開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告.pdf

開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) 一 選題的理論意義與實(shí)際意義一 選題的理論意義與實(shí)際意義 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步 科學(xué)成果也有很大的進(jìn)展 在開(kāi)關(guān)電源方面的研究也 是如此 電力電子已經(jīng)成為人們生活中必不可或缺的一部分 同時(shí)也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命 脈 電力電子技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致電力開(kāi)關(guān)器件的性能大幅提高 開(kāi)關(guān)上限頻率 功耗也 都有了明顯的改善 同時(shí) 數(shù)字控制具有靈活性高 精度高 信號(hào)穩(wěn)定等顯而易見(jiàn)的 優(yōu)點(diǎn)而在目前開(kāi)關(guān)電源的研究領(lǐng)域成為熱點(diǎn) 數(shù)字控制技術(shù)在不斷地進(jìn)步 發(fā)展和廣 泛應(yīng)用 由于高頻開(kāi)關(guān)電源具有效率高 壽命長(zhǎng) 性能可靠等優(yōu)點(diǎn)而倍受青睞 成為 電源系統(tǒng)中最重要的組成部分之一 電源開(kāi)關(guān)技術(shù)的產(chǎn)生是由于電源電壓的變換需要一種基本技術(shù)使其變換簡(jiǎn)單 成 本低 容易控制等 電源為所有用電設(shè)備不可或缺的重要組成部分 提供動(dòng)力 是設(shè) 備的心臟 以前相控電源應(yīng)用廣泛 但是相控電源實(shí)現(xiàn)電壓變換與電氣隔離是靠工頻 變壓器和相控整流器 所以存在規(guī)模大 體積重 效率低 功率因數(shù)低等種種缺點(diǎn) 也達(dá)不到能源要求的標(biāo)準(zhǔn) 另外 它并聯(lián)運(yùn)行充電設(shè)備與蓄電池導(dǎo)致波紋系數(shù)較大 對(duì)蓄電池的使用壽命產(chǎn)生影響 伴隨科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展 對(duì)電源的要求越來(lái)越高 直流電源對(duì)電子裝置供給的 電能質(zhì)量直接對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響 并且提供的電能效率直接對(duì)設(shè)備的運(yùn)營(yíng)成本產(chǎn)生 影響 由此可見(jiàn)直流電源在電子設(shè)備中的作用和意義 數(shù)字電源市場(chǎng)的需求不斷加強(qiáng) 體積小 效率高 具有良好的電磁兼容性是新型電力電子裝置的要求 70 年代開(kāi)始 伴隨著硬開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用 高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)也在不斷地被國(guó)內(nèi)外的電源技術(shù)界 研究 同一年代 最先出現(xiàn)了諧振變換器 Resonant converters 實(shí)際上它是負(fù)載 諧振變換器 對(duì)負(fù)載的變化敏感 在 20 世紀(jì) 80 年代諧振開(kāi)關(guān)技術(shù)飛速發(fā)展 開(kāi)關(guān)頻 率有增高趨勢(shì) 有效的降低了開(kāi)關(guān)器件的損耗 按照不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及諧振開(kāi)關(guān)方式 可以將諧振變換器分為負(fù)載諧振變換器 準(zhǔn)諧振變換器和諧振直流環(huán)逆變器 其中準(zhǔn) 諧振變換器又主要分為零電流開(kāi)關(guān)變換器 Zero current switching PWM converters 和零電壓開(kāi)關(guān)變換器 Zero voltage switchingPWMconverters 它們都采用 PWM 調(diào)制 對(duì)比與傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)變換器 