1、高壓軟開關充電電源硬件設計 高壓軟開關充電電源硬件設計摘要電源對于所有用電設備是必不可少的開關電源取消了傳統電源采用的笨重的工頻變壓器使得電源的體積大大縮小電源中的電力電子器件工作在開關狀態使整機效率很高由于它具有體積小重量輕和效率高的優點因而發展非常迅速應用范圍日益擴大本文簡要介紹了開關電源的基本結構工作原理以及其發展狀況和技術的發展趨勢并對開關電源的分類和優缺點進行了闡述本文還介紹了減小開關電源體積和開關損耗的技術軟開關技術在前面知識的基礎上本論文利用諧振開關技術設計了一臺給高壓脈沖電容充電的高壓軟開關電源在諧振開關技術中最適合給脈沖電容充電的電路是串聯諧振開關電路輸出近似為恒流源或稱等臺

2、階充電突出的優點是充電效率高且電路本身具有短路保護能力整個裝置利用DSP實現電路的控制PWM信號形成及電路的保護由于采用了全數字的控制充電的穩定度很高裝置的開關頻率是20kHz屬于高頻因此使得每次開關所充的電量較小這大大提高了充電的精度關鍵詞 開關電源軟開關充電 High-pressured Soft Switch Charge Power Source Hardware DesignAbstractThe power supply is essential to all equipment which uses electricity The switching power supply h

3、as cancelled the conversion depressor that traditional power sources adopt causing the volume of the power source to reduce greatly In power supply electronic device works in soft switch condition so the entire efficiency to be very high Because the volume is small the weight is light and the effici

4、ency high thus it develops extremely rapidly the application of the soft switching power supply expands day by dayThis article briefly introduced the switching power supply basic structure the principle of work as well as its development condition and the technical development tendency In addition s

5、tarted from opposite directions folio turns off the power source the classification and the virtues and defects has carried in detail This article also introduced a new technical soft switch technology which the switching power supply volume and the switch loss can be avoidedIn front knowledge found

6、ation present paper use resonance-switch technical design one too for high-pressured pulse electric capacity charge high-pressure soft switching power supply The pulse electric capacity charge in the resonant switch technology the electric circuit is the series resonance switch in circuits Outputs i

7、s approximate for the permanent current source or calls " the stair charge The prominent merit is the charge efficiency is high also has inherently short-circuits the protection ability Entire realizes the electric circuit control the PWM signal using DSP forms and the electric circuit protecti

8、onBecause it has used entire digital control the charge stability is very high The installment turn-on frequency is 20 kHz belonging to high frequency therefore each time the switch flushes the electric quantity is small and this increased the charge precision greatlyKeywordsSwitching power supply S

9、oft switch Charge不要刪除行尾的分節符此行不會被打印目錄摘要IAbstractII第1章 緒論111 開關電源的發展狀況112開關電源的技術發展趨勢313本論文的研究目的4第2章 開關電源原理521 開關電源基本工作原理522 開關電源的分類623 關電源優缺點7com 開關電源的優點7com 開關電源的缺點824 軟開關技術簡介9com 硬開關與軟開關9com 軟開關的分類1025 本章小結12第3章 高壓軟開關充電電源硬件設計1331 主電路設計13com 主要技術指標13com 主電路選型13com 電路的工作原理及方式13com 主電路的各項參數1932 控制及觸發電路

10、的設計22com 電壓電流檢測22com IGBT的驅動22com DSP的選擇24com PWM波的形成2733 電路的理想波形2834 本章小結29結論30致謝31參考文獻32附錄 外文翻譯33千萬不要刪除行尾的分節符此行不會被打印在目錄上點右鍵更新域然后更新整個目錄打印前不要忘記上面Abstract這一行后加一空行緒論開關電源的發展狀況開關電源屬于電力電子技術他運用功率變換器進行電能變換經過變換電能他可以滿足各種用電要求開關電源是美國NASA用于宇宙火箭搭載電源目的而開發的與線性電源相比開關電源具有體積小重量輕效率高的特點被廣泛用于電視機計算機自動控制裝置產業機械通信裝置等各個領域特別是

11、隨著半導體技術的進步和信息產業的發展開關電源的需求量不斷擴大隨著現代半導體技術的發展尤其是高性能的全控器件的產生開關電源迎來了一個生機勃勃的春天 1 發展史1955年美國的科學家羅耶首先研制成功了利用磁芯的飽和來進行自激振蕩的晶體管直流變換器此后 利用這一技術的各種形式的晶體管直流變換器不斷地研制和涌現出來 從而取代了早期采用的旋轉式或機械振子式的壽命短可靠性差轉換效率低的換流設備由于變換器中的功率開關管工作在開關狀態 所以由此而制成的開關電源輸出的組數多極性可變效率高體積小重量輕 在當時被廣泛地應用于航天及軍事電子設備上由于那時的微電子技術十分落后 不能制作出耐壓高速度快功率大的晶體管 所以

