開(kāi)關(guān)電源之反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)專題解析資料ppt課件

1、現(xiàn)代電力電子技術(shù),研究生課程,教師： 潘三博 電話：郵箱：,新能源發(fā)電,8 開(kāi)關(guān)電源,8.1 開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu) 8.2 開(kāi)關(guān)電源的控制方式 8.3 開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用,8 開(kāi)關(guān)電源引言,在各種電子設(shè)備中，需要多路不同電壓供電，如數(shù)字電路需要5V、3.3V、2.5V等，模擬電路需要12V、15V等，這就需要專門設(shè)計(jì)電源裝置來(lái)提供這些電壓，通常要求電源裝置能達(dá)到一定的穩(wěn)壓精度，還要能夠提供足夠大的電流。 線性電源和開(kāi)關(guān)電源 圖1所示為線性電源，先用工頻變壓器降壓，然后經(jīng)過(guò)整流濾波后，由線性調(diào)壓得到穩(wěn)定的輸出電壓。 圖2所示為開(kāi)關(guān)電源，先整流濾波、后經(jīng)高頻逆變得到高頻交流電壓，然

2、后由高頻變壓器降壓、再整流濾波。 開(kāi)關(guān)電源在效率、體積和重量等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于線性電源，因此已經(jīng)基本取代了線型電源，成為電子設(shè)備供電的主要電源形式,圖1 線性電源的基本電路結(jié)構(gòu),圖2 半橋型開(kāi)關(guān)電源電路結(jié)構(gòu),8 開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu),圖3 開(kāi)關(guān)電源的能量變換過(guò)程,交流輸入的開(kāi)關(guān)電源 交流輸入、直流輸出的開(kāi)關(guān)電源將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。 整流電路普遍采用二極管構(gòu)成的橋式電路，直流側(cè)采用大電容濾波，較為先進(jìn)的開(kāi)關(guān)電源采用有源的功率因數(shù)校正(Power Factor Correction - PFC)電路。 高頻逆變變壓器高頻整流電路是開(kāi)關(guān)電源的核心部分，具體的電路采用的是隔離型直流直流變流電路。 高性能開(kāi)關(guān)

3、電源中普遍采用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。 可以采用給高頻變壓器設(shè)計(jì)多個(gè)二次側(cè)繞組的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)不同電壓的多組輸出，而且這些不同的輸出之間是相互隔離的，但是僅能選擇1路作為輸出電壓反饋，因此也就只有這1路的電壓的穩(wěn)壓精度較高，其它路的穩(wěn)壓精度都較低，而且其中1路的負(fù)載變化時(shí)，其它路的電壓也會(huì)跟著變化,圖4 多路輸出的整流電路,開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu),直流輸入的開(kāi)關(guān)電源 也稱為直流直流變換器(DC-DC Converter)，分為隔離型和非隔離型，隔離型多采用反激、正激、半橋等隔離型電路，而非隔離型采用Buck、Boost、Buck-Boost等電路。 負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器(POL-Point Of the Load regu

4、lator) 僅僅為1個(gè)專門的元件（通常是一個(gè)大規(guī)模集成電路芯片）供電的直流直流變換器。 計(jì)算機(jī)主板上給CPU和存儲(chǔ)器供電的電源都是典型的POL。 非隔離的直流直流變換器、尤其是POL的輸出電壓往往較低，為了提高效率，經(jīng)常采用同步Buck (Sync Buck)電路，該電路的結(jié)構(gòu)為Buck，但二極管也采用MOSFET，利用其低導(dǎo)通電阻的特點(diǎn)來(lái)降低電路中的通態(tài)損耗，其原理類似同步整流電路,圖5 a)同步降壓電路,圖6 b)同步升壓電路,8 開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu),圖7 通信電源系統(tǒng),分布式電源系統(tǒng) 在通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等復(fù)雜的電子裝置中，供電的路數(shù)太多，總功率太大，難以用一個(gè)開(kāi)關(guān)電源完成，因此出現(xiàn)了