只增加了一個(gè)諧振電感 而電路復(fù)雜程度和 1 成本沒(méi)有增加的同時(shí)還降低了開(kāi)關(guān)管的損耗 采用 DSP 控制開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié) 也增加了電源的靈活性和優(yōu)化電源的輸出 數(shù)字電源的出現(xiàn)源于市場(chǎng)的需求 數(shù)字器件控制的電源內(nèi)部參數(shù)可以在線調(diào)整 電源的動(dòng)態(tài)特性可變 能在負(fù)載在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí) 保證穩(wěn)定的輸出性能 數(shù) 字電源的智能化特有的適應(yīng)性和靈活性 能監(jiān)控 處理和適應(yīng)系統(tǒng)需求的能力 能滿 足復(fù)雜的電源要求 以前數(shù)字電源只是導(dǎo)入 UPS 無(wú)停電電源 裝置 服務(wù)器 通信 產(chǎn)品 太能電池和功率調(diào)節(jié)器等這一類基礎(chǔ)設(shè)施的部分產(chǎn)品中 而近幾年在 LED 照明 產(chǎn)業(yè)設(shè)備以及部分消費(fèi)類產(chǎn)品中的應(yīng)用也在擴(kuò)展進(jìn)步 它之所以如此迅速的發(fā)展的因 素首先包括低價(jià)位 DSP 的出現(xiàn) 單價(jià)只有 1 美元左右并用于數(shù)字電源產(chǎn)品中的電源控 制 IC 的出現(xiàn) 使得數(shù)字電源控制 IC 的成本降到與模擬電源控制 IC 相似的程度 其次 它的最佳應(yīng)用對(duì)象是輸出功率為 50W 100W 以上 頻率大約為 1MHZ 以下的電源 通過(guò) DSP 微控制器上的 A D 轉(zhuǎn)換器來(lái)監(jiān)控輸出電壓和電流 電壓電流的穩(wěn)定性通過(guò)軟件控 制 綜上所述 數(shù)字電源具有高性價(jià)比 集成度高 電源管理功能完善等顯著優(yōu)點(diǎn) 是實(shí)現(xiàn)智能化電源系統(tǒng)的條件 基于 DSP 高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)可以改變傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源 體積重 外觀龐大 靈活性差 效率低等一系列缺點(diǎn) 實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)控來(lái)提高靈 活性和精確性 所以對(duì)于高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)研究具有現(xiàn)實(shí)意義和一定的應(yīng)用價(jià)值 二 二 論文綜述論文綜述 綜述國(guó)內(nèi)外有關(guān)選題的研究動(dòng)態(tài) 綜述國(guó)內(nèi)外有關(guān)選題的研究動(dòng)態(tài) 目前 線性電源 開(kāi)關(guān)電源和相控電源是應(yīng)用最廣泛的直流電源 而在開(kāi)關(guān)電源 出現(xiàn)之前 線性電源應(yīng)用于各種電子裝置和電氣控制設(shè)備中 由于直流電源與線性穩(wěn) 壓電源相比在性能指標(biāo)上具有很大的優(yōu)勢(shì) 逐步將線性電源取代 除一些對(duì)直流輸出 電壓波紋高要求的場(chǎng)合外 對(duì)于相控電源具有電路簡(jiǎn)單方便控制的優(yōu)點(diǎn) 但是存在 著體積大 輸出濾波電感大 頻率低導(dǎo)致控制的響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn) 所以相控電路只 在很大功率的應(yīng)用場(chǎng)合采用 開(kāi)關(guān)電源在近年來(lái)在電力 通信等各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用 并取 得了一定的結(jié)果 同時(shí)開(kāi)關(guān)頻率和功率逐漸隨著開(kāi)關(guān)器件和磁性材料性能的改進(jìn)而提 高 電源系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域伴隨電子技術(shù)的發(fā)展也在不斷的擴(kuò)大 