1、學校代碼 10126 學號 00812032 分 類 號 密級 本科學期論文（設計）高頻開關電源的設計學院、系 電子信息工程學院電子工程系 專業名稱 電子信息科學與技術 年 級 2008 級 學生姓名 孫哲琦 指導教師 竇海峰 2010 年 9 月 28 日 內蒙古大學本科學年論文(設計) 高頻開關電源的設計摘要：通信電源是電信網的能源，其供電質量的好壞直接關系到整個電信網的暢通，本課題首先分析了近年來國內外高頻通信開關電源的發展狀況，在理論分析和電路實驗的基礎上，開發出了一種新型的高頻通信開關電源（交流配電模塊、直流配電模塊、4只高頻開關整流模塊和監控模塊置于同一機架內） ，該電源優化了電路

2、的主要參數，設計了相移脈寬調制零電壓開關諧振（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，實現了功率開關管的零電壓開通和近似零電壓關斷，研制出高效率（達93%） 、高穩定度(0.5%） 、高可靠性、低電磁干擾的高頻開關整流模塊。同時文中還提到了以MCS-51單片機電路為核心的的電源監控模塊與監控設計思路。保證了整機能夠安全可靠工作。關鍵詞：高頻開關電源，相移脈寬調制，模塊 內蒙古大學本科學年論文(設計) 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 內蒙古大學本科學年論文(設計) 目 錄1 緒論.11.1 開關電源的發展及

8、國外現狀.11.2 國內通信電源的發展及現狀.21.3 研究內容.32 電路原理方案分析和選擇 .52.1 高頻開關整流模塊.52.2 直流配電模塊.82.3 監控模塊.93 主要電路設計.123.1 高頻開關整流模塊主電路的設計.12 結論 .17致謝 .18參 考 文 獻.19 內蒙古大學本科學年論文(設計) 第 1 頁 1 緒論1.1 開關電源的發展及國外現狀 開關電源就是用通過電路控制開關管進行高速的導通與截止將直流電變為高頻率的交流電提供給變壓器進行變壓，從而產生所需要的一組或多組電壓的電源。通信設備發生故障時，可能會影響部分用戶或使接通率下降。而電源發生故障時，將會造成通信全部中斷

9、，所以人們一直將電源視為整個通信系統的心臟，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換成穩定的直流電接入通信設備，二次電源一般位于通信設備內部，將一次電源的直流電轉換成多種電壓值的穩定直流電以供通信設備內部各部分使用。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備的一次電源使用。在隨后的 20 年內，由于半導體工藝的進步，可控硅的電壓、電流額定值及其它特性參數得到了不斷提高和改進，滿足了通信設備不斷發展的需要，因此，直到 70 年代，發達國家還一直將可控硅整流器作為大多數通信設備的一次

10、電源使用。雖然可控硅整流器工作穩定，能滿足通信設備的要求，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，功率因數低，穩壓精度也較低。因此，自 1947 年肖克萊發明晶體管，并在隨后的幾年內對晶體管的質量和性能不斷完善提高后，人們就著力研究利用晶體管進行高頻變換的方案。1955 年美國羅耶（GHRoger）發明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，是實現高頻轉換電路的開始，1957 年美國查賽（J. J. Jen Sen.）又發明了自激式推挽雙變壓器變換器電路。在此基礎上，1964 年，美國科學家提出了取消工頻變壓器的串聯開關電源的設想，并在 NEC

11、雜志上發表了“脈寬調制應用于電源小型化”等文章，為使電源實現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時間的縮短等元器件性能的改善，1969 年終于做成了 25KHz 的開關電源。電源界把開關電源的頻率提高到 20KHz 以上稱為電源技術的“20KHz 革命” 。開關電源技術的這一新的發展，在世界上引起了強烈的反響和重視，開關電源的研究成了國際會議的熱門話題。 內蒙古大學本科學年論文(設計) 第 2 頁 經過幾年的努力，從開關電源的電路拓撲型式到與其相配套的元器件等研究都取得了相當大的進展。隨著通信用開關電源技術的廣泛應用和不斷深入，實際工作中人們對開

