【電氣工程及其自動(dòng)化】48v25a直流高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）48V/25A直流高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)二級(jí)學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專(zhuān)業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化完成日期2015年5月25日A基礎(chǔ)理論B應(yīng)用研究C調(diào)查報(bào)告D其他目錄1緒論211概述212直流開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展現(xiàn)狀和方向2121開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展和趨勢(shì)2122軟開(kāi)關(guān)技術(shù)新進(jìn)展313本文的主要內(nèi)容32移相控制全橋變換器的工作過(guò)程421移相全橋零電壓PWM軟開(kāi)關(guān)電路的工作原理43高頻開(kāi)關(guān)電源主電路的設(shè)計(jì)631高頻開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)632高頻開(kāi)關(guān)電源主電路的設(shè)計(jì)6321輸入整流電路的設(shè)計(jì)6322直流變換器的設(shè)計(jì)6323輸出整流電路的設(shè)計(jì)733主電路元件參數(shù)的選擇8331輸入電路參數(shù)的選擇8332高頻變壓器的設(shè)計(jì)10333輸出濾波電感的設(shè)計(jì)11334輸出濾波電容的選擇11335輸出二極管的選擇12336吸收電路器件的選擇12337功率開(kāi)關(guān)管的選擇134高頻開(kāi)關(guān)電源控制電路的設(shè)計(jì)1341移相控制芯片UC3875的概述13411UC3875的電氣特性13412UC3875外圍電路的設(shè)計(jì)14413驅(qū)動(dòng)電路1742保護(hù)電路的設(shè)計(jì)18421電壓與電流的保護(hù)18422過(guò)熱保護(hù)電路1843輔助電源的設(shè)計(jì)195總結(jié)20參考文獻(xiàn)2148V/25A直流高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)摘要本文介紹了直流開(kāi)關(guān)電源的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，分析了移相控制ZVSPWMDCDC全橋變換器的工作原理。對(duì)主電路的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以UC3875芯片為控制核心對(duì)開(kāi)關(guān)電源的控制電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。并對(duì)控制系統(tǒng)的過(guò)電流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)電路等保護(hù)電路也進(jìn)行了設(shè)計(jì)。最后設(shè)計(jì)了一個(gè)通信用48V/25A的開(kāi)關(guān)電源。關(guān)鍵詞開(kāi)關(guān)電源；移相控制；UC3875ASWITCHINGPOWERSUPPLYOF48V/25AABSTRACTTHISPAPERINTRODUCESTHERESEARCHSTATUSANDDEVELOPMENTDIRECTIONOFTHEDCSWITCHINGPOWERSUPPLY,ANALYZESTHEPHASESHIFTINGCONTROLZVSPWMDCDCWORKINGPRINCIPLEOFTHEFULLBRIDGECONVERTERTHEPARAMETERSOFTHEMAINCIRCUITOFTHEDESIGN,ANDWITHTHEUC3875CHIPASTHECOREOFCONTROLCIRCUITOFSWITCHINGPOWERSUPPLYDESIGNANDTHESAFEGUARDCIRCUITTHATMAINLYCONSISTSOFOVERCURRENT,OVERHEAT,OVERVOLTAGEANDCIRCUITARESTUDIEDANDDESIGNEDINTHEPAPERFINALLYDESIGNEDA48V/25ACOMMUNICATIONSWITCHINGPOWERSUPPLYKEYWORDSSWITCHPOWERSUPPLYPHASESHIFTEDCONTROLUC38751緒論11概述線性電源是先將交流電通過(guò)變壓器降低電壓的幅值，再經(jīng)過(guò)整流電路整流后，得到脈沖直流電，然后經(jīng)濾波得到帶有微小波紋電壓的直流電壓。而要達(dá)到高精度的直流電壓，就必須經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓。線性電源的優(yōu)點(diǎn)有性能穩(wěn)定，沒(méi)有高頻紋波等干擾。線性電源的缺點(diǎn)發(fā)熱、能源利用率較低，沒(méi)有超大功率的電源可供選擇。