LED燈驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)與制作

LED燈驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)與制作摘要近年來(lái)，電源技術(shù)無(wú)論在理論研究，還是生產(chǎn)應(yīng)用方面都取得了許多成果和長(zhǎng)足的進(jìn)步。開(kāi)關(guān)電源的研究涉及電力電子、自動(dòng)控制等技術(shù)領(lǐng)域，軟開(kāi)關(guān)、高效率是開(kāi)關(guān)電源的重要研究方向。因此,PFC(PowerFactorCorrection)技術(shù)和軟開(kāi)關(guān)PWM(PulseWidthModulation)技術(shù)作為成熟的技術(shù)，近些年來(lái)在中、小功率乃至大功率開(kāi)關(guān)電源中得到普遍的應(yīng)用。本文介紹了一種具有功率因數(shù)校正和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的大功率開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)、原理和設(shè)計(jì)過(guò)程等。整個(gè)電源由輸入電路、整流電路、反饋電路、過(guò)壓保護(hù)電路、過(guò)流保護(hù)電路、輸出電路等，還具有軟啟動(dòng)功能。開(kāi)關(guān)電源具有效率高、體積小、重量輕、可靠性高、負(fù)載分擔(dān)容易等一系列特點(diǎn)。本課題采用的開(kāi)關(guān)方式是全橋全控整流濾波，而且電源還運(yùn)用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，使它的損耗明顯降低，DC-DC變換使用斬波升壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換效率高。關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正，PWM技術(shù)，保護(hù)，效率DesignAndProductionOfLEDLamp'sDrivePowerAuthor:YangLongweiTutor:PangBaotangABSTRACTInrecentyears,powersupplytechniquehasdevelopedveryquicklyandithasobtainverybigofprogressintheoriesresearchingandproducedapplication.Theresearchofpowersupplytechniqueinvolvesmanyrealmasuchastheelectricpowerelectronicsandtheautocontrol.Thesoftswitchtechniqueandthehighefficiencyareimportantresearchcontentsofpowersupply.Therefore,PowerFactorCorrection(PFC)techniqueandsoft-switchingPWMtechniquearebothwidelyappliedinlowpowerSMPSandhighpowerSMPS.ThisarticleintroducedahighpowerSMPS'sstructure,theprincipleandthedesignprocessandsoonwithPFCandsoft-switchingPWMtechnique.Theentirepowersourcebytheinputcircuit,thelevelingcircuit,thefeedbackcircuit,theovervoltageprotectionelectriccircuit,theoverflowprotectioncircuit,theoutputcircuitandsoon,butalsohasthesoftstartfunction.Theswitchingpowersupplyhastheefficiencytobehigh,thevolumeissmall,theweightislight,thereliabilityishigh,theloadsharesandsooneasilyaseriesofcharacteristics.Thistopicusestheswitchingmodeistheentirebridgeallcontrolstherectificationfilter,moreoverthepowersourcehasalsoutilizedthesoftswitchtechnology,causesitslosstoreduceobviously,theDC-DCtransformationusecutsthewaveboostedcircuittorealize,thestructureissimple,thetransferefficiencyishigh.黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第III頁(yè)目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"緒論 1開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展概況 11.1.1電力電子技術(shù)的發(fā)展 11.1.2開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 21.1.3開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì) 31.2研究背景和意義 5\o"CurrentDocument"開(kāi)關(guān)電源原理 7原理簡(jiǎn)介 7電路原理 92.3脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù) 9反激變換器 10功率因數(shù)校正 11功率因數(shù)校正技術(shù) 11諧波的產(chǎn)生及防范措施 112.5.3諧波補(bǔ)償和功率因數(shù)校正概念的提出 12\o"CurrentDocument"設(shè)計(jì)過(guò)程 13主要元器件介紹 