12、關電源提出了更高的要求，提出了應用技術的高頻化、硬件結構的模塊化、軟件控制的數字化、產品性能的綠色化、新一代電源的技術含量大大提高，使之更加可靠、穩定、高效、小型、安全。在高頻化方面，為提高開關頻率并克服一般的 PWM 和準諧振、多諧振變換器的缺點，又開發了相移脈寬調制零電壓開關（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 方式硬開關造成的較大的開關損耗的缺點，又實現了恒頻工作，克服了準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。采用這種工作原理，

13、大大減小了開關管的損耗，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分布參數的敏感性，拓寬了開關器件的安全工作區，在一定程度上降低了對器件的要求，從而顯著提高了開關電源的可靠性。1.2 國內通信電源的發展及現狀早期，科研技術人員開發了以國產大功率電動發電機組為主的成套設備作為通信電源。在引進原民主德國 FGD 系列和前蘇聯 BCC51 系列自動化硒整流器基礎上，借鑒國外先進技術，與工廠共同研制成功國產 XZL 系列自動化硒整流器，并在武漢通信電源廠批量生產，開始用硒整流器裝備通信局（站） ，替換原有的電動發電機組，這標志著我國國產通信電源設備躍到一個新的水平。我國 8

14、0 年代開始生產 20KHz DC/DC 變換器，但由于受元器件性能的影響，質量很不穩定，無法作為通信設備的一次電源使用。只是作為通信設備的二次電源使用（二次電源對元器件的耐壓及電流要求較低） 。直到上世紀 90 年代初，我國大多數通信設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、性能指標低，不易實現集中監控。由于通信事業發展的需要，八十年代后期，郵電部加強了通信電源技術發展的各項工作，制訂了“通信基礎電源系統設備系列暫行規定” ， “通信局（站）電源系統總技術要求”和電源設備行業標準等文件，多次派代表參

15、加國際電信能源會議，并在八十年代后期才第一批引進了澳大利亞生產的 48V/50A（開關頻率為 40KHz）和 48V/100A（開關頻率為 20KHz）的高頻開關電源，在吸收國外先進技術的基礎上，投入較大的力 內蒙古大學本科學年論文(設計) 第 3 頁 量，開始研制自己的開關電源。郵電部武漢電源廠、通信儀表廠等廠家開發出了自己的以 PWM 方式工作的開關電源，并推向電信行業應用，取得了較好的效果。隨后郵電部對電源提出了更新換代和實現監控（包括監控）的要求，眾多廠家都投入力量研制開發，推出了采用 PWM 技術的高頻開關電源，有些廠家還推出了實現遠程監控的解決方案，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、功率場效應管、絕緣柵雙極晶體管的半橋或全橋電路，其開關頻率為幾十至 100KHZ、效率高于 90%、功率因數接近 1、穩壓精度優于 0.5%、模塊化組合的高頻開關電源，電信行業成套電源技術提高到了一個嶄新的水平。最近幾年來，為了提高開關電源的可靠性，進一步提高轉換效率，提高工作頻率，減小體積，并降低電磁干擾，在吸收國外最新進展的基礎上，開始了準諧振、多諧振開關變換器和相移脈寬調制零電壓（零電流）諧振變換器的研究實驗工作。尤其是由于后者具有較多的優點，受到了大家的重視，投入了較多的研究力量，取得了一些進展，提高了效率、可靠性，降低了電磁

17、干擾，并已有少量應用，但總的來說仍處于研究探索階段。從整體性能看，我國通信電源設備與國外同類產品相比存在一定的差距。主要差距在工作的可靠性、穩定性和技術性能等方面。因此，組織力量研制開發具有自主知識產權、技術含量高的新一代通信電源，對振興民族工業，提高產品的質量和市場競爭力，提高開發隊伍的研究水平都具有重要意義。 1.3 研究內容HE 型程控交換機系列（備用）電源采用可控硅整流技術，將交、直流屏組合到一個機架內成為組合電源，主要在鄉鎮郵電局程控機房使用。后根據郵電部對通信電源更新換代的要求，于 1997 年，HE48 型高頻開關電源又研制成功，這種電源主要用于鄉鎮程控交換機房。采用 PWM 脈

