高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

1、學(xué)校代碼 10126 學(xué)號(hào) 00812032 分 類 號(hào) 密級(jí) 本科學(xué)期論文（設(shè)計(jì)）高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)學(xué)院、系 電子信息工程學(xué)院電子工程系 專業(yè)名稱 電子信息科學(xué)與技術(shù) 年 級(jí) 2008 級(jí) 學(xué)生姓名 孫哲琦 指導(dǎo)教師 竇海峰 2010 年 9 月 28 日 內(nèi)蒙古大學(xué)本科學(xué)年論文(設(shè)計(jì)) 高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)摘要：通信電源是電信網(wǎng)的能源，其供電質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到整個(gè)電信網(wǎng)的暢通，本課題首先分析了近年來國內(nèi)外高頻通信開關(guān)電源的發(fā)展?fàn)顩r，在理論分析和電路實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了一種新型的高頻通信開關(guān)電源（交流配電模塊、直流配電模塊、4只高頻開關(guān)整流模塊和監(jiān)控模塊置于同一機(jī)架內(nèi)） ，該電源優(yōu)化了電路

2、的主要參數(shù)，設(shè)計(jì)了相移脈寬調(diào)制零電壓開關(guān)諧振（PS-ZVS PWM）全橋變換器電路和以集成控制器UC3875芯片為核心的控制電路，實(shí)現(xiàn)了功率開關(guān)管的零電壓開通和近似零電壓關(guān)斷，研制出高效率（達(dá)93%） 、高穩(wěn)定度(0.5%） 、高可靠性、低電磁干擾的高頻開關(guān)整流模塊。同時(shí)文中還提到了以MCS-51單片機(jī)電路為核心的的電源監(jiān)控模塊與監(jiān)控設(shè)計(jì)思路。保證了整機(jī)能夠安全可靠工作。關(guān)鍵詞：高頻開關(guān)電源，相移脈寬調(diào)制，模塊 內(nèi)蒙古大學(xué)本科學(xué)年論文(設(shè)計(jì)) High Frequency Switching Power Supplys DesignAuthor: Sun zhe qi Tutor: Dou h

3、ai fengABSTRACT：The correspondence power switch is the telecommunication network energy, its power supply quality relates directly to the entire telecommunication network unimpededness, this topic has first analyzed the recent years domestic and foreign communications switching power supply developm

4、ent condition, tests in the theoretical analysis and the electric circuit in the foundation, developed one kind of new communication switching power supply (alternating-current distribution module, direct current power distribution module, 4 high frequency switches rectification module and monitorin

5、g module puts in identical rack), this power source optimized the electric circuit main parameter, has designed the phase-shift pulse-duration modulation zero potential switch resonance (PS-ZVS PWM) the entire bridge converter electric circuit and take integrates the controller UC3875 chip as the co

6、re control circuit, Realized the power switching valve zero potential to clear with the approximate zero potential shuts off, develops the high efficiency (to reach 93%), the high stability (0.5%), redundant reliable, the low electronmagetic interference high frequency switch rectification module. A

7、t the same time in the article also proposed based on MCS-51 is the core power source monitoring module and monitoring design mentality. It has guaranteed entire machine safe reliable work.Keywords: High frequency switching power, Phase-Shifting PWM ZVS, Modules 內(nèi)蒙古大學(xué)本科學(xué)年論文(設(shè)計(jì)) 目 錄1 緒論.11.1 開關(guān)電源的發(fā)展及

8、國外現(xiàn)狀.11.2 國內(nèi)通信電源的發(fā)展及現(xiàn)狀.21.3 研究內(nèi)容.32 電路原理方案分析和選擇 .52.1 高頻開關(guān)整流模塊.52.2 直流配電模塊.82.3 監(jiān)控模塊.93 主要電路設(shè)計(jì).123.1 高頻開關(guān)整流模塊主電路的設(shè)計(jì).12 結(jié)論 .17致謝 .18參 考 文 獻(xiàn).19 內(nèi)蒙古大學(xué)本科學(xué)年論文(設(shè)計(jì)) 第 1 頁 1 緒論1.1 開關(guān)電源的發(fā)展及國外現(xiàn)狀 開關(guān)電源就是用通過電路控制開關(guān)管進(jìn)行高速的導(dǎo)通與截止將直流電變?yōu)楦哳l率的交流電提供給變壓器進(jìn)行變壓，從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓的電源。通信設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)影響部分用戶或使接通率下降。而電源發(fā)生故障時(shí)，將會(huì)造成通信全部中斷

9、，所以人們一直將電源視為整個(gè)通信系統(tǒng)的心臟，受到足夠的重視。通信電源分為一次電源和二次電源兩大類，一次電源將交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電接入通信設(shè)備，二次電源一般位于通信設(shè)備內(nèi)部，將一次電源的直流電轉(zhuǎn)換成多種電壓值的穩(wěn)定直流電以供通信設(shè)備內(nèi)部各部分使用。自 1957 年第一只可控硅(SCR)問世后，可控硅取代了笨重而且效率低下的硒或氧化亞銅整流器件，可控硅整流器就作為通信設(shè)備的一次電源使用。在隨后的 20 年內(nèi)，由于半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，可控硅的電壓、電流額定值及其它特性參數(shù)得到了不斷提高和改進(jìn)，滿足了通信設(shè)備不斷發(fā)展的需要，因此，直到 70 年代，發(fā)達(dá)國家還一直將可控硅整流器作為大多數(shù)通信設(shè)備的一次