開(kāi)關(guān)電源利用了現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間比率，維持穩(wěn)定的輸出電壓的一種電源，開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。主要特點(diǎn)有1、體積小、重量輕由于沒(méi)有工頻變壓器，所以體積和重量只有線性電源的2030。2、功耗小、效率高功率晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以晶體管上的功耗小，轉(zhuǎn)化效率高。而隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)電源的要求也越來(lái)越高，開(kāi)關(guān)電源也被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。12直流開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展現(xiàn)狀和方向121開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展和趨勢(shì)高頻化、小型化、模塊化、智能化和數(shù)字化是直流開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向。高頻化是小型化和模塊化的基礎(chǔ)，目前開(kāi)關(guān)頻率為數(shù)百KHZ至數(shù)MHZ的開(kāi)關(guān)電源已有使用。功率重量比或功率體積比是表征電源小型化的重要指標(biāo)，80W/IN的開(kāi)關(guān)電源早已上市，目前已向120W/IN發(fā)展。模塊化與小型化分不開(kāi)，同時(shí)模塊化可顯著提高電源的可靠性和使用靈活性，簡(jiǎn)化生產(chǎn)和使用。模塊電源的并聯(lián)、串聯(lián)和級(jí)聯(lián)既便于用戶(hù)使用，也便于生產(chǎn)。智能化是便于使用和維修的基礎(chǔ)，無(wú)人值守的電源機(jī)房、航空和航天電器電源系統(tǒng)等都要求高度智能化，以實(shí)現(xiàn)正常、故障應(yīng)急和危急情況下對(duì)電源的自動(dòng)管理。數(shù)字化是電源發(fā)展的必然，我們只要回想一下這二十多年來(lái)個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字通信技術(shù)給我們的工作生活帶來(lái)的重大變化，就會(huì)認(rèn)同這一點(diǎn)。給數(shù)字系統(tǒng)供電，將來(lái)最好的恐怕是數(shù)字控制的電影，它給控制系統(tǒng)帶來(lái)更多的選擇及技術(shù)控制方法的改進(jìn)。進(jìn)入數(shù)字系統(tǒng)，不僅整個(gè)元器件數(shù)在大幅減少，而且整個(gè)體積也在大幅度減小1。122軟開(kāi)關(guān)技術(shù)新進(jìn)展軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展是受到其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ陔娫囱b置不斷提高的技術(shù)要求而推動(dòng)的，特別是以計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)、通信產(chǎn)業(yè)為代表的IT產(chǎn)業(yè)，對(duì)于效率和體積的要求達(dá)到了近乎苛刻的地步。順應(yīng)這一需求，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)出現(xiàn)了以下幾個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。1新的軟開(kāi)關(guān)電路拓?fù)淙栽诓粩嘣黾?，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越普遍。2在開(kāi)關(guān)頻率接近甚至超過(guò)1MHZ、對(duì)效率要求又很高的場(chǎng)合，曾經(jīng)被遺忘的諧振電路又重新得到應(yīng)用，而且表現(xiàn)出很好的性能。3采用幾個(gè)簡(jiǎn)單、高效的開(kāi)關(guān)電路，通過(guò)級(jí)聯(lián)、并聯(lián)和串聯(lián)構(gòu)成組合電路，替代原來(lái)的單一電路成為一種趨勢(shì)。在不少應(yīng)用場(chǎng)合，組合電路的性能比單一電路顯著提高2。13本文的主要內(nèi)容本論文主要內(nèi)容如下1主電路的設(shè)計(jì)。主電路采用了全橋直流變換電路，并利用諧振電感和電容實(shí)現(xiàn)功率器件的零電壓開(kāi)通，減小功率器件的開(kāi)關(guān)損耗。2以UC3875移相全橋控制芯片為核心，實(shí)現(xiàn)了移相全橋控制電路。3在保護(hù)電路中，設(shè)計(jì)了電源的輸出電壓、輸出電流、過(guò)溫等保護(hù)功能，提高了電源工作的可靠性。4開(kāi)關(guān)電源按照如下框圖進(jìn)行變換過(guò)程。