12、這個時期的直流變換器只能采用低電壓輸入 并且轉換的速度也不能太高60年代末 由于微電子技術的快速發展 高反壓的晶體管出現了 從此以后直流變換器就可以直接由市電經整流濾波后輸入 不再需要有降壓變壓器了 從而極大地擴大了開關電源的應用范圍 并在此基礎上誕生了無工頻降壓變壓器開關電源 省掉了工頻降壓變壓器 使開關電源的體積和重量大為減小開關穩壓電源才真正做到效率高體積小重量輕70年代以后 與該技術有關的高頻高反壓的大功率晶體管場效應管高頻電容肖特基二極管高頻磁芯材料等元器件也不斷地被研制和生產出來 使這一技術得到了飛速的發展 并且被廣泛地應用于計算機通信航天彩色電視等領域中 從而使無工頻變壓器開關電

13、源成為各種電源中的佼佼者12 目前正在克服的困難 隨著半導體技術和微電子技術的高速發展 集成度高功能強的大規模集成電路的不斷出現 使得電子設備的體積在不斷地縮小 重量在不斷地減輕所以從事這方面的研究和生產的人們對電源中的開關變壓器還感到不是十分理想 他們正致力于研制出效率更高體積和重量更小的開關變壓器或通過別的途徑來取代它 使之能滿足電子儀器和設備微小型化的要求這就是從事開關電源研究的科技人員目前正在克服的第一個困難開關電源的效率是與開關管的變換速度成正比的 并且由于采用了開關變壓器以后才能使之由一組輸入得到極性大小各不相同的多組輸出要進一步提高其效率 就必須提高其工作頻率但是當頻率提高以后

14、對整個電路中的元器件又有了新的要求例如 高頻電容開關管開關變壓器儲能電感快速整流二極管等都會出現新的問題進一步研制出適應高頻工作的有關電路元器件是從事開關電源研制的科技人員要解決的第二個問題線性電源中的功率調整管具有穩壓和電子濾波的雙重作用 因而串聯線性電源不產生開關干擾 且輸出波紋電壓小但是開關電源中的開關管是工作在開關狀態 所以就會產生尖峰干擾和諧振干擾這些干擾就會污染市電電網 影響鄰近的電子儀器和設備的正常工作隨著開關電源電路和抑制干擾措施的不斷增加和完善 它的這一缺點得到了進一步的克服 可以達到不妨礙一般電子儀器和設備正常工作的程度但在一些精密電子儀器中 由于這一缺點 卻使開關電源不能

15、得到應用所以克服這一缺點 進一步提高開關電源的使用范圍是從事開關電源研制人員要解決的第三個問題目前 在開關電源方面急需解決的最后一個問題 是開關管的二次擊穿問題要解決這一問題 首先要將其產生的原因分析清楚 而目前人們對此還沒有完全掌握 還只能從熱點的角度進行解釋 所以這方面還需人們去做大量的研究和探索工作3國內發展概況 我國的晶體管直流變換器及開關電源研制工作開始于60年代初 到60年代中進入了實用階段 70年代初開始研制無工頻降壓變壓器開關電源1974年研制成功了工作頻率為10 kHz輸出電壓為5V 的無工頻降壓變壓器開關電源近10多年來 我國的許多研究所工廠和高等院校已研制和生產出了多種型

16、號的工作頻率為20 kHz 左右 輸出功率在1000W以下的無工頻降壓變壓器開關電源 并應用于計算機通信電視等方面 取得了較好的效果工作頻率為100 200kHz 的高頻開關電源于80年代初就已開始試制 90年代初試制成功目前正在走向實用和再進一步提高工作頻率階段許多年來 雖然我國在這方面投入了大量的人力和物力 做出了巨大的努力 并取得了可喜的成就 但是 目前我國的開關電源技術與世界上先進的國家相比仍有較大的差距此外 近幾年來我國雖然把無工頻變壓器開關電源的工作頻率從數十kHz 提高到數百kHz把輸出功率由數十W 提高到數百W 甚至數千W 但是 由于我國半導體技術與工藝跟不上時代的發展 導致我

17、們自己生產出的無工頻變壓器開關電源中的開關管大部分采用的仍是進口的晶體管所以我國的開關電源事業要發展 要趕超世界先進水平 最根本和最關鍵的問題是如何提高和改進我國的半導體器件技術和制作工藝212開關電源的技術發展趨勢1小型化 由于電源小型花的關鍵是高頻化因此國外目前都在致力于同步開發新型元器件特別是改善二次整流的損耗變壓器電容器小型化同時采用SMT技術在電路板兩面布置元器件以確保開關電源的輕小薄2高效率 開關電源高頻化使傳統的PWM開關硬開關功耗加大效率降低噪聲也提高了達不到高頻高效的預期效益因此實現零電壓導通零電壓關斷的軟開關技術將成為開關電源產品未來的主流采用軟開關技術可使效率達到8588