10、電源使用。雖然可控硅整流器工作穩(wěn)定，能滿足通信設(shè)備的要求，但其是相控電源，工作于工頻，有龐大笨重的電源變壓器、電感線圈、濾波電容，噪聲大，效率低，功率因數(shù)低，穩(wěn)壓精度也較低。因此，自 1947 年肖克萊發(fā)明晶體管，并在隨后的幾年內(nèi)對(duì)晶體管的質(zhì)量和性能不斷完善提高后，人們就著力研究利用晶體管進(jìn)行高頻變換的方案。1955 年美國羅耶（GHRoger）發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，是實(shí)現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)換電路的開始，1957 年美國查賽（J. J. Jen Sen.）又發(fā)明了自激式推挽雙變壓器變換器電路。在此基礎(chǔ)上，1964 年，美國科學(xué)家提出了取消工頻變壓器的串聯(lián)開關(guān)電源的設(shè)想，并在 NEC

11、雜志上發(fā)表了“脈寬調(diào)制應(yīng)用于電源小型化”等文章，為使電源實(shí)現(xiàn)體積和重量的大幅下降提供了一條根本途徑。隨著大功率硅晶體管的耐壓提高和二極管反向恢復(fù)時(shí)間的縮短等元器件性能的改善，1969 年終于做成了 25KHz 的開關(guān)電源。電源界把開關(guān)電源的頻率提高到 20KHz 以上稱為電源技術(shù)的“20KHz 革命” 。開關(guān)電源技術(shù)的這一新的發(fā)展，在世界上引起了強(qiáng)烈的反響和重視，開關(guān)電源的研究成了國際會(huì)議的熱門話題。 內(nèi)蒙古大學(xué)本科學(xué)年論文(設(shè)計(jì)) 第 2 頁 經(jīng)過幾年的努力，從開關(guān)電源的電路拓?fù)湫褪降脚c其相配套的元器件等研究都取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。隨著通信用開關(guān)電源技術(shù)的廣泛應(yīng)用和不斷深入，實(shí)際工作中人們對(duì)開

12、關(guān)電源提出了更高的要求，提出了應(yīng)用技術(shù)的高頻化、硬件結(jié)構(gòu)的模塊化、軟件控制的數(shù)字化、產(chǎn)品性能的綠色化、新一代電源的技術(shù)含量大大提高，使之更加可靠、穩(wěn)定、高效、小型、安全。在高頻化方面，為提高開關(guān)頻率并克服一般的 PWM 和準(zhǔn)諧振、多諧振變換器的缺點(diǎn)，又開發(fā)了相移脈寬調(diào)制零電壓開關(guān)（PS PWM ZVS，Phase Shift Pulse Width Modulation Zero Voltage Switch） （零電流）諧振變換器，這種電路克服了 PWM 方式硬開關(guān)造成的較大的開關(guān)損耗的缺點(diǎn)，又實(shí)現(xiàn)了恒頻工作，克服了準(zhǔn)諧振和多諧振變換器工作頻率變化及電壓、電流幅度大的缺點(diǎn)。采用這種工作原理，

13、大大減小了開關(guān)管的損耗，不但提高了效率也提高了工作頻率，減小了體積，更重要的是降低了變換電路對(duì)分布參數(shù)的敏感性，拓寬了開關(guān)器件的安全工作區(qū)，在一定程度上降低了對(duì)器件的要求，從而顯著提高了開關(guān)電源的可靠性。1.2 國內(nèi)通信電源的發(fā)展及現(xiàn)狀早期，科研技術(shù)人員開發(fā)了以國產(chǎn)大功率電動(dòng)發(fā)電機(jī)組為主的成套設(shè)備作為通信電源。在引進(jìn)原民主德國 FGD 系列和前蘇聯(lián) BCC51 系列自動(dòng)化硒整流器基礎(chǔ)上，借鑒國外先進(jìn)技術(shù)，與工廠共同研制成功國產(chǎn) XZL 系列自動(dòng)化硒整流器，并在武漢通信電源廠批量生產(chǎn)，開始用硒整流器裝備通信局（站） ，替換原有的電動(dòng)發(fā)電機(jī)組，這標(biāo)志著我國國產(chǎn)通信電源設(shè)備躍到一個(gè)新的水平。我國 8