圖1開(kāi)關(guān)電源的框圖2移相控制全橋變換器的工作過(guò)程21移相全橋零電壓PWM軟開(kāi)關(guān)電路的工作原理在分析之前，作如下假設(shè)4CFDR1Q1Q2Q3Q4D1D3D4C1C2C3C4TRDR2LFD2RLUOCDLRABVIN圖2主電路圖圖3主要波形1所有開(kāi)關(guān)管、二極管均為理想器件；2所有電感、電容和變壓器均為理想元件；3阻斷電容CB足夠大；4CLC3CLEAD，C2C4CLAG；5KLFLR，K是變壓器原副邊匝數(shù)比。各開(kāi)關(guān)模態(tài)的工作情況描述如下1開(kāi)關(guān)模態(tài)0T0時(shí)刻在T0時(shí)刻，Q1和Q4通。原邊電流IP流經(jīng)Q1變壓器原邊和Q4，副邊電流流經(jīng)副邊繞組LS，小整流管DR輸出濾波電感LR輸出濾波電容CF和負(fù)載。2開(kāi)關(guān)模態(tài)1T0T1T0時(shí)刻關(guān)斷Q1，原邊電流從Q1中轉(zhuǎn)移到C3和C1支路中，給C1充電，同時(shí)C3被放電。由于C3和C1，Q1是零電壓關(guān)斷。在該時(shí)段里，LLK和LR是串聯(lián)的，而且LF很大，因此可認(rèn)為L(zhǎng)R近似于一個(gè)恒流源。C1的電壓線性上升，C3的電壓線性下降。在T1時(shí)刻，C3的電壓下降到零，Q3的反并二極管D3自然導(dǎo)通10。3開(kāi)關(guān)模態(tài)2T1T2D3導(dǎo)通后，開(kāi)通Q3，則Q3零電壓開(kāi)通。雖然這時(shí)候Q3被開(kāi)通，但Q3中并沒(méi)有電流流過(guò)，原邊電流由D3流通。Q1和Q3驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的死區(qū)時(shí)間TDT01T01代表T0到T1這段時(shí)間。在這段時(shí)間里，D3和D4導(dǎo)通，A、B兩點(diǎn)電壓VAB等于零。在T2時(shí)刻，原邊電流下降到零。4開(kāi)關(guān)模態(tài)3T2T3在T2時(shí)刻，關(guān)斷Q4，原邊電流IP一方面給電容C2放電，另一方面同時(shí)C4充電。由于C2和C4的存在，Q4是零電壓關(guān)斷。此時(shí)，VABVC4，VAB的極性由零變?yōu)樨?fù)，變壓器副邊繞組電勢(shì)下正上負(fù)，整流二極管D2導(dǎo)通，副邊繞組LS中開(kāi)始流過(guò)電流。由于整流二極管D1和D2同時(shí)導(dǎo)通，將變壓器副邊繞組短接，變壓器副邊繞組電壓為零，原邊繞組電壓也為零，VAB直接加在諧振電感LR上，因此在這段時(shí)間里。諧振電感LR和C2、C4在發(fā)生諧振。在T3時(shí)刻，C4的電壓上升到VIN時(shí)，D2自然導(dǎo)通，結(jié)束該開(kāi)關(guān)模態(tài)。5開(kāi)關(guān)模態(tài)4T3T4在T3時(shí)刻，D2自然導(dǎo)通，將Q2的電壓鉗在零電位，此時(shí)就可以開(kāi)通Q3是零電壓開(kāi)通。雖然此時(shí)Q2已開(kāi)通，但Q2不流過(guò)電流，電流由D2流通，諧振電感的儲(chǔ)能回饋給輸入電源。由于副邊的兩個(gè)整流管同時(shí)導(dǎo)通，因此變壓器副邊繞組電壓為零，原邊繞組電壓也為零，這樣電源電壓加在VIN加在諧振電感LR兩端，原邊電流線性下降。在T4時(shí)刻，原邊電流下降到零，二極管D2和D3自然關(guān)斷，Q2和Q3中將流過(guò)電流。6開(kāi)關(guān)模態(tài)5T4T5在T4時(shí)刻，原邊電流由正值過(guò)零，并且向負(fù)方向增加，流經(jīng)Q2和Q3。由于原邊電流仍不足以提供負(fù)載電流，負(fù)載電流仍由兩個(gè)整流管提供回路，因此原邊電壓仍然為零，加在漏感兩端電壓是VIN，原邊電流正相線性下降。到T5時(shí)刻，原邊電流達(dá)到折算到原邊的負(fù)載電流/K，該開(kāi)關(guān)模態(tài)結(jié)束。此時(shí)，整流管D1關(guān)斷，D2PI流過(guò)全部負(fù)載電流。7開(kāi)關(guān)模態(tài)6T5T6在這段時(shí)間里，電源給負(fù)載供電。在T6時(shí)刻，Q3關(guān)斷，變換器開(kāi)始另一個(gè)半周工作，其工作情況類(lèi)似于上述的半個(gè)周期。3高頻開(kāi)關(guān)電源主電路的設(shè)計(jì)31高頻開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)根據(jù)實(shí)際需要，電源應(yīng)該能在一定的條件下工作，達(dá)到所要求的技術(shù)指標(biāo)。其技術(shù)指標(biāo)如下1輸入電壓為單相50HZ，AC220V；2輸出直流電壓額定電壓為48V，最大輸出電壓為60V，連續(xù)可調(diào)；3輸出電流025A，連續(xù)可調(diào)；4輸出電壓精度2；5輸出電流精度2；6轉(zhuǎn)換效率90；32高頻開(kāi)關(guān)電源主電路的設(shè)計(jì)321前級(jí)整流電路的設(shè)計(jì)單相交流電經(jīng)整流、濾波后，為逆變橋提供一個(gè)平滑的直流電壓。由于單相整流后的直流電壓最高可達(dá)380V左右，且一般電解電容的耐壓為450V，可以采用多個(gè)電容并聯(lián)濾波，不必采用電容串連的方式減小電容的耐壓8。