13\o"CurrentDocument"L6562引腳說(shuō)明 13\o"CurrentDocument"LM358引腳說(shuō)明 14輸入電路的設(shè)計(jì) 14控制電路的設(shè)計(jì) 15輸出電路的設(shè)計(jì) 16保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 16整體電路圖 17黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第IV頁(yè)TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"4調(diào)試結(jié)果 18\o"CurrentDocument"結(jié)論 19\o"CurrentDocument"致謝 20\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 21附錄A 22附錄B 23黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書1緒論電能是迄今為止人類文明史上最優(yōu)質(zhì)的能源之一。正是有賴于對(duì)電能的充分開(kāi)發(fā)和利用，人類才得以進(jìn)入如此發(fā)達(dá)的工業(yè)化和信息化社會(huì)。雖然人類在電能的產(chǎn)生、傳輸和利用方面已經(jīng)取得了十分輝煌的成就，但是如何更加合理、高效、精確和方便地利用電能，仍然是需要解決的重大問(wèn)題。電力電子技術(shù)的誕生和發(fā)展使人類對(duì)電能的利用方式發(fā)生了革命性的變化，并且極大地改變了人們利用電能的觀念。在世界范圍內(nèi)，用電總量中經(jīng)過(guò)電力電子裝置變換和調(diào)節(jié)的比例已經(jīng)成為衡量用電水平的重要指標(biāo)。電源是利用電能變換技術(shù)將市電或電池等一次電能轉(zhuǎn)換成適合各種用電對(duì)象的二次電能的系統(tǒng)或裝置?，F(xiàn)代電源技術(shù)是應(yīng)用電力電子技術(shù)、自動(dòng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)（微處理器）技術(shù)和電磁技術(shù)的多學(xué)科邊緣交叉技術(shù)。他在各種高質(zhì)量、高效、高可靠性的電源中起到關(guān)鍵作用的，是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的具體應(yīng)用。1.1開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展概況1.1.1電力電子技術(shù)的發(fā)展電力電子技術(shù)的發(fā)展方向，是從以低頻技術(shù)為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué)，向以高頻技術(shù)為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起始于上世紀(jì)五十年代末六十年代初的硅整流器件，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流時(shí)代、逆變器時(shí)代和變頻器時(shí)代，并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。上世紀(jì)八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來(lái)的、以功率MOSFET和IGBT為代表、集高頻高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合管器件的出現(xiàn)，表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時(shí)代。（1）整流器時(shí)代大功率的工業(yè)用電由工頻（50Hz、60Hz）交流發(fā)電機(jī)提供，但是大約20%的電能是以直流形式消耗的，其中最典型的應(yīng)用時(shí)電解電鍍（有色金屬和化工原料）、牽引（電器機(jī)車、電傳動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)車、地鐵機(jī)車、城市無(wú)軌電車等）和直流傳動(dòng)（軋鋼、造紙等）三大領(lǐng)域。大功率硅整流管和晶閘管的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。2）逆變器、變頻器時(shí)代七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機(jī)，交流電機(jī)變頻調(diào)速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)??100Hz的交流電。在七十年代到八十年代，隨著變頻調(diào)速裝置的普及，大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管（GTR）和門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）成為當(dāng)時(shí)電力電子器件的主角。類似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出和靜止式無(wú)功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)取＿@時(shí)的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變，但工作頻率較低，僅局限在中低頻范圍內(nèi)。進(jìn)入八十年代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)中的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合，出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件。