通態(tài)，VD2為斷態(tài)，電感L的電流逐漸增長；S關斷后，電感L通過VD2續(xù)流，VD1關斷。變壓器的勵磁電流經(jīng)N3繞組和VD3流回電源，所以S關斷后承受的電壓為Nu=(1+1)USNi3變壓器的磁心復位圖中開關S開通后，變壓器的激磁電流由零開始，隨時間線性的增長，直到S

11、關斷。為防止變壓器的激磁電感飽和，必須設法使激磁電流在s關斷后到下一次再開通的時間內(nèi)降回零，這一過程稱為變壓器的磁心復位。在正激電路中，變壓器的繞組W3和二極管VD3組成復位電路。工作原理是開關S關斷后，變壓器勵磁電流通過W3繞組和VD3留回電源，并逐漸線性的下降為零。變壓器的磁心復位時間為Nt=11rstNon如下圖所示為磁心復位過程b!正激式變壓器輸出電壓輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下有。=N2tonUNTii輸出電感電流不連續(xù)時有U=NUoNi15功能塊及單元電路的設計、計算與說明整流濾波電路的設計與計算圖整流濾波電路如圖所示，由VD58四個二極管和穩(wěn)壓電容CI1構成的橋式全波整流電路將輸

12、入的220V，50Hz的交流電轉換直流電，穩(wěn)壓電容同時也用來消除來自電網(wǎng)的干擾，同時也防止開關電源產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴散，并將電網(wǎng)輸入電壓進行整流濾波，為變換器提供直流電壓。當參數(shù)選擇恰當時，整流濾波得到的直流電壓為交流電壓220V的七2倍，約為311V。由于輸入交流電壓在180240V之間波動，則該直流電壓將在255340V之間波動。選擇電容為250mF時，整流輸出的電壓在250V339V間變化，于是，選擇電容為250mF。二極管VD58,穩(wěn)壓電容CI1的耐壓值均為350V。正激變換電路的設計工作頻率的確定工作頻率對電源體積以及特性影響很大，必須很好選擇。工作頻率高時，開關變壓器和輸出濾波

13、器可小型化，過渡響應速度快。但主開關元件的熱損耗增大、噪聲大，而且集成控制器、主開關元件、輸出二極管、輸出電容及變壓器的磁芯、還有電路設計等受到限制。這里基本工作頻率f選200kHz，則0=5|is200X103式中，T為周期，f為基本工作頻率。0最大導通時間的確定對于正向激勵開關電源，D選為40%45%較為適宜。最大導通時間t為ONmaxt=TXDONmaxmaxD是設計電路時的一個重要參數(shù)，它對主開關元件、輸出二極管的耐壓與max輸出保持時間、變壓器以及和輸出濾波器的大小、轉換效率等都有很大影響。此處，選D=45%。由上式，則有maxt=5|dx=|jsONmax正向激勵開關電源的基本電路

14、結構如下圖所示。+圖正向激勵開關電源的基本電路結構變壓器匝比的計算1次級輸出電壓的計算如下圖所示，次級電壓V與電壓V+V+V的關系可以這樣理解：正脈沖電壓2OFLV與t科包圍的矩形“等積變形”為整個周期T的矩形，則矩形的“縱向的高”2ON就是V+V+V，即OFL“(V+V+V)xTV=OLF2tON式中，V是輸出二極管的導通壓降，V是包含輸出扼流圈L的次級繞組接線壓FL2降。由此可見，下圖所示A面積等于B面積，C是公共面積，因此，真正加在負載上的輸出電壓V更小。O1m圖“等積變形”示意圖TOC o 1-5 h z根據(jù)上式，次級最低輸出電壓V為2min“(V+V+V)xT(12+0.3+0.5)

15、x5 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document V=OLF=2mint2.25ONmax式中，V取(肖特基二極管)，V取。FL2變壓器匝比的計算正激式開關電源中的開關變壓器只起到傳輸能量的作用，是真正意義上的變壓器，初、次級繞組的匝比N為2根據(jù)交流輸入電壓的變動范圍180V240V，則V=250V340V,V=250V,IImin所以有TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 250N二一Imin二 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document

16、28.442min將上述整合，則變壓器的匝比N為xDN二Iminmax+V+VOLF變壓器次級輸出電壓的計算變壓器初級的匝數(shù)N與最大工作磁通密度B(高斯)之間的關系為1mVxtIminONmaxx104BxS式中，S為磁芯的有效截面積(mm2),B為最大工作磁通密度。m根據(jù)輸出功率與磁芯的尺寸之間關系粗略計算變壓器有關參數(shù)，磁芯選EI-28，其有效截面積S約為85mm2,磁芯材料相當于TDK的H7C4，最大工作磁通密度Bm可由下圖查出。實際使用時，磁芯溫度約為100C,需要確保B為線性范圍，因此B在3000mm高斯以下。但正向激勵開關電源是單向勵磁，設計時需要減小剩磁(利于磁復位)剩磁隨磁芯溫

