1、石家庄铁道大学四方学院毕业设计大容量可调 AC-DC直流开关电源主电路设计The Main Circuit Design of Large Capacity Adjustable AC-DC Switching Power2013 届 系专 业 学 号 学生姓名 指导教师 完成日期 2012 年 5 月 15 日毕业设计成绩单学生姓名 刘坤 学号 20086477 班级 方 0810-2 班 专业 电气工程及其自动化毕业设计题目 大容量可调 AC-DC 直流开关电源主电路设计指导教师姓名 刘建华指导教师职称 副教授评 定 成 绩指导教师 得分评阅人 得分答辩小组组长 得分成绩：院长(主任) 签
2、字：年 月 日毕业设计任务书题 目 大容量可调 AC-DC 直流开关电源主电路设计学生姓名 刘坤 学号 20086477 班级 方 0810-2 专业 电气工程及其自动化承担指导任务单位 电气工程系导师姓名 刘建华导师职称 副教授一、设计内容用单片机和 MOS 管设计一种高性能、大容量可调 AC-DC 直流开关电源。二、设计条件输入电压：380V15% ，三相三线制，频率 50Hz5%输出：DC28V，额定电流 600A，电压可调范围 0-35V。具备输入过电压、欠电压，输入缺相，输出过电压，过流等保护功能。动态性能：超调20V 时测量）三、设计的基本要求1设计该系统原理图，说明其工作原理。2
3、设计 AC-DC 主电路，确定各元器件参数和型号。3DC-DC 电路设计，确定各元器件参数和型号。4设计保护电路，确定元件型号和参数。5. 高频变压器设计。四、参考文献 1黄俊 电力电子变流技术 机械工业出版社 2004 年2莫正康 半导体变流技术 机械工业出版社 1993 年3张延鹏 高频开关电源 人民邮电出版社 1999 年4王水平 开关稳压电源 西安电子科技出版社 1997 年五、进度计划1-3 周 课题调研、收集、学习参考资料，查阅外文资料；4 周 查阅相关的外文资料，并翻译；5-6 周 整理参考资料，设计总体设计方案，作开题报告；7 周 设计 AC-DC 主电路，计算各元器件参数，并
4、选择各元件型号；8-9 周 DC-DC 电路设计，确定各元器件参数和型号；10 周 设计保护电路，并确定各元器件参数和型号；11-12 周 设计高频变压器，计算各参数并确定型号；13 周 实现电路的 MATLAB 软件仿真；14-15 周 整理并撰写毕业设计论文，提交论文给指导老师；16 周 答辩。教研室主任签字 时 间 年 月 日毕业设计开题报告题 目 大容量可调 AC-DC 直流开关电源主电路设计学生姓名 刘坤 学号 20086477 班级 方 0810-2 专业 电气工程及其自动化一、研究背景随着电力电子技术的高速发展，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
5、的电源。进入二十世纪 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。进入二十世纪 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、电力检测设备电源、控制设备电源等都已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 是 利 用 现 代 电 力 电 子 技 术 ， 控 制 开 关 晶 体 管 开 通 和 关 断 的 时 间 比 率 ， 维 持 稳 定输 出 电 压 的 一 种 电 源 ， 开 关 电 源 一 般 由 脉 冲 宽 度 调 制 （ PWM） 控 制 IC 和 开 关 器 件（ MOSFET、 BJT 等 ） 构 成 。 开
6、 关 电 源 的 发 展 方 向 是 高 频 、 高 可 靠 、 低 耗 、 低 噪 声 、 抗 干 扰和 模 块 化 ,而 高 频 化 使 开 关 电 源 小 型 化 ， 并 使 开 关 电 源 进 入 更 广 泛 的 应 用 领 域 ， 特 别 是 在高 新 技 术 领 域 的 应 用 ， 推 动 了 开 关 电 源 的 发 展 前 进 ， 每 年 以 超 过 两 位 数 字 的 增 长 率 向 着 轻 、小 、 薄 、 低 噪 声 、 高 可 靠 、 抗 干 扰 的 方 向 发 展 。开 关 电 源 大 容 量 的 实 现 使 其 在 更 广 的 范 围 内 得 以 应 用 ， 以 广