14、0 年代開始生產(chǎn) 20KHz DC/DC 變換器，但由于受元器件性能的影響，質(zhì)量很不穩(wěn)定，無法作為通信設(shè)備的一次電源使用。只是作為通信設(shè)備的二次電源使用（二次電源對(duì)元器件的耐壓及電流要求較低） 。直到上世紀(jì) 90 年代初，我國大多數(shù)通信設(shè)備所用的一次電源仍然是可控硅整流器。這種電源工作于工頻 50Hz，有龐大的工頻變壓器、電感線圈、電解電容等，笨重龐大、效率低、噪聲大、性能指標(biāo)低，不易實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。由于通信事業(yè)發(fā)展的需要，八十年代后期，郵電部加強(qiáng)了通信電源技術(shù)發(fā)展的各項(xiàng)工作，制訂了“通信基礎(chǔ)電源系統(tǒng)設(shè)備系列暫行規(guī)定” ， “通信局（站）電源系統(tǒng)總技術(shù)要求”和電源設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等文件，多次派代表參

15、加國際電信能源會(huì)議，并在八十年代后期才第一批引進(jìn)了澳大利亞生產(chǎn)的 48V/50A（開關(guān)頻率為 40KHz）和 48V/100A（開關(guān)頻率為 20KHz）的高頻開關(guān)電源，在吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，投入較大的力 內(nèi)蒙古大學(xué)本科學(xué)年論文(設(shè)計(jì)) 第 3 頁 量，開始研制自己的開關(guān)電源。郵電部武漢電源廠、通信儀表廠等廠家開發(fā)出了自己的以 PWM 方式工作的開關(guān)電源，并推向電信行業(yè)應(yīng)用，取得了較好的效果。隨后郵電部對(duì)電源提出了更新?lián)Q代和實(shí)現(xiàn)監(jiān)控（包括監(jiān)控）的要求，眾多廠家都投入力量研制開發(fā)，推出了采用 PWM 技術(shù)的高頻開關(guān)電源，有些廠家還推出了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的解決方案，短短幾年后，電信部門所用的一次通

16、信電源幾乎都更換成了采用PWM 集成控制芯片、大功率晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)管、絕緣柵雙極晶體管的半橋或全橋電路，其開關(guān)頻率為幾十至 100KHZ、效率高于 90%、功率因數(shù)接近 1、穩(wěn)壓精度優(yōu)于 0.5%、模塊化組合的高頻開關(guān)電源，電信行業(yè)成套電源技術(shù)提高到了一個(gè)嶄新的水平。最近幾年來，為了提高開關(guān)電源的可靠性，進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率，提高工作頻率，減小體積，并降低電磁干擾，在吸收國外最新進(jìn)展的基礎(chǔ)上，開始了準(zhǔn)諧振、多諧振開關(guān)變換器和相移脈寬調(diào)制零電壓（零電流）諧振變換器的研究實(shí)驗(yàn)工作。尤其是由于后者具有較多的優(yōu)點(diǎn)，受到了大家的重視，投入了較多的研究力量，取得了一些進(jìn)展，提高了效率、可靠性，降低了電磁

17、干擾，并已有少量應(yīng)用，但總的來說仍處于研究探索階段。從整體性能看，我國通信電源設(shè)備與國外同類產(chǎn)品相比存在一定的差距。主要差距在工作的可靠性、穩(wěn)定性和技術(shù)性能等方面。因此，組織力量研制開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、技術(shù)含量高的新一代通信電源，對(duì)振興民族工業(yè)，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，提高開發(fā)隊(duì)伍的研究水平都具有重要意義。 1.3 研究內(nèi)容HE 型程控交換機(jī)系列（備用）電源采用可控硅整流技術(shù)，將交、直流屏組合到一個(gè)機(jī)架內(nèi)成為組合電源，主要在鄉(xiāng)鎮(zhèn)郵電局程控機(jī)房使用。后根據(jù)郵電部對(duì)通信電源更新?lián)Q代的要求，于 1997 年，HE48 型高頻開關(guān)電源又研制成功，這種電源主要用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)程控交換機(jī)房。采用 PWM 脈

18、寬調(diào)制高頻開關(guān)變換技術(shù)，開關(guān)頻率為50KHz，取消了龐大的工頻電源變壓器，電感和電容的尺寸也大為減小，交直流屏、整流器和監(jiān)控部分都實(shí)現(xiàn)了模塊化，并置于同一機(jī)架內(nèi)（圖 1.1） 。監(jiān)控模塊以單片機(jī)為核心，可監(jiān)控交、直流屏及多個(gè)整流模塊的工作參數(shù)，并可通過其 RS232 接口實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。但經(jīng)過幾年的運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，整流模塊的功率管發(fā)熱較嚴(yán)重，個(gè)別模塊出現(xiàn)故障時(shí)，發(fā)現(xiàn)基本都是功率管擊穿燒毀。針對(duì)以上情況，我認(rèn)為應(yīng)該從以下方面加以改善：將原來整流模塊所采用的脈寬調(diào)制（PWM）半橋式電路改為相移脈寬調(diào)制零電壓開關(guān)(諧振)全橋變換器。該變換器同時(shí)具有 PWM 方式 內(nèi)蒙古大學(xué)本科學(xué)年論文(設(shè)計(jì)) 第 4 頁