圖4前級(jí)整流電路322直流變換器的設(shè)計(jì)本論文采用的是移相全橋零電壓軟開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制FBZVSPWM變換電路。此電路不僅保持了準(zhǔn)諧振電路開(kāi)關(guān)損耗小的優(yōu)點(diǎn)，且工作在固定的開(kāi)關(guān)頻率。與硬開(kāi)關(guān)全橋電路相比，它采用移相控制，在換流時(shí)利用諧振元件實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)器件的零電壓開(kāi)通，減小了功率管的開(kāi)通損耗，提高了效率，使開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到50KHZ100KHZ。移相全橋變換電路如圖5所示。圖中，TR是高頻變壓器，QLQ4是功率管。DLD4分別是Q1Q4的內(nèi)部寄生二極管，CLC4分別是QLQ4的內(nèi)部寄生電容和外接電容的和。LR諧振電感，它包括了變壓器的漏感。每個(gè)橋臂的兩個(gè)功率管成180度，互補(bǔ)導(dǎo)通，不同橋臂對(duì)角線上的兩個(gè)功率管在關(guān)斷時(shí)間相差一個(gè)相位，此相位差即為移相角，通過(guò)調(diào)節(jié)移相角的大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。在本論文中，Q1和Q3組成的橋臂為超前橋臂，Q2和Q4組成的橋臂為滯后橋臂4。CFDR1Q1Q2Q3Q4D1D3D4C1C2C3C4TRDR2LFD2RLUOCDLRABVIN圖5ZVSPWM變換電路323輸出整流電路的設(shè)計(jì)輸出整流電路選用有兩種，一種是由四個(gè)快恢復(fù)二極管構(gòu)成的全橋整流方式；另一種是由兩個(gè)快恢復(fù)二極管構(gòu)成的雙半波整流方式，即全波整流方式。當(dāng)輸出電壓比較高、輸出電流比較小時(shí)，一般采用全橋整流方式；當(dāng)輸出電壓比較低、輸出電流比較大時(shí)，為了減小整流橋的通態(tài)損耗，提高變換器的效率，一般選用全波整流方式。電源最高輸出電壓可達(dá)60V左右，輸出電壓比較低，對(duì)二極管的耐壓要求不是很高，且采用全波整流電路的效率比較高，為了節(jié)約成本，本電源輸出采用全波整流電路11。其具體電路如圖6所示。圖6全波整流輸出電路其中，TR為高頻變壓器，LF為輸出濾波電感，C1為輸出濾波電容，DF為整流二極管，CF、RF構(gòu)成RC吸收電路。33主電路元件參數(shù)的選擇331輸入電路參數(shù)的選擇對(duì)于中小功率電源，一般采用單相220V交流電輸入；而中大功率電源則是采用三相交流輸入。本開(kāi)關(guān)電源采用的是單相220V/50HZ的交流電VIN，經(jīng)過(guò)全橋整流后得到脈動(dòng)的直流電壓VIN，輸入濾波電容CIN用來(lái)平滑這一直流電壓，使其脈動(dòng)減小。由于單相橋式整流電路中，四個(gè)二極管輪流導(dǎo)通半個(gè)周期，所以流過(guò)二極管的電流平均值為1209LUIR由單相整流圖可知，在U2的正周期時(shí)，二極管D1，D3導(dǎo)通，D2，D4截止而承受反向電壓，反向電壓的最大值為U2的峰值，即22RMU在正半周期時(shí)，二極管D1，D2承受同樣的反向電壓。選擇二極管時(shí)，主要依據(jù)以上兩個(gè)式子，為安全起見(jiàn)，選擇二極管的最大整流電流應(yīng)大于二極管的平均電流，二極管的反向峰值工作電壓應(yīng)大于在電路中實(shí)際承受的最大反向電壓的一倍。輸入濾波電感的選擇，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選用值為幾個(gè)或者不足一個(gè)毫亨的電感。按照下面的步驟計(jì)算CIN的容量（1）線電壓的有效值187V253V；（2）線電壓的峰值264V358V；（3）整流濾波后直流電壓的最大脈動(dòng)值50V3MIN2025PLEV（4）輸入濾波后的直流電壓為INIMAXLPLINE200V358V每個(gè)周期中輸入電容CIN提供的能量約INW4MINOUTINIFF式中的為輸入到輸出端的轉(zhuǎn)換效率，值為09；為最小開(kāi)關(guān)頻率，值為I70KHZ，電源的最大輸出功率為1500W。代入數(shù)值得到WIN252J。每半個(gè)周期輸入濾波電容提供的能量為5MIN22MIN12LEINILEPWCVV輸入電容的容量為622MINMINIINLELEP代入數(shù)值得到。145INCF在實(shí)際的電路中采用4個(gè)330/450V的電解電容相并聯(lián)，如圖7所示圖7整流電路輸入電壓的最小值200V72MINMININLEWVC332高頻變壓器的設(shè)計(jì)在通信開(kāi)關(guān)電源中，高頻變壓器的功能包括5A電氣隔離；B降壓作用；C參與功率開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)過(guò)程。進(jìn)行高頻變壓器設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮對(duì)變壓器性能產(chǎn)生影響的因素，如磁芯材料的選擇、磁通密度和鐵損的限制、制造工藝等,我們重點(diǎn)對(duì)磁芯材料選擇和變壓器初、次級(jí)變比計(jì)算進(jìn)行討論。1電壓比為了使變壓器在規(guī)定的輸入電壓范圍內(nèi)輸出所要求的電壓，變壓器的變比應(yīng)該按最低輸入電壓VIN選擇?？