7、泛 应 用 于 工 业 自 动 化 控 制 、军 工 设 备 、 科 研 设 备 、 LED 照 明 、 工 控 设 备 、 通 讯 设 备 、 电 力 设 备 、 仪 器 仪 表 、 医 疗 设备 、 半 导 体 制 冷 制 热 、 空 气 净 化 器 ， 电 子 冰 箱 ， 液 晶 显 示 器 ， LED 灯 具 ， 通 讯 设 备 ， 视听 产 品 ， 安 防 ， 电 脑 机 箱 ， 数 码 产 品 和 仪 器 类 等 领 域 。二、国内外研究现状（要求 1.过内现状 2.国外现状）由于开关电源具有功率转换效率高，文雅范围宽，功率密度大，重量轻等特点，已取代先行地那远，相控电源成为新一代
8、电源的主题。在传统开关电源中，由于功率器件工作在开关状态，器件常常在高电压下开通，在大电流下关断，所以，也存在一些问题，如射频干扰和电磁干扰大，开关损耗大，输出纹波大，器件的安全工作区窄，电路对分布系数比较敏感等等缺点。随着技术的进步，特别是功率器件的更新换代，功率变换技术的不断改进，新型电磁材料的不断使用，控制方法的不断进步，以及相关科学的不断融合，开关电源的缺点正逐步得到克服，射频干扰和电磁干扰已经被抑制在一个很低的水平上，输出纹波降低到几毫伏以下已经不成问题。开关电源的技术主要得益于以下三个方面技术的进步：(1)电力电子器件的迅速发展和换代促进了变流技术和变流装置的现代化自上个世纪五十年
9、代末第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台，以此为基础开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的一次革命，使电能的变换和控制从旋转变流机和静止变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子学的诞生。进入七十年代，晶闸管开始形成有低电压，小电流到高电压、大电流的系列产品，普通晶闸管不能自关断的半控制器件，被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，是电力电子技术的又一次飞跃，先后研制出 GTR GTQ 功率 MOSFET 等自关断全控型第二代电力电子器件。而以绝缘栅双极晶体管为代表的第三
10、代电力电子器件，开始超大功率，高频率，影响快，响应快，低损耗方向发展。进入九十年代，电力电子器件正朝着复合化，标准模块化，智能化，功率集成的方向发展，在国际上电力电子技术是竞争最激烈的高新技术领域之一。(2)变换器主电路拓扑结构的研究一般来说，正激、反激、推挽、半桥、全桥这几种拓扑是最常用的，不同的拓扑适用于不同的场合。正激变换电路简单，元件数量少，保护用以实现。缺点是开关器件电压感应高，输出电压纹波比较大，变压器磁芯工作在第一象限，磁芯利用率低，而且需要附加磁复位电路，适用于小功率成和。反激变换器元件数量少，输出电压纹波小。缺点是磁芯利用率低，适用于小功率场合。推挽变换器磁芯工作在一、三象限
11、，利用率高，但是开关器件电压应力是输入电压的两倍，因此适合低压输入场合。半桥变换器开关器件电压应低于输入电压，但是电流是相同条件下推挽变换器的两倍因此只适用于中小功率场合。半桥变换器最大的优点在于其对电路不平衡有自动的抑制作用，因此使用非常广泛。全桥变换器开关器件电压等于输入电压，输入电流是相同条件下半桥变换器的一半，适用于高压大功率场合。缺点是开关器件数量多，控制复杂。(3)微型计算机控制技术与专用控制芯片的迅速发展和广泛应用为开关电源的成功应用提供了技术手段和保证。随着微电子技术和超大规模集成电路技术迅速发展，使得微型计算机计算速度更快、体积更小、性价比更高，同时功率损耗大大降低，可靠性比
12、以前更高，使得对电源系统的监控的实时性更高、更方便。另一方面，随着开关电源的广泛应用，全球一些知名厂家都竞相开发出各种电力电子电路控制用的集成电路，专门集成电路相对于分立器件控制电路来说，集成电路性能更优越，可靠性更高，成本更低。这为开关电源的成功应用提供了技术手段和保证。三、论文的主要工作和所采的方法手段：（给出结构原理框图）本文的主要工作是设计大容量可调 AC-DC 直流开关电源主电路，根据其设计具有的技术要求，分析得出，市电经过输入滤波以后，首先经过整流滤波电路变成含有一定脉动成分的直流电压，然后进人高频变换部分，此部分主要设计整流桥。高频变换部分的核心是 DC-DC 变换器，它主要由高
