1、题 目：30KA/60A 直流开关电源控制电路设计 学生姓名： 院 （系）： 专业班级： 指导教师： 完成时间： 20 年 月 日 要 求1、开题报告是毕业设计（论文）的总体构想，由学生在毕业设计（论文）工作前期独立完成。2、开题报告正文用 A4 纸打印，各级标题用 4 号宋体字加黑，正文用小 4 号宋体字，20 磅行距。3、参考文献不少于 5 篇（不包括辞典、手册） ，著录格式应符合 GB7714-87文后参考文献著录规则要求。4、年月日等的填写，用阿拉伯数字书写。要符合关于出版物上数字用法的试行规定 ，如“2005 年 2 月 26 日” 。5、所有签名必须手写，不得打印。1. 课题的意义
2、开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，一般由脉冲宽度调制（PWM ）控制 IC 和 MOSFET 构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入 80 年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入 90 年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已
3、广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率却不尽相同。线性电源的成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地快速更新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。开关电源具有： （1）效率高 直流开关电源的调整开关管工作在开关状态，截止期间，开关元件漏电流极小，因此功率消耗小而效率高，通常可达到 80%-90%以上。功耗小使得机内温升亦低，周围元件不会因长期工作在高温环境下而损坏，有利于提高整机的可靠性和稳定性。而传统的线性稳压
4、电源的晶体管一直工作在放大区，全部负载电流都通过调整管，因而损耗大，效率低，一般只在 50%左右，功率等级也比较低。 （2）稳压范围宽 从本质上说，线性稳压电源的电压调整作用是靠调整管的“变阻” 作用实现的，因而调压范围小。直流开关电源的电压调整作用是通过对直流电压进行脉宽调制而实现的，因而线性控制区域大，调压范围宽，在交流电压变化较大时，直流开关电源仍能达到很好的稳压效果。 （3）体积小重量轻 开关电源可将电网输入的交流电压直接整流再进行 PWM 控制，这样可省去笨重的电源变压器( 为了和高频变压器相区别，电源变压器又称为工频变压器)，使电源的体积大大缩小，重量减轻。在隔离式开关电源中，高频
5、隔离变压器由于频率高而可以使体积小、重量轻。 （4）安全可靠 直流开关电源一般都有辅助电路，以提供自动保护功能。 综上所述，这些优点使得开关电源显出明显优势，因此对开关电源的研究就很必要了。开关电源的主电路主要是处理电能，而控制电路主要处理电信号，属于弱电电路，它控制着主电路开关器件的工作，电源的很多指标，如稳压稳流精度，纹波，输出特性等也与控制电路相关。控制电路的设计质量对电源的性能至关重要，是设计工作的重点。2. 国内外研究现状（1）国外研究现状自 1957 年第一只可控硅(SCR)问世后，可控硅取代了笨重而且效率低下的硒或氧化亚铜整流器件，可控硅整流器就作为通信设备的一次电源使用。在随后
6、的20 年内，由于半导体工艺的进步，可控硅的电压、电流额定值及其它特性参数得到了不断提高和改进，满足了通信设备不断发展的需要，因此，直到 70 年代，发达国家还一直将可控硅整流器作为大多数通信设备的一次电源使用。虽然可控硅整流器工作稳定，能满足通信设备的要求，但它是相控电源，工作于工频，有庞大笨重的电源变压器、电感线圈、滤波电容，噪声大，效率低，功率因数低，稳压精度也较低。1964 年，美国科学家提出了取消工频变压器的串联开关电源的设想，并在 NEC 杂志上发表了“脉宽调制应用于电源小型化” 等文章，为使电源实现体积和重量的大幅下降提供了一条根本途径。到 80 年代中后期，绝缘栅双极性晶体管(