首先是功率MOSFET的問(wèn)世，使中小功率電源得以向高頻化發(fā)展，而后絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）的問(wèn)世，使其性能更加完善可靠，而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展，為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能，實(shí)現(xiàn)小型輕量化，機(jī)電一體化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。1.1.2開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)帶領(lǐng)人類進(jìn)入了信息社會(huì)，同時(shí)也促進(jìn)了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代，計(jì)算機(jī)全面采用了開(kāi)關(guān)電源，率先完成計(jì)算機(jī)電源換代。接著開(kāi)關(guān)電源技術(shù)相繼進(jìn)入了電子、電器設(shè)備領(lǐng)域。通信業(yè)的迅速發(fā)展極大地推動(dòng)了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開(kāi)關(guān)電源已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)域中，通常將整流器稱為一次電源，而將直流——直流（DC/DC）變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電變換成標(biāo)稱值為48V的直流電。目前在程控交換機(jī)用的一次電源中，傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源已被高頻開(kāi)關(guān)電源取代，高頻開(kāi)關(guān)電源通過(guò)MOSFET或IGBT的高頻工作（開(kāi)關(guān)頻率一般控制在50?100Hz范圍內(nèi)），實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。高頻逆變式整流焊機(jī)電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機(jī)電源，代表了當(dāng)今焊機(jī)電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化，這種電源更有著廣闊的應(yīng)用前景。大功率開(kāi)關(guān)型高壓電源廣泛用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機(jī)和CT機(jī)等大型設(shè)備。電壓高達(dá)50?159kV，電流達(dá)到0.5A以上，功率可達(dá)100kW。國(guó)內(nèi)對(duì)靜電除塵高壓直流電源進(jìn)行了研制，市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?，采用全橋零電流開(kāi)關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓，然后由高頻變壓器升壓，最后整流為直流高壓，在電阻負(fù)載條件下，輸出直流電壓達(dá)到55kV，電流達(dá)到15mA,工作頻率為25.6kHz。分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)模控制集成電路作基本部件，利用最新理論和技術(shù)成果，組成積木式、智能化的大功率供電電源，從而使強(qiáng)電與弱電緊密結(jié)合，最低大功率元器件、大功率裝置（集中式）的研制壓力，提高生產(chǎn)效率。分布供電方式具有高效、可靠、經(jīng)濟(jì)和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，已被大型計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納，也是超高速型集成電路的低電壓電源（3.3V）的最為理想的供電方式。在大功率場(chǎng)合，如電鍍、電解電源、電力機(jī)車牽引電源、中頻感應(yīng)加熱電源、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景［6］。1.1.3開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)（1）高頻化隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的要求越來(lái)越高。主要表現(xiàn)在開(kāi)關(guān)電源的小型化、高效化、電磁兼容性等方面。理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。MOSFET、IGBT等新型全控型高速電力電子器件的出現(xiàn)，使得開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的高頻化成為可能。逆變式整流焊機(jī)電源，通訊電源等都是高頻開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源，具有小型化的特點(diǎn)。開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的進(jìn)一步發(fā)展，進(jìn)而可以取代傳統(tǒng)“整流行業(yè)”的電鍍、電解、電加工、充電、電力操作等各種直流電源。其主要材料可以節(jié)約90%或更高，還可節(jié)電30%或更多。20世紀(jì)70年代以來(lái)，變換器工作頻率提高到20kHz甚至更高。然而，常規(guī)的DC/DCPWM功率變換技術(shù)進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率會(huì)面臨許多問(wèn)題。隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，一方面開(kāi)關(guān)管的損耗會(huì)成正比的上升，是電路的效率大大的降低，變換器處理功率的能力大幅地下降。另一方面，系統(tǒng)會(huì)對(duì)外產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。