13、频功率开关和高频变压器组成。高频功率开关将直流高压斩波，并有高频变换器转换成所需的电压范围内的方波，此部分主要确定逆变电路和高频变压器。最后将这个方波电压整流滤波，得到所需的电压，此部分主要确定整流输出电路。其中要考虑各个部分需要的保护电路，确保电路的可靠性与稳定性。主要采用的方法是，根据不同电路应用的条件，器件的应用条件选择，外加不断试验比较选择最合适的电路与器件，确定开关电源主电路系统。四、预期达到的结果：通过循序渐进的原则，设计出各个模块，并对每个电源模块进行调试，然后对整个电源系统进行调试，设计出整个实验装置，满足设计要求，符合设计开关电源应具有的输入输出特性，具有一定的调节范围，具有
14、输入过电压、欠电压，输入缺相，输出过电压，过流等保护功能等等，并可先在 MATLAB 中仿真模拟，做到准确可行或做出相应的改变。教研室主任签字 时 间 年 月 日1摘 要开关电源在效率、体积和重量等方面都远远优于线性电源因此已经基本取代了线性电源，成为电子设备供电的主要电源形式。目前世界各国都有广泛的应用，特别是对大容量高频开关电源的研究和开发已成为当今电力电子学的主要研究领域，并派生了很多新的研究方向。本文研究的主要内容就是大容量可调 AC-DC 直流开关电源主电路的设计。本文详细的分析了大容量可调 AC-DC 直流开关电源的工作原理，并详细的讨论了主电路各个环节的可选设计方案。在此基础上，
15、完成了整个系统的主电路设计，及器件的选择。根据分析的原理，交流市电经过输入滤波以后，首先经过整流、滤波电路变成含有一定脉动电压成分的直流电压，然后进入 DC-DC 变换器部分。高频变换部分产生高频（20kHz 以上）高压方波，所得到的高压方波送给高频隔离降压变压器的初级。在变压器的次级感应出电压，电压再经过整流、滤波后就产生了低压直流。本文同时探讨了该电源系统实现大容量的解决方案，即采用多个电源模块并联运行。本文研制的直流开关电源具有输出电压可调、输出电流大等显著特点，使之具有广阔的应用前景。关键词:开关电源 主电路 DC-DC 变换器 高频变压器 2AbstractSwitching pow
16、er is far superior to the linear power supply in such aspects as the efficiency, volume and weight, therefore it has replaced the linear power supply basically and become the main power supply form for electronic equipment. Countries all over the world have extensive application in switching power,
17、especially research on large capacity high-frequency switching power nowadays has already become the main research field of power electronics and many new research directions has derived from it. The main content of this paper is the main circuit design of large capacity adjustable AC-DC switching p
18、ower.This paper has analyzed the theory of large capacity adjustable AC-DC switching power in detail, and has discussed every element of the design of the main circuit that can be chosen. On this basis, this paper schemed out the main circuit of the system design and the choice of the device. On the
19、 basis of analyzing the theory, Public Power Supply AC which has gone through of input filter becomes with certain voltage ripple composition of the dc voltage after first rectification and filter circuit, and then goes into the part of DC-DC converter. The part of high frequency transformation indu