18、寬調制高頻開關變換技術，開關頻率為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、整流器和監控部分都實現了模塊化，并置于同一機架內（圖 1.1） 。監控模塊以單片機為核心，可監控交、直流屏及多個整流模塊的工作參數，并可通過其 RS232 接口實現集中監控。但經過幾年的運行發現，整流模塊的功率管發熱較嚴重，個別模塊出現故障時，發現基本都是功率管擊穿燒毀。針對以上情況，我認為應該從以下方面加以改善：將原來整流模塊所采用的脈寬調制（PWM）半橋式電路改為相移脈寬調制零電壓開關(諧振)全橋變換器。該變換器同時具有 PWM 方式 內蒙古大學本科學年論文(設計) 第 4 頁

19、和準諧振、多諧振開關變換器的優點，只是在開關轉換時采用諧振方式，開關轉換后仍采用 PWM 工作方式，既實現了軟開關，大大降低了開關損耗，又以恒頻方式工作，避免了準諧振、多諧振開關變換器工作頻率變化及正弦波電流峰值大的缺點。經運行表明，整流模塊的功率開關管發熱情況顯著改善，整流模塊效率提高了 3-4%，整機可靠性大為提高，在此基礎上研制了新型高頻開關電源。主要研究內容為：新型高頻開關電源整機由 4 個 48V/25A 高頻開關整流模塊、交流配電模塊、直流配電模塊、監控模塊組成，置于同一機柜內。具有多路直流穩壓輸出，可分別給程控交換機、光端機等通信設備供電。由于該電源全自動化工作，又具有集中監控功

20、能。48V/25A 相移脈寬調制零電壓（零電流）諧振全橋變換器電路和以集成相移脈寬調制控制器為核心的控制電路。經反復實驗優化主要電路參數，使高頻開關整流模塊穩定可靠工作，轉換效率達 93%，穩壓精度達0.5%。 以 MCS-51 單片機電路為核心的監控模塊，實現對交、直流屏，多個高頻開關整流模塊的監控，并可通過互聯網實現縣郵電局對各個縣鎮郵局電源的集中監控，實現遙信、遙測、遙控三遙功能。 圖 1.1 開關電源整機框圖遠程監控模塊整流模塊 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 內蒙古大學本科學年論文(設計) 第 5 頁 2 電路原理方案分析和選擇程控交換機等通信設備一旦

21、安裝開通，就長期連續工作，不能間斷，因此要求通信電源第一應具有高效率、高可靠性，并能長期連續穩定工作，第二應實現全自動化，無需工作人員直接操作，第三應具有監控和三遙（遙測、遙信、遙控）功能。為了減小整機體積和重量，并增加備份，方便擴容，電表單元、交流配電模塊、高頻開關整流模塊、直流配電模塊、監控模塊等部分置于同一機框內。根據電源容量需要，裝入適當塊數的高頻開關整流模塊，隨著交換機容量的擴大，還可陸續增加整流模塊，以滿足通信設備的需要。2.1 高頻開關整流模塊 由于該電源的高頻開關整流模塊的輸出既對通信設備供電也同時給額定電壓為48 蓄電池組充電，因此其最高輸出電壓可達 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其供電。56.4 251410AW開關電源采用常規的 PWM 方式工作，在開關轉換期間，功率器件上會同時承受高電壓和大電流，造成轉換時功率損耗較大，有時功率器件發熱嚴重，影響可靠性，而且隨著工作頻率的提高，這種現象更為嚴重。為了減少開關損耗，提高工作頻率并增加可靠性，人們在 PWM 硬開關的基礎上提出幾種軟開關電路拓撲，主要有準諧振開關變換器（QRC） ，多諧振開關變換器（MRC）以及相移脈寬調制零電壓（零電流）諧振變換器。準諧振變換器和多諧振變換器優點是工作在諧振狀態，實現了軟開關，大大降低了開關損耗，而且可以吸收電路的寄

23、生參數（不在乎電路的寄生參數存在） ，幾乎不產生電磁干擾。缺點是輸出同樣功率時，與 PWM 方式相比，其正弦波電流峰值較大，對開關器件要求較高，此外其正弦波較高的峰值電流引起的正向導通損耗增大，在一定程度上又抵消了一些降低開關損耗的好處，而且工作頻率隨輸入電壓和負載變化有一定的變化范圍，不便設計輸出濾波電路的參數。相移脈寬調制零電壓開關(諧振)變換器仍采用 PWM 工作方式，只在開關轉換時采用諧振 內蒙古大學本科學年論文(設計) 第 6 頁 方式，這樣既克服了 PWM 方式硬開關造成的較大開關損耗問題，又實現了恒頻工作，避免了準諧振和多諧振開關變換器工作頻率變化及正弦波電流峰值大的缺點。 相移