18、VICOR開關電源公司設計制造了多種ECZ軟開關DCDC變換器其最大輸出功率有800W600W300W621017Wcm8090Nemic-Lambda公司日前推出一種采用軟開關技術的高頻開關電源模塊RM系列開關頻率為200300kHz27Wcm用同步整流器即用MOSFER代替肖特基二極管是整個電路效率提高到903高可靠 開關電源使用的元器件比連續工作電源多數十倍因此降低了可靠性追求壽命的延長要從設計方面著手而不是從使用方面著想美國一公司通過降低節溫減少器件的電應力降低運行電流等措施使其DCDC開關電源系列產品的可靠性大大提高產品的MTBF高達100萬時以上4模塊化 可以用模塊電源組成分布式電

19、源系統可以設計成N1冗余電源系統從而提高可靠性可以做成插入式實現熱交換從而在運行中出現鼓掌時能高速更換模塊插件多臺模塊并聯可實現大功率電源系統此外還可以在電源系統建成后根據發展需要不斷擴充容量5低噪聲 開關電源的又一缺點是噪聲大單純追求高頻化噪聲也隨之增大采用部分諧振轉換回路技術在原理上既可以高頻化又可以低噪聲但諧振轉換技術也有其難點如果很難準確的控制開關頻率諧振時增大了器件負荷場效應管的寄生電容易引起短路損耗元件熱應力轉向開關管等問題難以解決日本把變壓器設計成一二次分離阻燃密封自身具備對付噪聲功能的共模無噪聲隔離變壓器既節省了噪聲濾波器又減少了噪聲6抗電磁干擾EMI 當開關電源在高頻下工作時

20、其噪聲通過電源線產生對其他電子設備的干擾世界各國已經有了抗EMI的規范或標準7電源系統的管理和控制 應用微處理器或微機集中控制與管理可以及時反映開關電源環境的各種變化中央處理單元實現智能控制可自動診斷故障減少維護工作量確保正常運行8計算機輔助設計CAD 利用計算機對開關電源進行CAD設計和模擬試驗十分有效是最為快速經濟的設計方法9產品更新加快 目前的開關電源產品要求輸入電壓通用適用世界各國電網電壓規范出電壓規范擴大如計算機和工作站需要增加33V這一電壓輸入端功率因數進一步提高并具有安全過壓保護等方面的功能313本論文的研究目的本論文是結合當前開關電源的發展趨勢以及今后將從事電源設計與制造工作的

21、需要而完成的通過完成本論文作者希望完成以下目的1在系統學習開關電源原理的基礎上自己獨立設計一臺充電電源了解開關電源的主要設計過程及其相關方法2在整個過程中不斷學習消化掌握各種類型開關電源的主要特點和性能重點掌握減小開關損耗的方法軟開關技術3在設計過程中掌握開關電源的整體系統結構主電路觸發電路檢測電路輸入輸出電路保護電路和整體的控制電路4通過對開關電源的理論學習和實踐經驗了解電源的應用前景和發展趨勢從而明確自己今后努力的方向爭取在電源的設計和制造等工作中加以應用開關電源原理開關電源基本工作原理開關K 以一定的頻率重復的接通或斷開在開關K 接通時輸入電源通過開關K 和濾波電路向負載提供能量當開關K

22、斷開時輸入電源便中斷了能量的供給開關電源的示意圖如圖2-1所示為了使負載能夠得到連續的能量開關電源就必須有一套儲能裝置以便在開關K 接通時將一部分能量儲存起來當開關K 斷開后再將儲存的能量提供給負載圖2-1中的電感L電容C和二級管D 組成的電路就具有這樣的功能當開關K 接通時電感L 用以儲存能量開關K 斷開時儲存在電感L中的能量通過二級管D 釋放給負載從而使負載得到連續而又穩定的能量當電子開關K按一定的頻率開關時導通時間越長輸出電壓越高導通時間越短輸出電壓越低通常開關電源就是這樣在開關頻率一定的情況下通過調整開關時間的長短控制輸出電壓的高低目前也有的開關電源采用開關時間長短恒定通過改變開關頻率

23、來改變輸出電壓的高低圖2-1 開關電源示意圖開關電源的形式有很多種其中尤其以脈沖寬度調制型PWM最為盛行現在就以此種形式的開關電源介紹以下開關電源的工作原理采用PWM技術的開關電源原理機構如圖2-2所示從電網將能量傳遞給負載的回路稱為主回路其余稱為控制回路工頻電網交流電壓經過輸入整流濾波電路得到高波紋未調直流電壓在經功率轉換電路變換成符合要求的矩形波脈動電壓最后經過整流濾波電路將其平滑成連續的低波紋直流電壓圖2-2 PWM方式開關電源框圖 控制回路在提供高壓開關T管基極驅動脈沖的同時需要完成輸出電壓穩壓的控制而且還必須能對電源或負載提供保護它通常由檢測比較放大電路電壓-脈沖寬度轉換電路VW電路