20、cts high-frequency (above 20 kHz) and high pressure square wave. And then the obtained high pressure square wave will be put on the primary of high frequency isolation step-down transformer. At the secondary side of the transformer, it inducts the voltage. And then it produces the low DC voltage aft
21、er rectification and filter. This paper explained the solution of this large capacity power system at the same time, namely some power modules are to be connected in parallel. Direct current switching power studied in this paper has many remarkable characteristics such as adjustable output voltage,
22、heavy output current and so on. So this switching power has wide application fields.Keywords: switching power the main circuit DC-DC converter high-frequency transformer 目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题研究的目的意义 11.2 国内外研究现状和发展趋势 11.3 论文研究内容 4第 2 章 系统主电路总体设计方案 .52.1 AC-DC 直流开关电源的基本构成 52.1.1 输入电路 .52.1.2 DC-DC 变换器
23、 .62.1.3 输出电路 .72.2 直流开关电源大容量的实现 82.3 100A 电源模块的主电路方案 92.3.1 AC-DC 整流滤波模块 .92.3.2 DC-DC 变换模块 .10第 3 章 系统主电路设计 .123.1 AC-DC 环节的电路设计 123.1.1 输入滤波器 .123.1.2 输入电源瞬时过压保护 .123.1.3 三相桥式不可控整流 .133.1.4 直流侧滤波电容的选择 .143.1.5 软启动电路 .143.2 DC-DC 环节的电路设计 153.2.1 全桥式变换器的设计 .153.2.2 阻尼二极管 .163.2.3 高频变压器的设计 .173.2.4
24、隔直电容 .193.2.5 整流滤波电路设计 .193.2.6 电压吸收回路 .213.3 100A 电源模块的并联 233.4 100A 电源模块主电路的 MATLAB 仿真 .23第 4 章 100A 电源模块的控制电路方案 .244.1 辅助电源 244.2 PWM 驱动控制电路 .244.3 输出电压反馈电路 254.4 电流反馈电路 254.5 保护电路 25第 5 章 结论与展望 .265.1 结论 265.2 展望 26参考文献 .27致谢 .28附录 .29附录 A 外文资料 .29附录 B 器件参数图 .39附录 C MATLAB 仿真图 .43石家庄铁道大学四方学院毕业设计
25、1第 1章 绪 论1.1 课题研究的目的意义随着电力电子技术的高速发展，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。进入二十世纪 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。进入二十世纪 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、电力检测设备电源、控制设备电源等都已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 1。开 关 电 源 是 利 用 现 代 电 力 电 子 技 术 ， 控 制 开 关 晶 体 管 开 通 和 关 断 的 时 间 比 率 ，维 持 稳 定 输 出 电 压 的 一 种 电 源 ， 开