7、IGBT) 已研制出来并投入了市场，各种通信设备所需的一次电源大多采取 PWM 集成控制芯片、双极型晶体管、场效应管、绝缘栅双极晶体管。随着微电子学的发展和元器件生产技术的提高，相继开发出了耐压高的功率场效应管(VMOS 管)和高电压、大电流的绝缘栅双极性晶体管(IGBT)，具有软恢复特性的大功率高频整流管，各种用途的集成脉宽调制控制器和高性能的铁氧体磁芯，高频用的电解电容器，低功耗的聚丙烯电容等。主要元器件技术性能的提高，为高频开关电源向大功率、高效率、高可靠性方向发展奠定了良好基础。随着通信用开关电源技术的广泛应用和不断深入，实际工作中人们对开关电源提出了更高的要求，提出了应用技术的高频化
8、、硬件结构的模块化、软件控制的数字化、产品性能的绿色化、新一代电源的技术含量大大提高，使之更加可靠、稳定、高效、小型、安全。在高频化方面，为提高开关频率并克服一般的 PWM 和准谐振、多谐振变换器的缺点，又开发了相移脉宽调制零电压开关谐振变换器，这种电路克服了 PWM 方式硬开关造成的较大的开关损耗的缺点，又实现了恒频工作，克服了准谐振和多谐振变换器工作频率变化及电压、电流幅度大的缺点。采用这种工作原理，大大减小了开关管的损耗，不但提高了效率也提高了工作频率，减小了体积，更重要的是降低了变换电路对分布参数的敏感性，拓宽了开关器件的安全工作区，在一定程度上降低了对器件的要求，从而显著提高了开关电
9、源的可靠性。（2）国内研究现状建国初期，我国邮电部门的科研技术人员开发了以国产大功率电动发电机组为主的成套设备作为开关电源用于通信。在引进原民主德国 FGD 系列和前苏联BCC51 系列自动化硒整流器基础上，借鉴国外先进技术，与工厂共同研制成功国产 XZL 系列自动化硒整流器，并在武汉通信电源厂批量生产，开始用硒整流器装备通信局( 站)，替换原有的电动发电机组，这标志着我国国产开关电源设备跃到一个新的水平。但后来，我国的开关电源发展相当缓慢。1963 年开始研制和采用可控硅(SCR)整流器，1965 年着手研制逆变器和晶体管直流直流(DC/DC) 变换器，当时与发达国家相比只落后五六年.后由于
10、十年动乱，研制工作一直停滞不前，除了可控硅整流器于 1967 年在武汉通信电源厂开始形成系列化生产，供通信设备作一次电源使用，并不断得到改进，性能和质量逐步提高外，其它方面进展十分缓慢。一直到80 年代才开始生产 20kHz DC/DC 变换器，但由于受元器件性能的影响，质量很不稳定，无法作为通信设备的一次电源使用。只是作为通信设备的二次电源使用(二次电源对元器件的耐压及电流要求较低)。直到上世纪 90 年代初，我国大多数通信设备所用的一次电源仍然是可控硅整流器。这种电源工作于工频 50Hz，有庞大的工频变压器、电感线圈、电解电容等，笨重庞大、效率低、噪声大、性能指标低，不易实现集中监控。邮电
11、部武汉电源厂、通信仪表厂等厂家开发出了自己的以 PWM 方式工作的开关电源,并推向电信行业应用，取得了较好的效果.随后邮电部对电源提出了更新换代和实现监控( 包括远程监控)的要求，众多厂家都投入力量研制开发，推出了采用PWM 技术的高频开关电源，有些厂家还推出了实现远程监控的解决方案，短短几年后，电信部门所用的一次通信电源几乎都更换成了采用 PWM 集成控制芯片、大功率晶体管、功率场效应管、绝缘栅双极晶体管的半桥或全桥电路，其开关频率为几十100kHz 、效率高于 90%、功率因数接近 1。稳压精度优于 0.5%,模块化组合的高频开关电源，电信行业成套电源技术提高到了一个崭新的水平。总的说来，
