開關電源開題報告

本科畢業(yè)設計開題報告 題 目： 110W高頻開關電源 專 題： 院 （系）： 電氣及信息工程學院 班 級： 自 動 化08-1 班 姓 名： 戴紅健 學 號： 0 指導教師： 吳 延 華 教師職稱： 教授 黑龍江科技學院本科畢業(yè)設計開題報告題 目110W高頻開關電源 來源 指導老師 1、 研究目的和意義 電源問題一直是人們十分關心的問題，是所有電設備的動力。在電力系統(tǒng)中，直流系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及性能直接影響到電廠的運行和設備的安全；在通信網(wǎng)絡中，通信電源成為構成各種通信手段必不可少的組成部分，對確保通信質量具有重要的影響，人們視通信電源為整個通信系統(tǒng)的心臟。 以往應用的傳統(tǒng)的相控整流電源設備因為采用工頻變壓器，體積大，且輸出電壓的紋波系數(shù)大。它的監(jiān)控系統(tǒng)不完善，采用主從備份方式，用戶使用不方便；更重要的是它無法達到電力系統(tǒng)監(jiān)控設備和通信設備要求電源紋波小，可靠性高，抗干擾能力強的新的技術標準。另外，由于充電設備與蓄電池并聯(lián)運行，紋波系數(shù)較大，會出現(xiàn)蓄電池脈動充電放電，影響蓄電池的使用壽命。另外因其網(wǎng)側功率因數(shù)低、調整速度慢、噪聲大等缺點，正在被逐步淘汰。取而代之的是高頻開關電源。開關電源取消了傳統(tǒng)電源采用的笨重的工頻變壓器，使得電源得體積大大縮?。浑娫粗械秒娏﹄娮悠骷ぷ髟陂_關狀態(tài)，使整機效率很高；由于器件的開關頻率一般大于20kHz，所以基本上聽不到噪聲。2、 國內外發(fā)展情況(文獻綜述) 60年代中期，美國已研制成20kHz DCDC變換器及電力電子開關器件，并虛用于通信設備供電。到70年代初期已被先進國家普遍采用，其中最有成效的黽由這種電力電子開關器件和變換技術組成整流電路，三相交流電源不經(jīng)過jOHz工頻變壓器，而是直接整流，再由DCDC變換器變成高頻交流，經(jīng)再一次整流變成電設備所需的各種直流電源。 由于用20kHz高頻變壓器取代了50Hz工頻變壓器，使得整流器中的關鍵元件“工頻變壓器和濾波電感”大大縮小，使整個整流器的重量、體積大幅度減小，并消除了噪聲，提高了功率因素，改善了可控硅對電源造成的畸變。 80年代初英國采用上述原理，研制了第一套完整的48V成套電源，即目前所謂的開關電源(SMPSwitch Mode Power)或開關整流器(sMRSwitch ModeRectifier)。 早期開關電源的控制電路一般以分立元件非標準電路為主，一般由時鐘電路、TRC(Time Radi0 Contr01)電路、分頻電路、檢測放大電路、保護電路組成電路形式比較靈活，但使用元件多，電路設計復雜，而且可靠性不高。 經(jīng)過十多年的發(fā)展，國外在1977年左右開始進入控制電路集成化階段。一個大規(guī)模單片集成型控制電路除了包括開關電源控制方案的公共功能外，通常還持有更為廣泛的適應性，這樣的單片取代了上百個分立元件，大幅度地減少了元器件數(shù)量，提高了電源地可靠性，簡化了電路地設計計算，有利于生產(chǎn)和維護，同時也加速了電源控制電路標準化的進程?？刂齐娐返募苫瘶酥局_關電源的重大進步。目前市場上出售的單片集成型控制電路種類較多，例如美國UNITRODE的UC3845系列，TEXAS INSTRUMENT的TL494系列等等。 開關整流器采用的電力電予器件主要有雙極型晶體管(BT-Bipolar7Fransistor)和場效應晶體管(MOSFET-Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor)。雙極型晶體管開關整流器屬于早期產(chǎn)品，但由于雙極型晶體管的導通電阻低、損耗小、技術成熟、可靠性高，國外至今仍在使用。例如，法國電信分散供電系統(tǒng)中采用的25A及75A兩種規(guī)格的開關整流器都是雙極型晶體管開關整流器，變換頻率為20kHz。場效應晶體管因開關速度快，驅動電路簡單，是當前較為理想的開關元件，在開關整流器中應用最多。它的問世，大大提高了開關整流器的開關頻率，一下子就從20kHz提高到50kHz，目前在中小功率場合最高頻率已達500kHz。場效應晶體管的缺點是導通電阻大，導致導通壓降較大，影響整機效率。絕緣柵雙極晶體管(IGBTInsufated Gategipolar Transistor)是一種新型電力電子器件，其輸入電路與MOSFET相同，輸出電路與BT相同，它兼有MOSFET容易驅動和BT導通電阻低的優(yōu)點，只是開關頻率相對MOSFET較低?