26、关 电 源 一 般 由 脉 冲 宽 度 调 制 （ PWM） 控 制IC 和 开 关 器 件 （ MOSFET、 BJT 等 ） 构 成 2。 开 关 电 源 的 发 展 方 向 是 高 频 、 高可 靠 、 低 耗 、 低 噪 声 、 抗 干 扰 和 模 块 化 ,而 高 频 化 使 开 关 电 源 小 型 化 ， 并 使 开 关电 源 进 入 更 广 泛 的 应 用 领 域 ， 特 别 是 在 高 新 技 术 领 域 的 应 用 ， 推 动 了 开 关 电 源 的发 展 前 进 ， 每 年 以 超 过 两 位 数 字 的 增 长 率 向 着 轻 、 小 、 薄 、 低 噪 声 、 高 可
27、靠 、抗 干 扰 的 方 向 发 展 。开 关 电 源 大 容 量 的 实 现 使 其 在 更 广 的 范 围 内 得 以 应 用 ， 以 广 泛 应 用 于 工 业自 动 化 控 制 、 军 工 设 备 、 科 研 设 备 、 LED 照 明 、 工 控 设 备 、 通 讯 设 备 、 电 力 设备 、 仪 器 仪 表 、 医 疗 设 备 、 半 导 体 制 冷 制 热 、 空 气 净 化 器 ， 电 子 冰 箱 ， 液 晶 显 示器 ， LED 灯 具 ， 通 讯 设 备 ， 视 听 产 品 ， 安 防 ， 电 脑 机 箱 ， 数 码 产 品 和 仪 器 类 等 领域 3。1.2 国内外研
28、究现状和发展趋势由于开关电源具有功率转换效率高，文雅范围宽，功率密度大，重量轻等特点，已取代先行地那远，相控电源成为新一代电源的主题。在传统开关电源中，由于功率器件工作在开关状态，器件常常在高电压下开通，在大电流下关断，所以，也存在一些问题，如射频干扰和电磁干扰大，开关损耗大，输出纹波大，器件的安全工作区窄，电路对分布系数比较敏感等等缺点。随着技术的进步，特别是功率器件的更新换代，功率变换技术的不断改进，新型电磁材料的不断使用，控制方法的不断进步，以及相关科学的不断融合，开关电源的缺点正逐步得到克服，射频干扰和电石家庄铁道大学四方学院毕业设计2磁干扰已经被抑制在一个很低的水平上，输出纹波降低到
29、几毫伏以下已经不成问题。开关电源的技术主要得益于以下三个方面技术的进步：(1)电力电子器件的迅速发展和换代促进了变流技术和变流装置的现代化自上个世纪五十年代末第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台，以此为基础开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的一次革命，使电能的变换和控制从旋转变流机和静止变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子学的诞生。进入七十年代，晶闸管开始形成有低电压，小电流到高电压、大电流的系列产品，普通晶闸管不能自关断的半控制器件，被称为第一代电力电子器件 4。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面
30、得到了很大发展，是电力电子技术的又一次飞跃，先后研制出 GTR GTQ 功率 MOSFET 等自关断全控型第二代电力电子器件。而以绝缘栅双极晶体管为代表的第三代电力电子器件，开始超大功率，高频率，影响快，响应快，低损耗方向发展。进入九十年代，电力电子器件正朝着复合化，标准模块化，智能化，功率集成的方向发展，在国际上电力电子技术是竞争最激烈的高新技术领域之一。(2)变换器主电路拓扑结构的研究一般，正激、反激、推挽、半桥、全桥这几种拓扑是最常用的，不同的拓扑适用于不同的场合。正激变换电路简单，元件数量少，保护用以实现。缺点是开关器件电压感应高，输出电压纹波比较大，变压器磁芯工作在第一象限，磁芯利用
31、率低，而且需要附加磁复位电路，适用于小功率成和。反激变换器元件数量少，输出电压纹波小。缺点是磁芯利用率低，适用于小功率场合。推挽变换器磁芯工作在一、三想先，利用率高，但是开关器件电压应力是输入电压的两倍，因此适合低压输入场合。半桥变换器开关器件电压应低于输入电压，但电流是相同条件下推挽变换器的两倍因此只适用于中小功率场合。半桥变换器最大的优点在于其对电路不平衡有自动的抑制作用，因此使用非常广泛 4。全桥变换器开关器件电压等于输入电压，输入电流是相同条件下半桥变换器的一半，适用于高压大功率场合。缺点是开关器件数量多，控制复杂。(3)微型计算机控制技术与专用控制芯片的迅速发展和广泛应用为开关电源的