5、分布式的電源系統(tǒng)。 如圖7，一次電源完成交流直流的隔離變換，其輸出連接到直流母線上，直流母線連接到交換機(jī)中每塊電路板，電路板上都有自己的DC-DC變換器，將48V轉(zhuǎn)換為電路所需的各種電壓；大容量的蓄電池組保證停電的時(shí)候交換機(jī)還能正常工作 。 一次電源采用多個(gè)開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)的方案，每個(gè)開(kāi)關(guān)電源僅僅承擔(dān)一部分功率，并聯(lián)運(yùn)行的每個(gè)開(kāi)關(guān)電源有時(shí)也被成稱為“模塊”，當(dāng)其中個(gè)別模塊發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)還能夠繼續(xù)運(yùn)行，這被稱為“冗余,8 開(kāi)關(guān)電源的控制方式,圖8 開(kāi)關(guān)電源的控制系統(tǒng),圖9 電流模式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),典型的開(kāi)關(guān)電源控制系統(tǒng)如圖10-26 所示，采用反饋控制，控制器根據(jù)誤差e來(lái)調(diào)整控制量vc。 電壓模式

6、控制 圖8 所示即為電壓模式控制，僅有一個(gè)輸出電壓反饋控制環(huán)。 其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)是不能有效的控制電路中的電流。 電流模式控制 在電壓反饋環(huán)內(nèi)增加了電流反饋控制環(huán)，電壓控制器的輸出信號(hào)作為電流環(huán)的參考信號(hào)，給這一信號(hào)設(shè)置限幅，就可以限值電路中的最大電流，達(dá)到短路和過(guò)載保護(hù)的目的，還可以實(shí)現(xiàn)恒流控制,開(kāi)關(guān)電源的控制方式,圖10 峰值電流模式控制的原理,峰值電流模式控制 峰值電流模式控制系統(tǒng)中電流控制環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖10a所示，主要的波形如圖10b所示。 基本的原理：開(kāi)關(guān)的開(kāi)通由時(shí)鐘CLK信號(hào)控制，CLK信號(hào)每隔一定的時(shí)間就使RS觸發(fā)器置位，使開(kāi)關(guān)開(kāi)通；開(kāi)關(guān)開(kāi)通后iL上升，當(dāng)iL達(dá)到

7、電流給定值iR后，比較器輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)，并復(fù)位RS觸發(fā)器，使開(kāi)關(guān)關(guān)斷,a,b,開(kāi)關(guān)電源的控制方式,圖11 平均電流模式控制的原理,a,b,峰值電流模式控制的不足：該方法控制電感電流的峰值，而不是電感電流的平均值，且二者之間的差值隨著M1和M2的不同而改變，這對(duì)很多需要精確控制電感電流平均值的開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)是不能允許的；峰值電流模式控制電路中將電感電流直接與電流給定信號(hào)相比較，但電感電流中通常含有一些開(kāi)關(guān)過(guò)程產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，容易造成比較器的誤動(dòng)作，使電感電流發(fā)生不規(guī)則的波動(dòng)。 平均電流模式控制 平均電流模式控制采用PI調(diào)節(jié)器作為電流調(diào)節(jié)器，并將調(diào)節(jié)器輸出的控制量uc與鋸齒波信號(hào)uS相比較，得到周期固

8、定、占空比變化的PWM信號(hào)，用以控制開(kāi)關(guān)的通與斷,開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用,開(kāi)關(guān)電源廣泛用于各種電子設(shè)備、儀器，以及家電等，如臺(tái)式計(jì)算機(jī)和筆記本計(jì)算機(jī)的電源，電視機(jī)、DVD播放機(jī)的電源，以及家用空調(diào)器、電冰箱的電腦控制電路的電源等，這些電源功率通常僅有幾十W幾百W；手機(jī)等移動(dòng)電子設(shè)備的充電器也是開(kāi)關(guān)電源，但功率僅有幾W；通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等大型設(shè)備的電源也是開(kāi)關(guān)電源，但功率較大，可達(dá)數(shù)kW數(shù)百kW；工業(yè)上也大量應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源，如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化流水線中，采用各種規(guī)格的開(kāi)關(guān)電源為其控制電路供電。 開(kāi)關(guān)電源還可以用于蓄電池充電、電火花加工，電鍍、電解等電化學(xué)過(guò)程等，功率可達(dá)幾十幾百kW；在X光機(jī)、微波發(fā)射