19、和準(zhǔn)諧振、多諧振開關(guān)變換器的優(yōu)點(diǎn)，只是在開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)采用諧振方式，開關(guān)轉(zhuǎn)換后仍采用 PWM 工作方式，既實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，大大降低了開關(guān)損耗，又以恒頻方式工作，避免了準(zhǔn)諧振、多諧振開關(guān)變換器工作頻率變化及正弦波電流峰值大的缺點(diǎn)。經(jīng)運(yùn)行表明，整流模塊的功率開關(guān)管發(fā)熱情況顯著改善，整流模塊效率提高了 3-4%，整機(jī)可靠性大為提高，在此基礎(chǔ)上研制了新型高頻開關(guān)電源。主要研究內(nèi)容為：新型高頻開關(guān)電源整機(jī)由 4 個(gè) 48V/25A 高頻開關(guān)整流模塊、交流配電模塊、直流配電模塊、監(jiān)控模塊組成，置于同一機(jī)柜內(nèi)。具有多路直流穩(wěn)壓輸出，可分別給程控交換機(jī)、光端機(jī)等通信設(shè)備供電。由于該電源全自動(dòng)化工作，又具有集中監(jiān)控功

20、能。48V/25A 相移脈寬調(diào)制零電壓（零電流）諧振全橋變換器電路和以集成相移脈寬調(diào)制控制器為核心的控制電路。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化主要電路參數(shù)，使高頻開關(guān)整流模塊穩(wěn)定可靠工作，轉(zhuǎn)換效率達(dá) 93%，穩(wěn)壓精度達(dá)0.5%。 以 MCS-51 單片機(jī)電路為核心的監(jiān)控模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)交、直流屏，多個(gè)高頻開關(guān)整流模塊的監(jiān)控，并可通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)縣郵電局對(duì)各個(gè)縣鎮(zhèn)郵局電源的集中監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)、遙控三遙功能。 圖 1.1 開關(guān)電源整機(jī)框圖遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊整流模塊 1整流模塊 2整流模塊 3整流模塊 4直流配電模塊交流配電模塊 內(nèi)蒙古大學(xué)本科學(xué)年論文(設(shè)計(jì)) 第 5 頁 2 電路原理方案分析和選擇程控交換機(jī)等通信設(shè)備一旦

21、安裝開通，就長期連續(xù)工作，不能間斷，因此要求通信電源第一應(yīng)具有高效率、高可靠性，并能長期連續(xù)穩(wěn)定工作，第二應(yīng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，無需工作人員直接操作，第三應(yīng)具有監(jiān)控和三遙（遙測(cè)、遙信、遙控）功能。為了減小整機(jī)體積和重量，并增加備份，方便擴(kuò)容，電表單元、交流配電模塊、高頻開關(guān)整流模塊、直流配電模塊、監(jiān)控模塊等部分置于同一機(jī)框內(nèi)。根據(jù)電源容量需要，裝入適當(dāng)塊數(shù)的高頻開關(guān)整流模塊，隨著交換機(jī)容量的擴(kuò)大，還可陸續(xù)增加整流模塊，以滿足通信設(shè)備的需要。2.1 高頻開關(guān)整流模塊 由于該電源的高頻開關(guān)整流模塊的輸出既對(duì)通信設(shè)備供電也同時(shí)給額定電壓為48 蓄電池組充電，因此其最高輸出電壓可達(dá) 56.4V 定輸出電流為

22、 25A，其輸出的最大功率為，屬于中等功率，鑒于此，可采用單相交流電對(duì)其供電。56.4 251410AW開關(guān)電源采用常規(guī)的 PWM 方式工作，在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間，功率器件上會(huì)同時(shí)承受高電壓和大電流，造成轉(zhuǎn)換時(shí)功率損耗較大，有時(shí)功率器件發(fā)熱嚴(yán)重，影響可靠性，而且隨著工作頻率的提高，這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重。為了減少開關(guān)損耗，提高工作頻率并增加可靠性，人們?cè)?PWM 硬開關(guān)的基礎(chǔ)上提出幾種軟開關(guān)電路拓?fù)?，主要有?zhǔn)諧振開關(guān)變換器（QRC） ，多諧振開關(guān)變換器（MRC）以及相移脈寬調(diào)制零電壓（零電流）諧振變換器。準(zhǔn)諧振變換器和多諧振變換器優(yōu)點(diǎn)是工作在諧振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，大大降低了開關(guān)損耗，而且可以吸收電路的寄

23、生參數(shù)（不在乎電路的寄生參數(shù)存在） ，幾乎不產(chǎn)生電磁干擾。缺點(diǎn)是輸出同樣功率時(shí)，與 PWM 方式相比，其正弦波電流峰值較大，對(duì)開關(guān)器件要求較高，此外其正弦波較高的峰值電流引起的正向?qū)〒p耗增大，在一定程度上又抵消了一些降低開關(guān)損耗的好處，而且工作頻率隨輸入電壓和負(fù)載變化有一定的變化范圍，不便設(shè)計(jì)輸出濾波電路的參數(shù)。相移脈寬調(diào)制零電壓開關(guān)(諧振)變換器仍采用 PWM 工作方式，只在開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)采用諧振 內(nèi)蒙古大學(xué)本科學(xué)年論文(設(shè)計(jì)) 第 6 頁 方式，這樣既克服了 PWM 方式硬開關(guān)造成的較大開關(guān)損耗問題，又實(shí)現(xiàn)了恒頻工作，避免了準(zhǔn)諧振和多諧振開關(guān)變換器工作頻率變化及正弦波電流峰值大的缺點(diǎn)。 相移