24、時鐘震蕩電路以及自用電壓源等基本電路構成對于PWM方式而言將頻率固定的震蕩源稱為時鐘震蕩器這種電源利用檢測電路反映輸出電壓值通過和給定參考電壓比較并產生誤差信號在經過VW電路調制脈沖寬度調節輸出電壓例如由于某種原因負載電流減小或電網電壓上升使高頻變壓器副邊輸出電壓的平均值增大電源輸出電壓也將隨之提高反饋檢測電路將提高了輸出電壓和基準電壓進行比較并產生負積極性的誤差電壓VW電路根據該誤差電壓及時減小輸出脈寬這樣使輸出電壓平均值減小接近原來的數值從而實現穩壓的作用開關電源的分類在電子技術和應用飛速發展的今天 對電子儀器和設備的要求是 在性能上更加安全可靠 在功能上不斷增加 在使用上自動化程度要越來

25、越高 在體積上日趨小型化這使采用具有眾多優點的開關電源就顯得更加重要所以 開關電源在計算機通信航天彩電等方面都得到了越來越廣泛的應用 發揮了巨大的作用 這大大促進了開關電源的發展 從事這方面研究和生產的人員也在不斷地增加 開關電源的品種和類型也越來越多常見的開關電源的分類方法有下列幾種1按激勵方式劃分 分為他激式和自激式他激式開關電源電路中專設激勵信號振蕩器自激式開關功率管兼作振蕩管該形式的開關電源電路結構簡單 元器件少 可以做成低成本的開關電源2按調制方式劃分 分為脈寬調制型頻率調整型和混合調整型脈寬調制型保持振蕩頻率保持不變 通過調節脈沖寬度來改變輸出電壓的大小頻率調整型保持占空比保持不變

26、 脈沖寬度保持不變 通過改變振蕩頻率來改變輸出電壓大小混合調整型是脈沖寬度和振蕩頻率均可進行調節的開關電源3按開關管電流的工作方式劃分 分開關型和諧振型開關型用開關晶體管把直流變成高頻標準方波 其電路形式類似于他激式諧振型用開關晶體管與LC諧振回路將直流變成標準正弦波 其電路形式類似于自激式開關電源4按開關晶體管的類型劃分 分為晶體管型和可控硅型晶體管型采用晶體管 包括場效應管 作為開關功率管可控硅型采用可控硅作為開關功率管這種電路的特點是直接輸入交流電壓 不需要一次整流部分5按儲能電感與負載的連接方式劃分 分串聯型和并聯型串聯型儲能電感串聯在輸入與輸出電壓之間并聯型儲能電感并聯在輸入與輸出電

27、壓之間6按晶體管的連接方法劃分 分為單端式推挽式半橋式和全橋式單端式僅使用一個晶體管作為電路中的開關管這種電路的特點是價格低電路結構簡單 但輸出功率不能提高推挽式使用兩個功率開關管 將其連接成推挽功率放大器的形式這種電路的特點是可以工作在電源電壓較低的場合 一般逆變器多采用這種形式的電路 但它的缺點是開關變壓器的初級必須具有中心抽頭半橋式使用兩個功率開關管 將其連接成半橋形式它的特點是適應于輸入電壓較高的場合全橋式使用四個功率開關管將其連接成全橋的形式它的特點是輸出功率較大7按電路結構劃分 分為散件式和集成電路式散件式整個開關電源電路都是采用分立式元器件組成的這種電路的缺點是電路結構較為復雜集

28、成電路式整個開關電源電路或電路的一部分是由集成電路組成的這種集成電路通常被稱為厚膜電路有的厚膜集成電路中包括功率開關管 有的則不包括這種形式的電源的特點是電路結構簡單調試方便可靠性高這種電路被廣泛地應用于彩色電視中以上五花八門的開關電源品種都是站在不同的角度 以開關電源不同的特點命名和劃分的不論是激勵方法輸出直流電壓的調節手段儲能電感的連接方法功率開關管的器件種類以及串并聯結構 還是其他的電路形式它們最后總可以歸結為串聯型和并聯型開關電源這兩大類4開關電源優缺點 開關電源的優點1功耗小效率高 開關電源結構原理方框圖中的晶體管在激勵信號的驅動下其工作狀態處于導通截止和截止導通的開關狀態轉換速度很

29、快 頻率一般為50kHz左右在一些技術先進的國家 可以做到幾百或者上千kHz晶體管V飽和導通時雖然電流較大但管壓降很小截止斷開時 雖然管壓降很大但通過的電流幾乎為零這就使得開關晶體管V 在其整個工作過程中的功耗很小電源的效率可以大幅度地提高2體積小重量輕 沒有了笨重的工頻降壓變壓器由于調整管上的耗散功率大幅度地降低 因而省去了體積和重量都較大的散熱片由于這兩方面的原因 故開關電源的體積小重量輕3穩壓范圍寬 開關電源的輸出電壓是通過激勵信號的占空比來調節的 輸入電壓的波動變化 可以通過改變占空比的方式來進行補償 這樣在輸入電壓變化或波動較大時 它仍能保證有較穩定的輸出電壓所以 開關電源的穩壓范圍