12、开关电源的发展趋势为:继续向高频、高效、高可靠、高密度化、低耗、低噪声、抗干扰和模块化发展。控制电路的功能众多，相对复杂，设计内容多泛，周期较长，甚至可能出现反复，有时一些参数的确定还要通过试验来得到，国内外的研究一直在探索和进步当中。3.毕业设计（论文）的主要内容主要内容： （1）研究直流开关电源控制电路的原理；（2）设计直流开关电源的实现方案；（3）选择器件实现系统的硬件电路。按照各部分的功能划分，从大的方面讲，开关电源可分成：电源主电路和电源控制电路两部分。电源的主电路是负责进行功率转换的部分，通过适当的控制电路可以将市电转换为所需的直流输出电压。而控制电路则根据实际的需要产生主电路所需
13、的控制脉冲和提供各种保护功能。开关电源的结构框图可如图 1 所示。EMI 滤波器整流滤波高频变换器高频变压器高频整流滤波输出辅助电源PWM调节器误差比较放大器电压电流取样电路基准电压保护电路控制电路AC DC图 1 开关电源结构框图从图中可以看出，这几部分是相辅相成的统一整体。在电源的研制和开发过程中必须对每一部分都进行认真的分析和研究，才能使所研制的开关电源满足设计要求。4. 所采用的方法、手段以及步骤等课题研究方法手段： （1）将一三相 690V 50Hz 输入交流电通过整流滤波变成直流；（2）基于桥式整流电路进行整流； （3） 基于单端反击式电路进行斩波；（4）基于 UC3825 芯片控
14、制开关管的通断。电源主电路通过输入整流滤波、输出整流滤波将电转为所需要的直流电压。开关电源的主回路可以分为:输入整流滤波回路、功率开关桥、输出整流滤波三部分。输入整流滤波回路将交流电通过整流模块变换成含有脉动成分的直流电，然后通过输入滤波电容使得脉动直流电变为较平滑的直流电。功率开关桥将滤波得到的直流电变换为高频的方波电压，通过高频变压器传送到输出侧。最后，由输出整流滤波回路将高频方波电压滤波成为所需要的直流电压或电流，主回路进行正常的功率变换所需的触发脉冲由控制电路提供。控制电路是整个电源的大脑，它控制整个装置工作并实现相应的保护功能。一般控制电路应具有以下功能:控制脉冲产生电路、驱动电路、
15、电压反馈控制电路、各种保护电路、辅助电源电路。5. 阶段进度计划准备阶段（2016 年 0304）：本阶段主要任务是搜集资料，了解直流开关电源的发展以及产品的市场，大致分析直流开关电源的工作原理及结构； 原理图设计阶段（2016 年 0405）：本阶段的任务比较繁重，首先确定参数，之后，开始画原理图，留着写报告时做贴图说明。 结题阶段（2016 年 0506）：本阶段主要任务是总结课题研究的经验，包括详细介绍每个部分的原理以及功能；整理系统制作过程中遇到的问题及解决方法。参考文献1 侯振义.直流开关电源技术及应用M.北京：电子工业出版社,2006.4. 2 华伟，周文定 .现代电力电子器件及其
16、应用M.北京：北方交通大学出版社、清华大学出版社,2002.128-134. 3 周志敏，周纪海，纪爱华.现代开关电源控制电路设计及应用M.北京：人民邮电出报社，2005.5. 4 王鸿麟，景占荣 .通信基础电源M.西安电子科技大学出版社，2001.1. 5 吴国忠，潘观立 .开关电源并联系统的数字均流技术J.电子工业出版社，2003.1.15-19.6 路秋生.直流稳压电源并联均流及实现J.电子产品世界，2002.12.10-17. 7 张赞松，蔡宣三 .高频开关电源的原理与设计M.北京：电子工业出版社. 8 蔡宣三.电工电能新技术M.人民邮电出版社，1995.3. 9 赵良炳.现代电力电子技术基础M.北京：清华大学出版社，1996. 10 路秋生，张艳杰 .电源并联均流技术J.黑龙江电阻技术，1999 年第 8 期,23-28.11 刘胜利，严仰光 .现代高频开关电源实用技术M.电子工业出版社，2001. 12 梁适.转换式电源供给器原理与设计M.世界图书出版公司，2003. 13 许化民，陈干宏，阮新波，严仰光.多路输出 DC/DC 变换器的并联均流J. 电力电子技术，2000 年第 3 期,47-43. 指导教师意见：指导教师签名：年 月 日系（教研室）意见：主任签字：年 月 日