24、脈寬調(diào)制零電壓開關(guān)(諧振)變換器必須用全橋電路實(shí)現(xiàn)，其原理電路如圖 2.1 所示。O圖 2.1 相移脈寬調(diào)制零電壓開關(guān)（諧振）變換器原理框圖從電路形式上看，它與常規(guī)的 PWM 全橋變換器電路完全相同。PWM 變換器采用兩個(gè)對(duì)角開關(guān)器件同時(shí)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通，將輸入電壓交錯(cuò)加到高頻變壓器的初級(jí)，并用改變占空比即導(dǎo)通時(shí)間的方法實(shí)現(xiàn)調(diào)整。而在相移 PWM 電路中，四個(gè)開關(guān)管連續(xù)工作在約 50%（略小于 50%）的固定占空比上，然后控制左右兩個(gè)半橋支路之間的相位關(guān)系，通過改變輸出脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)對(duì)角開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)才輸出功率。當(dāng)接于電源正端的上部開關(guān)管（V1、V3）或接于負(fù)端的下部開關(guān)管（V2、V4）同時(shí)

25、導(dǎo)通時(shí)，變壓器初級(jí)實(shí)質(zhì)上被短路，并被鉗位于相應(yīng)的輸入電源母線端。由變壓器漏感維持電流，創(chuàng)造了實(shí)現(xiàn)諧振轉(zhuǎn)換的條件。因此，相移脈寬調(diào)制全橋電路同時(shí)具有脈寬調(diào)制電路和諧振電路的優(yōu)點(diǎn)，選用此種電路，不但電路簡(jiǎn)單，而且容易獲得較高的技術(shù)性能，也可顯著提高開關(guān)變換器的可靠性。功率器件主要有雙極型晶體管（GTR） ，功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。作為開關(guān)功率器件，雙極型晶體管因出現(xiàn)的早，過去用的 內(nèi)蒙古大學(xué)本科學(xué)年論文(設(shè)計(jì)) 第 7 頁 較多，價(jià)格較低，飽和壓降較小，但這種管子的輸入是電流驅(qū)動(dòng)，基極驅(qū)動(dòng)功率較大，驅(qū)動(dòng)電路也較復(fù)雜，而且這種器件由飽和狀態(tài)到關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，由于要

26、將過量的少數(shù)載流子從基區(qū)除去，所以有一個(gè)過渡的存儲(chǔ)時(shí)間（一般常達(dá)幾個(gè) s） ，只有經(jīng)過此段存儲(chǔ)時(shí)間以后，器件才開始關(guān)斷，集電極上才可以承受電壓。因此限制了該種器件的工作頻率不可能很高，如果要提高工作頻率，就要采用抗飽和電路，則增加了電路的復(fù)雜性，而且工作頻率提高也很有限，另外，在器件的額定工作范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生二次擊穿現(xiàn)象，安全工作區(qū)窄，器件并聯(lián)使用時(shí)，均流比較麻煩。場(chǎng)效應(yīng)管是電壓驅(qū)動(dòng)器件，輸入阻抗很高，幾乎不需要驅(qū)動(dòng)功率，大大減化了驅(qū)動(dòng)電路，有時(shí)可由 CMOS 電路和集成電路直接驅(qū)動(dòng)，該種器件不像雙極型晶體管有少數(shù)載流子儲(chǔ)存在基區(qū)電荷中，而是多數(shù)載流子器件，它不存在存儲(chǔ)效應(yīng)，沒有存儲(chǔ)時(shí)間，高的開關(guān)

27、速度使器件在高頻下可有效工作，提高了開關(guān)電源的工作頻率。這種器件不存在二次擊穿現(xiàn)象，它的安全工作區(qū)范圍寬，由電壓、電流的額定值和功率負(fù)荷所決定。場(chǎng)效應(yīng)功率管和雙極型功率管安全工作區(qū)的比較如圖 2.2 所示，從圖中可看出，在額定電壓電流相同情況下，場(chǎng)效應(yīng)管的安全工作區(qū)明顯較大。由于該種器件的漏源導(dǎo)通電阻 RDS（ON）具有正溫度系數(shù)，當(dāng)溫度升高時(shí)，RDS（ON）增大，當(dāng)器件并聯(lián)應(yīng)用時(shí)，有自動(dòng)均流作用，均流電路可以非常簡(jiǎn)單。該種器件的缺點(diǎn)是導(dǎo)通壓降較大，而且對(duì)靜電感應(yīng)敏感，需要適當(dāng)?shù)撵o電放電保護(hù)措施。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是新出現(xiàn)的一種器件，是由場(chǎng)效應(yīng)管和雙極型晶體管組合而成，其輸入電路如