24、脈寬調制零電壓開關(諧振)變換器必須用全橋電路實現，其原理電路如圖 2.1 所示。O圖 2.1 相移脈寬調制零電壓開關（諧振）變換器原理框圖從電路形式上看，它與常規的 PWM 全橋變換器電路完全相同。PWM 變換器采用兩個對角開關器件同時驅動導通，將輸入電壓交錯加到高頻變壓器的初級，并用改變占空比即導通時間的方法實現調整。而在相移 PWM 電路中，四個開關管連續工作在約 50%（略小于 50%）的固定占空比上，然后控制左右兩個半橋支路之間的相位關系，通過改變輸出脈沖的寬度進行調整，當對角開關管同時導通時才輸出功率。當接于電源正端的上部開關管（V1、V3）或接于負端的下部開關管（V2、V4）同時

25、導通時，變壓器初級實質上被短路，并被鉗位于相應的輸入電源母線端。由變壓器漏感維持電流，創造了實現諧振轉換的條件。因此，相移脈寬調制全橋電路同時具有脈寬調制電路和諧振電路的優點，選用此種電路，不但電路簡單，而且容易獲得較高的技術性能，也可顯著提高開關變換器的可靠性。功率器件主要有雙極型晶體管（GTR） ，功率場效應管（MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。作為開關功率器件，雙極型晶體管因出現的早，過去用的 內蒙古大學本科學年論文(設計) 第 7 頁 較多，價格較低，飽和壓降較小，但這種管子的輸入是電流驅動，基極驅動功率較大，驅動電路也較復雜，而且這種器件由飽和狀態到關斷狀態時，由于要

26、將過量的少數載流子從基區除去，所以有一個過渡的存儲時間（一般常達幾個 s） ，只有經過此段存儲時間以后，器件才開始關斷，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會產生二次擊穿現象，安全工作區窄，器件并聯使用時，均流比較麻煩。場效應管是電壓驅動器件，輸入阻抗很高，幾乎不需要驅動功率，大大減化了驅動電路，有時可由 CMOS 電路和集成電路直接驅動，該種器件不像雙極型晶體管有少數載流子儲存在基區電荷中，而是多數載流子器件，它不存在存儲效應，沒有存儲時間，高的開關

27、速度使器件在高頻下可有效工作，提高了開關電源的工作頻率。這種器件不存在二次擊穿現象，它的安全工作區范圍寬，由電壓、電流的額定值和功率負荷所決定。場效應功率管和雙極型功率管安全工作區的比較如圖 2.2 所示，從圖中可看出，在額定電壓電流相同情況下，場效應管的安全工作區明顯較大。由于該種器件的漏源導通電阻 RDS（ON）具有正溫度系數，當溫度升高時，RDS（ON）增大，當器件并聯應用時，有自動均流作用，均流電路可以非常簡單。該種器件的缺點是導通壓降較大，而且對靜電感應敏感，需要適當的靜電放電保護措施。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是新出現的一種器件，是由場效應管和雙極型晶體管組合而成，其輸入電路如

28、同場效應管，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效應管所具有的一些優點，而且耐壓高，額定電流大，但其開關輸出脈沖的后沿有一個 1s 長的拖尾電流，工作頻率不能做的太高，而且價格較貴，通常認為，在中、小功率范圍內，采用場效應管是適宜的，其開關頻率很高，可以減少整個電源的體積、重量和成本，驅動可以采用簡單的脈沖變壓器，通過管子并聯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，對功率器件耐壓和額定

29、電流要求較低，并且應盡量使電路簡化，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 場效應管。 內蒙古大學本科學年論文(設計) 第 8 頁 由于功率轉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，應使用具有低的正向壓降，小的反向電流，低的反向恢復時間和軟恢復特性，同時具有足夠的耐壓，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特性的快恢復二極管，以減小電源所產生的噪聲。高頻變壓器是變