為了克服上述DC/DC變換器在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)工作下的諸多問(wèn)題，從20世紀(jì)80年代以來(lái)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)得到了深入的研究，近些年得到了迅速的發(fā)展。所謂軟開(kāi)關(guān)，通常是指零電壓開(kāi)關(guān)ZVS（ZeroVoltageSwitching）和零電流開(kāi)關(guān)ZCS（ZeroCurrentSwitching）或近似零電壓開(kāi)關(guān)與零電流開(kāi)關(guān)。一般而言，硬開(kāi)關(guān)過(guò)程是通過(guò)突變的開(kāi)關(guān)過(guò)程中斷功率流而完成能量變換的。而軟開(kāi)關(guān)過(guò)程是通過(guò)電感L和電容C的諧振，使開(kāi)關(guān)器件中的電流（或其兩端的電壓）按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流過(guò)零時(shí)使器件關(guān)斷，或者當(dāng)電壓下降到零時(shí)使器件導(dǎo)通。開(kāi)關(guān)器件在零電壓或零電流條件下完成導(dǎo)通與關(guān)斷的過(guò)程，將使器件的開(kāi)關(guān)損耗在理論上為零。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用使電力電子變換器可以具有更高的效率、功率密度和可靠性，并有效地減小電能變換裝置引起的電磁污染和噪聲。（2）模塊化模塊化有兩方面的含義，一是指功率器件的模塊化，二是指電源單元的模塊化。我們常見(jiàn)的器件模塊，含有一單元、兩單元、六單元直至七單元，包括開(kāi)關(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管，實(shí)質(zhì)上都屬于“標(biāo)準(zhǔn)”功率模塊（SPM）。近年，有些公司吧開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路也裝到功率模塊中去，構(gòu)成了“智能化”功率模塊（PM），不但縮小了整機(jī)的體積，更方便了整機(jī)的設(shè)計(jì)制造。實(shí)際上，由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響更加嚴(yán)重，對(duì)器件造成更大的電應(yīng)力（表現(xiàn)為過(guò)電壓、過(guò)電流毛刺）。為了提高系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開(kāi)發(fā)了“用戶專用”功率模塊ASPM），它把一臺(tái)整機(jī)的幾乎所有硬件都以都以芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中，使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接，這樣的模塊經(jīng)過(guò)嚴(yán)格合理的熱、電、機(jī)械方面的設(shè)計(jì)，達(dá)到完美的狀態(tài)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片，再把整個(gè)模塊固定在相應(yīng)的散熱器上，就構(gòu)成了一臺(tái)新型的開(kāi)關(guān)電源裝置。由此可見(jiàn)，模塊化的目的不僅在于使用方便、縮小整機(jī)體積；更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應(yīng)力將至最低，提高系統(tǒng)的可靠性。另外，大功率的開(kāi)關(guān)電源由于器件容量的限制及增加冗余和提高可靠性方面的考慮，一般采用多個(gè)獨(dú)立的模塊單元并聯(lián)工作，并采用均流技術(shù)使所有模塊共同分擔(dān)負(fù)載電流。這樣，一旦其中某個(gè)模塊失效，其它模塊可平均分擔(dān)負(fù)載電流。（3）數(shù)字化在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中，控制部分是按模擬信號(hào)來(lái)設(shè)計(jì)和工作?，F(xiàn)在數(shù)字信號(hào)、數(shù)字電路顯得越來(lái)越重要，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨成熟，顯示出越來(lái)越多的優(yōu)點(diǎn)，如便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號(hào)的畸變失真、減小雜散信號(hào)的干擾（提高抗干擾能力）、便于軟件包調(diào)試、便于自診斷、容錯(cuò)等。（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)電時(shí)造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對(duì)環(huán)境的污染。其次這些電源不能（或盡量少的）對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，國(guó)際電工委員會(huì)對(duì)此制定一系列標(biāo)準(zhǔn)，如IEC555、IEC917、IEC1000等。事實(shí)上，許多功率電子節(jié)能設(shè)備，往往會(huì)變成對(duì)電網(wǎng)的污染源，向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的高次諧波電源，使總功率因數(shù)下降，使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰，甚至出現(xiàn)畸變。20世紀(jì)末，各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的方案誕生，有了多種修正功率因數(shù)的方法。