9、機(jī)、雷達(dá)等設(shè)備中，大量使用的是高壓、小電流輸出的開(kāi)關(guān)電源,Converters 5W-24W：取6.0A-8.0A/mm2 ; 24W-50W：取5.0A-7.0A/mm2 ; 50W以上：取4.0A-6.0A/mm2 甚至更?。?(在變壓器加有散熱片時(shí)可選大一點(diǎn),繞組在線槽最里面，要選小 一點(diǎn),在線槽最外面，可選大一點(diǎn),如要求變壓器溫升小,則電流密 度要選小一點(diǎn))。次級(jí)導(dǎo)線截面積計(jì)算也可以按輸出直流每1安培 需要的導(dǎo)線截面積0.125mm2(0.4mm)、 0.16mm2(0.45mm)、 0.196mm2(0.5mm)、 0.238mm2(0.55mm)來(lái)計(jì)算，功率大輸出 電流大取大值,否

10、則取小值,如輸出12V/5A，取0.238mm2(0.55mm) 來(lái)計(jì)算，導(dǎo)線總截面積1.19mm2 ，相當(dāng)于2根0.85mm導(dǎo)線截面積. 以上只作為參考，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)骨架規(guī)格,溫升要求適當(dāng) 調(diào)整。氣隙長(zhǎng)度按如下選?。?5W以下：取0.01-0.02cm; 5W-24W：取0.02-0.04cm; 24W-50W：取0.03-0.05cm; 50W以上：取0.03cm以上,銅線線徑按如下公式計(jì)算: (2.12) 以上是考慮成本因數(shù)的一個(gè)合適選擇，當(dāng)磁芯截面積比較 大時(shí)，氣隙長(zhǎng)度可按下限選擇；截面積小，要選大一點(diǎn)， 否則，磁芯易飽和,S012B系列變壓器設(shè)計(jì)步驟,已知條件 1、輸入電壓Vin

11、:90Vac-264Vac 2、輸出電壓Vout:12V 3、輸出電流Iout:1.25A 4、Mosfet耐壓Vmos:650V 5、開(kāi)關(guān)頻率f：67KHz 6、FSDM0265R最大輸出功率： 13W（密封無(wú)散熱片） 20W（開(kāi)放式無(wú)散熱片） 以上說(shuō)明IC完全能輸出15W功率，在加散熱片情況下做到15W是可行的,參數(shù)計(jì)算 1、最大允許的反激電壓 Vf=600V-373V-30V 100V=97V 選反激電壓Vf為75V,則Mosfet的漏極最高電壓為: 373V+100V+75V=548V617.5V,是比較安全的。 2、原、副邊的匝比n 次級(jí)選用3A/100V肖特基整流，則1.25A輸出

12、電流時(shí)的 正向電壓Vd近似為0.6V 匝比n=Np/Ns=Vf/（Vout +Vd）=75/12.65.95 3、最大占空比DMax Vinmin=90V1.33=120V DMax= Vf/ (Vinmin+ Vf)=75V/(120V+75V) 0.385 4、最大導(dǎo)通時(shí)間Ton Ton= DMaxT=DMax/f=0.385/67000 5.75uS,5、開(kāi)關(guān)管峰值電流Ip 6、初級(jí)繞組匝數(shù)Np 天通TP4/TP4A的磁芯Bs為5100GS，F(xiàn)SDM0265R有過(guò)溫保護(hù)，因此Bw可選0.6Bs，則Bw=3060GS，如IC無(wú)過(guò)溫保護(hù)，則要留一定的裕量，否則，在過(guò)載狀態(tài)時(shí)，變壓器易飽和，在飽和狀態(tài),易發(fā)生故障損壞開(kāi)關(guān)管,Bw要選低一點(diǎn),選(0.3-0.5)Bs; 氣隙Lg選0.025cm 7、初級(jí)繞組電感量Lp,8、磁芯最小Ae值 查天通EF20磁芯Ae=0.356cm20.324cm2，因此按天通EF20磁芯參數(shù)來(lái)進(jìn)行下面的計(jì)算 9、初級(jí)繞組匝數(shù)Np 10、次級(jí)繞組匝數(shù)Ns Ns= Np/n=845.95=14.18匝14匝；則Np 83匝 10、輔助繞組匝數(shù)Nf FSDM0265R的啟動(dòng)電壓11-13V,Vcc不能超過(guò)19V,因此輔助繞組電壓VCC按13.5V計(jì)算，則輔助繞組匝數(shù)NF=Ns