30、換器電路的關鍵部件之一，由于功率器件性能的改善以及軟開關技術等的采用使得開關器件損耗大為降低，因此，降低高頻變壓器的損耗已成為提高開關電源效率的重要因素。硅（硒）鋼片磁感應強度雖然很高，但在高頻下損耗大不能使用。鐵氧體磁性材料電阻率高、高頻損耗小，但它的飽和磁感應強度太低，所以使用時，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。非晶態合金是近年來發展起來的新材料，其磁感應強度高，電阻率大，對渦流阻力大，矯頑力小，損耗低，但以 U 型供貨的磁芯磁感應強度大大降低，而以環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電源需求還有待進一步解決。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的比較 內蒙古大學本科學年論文(設計) 第 9 頁 2.2 直流配電模塊該部分將 4 塊高頻開關整流模塊的輸出匯合后分成兩路，一路直接給蓄電池充電，另一路經電壓調整后輸出，給程控交換機等通信設備供電（圖 2.3） 。如果市電中斷，蓄電池能自動對通信設備供電，若停電時間過長，蓄電池電壓降至 44V 時，檢測控制電路立即將蓄電池的供電電路自動切斷，防止蓄電池過放，以保護蓄電池。該部分還應將充電電壓、

32、總電流、輸出電壓、電流轉換成相應的直流信號，供監控模塊檢測。整流模塊1整流模塊n蓄電池組穩壓電路檢測控制電路電壓/電流 檢測輸出直流輸出圖 2.3 直流配電模塊原理框圖2.3 監控模塊監控模塊的功能應為：檢測 4 只高頻開關整流模塊，交流配電模塊以及直流配電模塊的電壓、電流等參數并顯示某些重要參數。通過對整流模塊工作狀態的檢測，判斷其工作狀態是否正常，當工作不正常，而整流模塊的本身控制保護電路又沒有動作時，監控模塊可使其自動停止工作，并產生聲光報警信號，實現雙重保護，以保證電路安全；通過對交流電壓的測量，在其電壓過高或過低時也使整流模塊自動停止工作，當市電電壓恢復正常時，又能使整流模塊自動開始

33、工作。當市電停電時間較長，蓄電池出現欠壓時，可自動切斷其供電，防止蓄電池過放，當市電來電，蓄電池電壓上升后，又可自動恢復供電。還應具有本地監控功能。本地監控時通過其 RS232 串行接口和本地計算機相 內蒙古大學本科學年論文(設計) 第 10 頁 連實現；當電源的某部分出現故障時，監控模塊的面板上會點亮相應的指示燈，并主動將故障情況報告給本地監控計算機，計算機可以巡檢并顯示電源各部分的電壓值、電流值、運行狀態和故障內容，也可實現對電源的開機、關機、浮充/均充等工作狀態轉換和異常情況告警。為完成上述功能，監控模塊的電路以單片計算機80C31 為核心，擴展輸入、輸出 I/O 接口和 A/D 轉換，

34、液晶顯示等外圍電路，由于要檢測的模擬量多達 20 多個，因此采用具有多路輸入的 ADC0809 進行模/數轉換。由于農村鄉鎮的工作環境惡劣，供電情況也差，為保證可靠工作，在硬件和軟件方面都應采取措施， 增強抗干擾能力。監控模塊的電路方框圖如圖 2.4 所示。 整機系統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，經分配后，給4 只高頻開關整流模塊提供單相交流電，高頻開關整流模塊將交流電轉換成電壓穩定的直流電，接入直流配電模塊匯總后，給蓄電池充電，并時對程控交換機等通信設備供電。監控模塊對整機各部分進行檢測，執行控制、保護、告警及顯示等項功能。并可通過 RS232 接口與本地進行

35、通信，實現集中監控。圖 2.4 監控模塊電路方框圖 內蒙古大學本科學年論文(設計) 第 11 頁 單片機監控模塊整流模塊1整流模塊交流配電單元直流配電單元本地PC機RS232圖 2.5 整機組成原理框圖由于采用 VMOS 場效應功率管，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，而磁芯損耗和開關損耗卻都會增大。綜合考慮所使用的功率開關管的性能、變壓器及濾波元件的尺寸大小，磁芯損耗和開關損耗，確定開關頻率為 50KHz。 內蒙古大學本科學年論文(設計) 第 12 頁 3 主要電路設計3.1 高頻開關整流模塊主電路的設計根據開關電源對高頻開關整流模塊的技術要求及相應