28、同場(chǎng)效應(yīng)管，輸出電路如同雙極型晶體管，因此其輸入阻抗高、輸出阻抗低、飽和壓降小，具有雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管所具有的一些優(yōu)點(diǎn)，而且耐壓高，額定電流大，但其開關(guān)輸出脈沖的后沿有一個(gè) 1s 長的拖尾電流，工作頻率不能做的太高，而且價(jià)格較貴，通常認(rèn)為，在中、小功率范圍內(nèi)，采用場(chǎng)效應(yīng)管是適宜的，其開關(guān)頻率很高，可以減少整個(gè)電源的體積、重量和成本，驅(qū)動(dòng)可以采用簡(jiǎn)單的脈沖變壓器，通過管子并聯(lián)的方案可解決其容量不足問題，其耐壓值較低適合單相輸入的情況。絕緣柵晶體管輸出容量大、耐壓高、飽和壓降小，是大功率開關(guān)電源的首選器件。綜上所述，考慮到屬于中小功率范圍，采用單相交流電供電，全橋變換電路，對(duì)功率器件耐壓和額定

29、電流要求較低，并且應(yīng)盡量使電路簡(jiǎn)化，工作可靠，盡可能提高工作頻率，使體積縮小，重量減輕，我們選擇了VMOS 場(chǎng)效應(yīng)管。 內(nèi)蒙古大學(xué)本科學(xué)年論文(設(shè)計(jì)) 第 8 頁 由于功率轉(zhuǎn)換電路工作在較高頻率，接在高頻變壓器后的整流二極管也工作 在較高頻率，整流二極管也需用高頻大功率管。大功率高頻整流二極管工作在高頻狀態(tài)，應(yīng)使用具有低的正向壓降，小的反向電流，低的反向恢復(fù)時(shí)間和軟恢復(fù)特性，同時(shí)具有足夠的耐壓，較高的浪涌能力的整流二極管。肖特基二極管的正向壓降很低，其它方面的性能也比較好，但其耐壓較低（50V） ，在本電源中無法使用，因此選用具有軟恢復(fù)特性的快恢復(fù)二極管，以減小電源所產(chǎn)生的噪聲。高頻變壓器是變

30、換器電路的關(guān)鍵部件之一，由于功率器件性能的改善以及軟開關(guān)技術(shù)等的采用使得開關(guān)器件損耗大為降低，因此，降低高頻變壓器的損耗已成為提高開關(guān)電源效率的重要因素。硅（硒）鋼片磁感應(yīng)強(qiáng)度雖然很高，但在高頻下?lián)p耗大不能使用。鐵氧體磁性材料電阻率高、高頻損耗小，但它的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度太低，所以使用時(shí)，需要較大的磁芯面積，且具有易碎性，制造大型磁芯有一定難度。非晶態(tài)合金是近年來發(fā)展起來的新材料，其磁感應(yīng)強(qiáng)度高，電阻率大，對(duì)渦流阻力大，矯頑力小，損耗低，但以 U 型供貨的磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度大大降低，而以環(huán)形供貨的磁芯繞制線圈比較困難，并且尺寸不夠大，要滿足較大容量的開關(guān)電源需求還有待進(jìn)一步解決。鑒于以上分析，我們選用

31、 E 型鐵氧體磁芯繞制高頻變壓器，考慮到工作頻率較高，為減小趨膚效應(yīng)的影響，采用銅箔繞制。電壓（）電壓（ ）（直流）圖 2.2 IRF306 功率 MOSFET 和 2N6545 雙極型功率管安全工作區(qū)的比較 內(nèi)蒙古大學(xué)本科學(xué)年論文(設(shè)計(jì)) 第 9 頁 2.2 直流配電模塊該部分將 4 塊高頻開關(guān)整流模塊的輸出匯合后分成兩路，一路直接給蓄電池充電，另一路經(jīng)電壓調(diào)整后輸出，給程控交換機(jī)等通信設(shè)備供電（圖 2.3） 。如果市電中斷，蓄電池能自動(dòng)對(duì)通信設(shè)備供電，若停電時(shí)間過長，蓄電池電壓降至 44V 時(shí)，檢測(cè)控制電路立即將蓄電池的供電電路自動(dòng)切斷，防止蓄電池過放，以保護(hù)蓄電池。該部分還應(yīng)將充電電壓、

32、總電流、輸出電壓、電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的直流信號(hào)，供監(jiān)控模塊檢測(cè)。整流模塊1整流模塊n蓄電池組穩(wěn)壓電路檢測(cè)控制電路電壓/電流 檢測(cè)輸出直流輸出圖 2.3 直流配電模塊原理框圖2.3 監(jiān)控模塊監(jiān)控模塊的功能應(yīng)為：檢測(cè) 4 只高頻開關(guān)整流模塊，交流配電模塊以及直流配電模塊的電壓、電流等參數(shù)并顯示某些重要參數(shù)。通過對(duì)整流模塊工作狀態(tài)的檢測(cè)，判斷其工作狀態(tài)是否正常，當(dāng)工作不正常，而整流模塊的本身控制保護(hù)電路又沒有動(dòng)作時(shí)，監(jiān)控模塊可使其自動(dòng)停止工作，并產(chǎn)生聲光報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù)，以保證電路安全；通過對(duì)交流電壓的測(cè)量，在其電壓過高或過低時(shí)也使整流模塊自動(dòng)停止工作，當(dāng)市電電壓恢復(fù)正常時(shí)，又能使整流模塊自動(dòng)開始