30、很寬 穩壓效果較好此外改變占空比的方法有脈寬調制型頻率調制型和混合調制型三種這樣開關電源不僅具有穩壓范圍寬的優點 而且實現穩壓的方法也較多較靈活設計人員可以根據實際應用的需要和要求 靈活選用各種形式的穩壓方法4濾波效率高不需要較大容量的濾波電容 開關電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz 左右 是線性電源的1000倍 這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍就是采用半波整流后加電容濾波 效率也提高了500倍在相同波紋輸出電壓的要求下采用開關電源時 濾波電容的容量只是線性電源中濾波電容容量的150011000濾波電容容量減小以后 整個電源的體積和重量也相應地有所減小5電路形式靈活多樣 例如

31、有自激式和他激式有調寬型和調頻型 有單端式和雙端式 有開關元件為晶體管式和開關元件為可控硅式等等設計者可以發揮各種類型電路的特長 設計出能滿足各種不同應用場合的開關電源 開關電源的缺點開關電源最為突出的缺點就是開關干擾較為嚴重開關電源中的開關功率管是工作在開關狀態下 它產生的交流電壓和電流會通過電路中的其他元器件產生尖峰干擾和諧振干擾 這些干擾如果不采取一定的措施進行抑制消除屏蔽和隔離就會嚴重地影響整機的正常工作此外 由于開關電源中沒有了工頻降壓變壓器的隔離 振蕩器所產生的高頻干擾如果不加以消除 就會串入工頻電網 使附近的其他電子儀器設備和家用電器受到嚴重的干擾目前由于國內微電子技術阻容器件生

32、產技術以及磁性材料技術與一些技術先進的國家還有一定的差距 因此開關電源的造價不能進一步降低 也影響到可靠性的進一步提高所以 在我國的電子儀器以及機電一體化儀器中 開關電源還不能得到普及使用特別是無工頻變壓器開關電源中的高壓電容高反壓大功率開關管開關變壓器的磁性材料等元件我國還處于研究和開發階段一些先進的國家雖然有了一定的發展但是在實際應用中還存在一些問題 不能令人十分滿意這就暴露出了開關電源的又一個缺點 那就是電路結構復雜故障率高維修麻煩成本高對此 如果設計者和制造者不予以充分重視則會直接影響開關穩壓電源的推廣應用軟開關技術簡介 硬開關與軟開關現代電力電子裝置的發展趨勢是小型化輕量化同時對裝置

33、的效率和電磁兼容性也提出了更高的要求通常濾波電感電容和變壓器在裝置的體積和重量中占很大比例因此必須設法降低他們的體積和重量才能達到裝置的小型化輕量化從電路的有關知識中可以知道提高工作頻率可以減少變壓器各繞組間的匝數并減小鐵心的體積從而使變壓器小型化因此裝置小型化輕量化的直接途徑就是電路的高頻化但在提高開關頻率的同時開關損耗也會隨之增加電路效率嚴重下降電磁干擾也增大了所以簡單的提高開關頻率是不行的a硬開關的開通過程b硬開關的關斷過程圖 2-3 硬開關的開關過程針對這些問題出現了軟開關技術他利用以諧振為住的輔助換流手段解決了電路中的開關損耗和開關噪聲問題使開關頻率可以大幅度提高在很多電路中開關元件

34、在電壓很高或電流很大的條件下在門極的控制下開通或關斷起典型的開關過程如圖2-3所示開關過程中電壓電流均不為零出現了重疊因此導致了開關損耗而且電壓和電流的變化很快波形出現了明顯的過沖這導致了開關噪聲的產生具有這樣的開關過程的開關稱為硬開關在硬開關過程中會產生較大的開關損耗和開關噪聲開關損耗隨著頻率的增加使電路效率下降阻礙了開關頻率的提高開關噪聲給電路帶來嚴重的電磁干擾問題影響周邊電子設備的工作通過在原來的開關電路中增加很小的電感電容等諧振元件構成輔助換流網絡在開關過程中引入諧振過程開關開通前電壓降為零或關斷前電流降為零就可以消除開關過程中電壓電流的重疊降低他們的變化率從而大大減小甚至消除損耗和開

35、關噪聲這樣的電路稱為軟開關電路軟開關電路中典型的開關過程如圖2-4所示具有這樣開關過程的開關稱為軟開關開關損耗理論上為零5a軟開關的開通過程 b軟開關的關斷過程圖2-4軟開關的開關過程 軟開關的分類 根據電路中主要開關元件是零電壓開通還是零電流關斷可以將軟開關電路零電壓電路和零電流電路兩大類通常一種開關電路要么屬于零電壓電路要么屬于零電流電路但在有些情況下電路中有多個開關有些開關工作在零電壓的條件下而另一些開關工作在零電流的條件下 根據軟開關技術的發展歷程可以將軟開關電路分成準諧振電路零開關PWM電路和零轉換PWM電路下面分別介紹上述三類軟開關電路1準諧振電路這是最早出現的軟開關電路其中有些現