36、的電路方案選擇，高頻開關整流模塊采用如下的原理電路圖（圖 3.1）：220vF1D1-D4C1V1V2C2LcB1D5C3R2D6C4R1V3V4C5C6F2R3R4+-L1L0圖 3.1 高頻開關整流模塊主電路原理電路圖相移脈寬調制零電壓開關(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的 PWM 全橋變換器電路相同，但開關 內蒙古大學本科學年論文(設計) 第 13 頁 管的驅動和工作方法是完全不同的。實際上，每個半橋支路上的開關管（左支路 V1、V2，或右支路 V3、V4）的驅動波形的占空比略小于 50%，存在一定的死區時間（即延遲時間） ，

37、設置延遲時間既是為了防止橋路直通造成電源短路，也是實施諧振的必要時間。圖 3.2（a）中所示的開關管都是由理想的 MOSFET 管、結電容、本體二極管組成，相移諧振工作是利用開關管內部的結電容和本體二極管來進行工作的。在 to 時刻之前，假定開關管 V1、V4 導通，流過變壓器初級的電流將功率傳遞給負載。在 to 時刻，V4 管關斷，由于輸出電感 Lo的反射作用，繼續流動，V4管已關斷，流 V3 管的結電容，使 C4 電荷增加，C3 上電荷減小，節點 B 的電壓諧振上升，直到 t1 時刻，V3 管的本體二極管 VD3 正向偏置，VD3導通并鉗位，直到V3 導通，這樣就實現了 V3 管的零電壓導

38、通。t2 時刻為 V4 管、V3 管之間轉換，右支路的死區時間的結束，此時電流繼續流過 V1、 V3，但沒有電壓加到變壓器初級繞組。A（a） 內蒙古大學本科學年論文(設計) 第 14 頁 ZVS區V死區時間(b) (c) 圖 3.2 相移 PWM 全橋電路及其波形（a）電路；（b）波形；（c）右支路開關實現零電壓開關的諧振機理 右支路開關實現零電壓轉換的諧振機理如圖 3.2（C）所示。隨后，V1 管關斷，在橋路的左支路死區時間內，節點 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現無損耗開通，其作用機理與右支路類似。雖然轉換機理類似，但二者區別較大，

39、在右支路 V3、V4 管轉換前，變壓器中流動著負載電流，輸出濾波電感折合到初級，該電流使節點 B 的電壓迅速升高，而左支路 V1、V2 管轉換時，只有變壓器的勵磁電流和漏感起作用，因此，左支路比右支路轉換需要較長的死區時間。在設計和調整電路時應充分注意這一問題。 由于檢測和控制的參量較多，其中需檢測的模擬量為 22 個，開關量為 2 個，要控制的開關輸出量為 48 個，因此，在電路設計上，以單片機 80C31 為核心， 使用部分 P2 口線和譯碼器擴展了數量較多的模擬輸入接口和數字輸入/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，只讀存儲器 27256（32K8）

40、存儲程序，靜態隨機存儲芯片 62256 存儲檢測的數據，3 只 8 通道、8 位 A/D 轉換器 ADC0809 對 4 個整流模塊的輸出電壓、電流、蓄電池充電電壓、電流、整機輸出電壓、電流、輸放電壓等 22 個模擬量進行 A/D 轉換，轉換后的數字量由 P0 口輸入。80C31 接收到檢測數據后，一方面驅動 LCD 分屏幕進行顯示，另一方面與額定值進行比較，判斷整流模塊的輸出電壓是否正常，蓄電池是否欠壓，交 內蒙古大學本科學年論文(設計) 第 15 頁 流輸入電壓是否過壓、欠壓、缺相，若出現異常，立即發命令關斷相關整流模塊，或讓蓄電池停止供電，并點亮（送出 5V 信號）相應告警發光管，驅動蜂鳴器發聲告警。若情況恢復正常，稍微延遲后，80C31 將（去掉 5V 信號）取消聲光告警，并開通相應的整流模塊。均充/浮充轉換由鍵盤輸入命令，80C31 先將整流模塊關斷，再進行轉換，轉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