33、工作。當(dāng)市電停電時(shí)間較長，蓄電池出現(xiàn)欠壓時(shí)，可自動(dòng)切斷其供電，防止蓄電池過放，當(dāng)市電來電，蓄電池電壓上升后，又可自動(dòng)恢復(fù)供電。還應(yīng)具有本地監(jiān)控功能。本地監(jiān)控時(shí)通過其 RS232 串行接口和本地計(jì)算機(jī)相 內(nèi)蒙古大學(xué)本科學(xué)年論文(設(shè)計(jì)) 第 10 頁 連實(shí)現(xiàn)；當(dāng)電源的某部分出現(xiàn)故障時(shí)，監(jiān)控模塊的面板上會(huì)點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈，并主動(dòng)將故障情況報(bào)告給本地監(jiān)控計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)可以巡檢并顯示電源各部分的電壓值、電流值、運(yùn)行狀態(tài)和故障內(nèi)容，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的開機(jī)、關(guān)機(jī)、浮充/均充等工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換和異常情況告警。為完成上述功能，監(jiān)控模塊的電路以單片計(jì)算機(jī)80C31 為核心，擴(kuò)展輸入、輸出 I/O 接口和 A/D 轉(zhuǎn)換，

34、液晶顯示等外圍電路，由于要檢測(cè)的模擬量多達(dá) 20 多個(gè)，因此采用具有多路輸入的 ADC0809 進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。由于農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)的工作環(huán)境惡劣，供電情況也差，為保證可靠工作，在硬件和軟件方面都應(yīng)采取措施， 增強(qiáng)抗干擾能力。監(jiān)控模塊的電路方框圖如圖 2.4 所示。 整機(jī)系統(tǒng)組成電原理框圖如圖 2.5 所示。單相交流電接入交流配電模塊，經(jīng)分配后，給4 只高頻開關(guān)整流模塊提供單相交流電，高頻開關(guān)整流模塊將交流電轉(zhuǎn)換成電壓穩(wěn)定的直流電，接入直流配電模塊匯總后，給蓄電池充電，并時(shí)對(duì)程控交換機(jī)等通信設(shè)備供電。監(jiān)控模塊對(duì)整機(jī)各部分進(jìn)行檢測(cè)，執(zhí)行控制、保護(hù)、告警及顯示等項(xiàng)功能。并可通過 RS232 接口與本地進(jìn)行

35、通信，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。圖 2.4 監(jiān)控模塊電路方框圖 內(nèi)蒙古大學(xué)本科學(xué)年論文(設(shè)計(jì)) 第 11 頁 單片機(jī)監(jiān)控模塊整流模塊1整流模塊交流配電單元直流配電單元本地PC機(jī)RS232圖 2.5 整機(jī)組成原理框圖由于采用 VMOS 場(chǎng)效應(yīng)功率管，其工作頻率可以很高，但隨著工作頻率的提高，雖然變壓器及濾波元器件尺寸將縮小，而磁芯損耗和開關(guān)損耗卻都會(huì)增大。綜合考慮所使用的功率開關(guān)管的性能、變壓器及濾波元件的尺寸大小，磁芯損耗和開關(guān)損耗，確定開關(guān)頻率為 50KHz。 內(nèi)蒙古大學(xué)本科學(xué)年論文(設(shè)計(jì)) 第 12 頁 3 主要電路設(shè)計(jì)3.1 高頻開關(guān)整流模塊主電路的設(shè)計(jì)根據(jù)開關(guān)電源對(duì)高頻開關(guān)整流模塊的技術(shù)要求及相應(yīng)

36、的電路方案選擇，高頻開關(guān)整流模塊采用如下的原理電路圖（圖 3.1）：220vF1D1-D4C1V1V2C2LcB1D5C3R2D6C4R1V3V4C5C6F2R3R4+-L1L0圖 3.1 高頻開關(guān)整流模塊主電路原理電路圖相移脈寬調(diào)制零電壓開關(guān)(諧振)全橋變換器的工作原理如圖 3.2 的電路圖和波形圖所示。如前所述，雖然在形式上它與常規(guī)的 PWM 全橋變換器電路相同，但開關(guān) 內(nèi)蒙古大學(xué)本科學(xué)年論文(設(shè)計(jì)) 第 13 頁 管的驅(qū)動(dòng)和工作方法是完全不同的。實(shí)際上，每個(gè)半橋支路上的開關(guān)管（左支路 V1、V2，或右支路 V3、V4）的驅(qū)動(dòng)波形的占空比略小于 50%，存在一定的死區(qū)時(shí)間（即延遲時(shí)間） ，