高頻開(kāi)關(guān)電源的輸入級(jí)是電網(wǎng)電壓直接經(jīng)過(guò)整流二極管整流，利用電容器濾波得到初級(jí)直流電壓，再經(jīng)過(guò)DC/DC變換器獲得所需要等級(jí)的直流電。網(wǎng)側(cè)電流呈現(xiàn)尖峰狀，諧波分量大，功率因數(shù)低。隨著開(kāi)關(guān)電源功率的不斷增大，這一問(wèn)題不可忽視。因此，將PFC技術(shù)引入開(kāi)關(guān)電源成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域又一熱點(diǎn)問(wèn)題。1.2研究背景和意義在20世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的PWM（脈寬調(diào)制）功率變換技術(shù)是一種硬開(kāi)關(guān)技術(shù)。所謂“硬開(kāi)關(guān)”是指功率開(kāi)關(guān)管在導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)，其上的電壓或電流不為零，即開(kāi)關(guān)管是在控制信號(hào)的強(qiáng)制控制下變換狀態(tài)的，此時(shí)必然存在開(kāi)關(guān)損耗。隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，體積小、重量輕、效率高、可靠性高等要求被提上日程，這就要求開(kāi)關(guān)電源中變換器的工作頻率越來(lái)越高。因此，如果仍然采用硬開(kāi)關(guān)技術(shù)會(huì)遇到一系列問(wèn)題，如開(kāi)關(guān)損耗大、開(kāi)關(guān)管關(guān)斷或開(kāi)通過(guò)程中產(chǎn)生尖峰電壓或電流、高頻工作狀態(tài)下的強(qiáng)電磁干擾等。而且，這些問(wèn)題會(huì)隨著開(kāi)關(guān)電源工作頻率的提高而更加嚴(yán)重。相對(duì)于硬開(kāi)關(guān)技術(shù)人們提出了能夠解決以上問(wèn)題的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。即在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷的瞬間使電壓或電流為零，從而使開(kāi)關(guān)損耗為零。近年來(lái)，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中，這一改進(jìn)使電源系統(tǒng)性能得到了大幅提高，對(duì)于整個(gè)社會(huì)的能源節(jié)約和利用，國(guó)家生產(chǎn)生活得出了巨大貢獻(xiàn)。隨著電力電子學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)電源系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高，除了高功率、大容量、小體積、易攜帶等要求。更多的人們對(duì)電源系統(tǒng)的輸入功率因素和高次諧波電流成分也提出了更高的要求。尤其在我國(guó)倡導(dǎo)的建立環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會(huì)的今天，電力是否能安全使用，能源能否被充分的利用變得至關(guān)重要。本課題基于以上考慮，針對(duì)提高系統(tǒng)功率因素和電能使用效率的目的，利用功率因素校正技術(shù)和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的綜合應(yīng)用，力求設(shè)計(jì)出性能較高的LED大功率驅(qū)動(dòng)電源。2開(kāi)關(guān)電源原理2.1原理簡(jiǎn)介開(kāi)關(guān)電源是一種電壓轉(zhuǎn)換電路，主要的工作內(nèi)容是升壓和降壓，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子產(chǎn)品。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)三極管總是工作在“開(kāi)”和“關(guān)”的狀態(tài)，所以叫開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源實(shí)質(zhì)就是一個(gè)振蕩電路，這種轉(zhuǎn)換電能的方式，不僅應(yīng)用在電源電路，在其它的電路應(yīng)用也很普遍，如液晶顯示器的背光電路、日光燈等。開(kāi)關(guān)電源與變壓器相比具有效率高、穩(wěn)性好、體積小等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是功率相對(duì)較小，而且會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生高頻干擾，變壓器反饋式振蕩電路，能產(chǎn)生有規(guī)律的脈沖電流或電壓的電路叫振蕩電路，變壓器反饋式振蕩電路就是能滿足這種條件的電路，開(kāi)關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長(zhǎng)，但二者增長(zhǎng)速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開(kāi)關(guān)電源，這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，這為開(kāi)關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間［3］。開(kāi)關(guān)電源的框圖如圖2.1所示。開(kāi)關(guān)電源一般由開(kāi)關(guān)元件、控制電路和濾波電路三部分組成。開(kāi)關(guān)串聯(lián)在電源的輸入和負(fù)載之間，構(gòu)成串聯(lián)型的電源電路。實(shí)際的開(kāi)關(guān)元件常常是功率開(kāi)關(guān)晶體管或MOS場(chǎng)效應(yīng)管。控制器的主要目的是保持輸出電壓穩(wěn)定，其工作過(guò)程與線性形式的控制器很類似。也就是說(shuō)控制器的功能塊、電壓參考和誤差放大器，可以設(shè)計(jì)成與線性調(diào)節(jié)器相同。