電源供應(yīng)穩(wěn)定的電能 是電子設(shè)備正常運(yùn)行的基礎(chǔ) 各式各樣的電子設(shè)備種類增多 趨于小型化成本化的同 時(shí) 對(duì)電源的要求也不斷增多 如電源的靈活性 體積輕 效率高等 為了縮小開(kāi)關(guān) 變換器的體積 提高其功率 改善響應(yīng) 開(kāi)關(guān)頻率大幅提高 高頻化成為一種趨勢(shì) 2 但是高頻化產(chǎn)生的問(wèn)題也不可忽略 首先 開(kāi)關(guān)損耗與無(wú)源元件的損耗增大 其次 對(duì)高頻寄生參數(shù)的影響增大 高頻電磁干擾問(wèn)題嚴(yán)重 在單純追求高頻化的同時(shí)電磁 干擾問(wèn)題也在加劇 21 世紀(jì)環(huán)境保護(hù)的意識(shí)在不斷增強(qiáng) 綠色電源的概念與此同時(shí)被提出 首先電源 綠色化體現(xiàn)在節(jié)能方面 節(jié)能能夠減少電源發(fā)電對(duì)環(huán)境的污染 污染是使得總功率因 數(shù)下降的重要原因 20 世紀(jì)末功率校正 Power Factor Corrector 方法的誕生為開(kāi) 關(guān)電源系統(tǒng)綠色化奠定了基礎(chǔ) 功率因數(shù)校正 PFC 技術(shù)可以分為兩種 一種是有源 功率因數(shù)校正 APFC 另一種是無(wú)源功率校正 PPFC 無(wú)源功率因數(shù)校正電路的 優(yōu)點(diǎn)有可靠性強(qiáng)的同時(shí)結(jié)構(gòu)還簡(jiǎn)單 不需要進(jìn)行控制 但缺點(diǎn)是體積重大且成本高 功率因數(shù)難以得到提高 有源功率因數(shù)校正技術(shù)的開(kāi)關(guān)電路采用全控開(kāi)關(guān)器件 校正 輸入電流的正弦波在不失真的情況下與輸入電壓相位相同 體積輕小輸出電壓穩(wěn)定 因?yàn)閾碛羞@一系列的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn) 在開(kāi)關(guān)電源控制電路中使用 DSP 采用先進(jìn)的控制方法和策略提高電源的各種性能 指標(biāo) 靈活控制 目前合理的數(shù)字信號(hào)性價(jià)比為電源的設(shè)計(jì)提供了優(yōu)質(zhì)的可選方案 DSP 的應(yīng)用不僅改變了開(kāi)關(guān)電源固有的一些缺點(diǎn) 提高了集成化程度 而且實(shí)現(xiàn)了先 進(jìn)的智能化控制方法 模糊控制策略的良好性能在開(kāi)關(guān)變換器的控制策略中被越來(lái)越 多的關(guān)注 在開(kāi)關(guān)電源硬件設(shè)備和頻率固定的情況下 控制策略的改變直接影響輸出 電壓 PID 算法具有原理簡(jiǎn)單 控制參數(shù)選定簡(jiǎn)單且相互獨(dú)立 易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn) 是 一種最優(yōu)的控制算法 因此在開(kāi)關(guān)電源控制中廣泛使用 開(kāi)關(guān)電源從 20 世紀(jì) 60 年代的線性電源由于存在體積大 效率低 不易實(shí)現(xiàn)隔離 等一系列缺點(diǎn)而被開(kāi)關(guān)電源所取代 1964 年 發(fā)表在日本 NEO 上的兩篇文章指明了開(kāi) 關(guān)電源小型化的研究方向 并經(jīng)過(guò)近十年的研究和開(kāi)發(fā)取得較好的成果 采用脈沖控 制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源高頻化 1973 年 美國(guó)采用 DC DC 轉(zhuǎn)換器作為開(kāi)關(guān)電源的調(diào)節(jié) 器 Buck 轉(zhuǎn)換器首先被采用 到上世紀(jì) 80 年代中期 其他形式的轉(zhuǎn)換器逐漸被應(yīng)用 于開(kāi)關(guān)電源中 到目前為止 采用的 DC DC 轉(zhuǎn)換器已經(jīng)增加到 14 種 可以設(shè)計(jì)出各種 功率的開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用于滿足不同性能的不同場(chǎng)合 開(kāi)關(guān)電源會(huì)是穩(wěn)壓電源未來(lái)發(fā)展的主流趨勢(shì) 