，F(xiàn)在有的廠家采用IGBTMOSFET組合器件(并聯(lián)使用)。這種混合開關器件的導通電阻低，且開關損耗小，不過其控制及驅動電路較復雜。 自開關電源問世以來，其可靠性隨著器件和控制方法的改進不斷提高。目前的直流電源系統(tǒng)普遍采用“備用并聯(lián)運行”方法，在開關電源中稱為“N+I模塊冗余備份”。這種并聯(lián)運行采取均流方式，使整個系統(tǒng)的可靠性極大提高，而且各模塊可熱插拔，維護十分方便。 隨著開關電源應用地擴大，其供電體制已逐漸從集中供電向分散供電過渡，其相應的管理體制也正在向集中監(jiān)控和集中管理方向發(fā)展，逐漸實現(xiàn)無人值守或少人值守。即應用計算機技術和通訊技術實現(xiàn)遙信、遙測和遙控。3、研究/設計的目標： 4、設計方案（研究/設計方法、理論分析、計算、實驗方法和步驟等）：正激變換器關鍵在于主開關管導通時，輸入電壓加在變壓器初級，輸出二極管正偏導通;當主開關管截止時，僅存儲在變壓器漏感和激磁電感的能量。這將使得漏極電壓高于輸入電壓，復位磁芯。正激變換器需要一個最小負載以及足夠大的濾波電感，以保證它的峰值紋波電流小于最小負載電流。否則將出現(xiàn)斷續(xù)，輸出電壓上升。這意味著正激變換器不能工作在空載狀態(tài)，因為不能具有無限大電感。電感量隨電流增加而減少。在最小負載時，你得到的電感較大，保持電流連續(xù)，而在最大負載時，你仍然具有足夠的電感，而又不太大。你允許紋波電流隨著負載電流增加而增加，不必設計的電感體積大維持最大負載的全部電感。對付最小負載普通方法是加一個假載永久接在輸出端，作為變換器的一部分。因此，即使外負載為零，因為有一個維持最小功率的電阻，變換器可維持連續(xù)狀態(tài)。正激式變換器的主回路結構圖:過流保護電路圖如圖:過壓保護電路圖如圖: 欠壓保護電路： 電壓反饋電路圖如圖： 軟啟動/輔助電源電路圖如圖： 1、開關頻率的確定 T=1/f0 2、占空比的確定 最大導通時間TON為：TON（max）=TDmax 3、磁滯損耗 渦流損耗 變壓器線圈參數(shù)的計算 次級輸出電壓 流經(jīng)初級繞組的電流有效值I1為： 流經(jīng)次級繞組的電流有效值I2為： 輸出電感線圈的電感量Lout為： 輸出紋波電壓Ur為： 輸出電容的等效串聯(lián)電阻ESR為： 5、 方案的可行性分析：設計開關電源首先要考慮的是選用合適的拓撲結構。拓撲結構類型選擇與電源各個組成部分的布置有關，這種布置與電源可以在何種環(huán)境下安全工作以及可以給負載提供的最大功率密切相關。這也是設計中性能價格折中的關鍵點。每種拓撲都有自己的優(yōu)點，有的拓撲可能成本比較低，但輸出的功率受到限制；而有的可以輸出足夠的功率，但成本比較高等。在一種應用場合下，有好幾種拓撲可以工作，但只有一種是在要求的成本范圍內性能最好的。下表中列出五種PWM 開關電源拓撲的比較:拓撲 功率范圍(W) 輸入直流電壓范圍(V) 輸入輸出隔離 典型效率(%) 相對成本Buck電路 01000 540 無 70 1Boost電路 0150 540 無 80 1正激式電路 0150 5500 有 78 1.4反激式電路 0150 5500 有 80 1.2半橋電路 100500 501000 有 75 2.2選擇最合適的拓撲要考慮的四個主要因素：1、輸入輸出是否需要變壓器隔離；2、加在變壓器一次側或電感上的電壓值的大??；3、通過功率開關管的峰值電流大??；4、加在功率開關管上的最高電壓大小。無變壓器隔離的拓撲對使用裝置的操作人員是不安全的，相對于變壓器隔離對負載的保護來說，成本的增加很小。因此，在大部分應用場合下，通過變壓器進行隔離，在輸入直流電壓高于40V的情況下，開關電源都要求使用變壓器隔離。本設計中，交流電壓經(jīng)濾波整流后，再經(jīng)過功率因數(shù)校正電路，得到高達400V 的穩(wěn)壓直流輸入電壓。所以，輸入輸出是需要變壓器隔離的。Buck電路和Boost 電路在本設計中無法采用。加在變壓器一次側上的電壓大小決定了通過功率開關管的峰值電流。由于開關電源的功率一定，一次側電壓越低，峰值電流就越大，以滿足輸出功率增加的要求。對于TO-220封裝的功率晶體管和MOSFET管來說，推薦的最大峰值電流是20A。如果超過20A，功率開關管就容易損壞，對功率器件進行保護也很困難。在開關電源中，電壓尖峰是很常見的，經(jīng)常出現(xiàn)電壓尖峰超過功率開關管擊穿電壓的情況。