他們的不同之處在于，誤差放大器的輸出（誤差電壓）在驅(qū)動(dòng)功率管之前要經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓/脈沖寬度轉(zhuǎn)換單元。開(kāi)關(guān)電源的工作過(guò)程相當(dāng)容易理解，在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是，PWM開(kāi)關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷的狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的（在導(dǎo)通時(shí)，電壓低，電流大；關(guān)斷時(shí)，電壓高，電流?。┕β势骷系姆渤朔e就是功率半導(dǎo)體器件上所產(chǎn)生的損耗。開(kāi)關(guān)電源的波形圖如圖2.2所示。開(kāi)關(guān)接通時(shí)，UU，輸入電壓U通過(guò)濾波器加在Dinin負(fù)載電阻上。開(kāi)關(guān)截止時(shí)，U等于零。開(kāi)關(guān)交替通斷，則在濾波器的輸入端產(chǎn)生矩形D脈沖波。此矩形脈沖再經(jīng)濾波電路濾波，即可在負(fù)載兩端產(chǎn)生平滑的直流電壓U。很O明顯，直流電壓U的大小與一個(gè)周期中開(kāi)關(guān)管截止時(shí)間t成正比。t越長(zhǎng)，U越大。OononO因?yàn)殚_(kāi)關(guān)管截止時(shí)，從扼流圈流過(guò)的電流不能立刻降到零，故增設(shè)了一只續(xù)流二極管，為此電流提供一條返回通路。圖2.2波形圖與線性電源相比，PWM開(kāi)關(guān)電源更為有效的工作過(guò)程是通過(guò)“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。脈沖的占空比由開(kāi)關(guān)電源的控制器來(lái)調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過(guò)變壓器來(lái)升高或降低。通過(guò)增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓組數(shù)。最后這些交流波形經(jīng)過(guò)整流濾波后就得到直流輸出電壓［1］。開(kāi)關(guān)電源有兩種主要的工作方式：正激式變換和升壓式變換。盡管它們各部分的布置差別很小，但是工作過(guò)程相差很大，在特定的應(yīng)用場(chǎng)合下各有優(yōu)點(diǎn)。2.2電路原理所謂開(kāi)關(guān)電源，顧名思義，就是這里有一扇門，一開(kāi)門電源就通過(guò)，一關(guān)門電源就停止通過(guò)，那么什么是門呢，開(kāi)關(guān)電源里有的采用可控硅，有的采用開(kāi)關(guān)管，這兩個(gè)元器件性能差不多，都是靠基極、（開(kāi)關(guān)管）控制極（可控硅）上加上脈沖信號(hào)來(lái)完成導(dǎo)通和截止的，脈沖信號(hào)正半周到來(lái)，控制極上電壓升高，開(kāi)關(guān)管或可控硅就導(dǎo)通，由220V整流、濾波后輸出的300V電壓就導(dǎo)通，通過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器傳到次級(jí)，再通過(guò)變壓比將電壓升高或降低，供各個(gè)電路工作。振蕩脈沖負(fù)半周到來(lái)，電源調(diào)整管的基極、或可控硅的控制極電壓低于原來(lái)的設(shè)置電壓，電源調(diào)整管截止，300V電源被關(guān)斷，開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)沒(méi)電壓，這時(shí)各電路所需的工作電壓，就靠次級(jí)本路整流后的濾波電容放電來(lái)維持。待到下一個(gè)脈沖的周期正半周信號(hào)到來(lái)時(shí)，重復(fù)上一個(gè)過(guò)程。這個(gè)開(kāi)關(guān)變壓器就叫高頻變壓器，因?yàn)樗墓ぷ黝l率高于50HZ低頻。那么推動(dòng)開(kāi)關(guān)管或可控硅的脈沖如何獲得呢，這就需要有個(gè)振蕩電路產(chǎn)生，我們知道，晶體三極管有個(gè)特性，就是基極對(duì)發(fā)射極電壓是0.65~0.7V是放大狀態(tài)，0.7V以上就是飽和導(dǎo)通狀態(tài)，-0.1V~-0.3V就工作在振蕩狀態(tài)，那么其工作點(diǎn)調(diào)好后，就靠較深的負(fù)反饋來(lái)產(chǎn)生負(fù)壓，使振蕩管起振，振蕩管的頻率由基極上的電容充放電的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)決定，振蕩頻率高輸出脈沖幅度就大，反之就小，這就決定了電源調(diào)整管的輸出電壓的大小。那么變壓器次級(jí)輸出的工作電壓如何穩(wěn)壓呢，一般是在開(kāi)關(guān)變壓器上，單繞一組線圈，在其上端獲得的電壓經(jīng)過(guò)整流濾波后，作為基準(zhǔn)電壓，然后通過(guò)光電耦合器，將這個(gè)基準(zhǔn)電壓返回振蕩管的基極，來(lái)調(diào)整震蕩頻率的高低，如果變壓器次級(jí)電壓升高，本取樣線圈輸出的電壓也升高，通過(guò)光電耦合器獲得的正反饋電壓也升高，這個(gè)電壓加到振蕩管基極上，就使振蕩頻率降低，起到了穩(wěn)定次級(jí)輸出電壓的穩(wěn)定，太細(xì)的工作情況就不必細(xì)講了，也沒(méi)必要了解的那么細(xì)的，這樣大功率的電壓由開(kāi)關(guān)變壓器傳遞，并與后級(jí)隔開(kāi)，返回的取樣電壓由光耦傳遞也與后級(jí)隔開(kāi)，所以前級(jí)的市電電壓，是與后級(jí)分離的，這就叫冷板，是安全的，變壓器前的電源是獨(dú)立的，這就叫開(kāi)關(guān)電源［2］。