1、摘 要I电子与信息工程学院本 科 毕 业 论 文论文题目 高频开关电源并联均流的技术研究 西安交通大学硕士学位论文毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业
2、设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 摘 要III摘 要电力控制系统是电力设备安全运行的保证。电力控制必须具备安全可靠的控制电源。随着变电站直流负载的增加，要求组建一个大容量的直流电源系统。单台电源供电给系统的安全稳定运行带来了隐患。采用多个高频开关电源模块并联运行，来提供大功率输出是电源技术发展的方向。对于高频开关电源模块的冗余备份的关键就是模块之间电
3、流平均分配。本文详细讨论了均流的几种控制方法，得出民主均流法为电力系统中最实用的均流方式，UC3902 芯片的问世，加速了民主均流技术的推广，并广泛应用于电力控制电源。关 键 词：控制电源；高频开关电源；并联均流；民主均流咸宁学院学士学位论文IVABSTRACTElectric control system is the assurance of secure operation of power equipment. Electric control should have a secure and reliable controlling power. A large- capacity
4、DC power system is requested along with a growing number of DC load in substations.A single power supply brings hidden danger to the safe and stable operation of a system. It is the direction of the development of the power technology to adopt several parallel-running high-frequency switching power
5、supply module, which can provide high-power output. The key to redundant backup of high frequency switching power supply module is the average distribution of the current among the modules.Several controlling methods of distributing the current equally are particularly discussed in this article, whi
6、ch draws a conclusion that democratic method to distributing the current equally is the most practical way to realize the average distribution of the current. The appearance of UC3902 chip accelerates the spread of democratic technology to distributing the current equally democratic current evenness
7、 technology, and it is widely applied to electric control power.KEYWORDS: Controlling power supply; High-frequency switching power; Evenness of current in parallelling; Democratic evenness of current目 录绪论V目 录1 绪论 .11.1 选题的目的和研究重点 .11.2 高频开关电源简介与分类 .11.3 电力控制电源的发展 .22 高频开关电源系统 .32.1 高频开关电源系统构成 .32.2
8、隔离型 DC/DC 变换器 .42.2.1 推挽型变换器 .42.2.2 全桥型变换器 .42.3 PWM 控制器模块 .53 高频开关电源并联特性及均流一般原理 .73.1 高频开关电源并联特性 .73.2 均流原理分析与研究 .83.2.1 输出阻抗法 .93.2.2 平均电流自动均流法 .93.2.3 主从设置均流法 .103.2.4 最大电流自动均流法（民主均流法） .113.2.5 各种均流方法的比较 .124 UC3902 均流芯片的应用 .134.1 UC3902 均流芯片的内部电路及原理 .134.2 UC3902 均流芯片外围电路的设计 2023 .144.3 多电源模块并联
9、实验参数的确定 .164.3.1 确定电流检测电阻 RSENSE.164.3.2 确定限流电阻 RG .174.3.3 确定调整电阻 RADJ .184.3.4 确定补偿元件 RC 和 CC .184.4 两台 25A/12V 模块电源并联均流测试 .195 结论和展望 .215.1 最大电流自动均流法在电力高频开关电源中的应用 .215.2 经验总结与不足 .22致 谢 .23咸宁学院学士学位论文VI参考文献 .25附 录 .271 绪论11 绪论1.1 选题的目的和研究重点电力控制系统保证了电力系统和电力设备的可靠和高效运行，人们都很关注电力控制技术的发展，电力控制技术的日趋完善，已使电力