17、度以及工作頻率而改變。此處，工作頻率為200kHz，則剩磁約減為1000高斯，即磁通密度的線性變化范圍AB為2000高斯。m根據(jù)上式，得Ni=Vr“=帶x104-匝,取整數(shù)33匝。m因此，變壓器次級的匝數(shù)N為2N=N/N=33/=匝，取整數(shù)4匝。21當N二N/N=33/4=。所以，計算最大占空比D為TOC o 1-5 h z12max(V+V+V)xN(12+0.5+0.3)x8.25“D二TFL=maxV250Imin也就是說，選定變壓器初、次級繞組分別為33和4匝，為了滿足最低輸入電壓時還能保證輸出電壓正常，開關電源的最大占空比D約為，開關管的最max大導通時間t約為Ids。下面有關參數(shù)的

18、計算以校正后的D（=%）和tONmaxmaxONmax（二ds）。同時，計算出輸出最低電壓V約為。2min變壓器次級輸出電壓的計算1計算扼流圈的電感量流經(jīng)輸出扼流圈的電流AI如下圖所示，則AI為LL_V-（V+V）AI2minFXtLLONmax式中，L為輸出扼流圈的電感（dH）。圖1-28扼流圈中的電流波形這里選AI為輸出電流I（5A）的10%30%,從扼流圈的外形尺寸、成本、LO過程響應等方面考慮，此值比較適宜。因此，按AI為I的20%進行計算。LOAIIXX1ALO由上式求得T28.4-（0.5+12）,Lx2.111如此，采用電感量為dH，流過平均電流為5A的扼流圈。若把變壓器次級的輸

19、出電壓與電流波形合并在一起，如圖所示。在t期間,ONV為幅度的正脈沖，VD導通期間扼流圈電流線性上升，電感勵磁、磁通量增大;21在tOFF期間，V2為幅度V/N的負脈沖，VD1截止、VD?導通，扼流圈電流線性下降，電感消磁，磁通量減小。輸出給負載的平均電流IO為5A。穩(wěn)態(tài)時，扼流圈的磁通增大量等于減小量。圖次級的電壓與電流波形2計算輸出電容的電容量輸出電容大小主要由輸出紋波電壓抑制為幾mV而確定。輸出紋波電壓M由rAI以及輸出電容的等效串聯(lián)電阻ESR1確定，但輸出紋波一般為輸出電壓L的。“(0.30.5)xV(0.3-0.5)x12,AI=O=3660mVr100100又AI=AIxESRrL

20、由上式求得AI3660ESR=r=3660mQAI1L即工作頻率為200kHz時，需要選用ESR值60mQ以下的電容。適用于高頻可查電容技術資料，例如，用4700UF/50V的電容，其ESR值為150mQ，可選3ESR，是EquivalentSeriesResistance三個單詞的縮寫，翻譯過來就是“等效串聯(lián)電阻。ESR的出現(xiàn)導致電容的行為背離了原始的定義。ESR是等效“串聯(lián)”電阻，意味著將兩個電容串聯(lián)會增大這個數(shù)值，而并聯(lián)則會減少之。個這樣的電容并聯(lián)。另外，需要注意低溫時ESR值變大。流經(jīng)電容的紋波電流I為C2rmsT_A/_1I=aC2rms2xy32x因此，每一個電容的紋波電流約為，因

21、為這里有3個電容并聯(lián)。此外，選用電容時還要考慮到負載的變化、電流變化范圍、電流上升下降時間、輸出扼流圈的電感量，使電壓穩(wěn)定的環(huán)路的增益等，它們可能使電容特性改變?；謴碗娐吩O計1計算恢復繞組的匝數(shù)恢復電路如圖所示。VT導通期間變壓器T的磁通量增大，T蓄積能量；VT1111截止期間釋放蓄積的能量，磁通返回到剩磁。圖恢復電路（VT截止時）電路中T上繞有恢復繞組N，因此VT截止期間，原來蓄積在變壓器中的TOC o 1-5 h z131能量通過VD反饋到輸入側（C暫存）。由于VT截止期間，恢復繞組N兩端的4I13自感電壓限制為輸入電壓V的數(shù)值，惟其如此，VD才能把存儲在N中的磁場能I43轉化為電場能反饋

22、到輸入側。這時變壓器初級感應電壓為NxVV二1/iN3式中，V是N的感應電壓，極性為上負下正；V是N的自感電壓，極性也11I3是上負下正（等于電源電壓）。若主開關元件的耐壓為800V，使用率為85%,即八+V)x=680V。1ImaxVV2時，輸出Vkong為+Von,當V1V2時，輸出Vkong為-Von，調(diào)節(jié)好三角波的幅值就可以調(diào)整輸出Vkong矩形波的占空比，確定好初始的占空比約為45%，三角波的幅值為24V，保持不變。R1與R2的大小暫時相等（后期加入總系統(tǒng)電路時再調(diào)整其放大倍數(shù)）。此時，當Vo增大時，V1減小，輸出Vkong的占空比變小，導致開關管導通的時間變短，于是，系統(tǒng)輸出電壓V