37、設(shè)置延遲時(shí)間既是為了防止橋路直通造成電源短路，也是實(shí)施諧振的必要時(shí)間。圖 3.2（a）中所示的開關(guān)管都是由理想的 MOSFET 管、結(jié)電容、本體二極管組成，相移諧振工作是利用開關(guān)管內(nèi)部的結(jié)電容和本體二極管來進(jìn)行工作的。在 to 時(shí)刻之前，假定開關(guān)管 V1、V4 導(dǎo)通，流過變壓器初級(jí)的電流將功率傳遞給負(fù)載。在 to 時(shí)刻，V4 管關(guān)斷，由于輸出電感 Lo的反射作用，繼續(xù)流動(dòng)，V4管已關(guān)斷，流 V3 管的結(jié)電容，使 C4 電荷增加，C3 上電荷減小，節(jié)點(diǎn) B 的電壓諧振上升，直到 t1 時(shí)刻，V3 管的本體二極管 VD3 正向偏置，VD3導(dǎo)通并鉗位，直到V3 導(dǎo)通，這樣就實(shí)現(xiàn)了 V3 管的零電壓導(dǎo)

38、通。t2 時(shí)刻為 V4 管、V3 管之間轉(zhuǎn)換，右支路的死區(qū)時(shí)間的結(jié)束，此時(shí)電流繼續(xù)流過 V1、 V3，但沒有電壓加到變壓器初級(jí)繞組。A（a） 內(nèi)蒙古大學(xué)本科學(xué)年論文(設(shè)計(jì)) 第 14 頁 ZVS區(qū)V死區(qū)時(shí)間(b) (c) 圖 3.2 相移 PWM 全橋電路及其波形（a）電路；（b）波形；（c）右支路開關(guān)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)的諧振機(jī)理 右支路開關(guān)實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換的諧振機(jī)理如圖 3.2（C）所示。隨后，V1 管關(guān)斷，在橋路的左支路死區(qū)時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn) A 的電壓諧振下降，直到 V2 管的本體二極管呈正向偏置，這樣 V2 管也能在零電壓下實(shí)現(xiàn)無損耗開通，其作用機(jī)理與右支路類似。雖然轉(zhuǎn)換機(jī)理類似，但二者區(qū)別較大，

39、在右支路 V3、V4 管轉(zhuǎn)換前，變壓器中流動(dòng)著負(fù)載電流，輸出濾波電感折合到初級(jí)，該電流使節(jié)點(diǎn) B 的電壓迅速升高，而左支路 V1、V2 管轉(zhuǎn)換時(shí)，只有變壓器的勵(lì)磁電流和漏感起作用，因此，左支路比右支路轉(zhuǎn)換需要較長的死區(qū)時(shí)間。在設(shè)計(jì)和調(diào)整電路時(shí)應(yīng)充分注意這一問題。 由于檢測(cè)和控制的參量較多，其中需檢測(cè)的模擬量為 22 個(gè)，開關(guān)量為 2 個(gè)，要控制的開關(guān)輸出量為 48 個(gè)，因此，在電路設(shè)計(jì)上，以單片機(jī) 80C31 為核心， 使用部分 P2 口線和譯碼器擴(kuò)展了數(shù)量較多的模擬輸入接口和數(shù)字輸入/輸出接口以及鍵盤輸入接口、液晶顯示接口等。電路原理框圖如圖 3.6 所示，只讀存儲(chǔ)器 27256（32K8）

40、存儲(chǔ)程序，靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)芯片 62256 存儲(chǔ)檢測(cè)的數(shù)據(jù)，3 只 8 通道、8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809 對(duì) 4 個(gè)整流模塊的輸出電壓、電流、蓄電池充電電壓、電流、整機(jī)輸出電壓、電流、輸放電壓等 22 個(gè)模擬量進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量由 P0 口輸入。80C31 接收到檢測(cè)數(shù)據(jù)后，一方面驅(qū)動(dòng) LCD 分屏幕進(jìn)行顯示，另一方面與額定值進(jìn)行比較，判斷整流模塊的輸出電壓是否正常，蓄電池是否欠壓，交 內(nèi)蒙古大學(xué)本科學(xué)年論文(設(shè)計(jì)) 第 15 頁 流輸入電壓是否過壓、欠壓、缺相，若出現(xiàn)異常，立即發(fā)命令關(guān)斷相關(guān)整流模塊，或讓蓄電池停止供電，并點(diǎn)亮（送出 5V 信號(hào)）相應(yīng)告警發(fā)光管，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲告警。若情況恢復(fù)正常，稍微延遲后，80C31 將（去掉 5V 信號(hào)）取消聲光告警，并開通相應(yīng)的整流模塊。均充/浮充轉(zhuǎn)換由鍵盤輸入命令，80C31 先將整流模塊關(guān)斷，再進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后再將整流模塊開通。 液晶顯示選用大屏幕高分辨率的漢字液晶顯示模塊