紤]到移相控制中副邊占空比丟失現(xiàn)象，我們選擇副邊最大占空比DMAX為085，得到原副邊變比為8MINAX028527614MAXDLFV式中VOMAX為最高輸出電壓；VD為輸出整流二極管的通態(tài)壓降；為輸出LFV濾波電感上的直流壓降。2鐵心的選取計(jì)算出電壓比后，可根據(jù)以下公式選取合適的鐵心9TEWSCPAFBDK式中AE為鐵心磁路截面積；AW為鐵心窗口面積；為變壓器傳輸功率；T為開(kāi)關(guān)頻率；為鐵心材料所允許的最大磁通密度的變換范圍；為變壓器繞SFBCD組導(dǎo)線的電流密度；為繞組在鐵心窗口中的填充因數(shù)。CK電路中變壓器的傳輸電壓，為1500W，開(kāi)關(guān)頻率為85KHZ，2/DRINVTPSF鐵心材料選為鐵氧體，其取02T，導(dǎo)體電流密度選取4A/，窗口填充因CD2M數(shù)選取05，將數(shù)據(jù)代入公式得到CK1082410EWAM按照鐵氧體鐵心生產(chǎn)廠家提供的手冊(cè)，選取鐵心型號(hào)為EE55，其鐵心截面積為353，窗口面積為280，可以滿足要求。4210M42103繞組的匝數(shù)鐵心選定后，可由下式計(jì)算繞組的匝數(shù)110MAX2SEVNFBA將數(shù)據(jù)代入上式可知，變壓器副邊的繞組匝數(shù)為62匝，實(shí)際選用的是7匝。由變壓器的變比可以推算出變壓器原邊的繞組為19匝。4繞組導(dǎo)線截面由下式可以計(jì)算出副邊繞組導(dǎo)線截面積2CA120CID代入數(shù)據(jù)得到副邊繞組導(dǎo)線截面積為625，根據(jù)電壓比得到原邊繞組2C2M導(dǎo)線截面積為227。為減小導(dǎo)線的集膚效應(yīng)，一般采用多股導(dǎo)線繞制。CA2M333輸出濾波電感的選擇在DC/DC全橋變換器中，原邊電壓經(jīng)變壓整流后，為方波電壓，為了保證輸出濾波電感電流在某一最小電流時(shí)保持連續(xù)，設(shè)最小輸出電流為1A，則輸出濾波電感可按下式計(jì)算1312DOOMDFUITDL代入數(shù)值得到LF139MH。334輸出濾波電容的選擇輸出濾波電容的選擇不僅要考慮電容值，而且要考慮電容的等效電阻ESR和耐壓值。輸出電容必須有足夠小的ESR，以滿足輸出紋波和負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)的需要；同時(shí)又必須有足夠大的ESR以滿足穩(wěn)定性的要求。電容值也要足夠大以滿足滿載到空載轉(zhuǎn)換時(shí)吸收電感儲(chǔ)能的需要。輸出濾波電容的計(jì)算公式如下1418DFFOPDTCLU令輸出電壓交流紋波峰峰值為，代入公式得到50VM153187089FUF電容的等效阻抗為162OPCPVXII式中V為輸出電壓紋波的有效值；IOPP為輸出電流紋波的峰峰值，一般為輸出電流額定值的20。代入?yún)?shù)，得到XC0135。335輸出二極管的選擇本電源的開(kāi)關(guān)頻率為85KHZ，輸出整流二極管選用快恢復(fù)二極管。變壓器的副邊是全波整流電路，加在整流管上的反向電壓為VDR2VIN/N2358/275260V。整流管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)有一定的電壓振蕩，考慮到2倍余量，可以選用耐壓高于520V的快恢復(fù)二極管，且流過(guò)整流管的最大電流是275A。據(jù)反向承受的電壓和流過(guò)的最大電流，選用快恢復(fù)二極管DSEI6006C，其反向耐壓為600V，流過(guò)的最大電流為60A，且其反向恢復(fù)時(shí)間為35NS，比較短。336吸收電路器件的選擇吸收電路又稱(chēng)為緩沖電路，其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過(guò)電壓、DU/DT或者過(guò)電流和DI/DT，減小器件的開(kāi)關(guān)損耗，避免器件二次擊穿和抑制電磁干擾，提高電路的可靠性。本文采用的是RC緩沖電路，這種緩沖電路的參數(shù)計(jì)算如下緩沖電路電容C可由下式求得1720CEPLIV式中L為主回路雜散電感；I為器件關(guān)斷時(shí)的漏極電流；VCEP為緩沖電容的電壓穩(wěn)態(tài)值；ED為直流電源電壓。緩沖電路電阻的選擇是按希望器件在關(guān)斷信號(hào)到來(lái)之前，將緩沖電容所積累的電荷放凈，可由下式估算18123XXRCF如果緩沖電路電阻過(guò)小，會(huì)使電流波動(dòng)，器件開(kāi)通時(shí)的漏極電流初始值將會(huì)增大，因此，在滿足上式的前提下，希望選取盡可能大的阻值，緩沖電阻上的功耗與其阻值無(wú)關(guān)，可由下式求出1920SSLIFP吸收二極管D必須選用快恢復(fù)二極管，其額定電流應(yīng)不小于主電路器件額定電流的1/10。此外，應(yīng)盡量減小線路電感，且應(yīng)選用內(nèi)部電感小的吸收電容。根據(jù)以上分析，可選擇緩沖電路參數(shù)為C11NF/400V；R150/5W。337功率開(kāi)關(guān)管的選擇主電路的拓?fù)潆娐啡鐖D5所示，整流濾波后的直流電壓最大值為358V，功率開(kāi)關(guān)管的額定電壓一般要求高于直流母線電壓的兩倍。本電路功率管的額定電壓可選用700V以上的，且輸出濾波電感電流的最大值為275A，則變壓器原邊電流的最大值為IPMAX275A/N275A/27510A，這也是功率管中最大的電流，考慮到2倍的余量，可以選用額定電流20A的功率開(kāi)關(guān)管。