功率開關管承受的最大電壓越大，就越有可能超過功率開關管的安全工作區(qū),對于反激式電路來說，峰值電流大小的計算公式為：對于正激式電路和半橋電路來說，峰值電流大小的計算公式為；雖然反激式電路拓撲具有使用元器件少、本身固有效率比較高（可達80%）的特點。但是反激式電路的電流峰值比正激式電路高很多，在相當?shù)偷妮敵鲭妷合?，有可能超出功率開關管的安全工作區(qū)。而半橋電路的輸入電壓只有一半加在變壓器一次側上，這會導致半橋電路的電流峰值為正激式電路的電流峰值的2倍。從通過功率開關管的峰值電流大小的角度來說，可選用正激式電路作為開關電源的拓撲結構。對于反激式電路來說，加在功率開關管上的電壓大小為：對于正激式電路來說，加在功率開關管上的電壓大小為：對于半橋電路來說，加在功率開關管上的電壓大小為： 從加在功率開關管上電壓來分析，半橋電路加在功率開關管上的電壓小于反激式電路和正激式電路，但由表1-1可知，半橋電路的制作成本比反激式電路和正激式電路要高出很多，而且半橋電路的本身固有效率僅為75%。因此，本設計選用正激式電路作為開關電源的拓撲結構。 6、 該設計的創(chuàng)新之處：1、 高頻化，由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化，帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟效益。2、模塊化，在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求，而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊，極大的提高系統(tǒng)可靠性，即使萬一出現(xiàn)單模塊故障，也不會影響系統(tǒng)的正常工作，而且為修復提供充分的時間。3、數(shù)字化，現(xiàn)在數(shù)字信號、數(shù)字電路顯得越來越重要，數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點：便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾（提高抗干擾能力）、便于軟件包調試和遙感遙測，也便于自診斷、容錯等技術的植入。4、綠色化，電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義：首先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染；其次這些電源不能（或少）對電網(wǎng)產(chǎn)生污染。 7、設計產(chǎn)品的主要用途和應用領域： 開關電源在通信、工業(yè)自動化、航空、儀表儀器等領域都有著廣泛的應用。本實驗設計的開關電源可以為一般的家用電器及一些小功率設備供電。8、時間進程：第1周 確定畢業(yè)設計的題目第2周 收集相關資料。第3周 篩選所收集的資料第4周 將資料進行細致的歸類第5周 根據(jù)收集的資料開始進行設計前得準備第6周 完成開題報告并進行開題答辯獲準開題第7周 對采集原理的相關理論的學習第8周 學習高頻開關電源原理及應用第9周 進行采集系統(tǒng)硬件平臺的設計第10周 進行實物的制作第11周 進行采集系統(tǒng)軟件的設計第12周 進行程序優(yōu)化，仿真，調試第13周 對整個程序進行總體的測試第14周 對畢業(yè)設計進行總復習第15周 對本設計的資料，程序進行整理撰寫畢業(yè)論文 第16周 準備畢業(yè)答辯9、參考文獻： 楊成林,沈旭.開關電源設計指南.機械工業(yè)出版社,2004 趙同賀,劉軍.開關電源設計技術與應用實例. 人民郵電出版社.2007 周志敏,周紀海,紀愛華.開關電源功率因數(shù)校正電路設計與應用.人民郵電出版社.2004 葉慧貞,開關穩(wěn)壓電源,國防工業(yè)出版社,1999 指導教師意見:教師簽字：年 月 日畢業(yè)設計領導小組意見: 組長簽字：年 月 日 1、題目：為選定的題目，不要把專題寫入此項 2、專題：如果有專題，填此項，如果沒有專題不填此項；3、院（系）：按二級院系填寫（如資源與環(huán)境工程學院或外語系）4、指導教師：如果有兩個以上的教師指導，可填老師A/老師B（兩位老師必須都為講師以上職稱，否則只填具有講師以上職稱的老師）5、教師職稱：是指指導教師職稱，如果有兩個以上的教師指導，可填職稱A/職稱B，老師與職稱一定要對應上，前后順序不能顛倒；6、題目來源：可填教