32、成功应用提供了技术手段和保证。随着微电子技术和超大规模集成电路技术迅速发展，使得微型计算机计算速度更快、体积更小、性价比更高，同时功率损耗大大降低，可靠性比以前更高，使得对电源系统的监控的实时性更高、更方便。另一方面，随着开关电源的广泛应用，全球一些知名厂家都竞相开发出各种电力电子电路控制用的集成电路，专门集成电石家庄铁道大学四方学院毕业设计3路相对于分立器件控制电路来说，集成电路性能更优越，可靠性更高，成本更低。这为开关电源的成功应用提供了技术手段和保证。石家庄铁道大学四方学院毕业设计3进入 21 世纪，开关电源技术将有更大的发展，主要集中在一以下几个方面 456： (1)高性能碳化硅（Si
33、C）功率半导体器件 可以预见，碳化硅将是 21 世纪最有可能成功应用的新型功率半导体器件材料，碳化硅的优点是：禁带宽、工作温度高（可达 600） 、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN 结耐压高等等。 (2)高频磁技术 高频开关电源中用了多种磁元件，有许多基本问题需要研究，如磁芯损耗的数学建模，磁滞回线的仿真建模，高频变压器一维和二维仿真模型等。此外，高频磁元件的设计决定了高频开关电源的性能、损耗分布和波形，因此，人们希望给出设计准则、方法、磁参数和结构参数与电路性能的依赖关系，明确设计的自由度与约束条件等。同时，人们将研究损耗更小、散热性能更好、磁性能更优越的高频磁性材料。高频磁技术的研
34、究还包括磁电混合集成技术，即将铁氧体或其它薄膜材料高密度集成在硅片上，或者将硅材料集成在铁氧体上。(3)新型电容器 研究开发适用于功率电源系统用的新型电容器和超大电容。要求电容量大、等效串联电阻（ESR ）小、体积小等。20 世纪 90 年代末，美国已经开发出 330uF 新型固体钽电容，其 ESR 显著下降。 (4)高频开关电源的电磁兼容研究 高频开关电源的电磁兼容问题通常涉及到开关过程产生的 di/dt，du/dt，它引起强大的传导型电磁干扰和谐波干扰。有些情况还会引起强电磁场辐射。不但严重污染周围电磁环境，对附近的电气设备造成电磁干扰，还可能危及附近操作人员的安全。同时，开关电源内部的控
35、制电路也必须能承受主电路及工业应用现场电磁噪声的干扰。显然，在电磁兼容领域 有许多前沿课题有待人们研究，如典型电路与系统的传导干扰和辐射干扰建模；印制板电路和开关电源 EMC 优化设计软件；大功率开关电源 EMC 测量方法的研究等。(5)开关电源的设计、测试技术 建模、仿真和 CAD 是一种新的、方便且节省的设计工具。为了仿真开关电源，首先要进行建模。仿真模型中应包括电力电子器件、变换器电路、数字和模拟控制电路，以及磁元件和磁场分布模型，电路分布参数模型等，还要考虑开关管的热模型、可靠性模型和 EMC 模型。 开关电源的 CAD，包括主电路和控制电路设计、器件选择、参数优化、磁设计、热设计、E
36、MI 设计和印制电路板设计、可靠性预估、计算机辅助综合和优化设计等。此外，开关电源的热测试 EMI 测试、可靠性测试等石家庄铁道大学四方学院毕业设计4技术的开发、研究与应用也是应大力发展的。 (6)低电压 大电流的开关电源的开发 数据处理系统的速度和效率日益提高，新一代处理器的逻辑电压低达1.11.8V，而电流达 50100A，其供电电源-低电压、大电流输出 DC-DC 变换器模块将会成为开关电源新的研究方向之一。 1.3 论文研究内容本文的主要工作是设计大容量可调 AC-DC 直流开关电源系统的主电路。首先根据其基本原理，市电经过输入滤波以后，首先经过整流滤波电路变成含有一定脉动成分的直流电
37、压，然后进人高频变换部分。高频变换部分的核心是 DC-DC 变换器，它主要由高频功率开关和高频变压器组成。高频功率开关将直流高压斩波，并由高频变换器转换成所需的电压范围内的方波，最后将这个方波电压整流滤波，得到所需的电压。根据以上简单叙述的要求设计出直流开关电源系统原理图。之后可以大致将主电路分为两部分进行研究，首先设计 AC-DC 变换电路，主要确定整流桥的结构及确定各元器件参数和型号，再对 DC-DC 环节予以设计，确定逆变电路及确定各元器件参数和型号。在 DC-DC 环节中关键部分还有高频变压器的设计，这是一个很重要的环节，需要我们清楚变压器制作过程，如选择磁芯和铁氧体材料、变压器原副边