36、在還在大量使用準諧振電路可分為 1 零電壓開關準諧振電路 2 零電流開關準諧振電路 3 零電壓開關多諧振電路 4 用于逆變器的諧振直流環電路2零開關PWM電路這類電路中引入了輔助開關來控制諧振的開始時刻使諧振僅發生與開關過程前后零開關PWM電路可以分為1零電壓開關PWM電路2 零電流開關PWM電路和準諧振電路相比這類電路有很多明顯的優勢電壓和電流基本上是方波只是上升沿和下降沿較緩開關承受的電壓明顯降低電路可以采用開關頻率固定的PWM控制方式5這兩種電路的基本開關單元如圖2-5 a 零電壓開關PWM基本開關單元 b 零電流開關PWM基本單元圖2-5 零開關PWM電路的基本開關單元 3零轉換PWM

37、電路這類軟開關電路還是采用輔助開關控制諧振時刻的開始時刻所不同的是諧振電路是與主開關并聯的因此輸入電壓和負載電流對電路諧振過程的影響很小電路在很寬的輸入電壓輸入范圍內并從零負載到滿載都能工作在軟開關狀態而且電路中無功功率的交換被削減到最小使這種電路的效率進一步提高零轉換電路可分為 1 零電壓轉換PWM電路 2 零電流轉換PWM電路基本開關單元如圖2-6 a ZVT PWM開關單元 b ZCT PWM 開關單元圖2-6 零轉換PWM電路的基本開關單元本章小結本章簡要介紹了開關電源的工作原理并從多方面闡述了開關電源的詳細分類討論了開關電源在應用中的優點和不足本章還簡要介紹了軟開關技術以及軟開關和傳

38、統的硬開關之間的不同指出軟開關是實現開關電源高頻化小型化和輕量化的理想途徑高壓軟開關充電電源硬件設計主電路設計 主要技術指標1輸入電壓220V交流輸出充電電壓024002負載電容容量3133uF3輸出電流2安培直流電源容量5kW4開關頻率20kHz諧振頻率40kHz5電流檢測與電壓檢測6用DSP實現PWM控制 主電路選型在諧振開關技術中最適合脈沖電容充電的電路是串聯諧振開關電路輸出近似為恒流源或稱等臺階充電突出的優點是充電效率高且具有固有短路保護能力6其主電路如圖3-1所示由于電源功率大采用全橋型電路高頻變壓器的副邊也采用二極管整流橋進行整流圖3-1 電容充電電源主電路示意圖圖中為串聯諧振電感

39、 含變壓器漏感和線路分布電感 為串聯諧振電容其工作原理和具體參數將在下面給出電路的工作原理及方式直流電壓由市電經過整流得到經過逆變電路逆變為頻率很高的方波交流電此高頻方波交流電在經高頻變壓器生壓后由二極管整流橋整流輸出穩定的直流電流向電容C進行充電設為IGBT的開關頻率為諧振頻率串聯諧振變換器按大小有3種工作方式1方式一 2 電流斷續工作此方式下開關損耗低且干擾小可實現開通時電流緩慢增加關斷時為零電流關斷2方式二 2 電流連續工作可實現零電流關斷但開通時同一橋臂上的兩個開關管存在強迫換流故開關損耗較大干擾大3方式三 電流連續工作零電壓開通和硬關斷開關損耗和干擾較大因線路存在電感斷時產生的電壓尖

40、峰較高極易損壞開關器件7現在以圖3-2的電路來分析一下串聯負載DCDC變換器的這三種運行方式a串聯負載DCDC變換電路b等效電路圖3-2 串聯負載DCDC變換電路及等效電路由圖可知電感和電容形成串聯諧振并與負載串聯經過諧振的電流在負載端被全波整流輸出端的濾波電容C足夠大可以認為電容C兩端電壓是沒有波紋的直流電壓為了簡化分析假定諧振電路中的電阻損耗可以忽略不計輸出電壓可以反射到整流橋的輸入端以表示如果為正為負若開關T導通電流為正時流經T反之流經二極管D-與此類似為負時若開關T-導通電流流經T反之流經二極管D因此對圖3-2a來說可有如下四種狀態1當 0時T導通 D-導通 2當 0時T-導通 D導通

41、 諧振槽上的電壓取決于電流的方向以及哪個開關器件導通上述方程所描述的狀態可以用圖3-2b所示等效電路來表示應該注意使用這個等效電路時應按不同的時間間隔來計算在每種時間間隔內要確定其出使條件并把和看作一個直流電壓在穩態對稱運行時兩個開關器件的工作狀態是相同的與此相似兩個二極管的工作狀態也是相同的因此只要對半個運行周期進行分析即可知道整個周期的狀態因為另外半個周期的運行狀態與此對稱此串聯諧振電路的開關頻率由電路中的開關器件來控制它可以比諧振頻率低也可以比諧振頻率高根據和的不同比值電流有連續和不連續之分起運行狀態可分為下面的三種情況com1 斷續導通 2 應用諧振方程可計算出電流和電壓的穩態波形如圖