2.3脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)脈沖寬度調(diào)制（PWM），是英文“PulseWidthModulati的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單，靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式,也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒(méi)有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無(wú)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過(guò)改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。盡管模擬控制看起來(lái)可能直觀而簡(jiǎn)單，但它并不總是非常經(jīng)濟(jì)或可行的。其中一點(diǎn)就是，模擬電路容易隨時(shí)間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個(gè)問(wèn)題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重（如老式的家庭立體聲設(shè)備）和昂貴。模擬電路還有可能嚴(yán)重發(fā)熱，其功耗相對(duì)于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對(duì)噪聲很敏感，任何擾動(dòng)或噪聲都肯定會(huì)改變電流值的大小。通過(guò)以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)變得更加容易了⑷。2.4反激變換器反激式變換器（如圖2.3）指的是開(kāi)關(guān)截止器件將變壓器儲(chǔ)能傳遞給輸出的變換器。這種電路的工作方式與倒置型電路（或升壓型電路）的工作方式類似。它的繞組元件（帶有次級(jí)繞組的電感器）具有電感器和變壓器兩種功能。理想的變壓器在初級(jí)電路和次級(jí)電路之間直接耦合能量，不儲(chǔ)存能量；而在反激式變換電路內(nèi)，因?yàn)橐罄@組元件儲(chǔ)存能量，所以需要空氣隙，它與普通變壓器不一樣。開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間，電流在初級(jí)電路里以線性方式上升，在電感器內(nèi)儲(chǔ)存能量1(1Li2)。在此期間，二極管VD阻止電流通過(guò)次級(jí)繞組流動(dòng)。開(kāi)關(guān)管截止期間，電2感器內(nèi)儲(chǔ)存的能量通過(guò)次級(jí)和VD釋放給負(fù)載，并對(duì)電容器充電［4］。2.5功率因數(shù)校正2.5.1功率因數(shù)校正技術(shù)近年來(lái)，迅猛發(fā)展的電力電子技術(shù)使大量的直流開(kāi)關(guān)電源更加廣泛的應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)、電力電子系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域，老式笨重、低效率的電源被眾多輕巧、高性能的新型電源所取代。傳統(tǒng)的AC/DC電能變換器和開(kāi)關(guān)電源，其輸入電路普遍采用了全橋二極管整流，輸出端接到大容量電容器濾波器。雖然整流器電路簡(jiǎn)單可靠，但它們會(huì)在電網(wǎng)中吸取高峰值電流，使輸入端的交流電流波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生諧波，導(dǎo)致功率因數(shù)比較低。許多先進(jìn)國(guó)家已經(jīng)明文規(guī)定單臺(tái)機(jī)器入網(wǎng)的最低功率因數(shù)限制，以提高電網(wǎng)供電質(zhì)量，節(jié)約能源［5］。2.5.2諧波的產(chǎn)生及防范措施目前，在廣泛應(yīng)用的電力電子設(shè)備中，整流裝置所占的比例很大，常用的整流電源大部分采用晶閘管相控整流或二極管不控整流方式。其中，電容濾波式不控整流器的輸入電流基波分量與電源電壓相位大體相同，但是輸入電流的諧波含量很高，這樣就會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)很大的諧波污染，使得功率因數(shù)較低［5］。解決諧波問(wèn)題的主要思路有兩種，一種是被動(dòng)的方式，即在電網(wǎng)側(cè)對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生的諧波進(jìn)行補(bǔ)償。另一種是主動(dòng)的方式，即對(duì)產(chǎn)生諧波的電力電子裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行改進(jìn)。使其產(chǎn)生較少甚至不產(chǎn)生諧波，使得輸入電流和輸入電壓同相，達(dá)到提高功率因數(shù)的目的［5］。2.5.3諧波補(bǔ)償和功率因數(shù)校正概念的提出在過(guò)去的幾十年中，為了補(bǔ)償由電力電子設(shè)備帶來(lái)的無(wú)功功率和諧波，已經(jīng)提出了很多方法。大體上可以分為無(wú)源補(bǔ)償和有源補(bǔ)償兩種方式。功率因數(shù)校正技術(shù)大致可分為無(wú)源和有源兩類：（1） 無(wú)源PFC：對(duì)于早期的無(wú)源PFC,電網(wǎng)輸入端先串聯(lián)笨重的大電感器、大電容器。而之后產(chǎn)生的改進(jìn)的無(wú)源PFC,在全波整流器之后再串接C-L-C濾波網(wǎng)絡(luò)，它可用于鎮(zhèn)流器和小功率電源中。新型的無(wú)源PFC是在全波整流器之后串接多個(gè)二極管與電容器組合的D-C網(wǎng)絡(luò)。這種功率因數(shù)校正方式又被稱為“填谷式”PFC電路，它主要是在二極管整流橋前面串接一個(gè)電感和電容組成的濾波器，可以使得整流橋中二極管的導(dǎo)通角增大，從而使得電流波形得到明顯改善。這種無(wú)源的功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。無(wú)源補(bǔ)償?shù)幕驹硎抢秒娙萜魈峁┑某盁o(wú)功電流補(bǔ)償電網(wǎng)的滯后無(wú)功，利用電感、電容構(gòu)成的各次諧波濾波器、陷波器，吸收電網(wǎng)基波頻率以外的諧波。