綜合對(duì)額定電壓和額定電流的要求，功率開(kāi)關(guān)管選用IXFX27N80Q，其漏源電壓為800V，最大電流為27A。本論文選取的是N溝道型MOSFET管。N溝道型MOSFET管適用于正電源供電。負(fù)載連接在電源正極和漏極之間。漏極電流由正的柵源電壓控制，從正供電母線流入通過(guò)負(fù)載阻抗到漏極，然后從源極返回到負(fù)供電母線。4高頻開(kāi)關(guān)電源控制電路的設(shè)計(jì)41移相控制芯片UC3875的概述411UC3875的電氣特性（1）可實(shí)現(xiàn)0100占空比控制；（2）實(shí)用的開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)2MHZ；（3）兩個(gè)半橋輸出的導(dǎo)通延時(shí)都可單獨(dú)編程；（4）欠壓鎖定功能；（5）軟啟動(dòng)控制功能；（6）鎖定后的過(guò)電流比較器在整個(gè)工作周期內(nèi)均可重新啟動(dòng)；（7）適用與電壓拓?fù)渑c電流拓?fù)?；?）4個(gè)2A圖騰柱式輸出級(jí)；（9）10MHZ誤差放大器；（10）在欠壓鎖定期間輸出自動(dòng)變?yōu)榈碗娖剑唬?1）啟動(dòng)電流只有150UA；（12）5A基準(zhǔn)電壓可微調(diào)；UC38758軟開(kāi)關(guān)電源移相PWM控制集成電路，對(duì)兩個(gè)半橋開(kāi)關(guān)電路得相位移動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)半橋功率級(jí)得恒頻PWM控制，借助開(kāi)關(guān)器件得輸出電容沖放電，在輸出電容放電結(jié)束的狀態(tài)下完成零電壓開(kāi)通。相位控制得特點(diǎn)體現(xiàn)在UC3875的4個(gè)輸出柱端分別驅(qū)動(dòng)得A/B，C/D兩個(gè)半橋，都能進(jìn)行導(dǎo)通延時(shí)（即死區(qū)時(shí)間）的調(diào)節(jié)控制，在該死區(qū)時(shí)間內(nèi)確保下一個(gè)導(dǎo)通管得輸出電容放電完畢，為即將導(dǎo)通得開(kāi)關(guān)管提供零電壓開(kāi)通條件。在全橋變換拓?fù)湎乱葡嗫刂频膬?yōu)點(diǎn)得到最充分的體現(xiàn)，UC3875在電壓模式和電流模式下均可工作，并具有一個(gè)獨(dú)立的過(guò)電流關(guān)斷電路以實(shí)現(xiàn)故障的快速保護(hù)。由于震蕩器的工作頻率大于2MHZ，所以整個(gè)電路的實(shí)際工作頻率可達(dá)2MHZ。該芯片除了可以在通常的方式下工作，還可以通過(guò)CLOCK/SYNC引腳，接受外接同步時(shí)鐘信號(hào)，同時(shí)，外部時(shí)鐘頻率大于芯片頻率。當(dāng)不同頻率得多個(gè)UC3875共同作用于電路時(shí)，通過(guò)連接引腳，使他們同步工作于最高頻率。芯片的保護(hù)功能包括欠電壓鎖定，即芯片的偏置電壓在達(dá)到闋值之前，其四個(gè)輸出端均可保持低的有源輸出狀態(tài)；內(nèi)置的15V滯后使工作可靠；具有過(guò)電流保護(hù)，一旦出現(xiàn)故障，該保護(hù)電路可在70NS之內(nèi)關(guān)斷所有輸出端，故障處理可在全周期范圍再啟動(dòng)。該芯片的其他性能包括帶寬超過(guò)7MHZ的誤差放大器；一個(gè)5V基準(zhǔn)電壓；軟啟動(dòng)；一個(gè)斜坡電壓發(fā)生器斜率補(bǔ)償電路。412UC3875外圍電路的設(shè)計(jì)UC3875外圍電路如圖8所示。圖8UC3875外圍電路1開(kāi)關(guān)頻率的設(shè)置FREQSET腳的設(shè)定決定開(kāi)關(guān)頻率的大小，有公式204FREQFRC在圖中R、C決定了開(kāi)關(guān)電源模塊的頻率。本電源預(yù)設(shè)開(kāi)關(guān)頻率為85KHZ，根據(jù)公式，這里取C1000PF，R47K，得到F85KHZ。2死區(qū)時(shí)間的設(shè)置UC3875的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)和零電壓開(kāi)關(guān)的延遲時(shí)間分別由延遲設(shè)定端子DELAYSETAB，DELAYSETCD的R、C確定。可分別對(duì)超前臂和滯后臂兩對(duì)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行設(shè)置。延遲時(shí)間用延遲端對(duì)地的電阻值來(lái)控制，有下式2112650I延遲延遲時(shí)間秒其中，常取25UA1MA。DELAYRI延遲端電壓延遲延遲I一般情況下，延遲電壓取24V，當(dāng)使用MOSFET作為功率開(kāi)關(guān)管時(shí)，延遲時(shí)間一般可設(shè)置為幾百NS，本電源中，超前臂和滯后臂的死區(qū)時(shí)間設(shè)定是相同的，通過(guò)電阻R設(shè)置，并取阻值為20K。C均取4700PF。