42、3-3所示在時刻開關T開通電感電流從零開始建立電容電壓的初始值為電流和電壓在各區間的等效電路示于圖3-3中在時刻滯后180°電感電流開始反向因為開關T-尚未開通電流只能流經二極管D向電源回饋能量在之后的180度內峰值電流較小當達到零之后如果電路中開關器件未開通電流一直為零由于電路中電流電壓是對稱運行的在斷續期間電容電壓等于2相對于為負值因為以電流成為斷續狀態在時刻開關T-開通下半周開始工作其電流電壓波形前相同但極性相反電路的開關頻率可從T兩次開通為一個周期來計算由圖可知開關頻率小于諧振頻率的一半也就是說一個開關周期內諧振電流已震蕩兩次另外還有兩段停止工作時間開關頻率的半個周期超過了諧

43、振電流的360°所以 2被整流的電感電流等于輸出直流電流負載電壓為圖3-3 電流斷續運行com2 連續導通 2 圖3-4為2 時諧振電流連續運行狀態的波形圖圖3-4 電流連續運行由圖可知開關T在處開通開通條件不是零電流和零電壓條件開關T導通時間小于180°在處反向電流流經二極管D于是開關T自然關斷在處T開通電流從二極管D轉向開關T-與斷續運行相比因為開關T-提前開通所以D導通時間也小于180度這種狀態運行開關不是在零電壓和零電流條件下開通所以產生了開通損耗此外為了避免對開關有過大的反向峰值電流和過大的二極管損耗二極管必須有良好的反向恢復特性例如在處開關T-開通時原來導通的二

44、極管D不能立即關斷于是通過D的反向電流會給正在開通的T-開關增加了電流負擔因為電感電流經過開關過零而且經續流二極管反向所以開關是在零電流零電壓條件下自然關斷的com3 連續導通 這種運行狀態與以前討論的連續導通狀態有所不同當2 時電流是連續的其開關自然關斷但開通并非零電流條件當 時電流也是連續的開關的關斷是強迫關斷開通具有零電流和零電壓條件圖 3-5 電流連續 圖3-5示出了 時的電路波形由圖可知T開關在零電流條件下與處開通且開始反向在處震蕩電流未達到零之前開關T被強迫關斷正向電流被迫經二極管D-流通此時加在諧振槽的電壓為較大的負電壓所以流經二極管D-的電流很快在處減小為零此后電流反向當二極管

45、D-開始反向導通時開關T-立即開通開關T-關斷之后二極管D導通開關T和二極管D-的導通時間為開關頻率的半個周期此半個周期小于諧振頻率的半個周期三種方式中方式一在絕緣柵雙極晶體管 IGBT 開通和關斷時損耗都最小被選作恒流充電電源的工作方式其工作時諧振電流波形見圖3-6 忽略圖放電保護電路的影響設為電容電壓折算至變壓器原邊的電壓則理想情況 輸入電壓恒定變壓器及半導體器件為理想器件 下在期間在期間充電電流平均值 3-1由上式可見在諧振參數和輸入電壓一定時充電電流與開關頻率成正比開關頻率恒定則充電電流恒定充電電流與負載電壓無關因而具有較強的抗負載短路能力8圖3-6 諧振電感電流波形主電路的各項參數c

46、om1諧振參數充電電路的系統結構見圖3-7圖3-7 系統結構圖圖中R1R2D1為放電保護電路為串聯諧振電感 含變壓器漏感和線路分布電感 Cr為串聯諧振電容因負載電容的影響可忽略不計故有式中n為變壓器變比為諧振頻率為諧振周期為開關頻率為開關周期9現已確定開關頻率 20kHz由220V交流電通過二極管直接得到其值為311V由于電路將工作在方式一下即 2所以諧振頻率要要略大于40kHz即 40Hz取高頻變壓器變比n 15變壓器原邊電壓為311V方波電壓供電其基波有效值198V取264HC取06F這樣有 411Hz 663輸出電流按式3-1計算 199 A充電電流基本符合要求com2 輸入整流如圖3-

47、8為了使電路給逆變器提供一個穩定的電壓輸入整流段需進行變壓器隔離和濾波且在電流輸入端設置一熔斷器為電源提供保護防止電流過大而損害設備圖3-8 輸入整流電路com3 輸出整流 由于功率大輸出整流采用橋式整流電路但由于輸出電壓較高將超過單個二極管所承受的最高反向電壓為安全起見下圖3-9中的每個二極管將由三個二極管串聯起來一起使用并選用快恢復二極管圖3-9 輸出整流電路com4逆變參數在主電路中IGBT選擇富士電機公司的2MBI175N-120電流控制電路如圖3-10其具體參數和電路見表3-1圖3-10 IGBT電流控制電路表3-1 IGBT具體參數項目符號額定值單位集電極電壓1200V門極電壓V集

48、電極電流連續75A1ms脈沖150A連續-75A1ms-脈沖150A最大能量消耗600W工作溫度150存儲溫度- 40到125絕緣電壓交流25001分鐘V調節扭矩裝備135接線端135控制及觸發電路的設計 電壓電流檢測如圖3-7所示電路的控制及觸發信號的產生均由DSP芯片產生電路的控制很簡單在DSP檢測到充電電容的電壓達到要求值后關斷IGBT的驅動信號即可其檢測信號由霍爾電壓傳感器來完成霍爾電壓傳感器把檢測到的電壓信號經過AD轉換器輸入到DSP內DSP把進來的電壓信號與設定的信號進行比較當電壓信號大于設定值時發出控制信號關斷PWM波輸出圖3-11 霍爾傳感器端子說明IN輸入電壓正IN 輸入電壓