有關(guān)無(wú)源濾波器的研究已趨于成熟，在實(shí)際系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。但是，無(wú)源濾波器也存在明顯的缺陷。主要表現(xiàn)為電容器對(duì)無(wú)功的補(bǔ)償是固定的，對(duì)負(fù)載變化的適應(yīng)性差。無(wú)源濾波器尤其是低次諧波器的體積重量都相當(dāng)可觀。并且容易和系統(tǒng)發(fā)生諧振，使得濾波器過(guò)載甚至燒毀。（2） 有源PFC：低頻有源PFC主要指大功能晶閘管電路。高頻有源PFC是基于Boost變換器的PFC電路。另外還有其他PFC新技術(shù)如軟開(kāi)關(guān)PFC、三電平PFC、磁放大器PFC技術(shù)等。高頻有源功率因數(shù)校正技術(shù)是抑制電網(wǎng)交流輸入諧波電流污染最佳的方法。它通過(guò)相應(yīng)的一個(gè)或兩個(gè)反饋控制電路。使輸入電流平均值能自動(dòng)跟隨全波整流電壓基準(zhǔn)，并維持支流輸出電壓穩(wěn)定。PFC電路使變換器的輸入電流于輸入電流波形均為正弦波形，并把兩者校正為相同相位，它的作用可以看成把變換器電路當(dāng)作一個(gè)電阻器，故也稱為“電阻仿真器”。有源功率因數(shù)校正技術(shù)主要有乘法控制PFC技術(shù)和電壓跟隨控制PFC技術(shù)［5］。33設(shè)計(jì)過(guò)程3.1主要元器件介紹L6562引腳說(shuō)明INV—INV—18—COMP27—MULT36CS45VccGDGNDZCD圖3.1 L6562引腳圖1、 INV：該引腳為電壓誤差放大器反相輸入端和輸出電壓過(guò)壓保護(hù)輸入端；2、 COMP:該引腳同時(shí)為電壓誤差放大器的輸出端和芯片內(nèi)部乘法器的一個(gè)輸入端，反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)接在該引腳與INV之間；3、 MULT:該引腳為芯片內(nèi)部乘法器的另一輸入端；4、 CS：該引腳為芯片內(nèi)部PWM比較器的反相輸入端，可通過(guò)電阻來(lái)檢測(cè)MOS管電流5、 ZCD：該引腳為電感電流過(guò)零檢測(cè)端；6、 GND：該引腳為芯片地，芯片所有信號(hào)都以該引腳為參考，該引腳直接與主電路地相連；7、 GD：為MOS管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出引腳，為避免MOS管驅(qū)動(dòng)信號(hào)震蕩，一般在GD引腳與MOS管的柵極之間連接一十幾歐姆到幾十歐姆的電阻，電阻的大小由實(shí)際電路決定；8、VCC:芯片電源引腳，該引腳同時(shí)連接于啟動(dòng)電路和電源電路。LM358引腳說(shuō)明7)OIIT28:Vcc7)OIIT28:Vcc5)IN2(+)圖3.2LM358引腳圖1、 0UT1：輸出12、 IN1(-)：反相輸入13、 IN1(+)：正相輸入14、 GND：地5、 IN2(+)：正相輸入26、 IN2(-)：反相輸入27、 OUT2:輸出28、 Vcc:電源3.2輸入電路的設(shè)計(jì)輸入電路的設(shè)計(jì)如圖3.3所示。電阻R1用來(lái)抑制電流，市電剛接通時(shí)，浪涌電流將非常大，和可能會(huì)使開(kāi)關(guān)電源受到損壞，接入R1后，則可使浪涌電流顯著減小。輸入濾波器由C1、C2和T1構(gòu)成，主要用來(lái)抑制開(kāi)關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)的高頻干擾和電網(wǎng)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的高頻干擾。D1、D2、D3和D4構(gòu)成整流電路，對(duì)輸入的交流電進(jìn)行整流，整流后經(jīng)過(guò)C3后輸出。3.3控制電路的設(shè)計(jì)控制電路的設(shè)計(jì)如圖3.4所示。如圖所示，通過(guò)R3、R5和C15為L(zhǎng)6562提供電源。L6562通過(guò)1、2引腳采集誤差信號(hào)，并根據(jù)采集的誤差信號(hào)對(duì)電路的功率因數(shù)進(jìn)行校正。L6562通過(guò)7引腳輸出PWM信號(hào)來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)管Q1導(dǎo)通或者截止，已達(dá)到控制電路處于通路或者斷路狀態(tài)。3.4輸出電路的設(shè)計(jì)輸出電路的設(shè)計(jì)如圖3.5所示。圖3.5輸出電路的設(shè)計(jì)如圖所示，輸出電路采用反激式變換器。在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間，電流在初級(jí)電路里以線性方式上升，在電感器內(nèi)儲(chǔ)存能量，二極管D7阻止電流通過(guò)次級(jí)繞組流動(dòng)，開(kāi)關(guān)管截止期間，電感器內(nèi)儲(chǔ)存的能量通過(guò)次級(jí)和D7釋放給負(fù)載。L2、C16和C17組成輸出濾波網(wǎng)絡(luò)。R16為L(zhǎng)2中儲(chǔ)存的電能提供一個(gè)回路。3.5保護(hù)電路的設(shè)計(jì)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)如圖3.6所示。電路通過(guò)采集電壓信號(hào)和電流信號(hào)來(lái)分析是否有過(guò)壓和過(guò)流。正常工作時(shí)，發(fā)光二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，若出現(xiàn)過(guò)壓和過(guò)流時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通，光耦工作，從而達(dá)到保護(hù)電路的作用。3.6整體電路圖整體電路圖如圖3.7所示。D7R17-D8+GNDD1R8R2R311C121R9C3D4R11R4R52R25-13R61312C5C9Q1U1V10R297R21-J31J]1□--R^tfEi——11LD2C2U21R166GND5R19C18R23R28C10R26-_C15-rJP115263748圖3.7整體電路圖4調(diào)試結(jié)果電路輸出電壓波形如圖