38、的匝数的确定、绕组的设计与绕制等等。对电路的保护选择，应尽量全面考虑，综合整体选择保护电路，如输入输出保护，器件的保护电路等等，确定器件参数，如果可以多次比较，通过比较选取最佳参数值，从而达到最佳效果。局部的选择是为了整体系统做铺垫，有效地将其各个部分结合起来，最后将开关电源系统主电路设计出来，这也需要不断地进行局部模块及整体的调试才能达到最佳效果。石家庄铁道大学四方学院毕业设计5第 2章 系统主电路总体设计方案2.1 AC-DC直流开关电源的基本构成AC-DC 直流开关电源的基本构成如图 2-1 所示。图 2-1 AC-DC 直流开关电源的基本构成框图交流市电经过输入滤波以后，首先经过整流、
39、滤波电路变成含有一定脉动电压成分的直流电压，然后进入高频变换部分。高频变换部分的核心是 DC-DC 变换器，它主要由高频功率开关和高频隔离变压器组成。高频功率开关元件可以采用场效应管（MOSFET） ，高频变换部分产生高频（20kHz 以上）高压方波，所得到的高压方波送给高频隔离降压变压器的初级，在变压器的次级感应出的电压被整流、滤波后就产生了低压直流。为了调节输出电压，使得在输入交流和输出负载发生变化时，输出电压能保持稳定，可以采用脉宽调制器(PWM )的电路进行调节 7，通过对输出电压采样，并把采样的结果反馈给控制电路，控制电路把它与基准电压进行比较，根据比较结果来控制高频功率开关元件的开
40、关时间比例（占空比） ，达到调整输出电压的目的。2.1.1 输入电路输入电路包括滤波电路和整流电路，作用是将输入的电网交流电源转化为符合要求的开关电源直流输入电源。石家庄铁道大学四方学院毕业设计62.1.1.1 输入整流器在选择组合元件或分立元件的整流器时，必须要查对下面一些重要参数：(1)正向平均电流 。 指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度和散FAVI热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。在此电流下，因管子的正向压降引起的损耗造成的结温升高不会超过所允许的最高工作结温。这也是标称其额定电流的参数。这是选择电力二极管需要考虑的主要参数。这个参数的选择主要是根据开关电源设计的
41、输出功率决定的。整流二极管所选择的稳态电流容量至少应该是计算值的两倍。(2)反向重复峰值电压 。 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰RMU值电压。通常是其雪崩击穿电压 的 。选用时，往往按照电路中电力二极管可B32能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定此参数。(3)浪涌电流 。电力二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过FSMI电流。电力二极管要具有承受浪涌高的浪涌电流的能力。2.1.1.2 输入滤波电容在输入电路中正确的选择整流滤波电容是十分重要的，因为它将影响下列的一些性能指标：电源输出端的低频交流纹波电压和输出电压保持时间。一般情况下，高质量的电解电容器所具有的滤波交流纹波电压
42、的能力越强，所具有的 ESR（等效串联电阻）值越低。其工作的额定电压值至少应该达到 200V。2.1.2 DC-DC变换器DC-DC 变换器通常是指带隔离的直流-直流变流电路的结构，如图 2-2 所示，同直流斩波电路比较，直流变流电路增加了交流环节，因此也称为直-交-直电路 8。图 2-2带隔离的直流-直流变流电路的结构采用这种结构较为复杂的电路来完成直流-直流的变换有以下原因：(1)输出端与输入端需要隔离。(2)某些应用中需要相互隔离的多路输出。石家庄铁道大学四方学院毕业设计7(3)输出电压与输入电压的比例远小于 1 或远大于 1。(4)交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、
43、滤波电容的体积和容量。通常，工作频率应高于 这一人耳的听觉极限，以免变压器和电感kHz20产生刺耳的噪声。由于工作频率高，逆变电路通常使用全控型器件，包括晶体管、晶闸管、MOSFET（场效应晶体管） 、IGBT（绝缘栅双极功率晶体管）等。开关变换电路中的功率开关器件在 PWM 信号的控制下开通关断，将直流电压变换成为高频脉冲电压。在中小功率的开关电源中，开关器件主要采用 MOSFET。带隔离的直流-直流变流电路主要有正激电路、反激电路、推挽电路、半桥电路、全桥电路等拓扑结构。高频变压器将高频脉冲电压变为另一等级的电压，这样，系统的电压调节就不完全依靠调节开关元件的 PWM 驱动信号，从而可以更