20K的電阻可以使延遲時(shí)間設(shè)置為500NS，且橋路中的功率管選用的是IXFX27N80Q，其關(guān)斷時(shí)間為75NS，有充足的時(shí)間實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，不至于同一橋臂上的兩只功率管同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，電路發(fā)生故障。但不能一味的延長(zhǎng)死區(qū)時(shí)間，死區(qū)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，軟開(kāi)關(guān)也不易實(shí)現(xiàn)，必須合理選擇死區(qū)時(shí)間。3VREF與內(nèi)部的5V精密基準(zhǔn)電壓相連。作輸出端時(shí)，可給外部電路提供60MA的電流，并且具有短路限流保護(hù)。為了獲得最佳基準(zhǔn)電壓，在VREF腳和GND腳之間應(yīng)當(dāng)?shù)刃Т?lián)電阻和電感很小的01UF的電容。4OUTAOUTD各輸出端能夠提供2A推拉輸出電流，該電流能夠?qū)崿F(xiàn)MOSFET柵極的最佳驅(qū)動(dòng)。四個(gè)輸出端分兩組交替輸出信號(hào)，最大占空比為50，輸出端A和B驅(qū)動(dòng)外接橋式變換電路的一只半橋拓?fù)?，并且與時(shí)鐘波形同步。輸出端C和D驅(qū)動(dòng)另一只半橋，這對(duì)輸出信號(hào)與A和B輸出信號(hào)有一定的開(kāi)關(guān)相移。5鋸齒波的產(chǎn)生斜率設(shè)置腳SLOPE與某一個(gè)電源VX之間接一個(gè)電阻RSLOPE，為鋸齒波RAMP提供一個(gè)電流為VX/RSLOPE的恒流源。在RAMP與信號(hào)地之間接一個(gè)電容CRAMP，這就決定了鋸齒波的斜率，一般在電壓型調(diào)節(jié)方式中，VX直接接5V的參考電壓。斜坡電壓的斜率由下式?jīng)Q定22SLOPERAMVDTC取樣RAMP是PWM比較器的一個(gè)輸入端，PWM比較器的另一個(gè)輸入端是誤差放大器的輸出端。在RAMP與PWM比較器的輸入端之間有一個(gè)13V的偏置，因此適當(dāng)?shù)剡x擇CRAMP和RSLOPE的值，使誤差放大器的輸出電壓不超過(guò)鋸齒波的幅值，實(shí)現(xiàn)最大占空比。6VC為輸出級(jí)開(kāi)關(guān)管及其偏壓電路的電源電壓該腳與PWMGND腳之間應(yīng)當(dāng)接入等效串聯(lián)電阻和電感都非常小的旁路電容器。7VIN為片內(nèi)的邏輯和模擬電路的電源電壓這些模擬電路和邏輯電路為輸出開(kāi)關(guān)管提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該腳與GND腳之間應(yīng)當(dāng)接入等效串聯(lián)電阻和電感都非常小的旁路電容器。8保護(hù)電路設(shè)置當(dāng)C/S端的電壓高于25V時(shí)，電流比較器輸出高電平，四個(gè)輸出端全封鎖，沒(méi)有能量輸出。同時(shí)，軟啟動(dòng)腳的電壓拉低到零伏。當(dāng)C/S端的電壓低于25V后，電流比較器輸出低電平，軟啟動(dòng)電路工作，輸出級(jí)的移相角從180開(kāi)始逐漸減小。實(shí)際電路中，C/S端可以用作一個(gè)故障保護(hù)端，例如將輸出過(guò)壓、輸出過(guò)流、過(guò)熱等檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)一定的電路轉(zhuǎn)換接到C/S端。當(dāng)發(fā)生某種故障時(shí)，C/S端電壓高于25V起到對(duì)電路的保護(hù)。9GND腳，所有電壓都以GND腳的電位為基點(diǎn)接在頻率設(shè)定腳的定時(shí)電容器、接在基準(zhǔn)電壓腳的旁路電容器、接在輸入電壓腳的旁路電容器和接在RAMP腳的斜坡電容器都應(yīng)當(dāng)直接接到靠近信號(hào)地腳的地線。10PWMGND腳，VC腳應(yīng)當(dāng)接入一只旁路電容器該電容器的另一端應(yīng)接到與PWMGND腳相連的功率線上。電路中所需的任何儲(chǔ)能電容器都應(yīng)與該電容器并聯(lián)。為了抑制噪聲和降低直流壓降，信號(hào)地線和功率地線也可在某一點(diǎn)連接在一起。11SOFTSTART腳，只要VIN低于欠電壓鎖定門(mén)限值，軟啟動(dòng)腳將保持低電位。當(dāng)VIN超過(guò)欠壓鎖定門(mén)限值時(shí)，通過(guò)內(nèi)部9UA電流源對(duì)電容充電，軟啟動(dòng)腳的電壓將升高到48V左右。發(fā)生電流故障時(shí)，軟啟動(dòng)腳的電壓將下降到低電位，然后在升高到48V。如果故障發(fā)生在軟啟動(dòng)過(guò)程中，各輸出端立即變?yōu)榈碗娖剑⑶以诠收蠌?fù)位以前，軟啟動(dòng)電容必須充足電。413驅(qū)動(dòng)電路UC3875的輸出波形驅(qū)動(dòng)MOSFET管，UC3875最終的輸出就是四個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)OUTAPIN14，OUTBPIN13，OUTCPIN9和OUTDPIN8，這四個(gè)輸出均可提供2A的驅(qū)動(dòng)峰值電流，因此可以直接用于驅(qū)動(dòng)MOSFET或經(jīng)過(guò)隔離來(lái)驅(qū)動(dòng)MOSFET，不必在加驅(qū)動(dòng)電路。