49、負正電源-負電源M輸出端公共地霍爾傳感器的輸出端M接AD轉換器把數字信號轉換為電壓信號輸入給DSP10輸出電流也采用霍爾電流傳感器采集信號為DSP提供控制信號和保護信號 IGBT的驅動IGBT的驅動信號充分利用了DSP的功能DSP產生PWM驅動信號但此PWM信號的驅動能力較差不能直接驅動IGBTDSP的驅動信號需經放大信號放大在進行驅動在此選富士電機公司EXB840841是高速型最大40kHz 運行其內部電路框圖如圖所示它為直插式結構額定參數和運行條件可參考其使用手冊EXB系列驅動器的各引腳功能如下腳1連接用于反向偏置電源的濾波電容器腳2電源 0V 腳3驅動輸出 腳用于連接外部電容器以防止過流

50、保護電路誤動作大多數場合不需要該電容器 腳5過流保護輸出 腳6集電極電壓監視 腳78 不接 腳9電源 腳1011不接 腳415驅動信號輸入由于本系列驅動器采用具有高隔離電壓的光耦合器作為信號隔離因此能用于交流380V的動力設備上IGBT 通常只能承受10s的短路電流所以必須有快速保護電路EXB系列驅動器內設有電流保護電路根據驅動信號與集電極之間的關系檢測過電流其檢測電路如圖a所示當集電極電壓 高時雖然加入信號也認為存在過電流但是如果發生過電流驅動器的低速切斷電路就慢速關斷IGBT從而保證1GBT不被損壞如果以正常速度切斷過電流集電極產生的電壓尖脈沖足以破壞IGBT關斷時的集電極波形如圖 b 所

51、示IGBT在開關過程中需要一個15V電壓以獲得低開啟電壓還需要一個5V關柵電壓以防止關斷時的誤動作這兩種電壓15V和5V均可由20供電的驅動器內部電路產生如圖C 所示DSP品種繁多數不勝數僅是大的DSP生產廠家就有TI公司LucentTTADMotorola等公司其中TI公司被公認為DSP領域的技術領導者和開拓者本課題決定采用TI公司專為數字電機控制而設計的TMS320F240芯片它采用CMOS集成電路技術與所有的TMS320F2xx系列一樣F240芯片具有高性能運算能力的16位定點DSP內核和高效的指令集通過把一個高性能的DSP內核和微處理器的片內外圍設備集成為一個芯片的方案F240成為傳統

52、的徽處理器和昂貴的多片設計的一種廉價的替代品每秒2k萬條指令的處理速度使F240 DSP控制器可以遠遠超過傳統的16位微控制器和微處理器的性能F240器件的16位定點DSP內核為模擬系統的設計者提供了一個不犧牲系統精度和性能的數字解決方案TMS320F240外型見圖3-14TMS320F24具有一個32位的中央算術邏輯單元和累加器CALU具有獨立的算術單元和輔助寄存器算術單元執行一系列的算術和邏輯運算乘法部分由乘法器乘積寄存器 PREG 暫存寄存器 TREG 和乘積移位器四部分組成高速乘法器使F240可以高效地完成卷積相關和濾波等數字信號處理中的基本運算在將乘積寄存器的值送入CALU之前乘積移

53、位器將對乘積寄存器值進行定標操作TMS320F240還包含輔助寄存器算術單元這類算術單元獨立于CALUARAU的主要功能是對8個輔助寄存器 從AR0到AR7 執行算術操作該操作可與CALU中的操作并行進行為加強信號處理能力TMS320F240采用改進的哈佛結構即獨立的程序和數據存儲空間和總線結構程序總線傳輸程序存儲空間內的指令代碼和立即操作數數據總線將數據存儲空間與CALU輔助寄存器等部分連接到一起而且程序和數據總線都可以在一個指令周期內將片內數據存儲器片內或片外程序存儲器中的數據送入乘法器以完成一次乘加運算TMS320F240具有很高的并行機制數據在CALU中被處理的同時在ARAU中還可以進行算術操作這種并行機制的結果是在一個指令周期內可以完成一系列算術邏輯和位操作圖3-14 DSP引腳圖TMS320F240是該系列DSP控制器推出的第一個標準器件它確定了單片數字電機控制器的標準其指令執行速度是20MIPS幾乎所有的指令都可以在一個50ns的單周期內執行完畢這種高性能使復雜控制算法的實時執行成為可能例如自適應控制和卡爾曼濾波非常高的采樣速率也可以用來使環路延遲達到最小TMS320F240不僅有高速信號處理和數字控制功能所必需的體系結構特點而且它有為電機控制應用提供單片解決方案所必需的外圍設備F24