44、方便的得到各种电压等级的电压。而且，通过变压器将输出与输入进行了隔离，通过增加副方绕组可以很方便的实现多路输出。 高频变压器中的磁芯所采用的软磁性材料，具有较高的磁导率、较低的矫顽力和较高的电阻率。磁导率高看，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电流就可以产生较高的磁感应强度，因此线圈可以承受较高的外加电压，在输出一定功率要求下，可以减小磁芯体积；矫顽力低，则磁滞回环面积小，铁耗也小；电阻率高，则涡流小，铁耗小。2.1.3 输出电路输出电路包括整流电路及滤波电路，功能是将 DC-DC 变换器输出的高频脉冲电压转换成为稳定的直流输出电压。为了获得高质量的直流输出电压，需要一些特殊的元器件，如肖特基整
45、流二极管、快速回复整流二极管，低 ESR 值得电解电容以及用于存储能量的电感，以便产生低噪音的输出电压，从而满足电路设计的要求。输出整流技术现在有半波、全波、全桥、倍流等多种整流形式，电路如图 2-3所示。整流器件一般采用快速恢复二极管或者肖特基二极管。快速回复二极管具有适中的正向压降，范围在 0.8V1.2V。此外，还具有较高的截止电压参数，因此特别适合用于输出小功率，电压在 12V 左右的辅助电源电路中使用。由于现代的开关电源工作频率都在 20kHz 以上，比一般的整流二极管，快速回复二极管反向恢复时间减小到了 ns 级。因此，电源的效率得到了很大的提高。肖特基二极管正向压降也很低，反向恢
46、复时间可以忽略，但是承受反向截止电压的能力低，反向漏电流比较大，使其比其它的整流器件更容易受热击穿。石家庄铁道大学四方学院毕业设计8图 2-3整流电路滤波器一般采用 LC 滤波器网络，电路如图 2-4 所示。滤波器中的电容要求等效串连电阻 ESR 小、峰值电流大、发热少、温升低，便于多个并联。图 2-4 LC滤波器2.2 直流开关电源大容量的实现根据本文所研究的大容量可调 AC-DC 直流开关电源的技术要求，其输出电流高达 600A。考虑到目前电力电子器件的使用水平，单台电源的最大输出电流不太容易达到 600A。因此 为了实现直流开关电源的大功率输出，满足负载功率的要求，电源主电路结构采用多路
47、直流电源模块并联构成。如图 2-5 所示。 图 2-5多电源模块并联原理框图石家庄铁道大学四方学院毕业设计9这种模块化设计的优点是：提高系统的灵活性，使得各个模块的开关器件的电流应力减小，提高了系统的可靠性。另外还可方便地实现冗余，电源工作过程中某一模块发生故障退出运行不会导致整个电源装置的停机。为了保证各个电源模块间电流应力和热应力的均匀分配，采用了开关电源并联均流技术。由于并联运行的各个电源模块特性并不一致，有的模块可能承担更多的电流，甚至过载 从而使其它模块处于轻载，甚至基本上是空载。其结果必然是分担电流多的模块，热应力大，降低了可靠性，甚至因过载而损坏。因此，在每个模块中必须设计负载均
48、流电路，保证各模块均流输出。考虑到目前市场上开关电子器件的耐压水平和承受电流的能力，本文所研究的大容量可调 AC-DC 直流开关电源主电路结构采用 6 个额定输出电流为 100A 的电源模块并联而成。2.3 100A电源模块的主电路方案如图 2-5 所示，单个 100A 电源模块的主电路主要由三相 AC-DC 整流、DC-DC变换器两模块组成。2.3.1 AC-DC整流滤波模块由于输入交流电源为三相三线制，因此整流电路可采用三相桥式整流。三相桥式整流按整流器件的类别又可分为可控整流和不可控整流。由于本文所研究的电源系统的输出电压可以通过 DC-DC 环节调节，所以，为了降低系统的复杂性和降低成
49、本，采用三相不可控整流电路。如图 2-6 所示。 图 2-6三相不可控整流电路石家庄铁道大学四方学院毕业设计10三相市电经过三相桥式不可控整流将交流电转化为直流脉动电压，然后经过电容稳压滤波环节减小直流输出电压的纹波和脉动，在这种情况下输出电压的平均值范围为：(2-1)iiU630其中 为交流电源相电压有效值。iU电容滤波的不可控整流电路其输出电压平均值不是一个定值，它是随负载电流和滤波电容 C 的变化而变化的。若负载电流增大、或当电容容量 C 减小，则输出电压降低、电压波动加大。从理论上分析，在极限情况下，当滤波电容 C 无穷大时，有最大的输出电压平均值 ；在另一种极限情况下，电容 C 为零，则整流电路6iU有最小的输出电压平均值 。i32.3.2 DC-DC变换模块本文所研究的直流开关电源输入为 380V 三相交流市电， AC-DC 环节采用三相桥式不可控整流电路。因此，其 DC-DC 环节为 BUCK 电路。由于 DC-DC 环节输入、输出电压之比比较