23、o變小。具體仿真測試的波形圖如下。當輸入為12V時，波形如下：當輸入為18V時，占空比明顯變小，波形如下:當輸入為6V時，占空比明顯變大，波形如下:將其反饋電路加入到總系統(tǒng)電路，將輸出電壓與反饋電路用一個電壓控制電壓源器件隔離，設置增益為1。調(diào)整誤差放大器的電阻并引入電容。R1和R2決定比例系數(shù)K。R2和CI決定積分系數(shù)I。控制器是一個比例積分控制器。具體參數(shù)要在調(diào)試中確定。積分環(huán)節(jié)主要用于控制穩(wěn)態(tài)誤差。調(diào)試時，先去除C，R1和R2包括Rd，可先取相等的數(shù)值，再由小到大調(diào)節(jié)R2的參數(shù)，待輸出穩(wěn)定，再增加電容C，可以消除穩(wěn)態(tài)誤差。最終確定的電路圖如下：其中，電容為1uF，電阻R3為10K歐。補充

24、：另一種誤差放大器特性（極點-零點誤差放大器）分析極點-零點誤差放大器如圖1所示。圖極點-零點誤差放大器極點-零點誤差放大器如圖所示。當C5的阻抗X小于R5的阻抗時，主要考c5慮R5對增益的影響，增益是水平的，等于R5/R6。低頻時，C5的阻抗遠大于R5的阻抗，電路中電阻R5可以忽略，且增益為X/R5。該增益隨頻率的降低，以c520dB/dec的速度上升，在頻率為100Hz處獲得較大增益。隨著頻率升高，增益在F=1/（2nR5C5）處，由-1斜率轉折為水平線。在較高頻率范圍內(nèi)，C6的阻Z抗Xc6比R5的阻抗小，R5在電路中不起作用，因此增益為Xc6/R5。從頻率到F=1/（2“R5C6）段，增

25、益特性是水平的；在頻率F處，增益曲線開始轉折，pp以-1斜率下降。高頻段的低增益可防止高頻噪聲尖峰傳遞到輸出端。選擇R5=3000，R6=0.10，C5=4700uF，C6=470pF，可得F，F(xiàn)，zp0JJJ10HzLflOlIzIkliz10kJj100kHz;頻率圖極點-零點誤差放大器的幅頻特性曲線仿真所得的波形如下:Vd同樣滿足輸出額定負載時為12V,5A。6電路仿真額定負載正常情況下輸出電壓，電流波形（交流峰為311V）輸出電壓波形電壓波動r0DBE：01Tinw崗輸出電流波形電流波動由波形圖可知，額定負載是輸出電壓電流穩(wěn)定在12V，5A，有微小波動。額定負載輸入交流發(fā)生正負20V波

26、動情況下輸出電壓，電流波形（1）交流發(fā)生正的20V波動（交流峰值為340V）輸出電壓波形電壓波動（2）交流發(fā)生負的20V波動（交流峰值為250V）輸出電壓波形1i.lT電壓波動輸出電流波形IIei.osc電流波動我們可以發(fā)現(xiàn)，當輸入交流發(fā)生正負20V的波動時，輸出電壓電流通過負反饋的作用，調(diào)節(jié)開關管的導通時間，將電路的額定負載輸出維持在12V，5A的狀態(tài)，且其波動微小。系統(tǒng)電路的穩(wěn)壓性能良好!突加突減額定負載運行（空載定負載空載），電路輸出電壓，電流波形。由于要突加突減負載，于是在負載處同樣的設置一個開關管，由一個頻率為50Hz，占空比為的矩形波電壓源驅動，可以起到模擬突加突減負載的效果。具體

27、電路圖如下:!丄I丄.Tr.rm輸出電壓電流波形圖Vo1312.5TOC o 1-5 h z12NSNSAMANWZIIII115_；_；IIII112I輸出電壓電流波動我們可以看到，無論是突加還是突減負載，輸出電壓，電流最終還是穩(wěn)定在12V,5A（負載）/0A（空載）的狀態(tài)，波形的波動并不是很明顯。說明總的電路系統(tǒng)的穩(wěn)壓能力比較強！7所用的全部元器件型號參數(shù)元器件參數(shù)表序號編號規(guī)格丿家型號數(shù)量類型1VD1、VD2100V/10A松藤MBR101002二極管2VD410A/1000VLGER-61二極管3VD3、VD5VD8400V/1AFASTSTAR1N40045二極管4CO、C0_1、C0_24700uF/50VNipponChemi-ConEKY-500ELL471MK20S3電容5CI250MFAVXBZ315A254ZSBCC1電容6C12200pFJECHTCCY1-JD222M41電容00VP=107C3100UF/16VLELONVES101M1CTR-06051電容8C81UF/16VLELONVES101M1CTR-06051電容9R2Q-100WRX24-100W1電阻10R1kGVishayThinFilmPLT0603Z2232