不過(guò)，需要一個(gè)光電耦合器。光電耦合器在開(kāi)關(guān)電源的回路中，使輸入回路和輸出回路進(jìn)行電氣隔離。在電源中，光電耦合器一般用來(lái)傳遞脈沖信號(hào)，所以光電耦合器工作與開(kāi)關(guān)狀態(tài)。本論文中，采用HCPL3100，起隔離作用。HCPL3100具有高輸出電流，高速率和很寬的電壓范圍，如圖8所示。42保護(hù)電路的設(shè)計(jì)為了保證開(kāi)關(guān)電源在正常和非正常使用情況下，開(kāi)關(guān)電源不損壞。其控制電路的設(shè)計(jì)中應(yīng)包含保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。保護(hù)電路應(yīng)具備自保護(hù)和負(fù)載保護(hù)兩方面的功能，一旦出現(xiàn)故障，立即使主電路停止工作，以保證在任何情況下，自身不損壞，負(fù)載也不損壞。本電路設(shè)計(jì)中，除了輸出限流以外，開(kāi)關(guān)電源還設(shè)置有輸出過(guò)壓、功率管過(guò)熱等保護(hù)電路。421電壓與電流的保護(hù)在保護(hù)電路中，應(yīng)用了UC3875移相控制芯片中的電流比較器。將輸出電流、輸出電壓、溫度等保護(hù)電路通過(guò)一定的電路轉(zhuǎn)換連接到UC3875的電流檢測(cè)端C/S，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電路的保護(hù)。保護(hù)電路如下圖9所示。圖9保護(hù)電路422過(guò)熱保護(hù)電路功率器件發(fā)熱是不可避免的，所以功率器件必須固定在散熱片上進(jìn)行冷卻，必要時(shí)采用風(fēng)扇冷卻。功率器件過(guò)熱時(shí)，性能會(huì)降低，使用壽命減少，嚴(yán)重時(shí)器件會(huì)損壞，因此有必要對(duì)功率器件的散熱情況加以監(jiān)視。本電路中，采用兩個(gè)溫控開(kāi)關(guān)，分兩級(jí)對(duì)功率器件進(jìn)行熱保護(hù)。使用時(shí)溫控開(kāi)關(guān)和功率器件一起安裝在散熱片上。其中一個(gè)溫控開(kāi)關(guān)選用40常開(kāi)開(kāi)關(guān)，串聯(lián)在風(fēng)扇供電線路中。當(dāng)散熱片溫度高于40，溫控開(kāi)關(guān)閉合，啟動(dòng)風(fēng)扇散熱；另一個(gè)溫控開(kāi)關(guān)為80常閉開(kāi)關(guān)。當(dāng)散熱片溫度高于80，溫控開(kāi)關(guān)打開(kāi)，UC3875的C/S端電壓大于25V，UC3875封鎖輸出，起到對(duì)電路的保護(hù)作用。當(dāng)溫度下降到40以下時(shí)，溫控開(kāi)關(guān)重新閉合，開(kāi)關(guān)電源軟啟動(dòng)，繼續(xù)工作。43輔助電源的設(shè)計(jì)圖10是輔助電源的設(shè)計(jì)電路，033UF的電容防自激振蕩，1UF的電容防止輸出電壓有波動(dòng)。運(yùn)用整流橋?qū)⒔涣麟娬芍绷?，并?8系列穩(wěn)壓器穩(wěn)壓。設(shè)計(jì)的輔助電源為芯片提供驅(qū)動(dòng)電壓，分別輸出12V、5V。其中一個(gè)5V是光電耦合器的專(zhuān)用電源。T1TRANSFORMER1548033U1U033U1U1U033UD1W005G2134D2W005G2134D3W005G2134L110UH12L210UH12780578057812005125圖10輔助電源5總結(jié)本論文對(duì)48V/25A的高頻開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。有如下結(jié)論1對(duì)高頻開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展方向進(jìn)行了了解。2設(shè)計(jì)了通信用的直流高頻開(kāi)關(guān)電源。電源的主回路是采用移相全橋電路，輸出采用全波整流電路，詳細(xì)分析了移相控制ZVSPWM全橋變換器的工作原理。為了減小開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗，在電路設(shè)計(jì)中利用變壓器自身的漏感以及輸出濾波電感和橋路中的電容形成諧振電路，實(shí)現(xiàn)了功率管的零電壓開(kāi)通。3控制系統(tǒng)以芯片UC3875為核心，采用閉環(huán)控制，使電源有比較高的可靠性和穩(wěn)定性。保護(hù)電路中涉及到的過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)電路也作了必要的設(shè)計(jì)說(shuō)明。參考文獻(xiàn)1梁奇峰開(kāi)關(guān)電源原理與分析M北京機(jī)械工業(yè)出版社,20122王兆安,劉進(jìn)軍電力電子技術(shù)M北京機(jī)械工業(yè)出版社,20093楊旭,趙志偉,王兆安移相全橋零電壓軟開(kāi)關(guān)電路諧振過(guò)程的研究M電力電子技術(shù),19984阮新波,嚴(yán)揚(yáng)光脈寬調(diào)制DC/DC全橋變換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)M科學(xué)出版社5能源部西北電力設(shè)