它的發(fā)展趨勢(shì)可表現(xiàn)為 1 小型 高頻化 電源供電頻率越大 變壓器 電感和電容的體積重量越小 從工頻 50HZ 提高 到 20KHZ 用電設(shè)備的體積大概下降到工頻設(shè)計(jì)的 5 10 電源的大小由磁性元件和 3 電容的大小 質(zhì)量決定 當(dāng)前研究的一個(gè)方向就是減小這些器件的大小 盡可能提升 開(kāi)關(guān)頻率 這樣使得開(kāi)關(guān)電源尺寸少受磁性元件和電容的大小 質(zhì)量的影響 而且避 免不必要因素的干擾 系統(tǒng)性能得到提升 2 使用穩(wěn)定化 決定電源使用時(shí)間的長(zhǎng) 短和穩(wěn)定性的因素包括電解電容 光耦合器和排風(fēng)扇 因此 當(dāng)下的設(shè)計(jì)正是盡力改 善器件的使用 利用模塊化技術(shù)可以提升開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定性 3 低噪化 在傳統(tǒng)的 開(kāi)關(guān)電源中頻率和噪聲成正比 頻率越高噪聲越大 采用部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù) 可以提 高效率的同時(shí)降低噪聲 所以低噪化也是開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì) 4 智能控制化 利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行檢測(cè)和控制 能有效的在多個(gè)方面進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)和預(yù)報(bào)警 提高了工作的效率和精確程度 5 模塊化 模塊化包括功率器件的模塊化和電源單 元的模塊化 模塊化的整機(jī)因縮小了體積而方便使用 同時(shí)取消傳統(tǒng)連接降低寄生參 數(shù) 降低器件承受的電應(yīng)力 從而提高了系統(tǒng)的可靠性 大功率的開(kāi)關(guān)電源中 一般 采用多個(gè)獨(dú)立的模塊并聯(lián) 采用均流技術(shù) 使得所有模塊共同分擔(dān)負(fù)載電流 保證某 一模塊失效時(shí) 其他模塊仍能繼續(xù)平均分擔(dān)負(fù)載電流 不影響系統(tǒng)的正常工作 總而言之 開(kāi)關(guān)電源技術(shù)因市場(chǎng)需求不斷發(fā)展 新技術(shù)也會(huì)隨之出現(xiàn)從而開(kāi)拓更 多新的應(yīng)用領(lǐng)域 開(kāi)關(guān)電源高頻化 模塊化 數(shù)字化 智能化等的實(shí)現(xiàn)標(biāo)志著技術(shù)的 成熟 實(shí)現(xiàn)高效率與高品質(zhì)用電相結(jié)合 以開(kāi)關(guān)電源為核心的很多電源技術(shù)還需要不 斷地研究進(jìn)步 三 三 論文提綱論文提綱 1緒論 1 1課題的背景及意義 1 2國(guó)內(nèi)外研發(fā)狀況與發(fā)展方向 1 3論文主要工作 2開(kāi)關(guān)電源原理及設(shè)計(jì)方法 2 1開(kāi)關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)及原理 2 2非隔離型 DC DC 變換電路 2 3論文設(shè)計(jì)電源的技術(shù)指標(biāo) 3開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) 3 1主電路的拓?fù)溥x擇 3 2變壓器的設(shè)計(jì) 4 3 3輸出濾波器的設(shè)計(jì) 3 4復(fù)位電路計(jì)算 3 5功率開(kāi)關(guān)管選擇 3 6輸出二極管的選擇 3 7恒流輸出電路設(shè)計(jì) 3 8緩沖吸收電路設(shè)計(jì) 3 9控制電路的設(shè)計(jì) 3 10仿真測(cè)試 4結(jié)論 四 與選題相關(guān)的主要參考文獻(xiàn)四 與選題相關(guān)的主要參考文獻(xiàn) 1 趙同賀 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例 M 北京 人民郵電出版社 2007 2 王志強(qiáng) 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì) M 北京 電子工業(yè)出版社 2006