10、控制达到十分可靠的程度。电力控制必须要有安全可靠的控制电源。由于直流电源是独立于交流动力电源的，不受交流电源系统事故影响，有安全可靠、运行维护方便等特点，能够获得广泛的应用。特别是高电压和对可靠性要求较高的电力设备，直流电源是唯一可供选择的控制电源。由于变电站继电保护装置、自动化装置、事故照明、通信电源和交流不停电电源（UPS）的直流逆变负载的增多，组建一个容量大、安全可靠、不间断供电的直流电源系统是非常急迫的。假若只采用一台电源供电，整流器会处理巨大的功率，产生的电应力大，给功率器件的选择、开关频率和功率因数的提高都会带来困难。并且一旦系统中某台电源发生故障，则易导致整个系统处于崩溃状态。如
11、果采用多个高频开关电源模块，并将其并联运行，并联的电源系统中每个整流模块处理较小功率，系统就能提供大功率的输出，使得上述单台电源遇到的问题得以解决。本文重点研究多个高频开关电源模块的并联运行的一个关键问题，就是负载电流的平均分配问题。即如果在系统中没有进行均流电路的设计，则很有可能出现其中的某一个或某一些整流模块承担很大的负载电流，这些模块运行在极限状态，而有些模块处于轻载运行的状态，易导致分担电流多的模块的热应力大，降低了系统的可靠性。1.2 高频开关电源简介与分类开关电源的优点有很多，如体积小、效率高等，在各种电子产品中得到广泛的应用。然而开关电源的控制电路很复杂、输出的纹波电压很高，因此
12、开关电源的应用也会受到一定的限制 3。供电电源的小型化是电子装置的小型和轻量化的重要环节，因此必须尽可能使电源电路的损耗降低。开关电源中的调整管工作于开关状态，必然存在开关损耗，而且损耗的大小随开关频率的提高而增加。另一方面，开关电源中的变压器、电抗器等磁性元件及电容元件的损耗，也随频率的提高而增加 3。目前市场上开关电源中功率管多采用 MOSFET 的开关电源，转换频率可达咸宁学院学士学位论文2100kHz。为提高开关频率必须采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，原理上开关损耗为 0，噪声也很小，这是提高开关电源工
13、作频率的一种方式。采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化 6。高频开关电源的电路结构有多种 2：（1）按 DC/DC 变换器的工作方式分： 单端正激式和反激式、推挽式、半桥式、全桥式等；降压型、升压型和升降压型等。（2）按控制方式分：脉冲宽度调制(PWM)式；脉冲频率调制(PFM)式；PWM 与 PFM 混合式。（3）按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式、非隔离式和变压器耦合式、光电耦合式等。以上这些方式的组合可构成多种方式的高频开关电源。1.3 电力控制电源的发展发电厂、变电站中，为控制、信号、保护、自动装置及某些执行机构如断路器、UPS 电源提供电源的系统通常称为控制电源。我
14、国的直流控制电源的技术发展大致分为三个阶段：1初级应用阶段20 世纪 80 年代初为初级应用阶段。此阶段的直流电源技术基本是沿用国外或者搬用国外的传统做法。其特点是：系统容量小、设备简陋，仅满足于小容量发、变电工程要求，规划、设计、运行和管理尚未形成完整、系统的规范体系、直流系统事故及其导致的电力系统事故时有发生 10。2发展研究直流系统规范化阶段20 世纪 80 年代中期至 20 年代末为发展研究直流系统规范化阶段。在此期间电力设计、研究和制造部门进行了三件事：（1）编制修订了一系列直流电源设计、施工、设备应用和运行管理的技术标准。（2）以阀控铅酸蓄电池和智能高频开关电源模块装置为代表的直流
15、新技术、新设备的开发和应用，奠定了直流电源技术的基础。（3）电力工程直流电源设计的标准化和规范化，先后三次修订了全国性的直流系统典型设计修订，有效地促进了电力工程直流系统设计的标准化和规范化 10。3现代电源技术应用阶段20 世纪末至今为现代电源技术应用阶段。电力工程直流技术已跨入一个崭新的现代电源技术时代。电力控制电源正向高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现，将标志着这些技术的成熟，实现高效率用电和高品质用电的有机结合 10。2 高频开关电源系统32 高频开关电源系统2.1 高频开关电源系统构成高频开关电源的开关部分是功率半导体管，通过功率管周期性地间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出
16、电压的大小。开关电源的基本构成如图 2-1 所示，其中的核心部分是 DC/DC 变换器，进行功率转换，此外还有起动电路、过流与过压保护电路、噪声滤波等电路。电阻 R1 和 R2 对输出进行采样，主要任务是检测输出电压的变化，并与基准电压 Ur 比较，误差电压 Ue 经过放大和脉宽调制（PWM ）电路，再通过驱动电路控制功率管，调节开关器件的占空比，从而调整输出电压的大小。图 2-2是一种电路实现形式 2。D C / D C变换 器比较放大P W M驱动 器U IU rR 1U oR 2图 2-1 开关电源的基本构成V 3P W MA-+TV 1V 2LC+_U oU r+-U iR 1R 2图
17、 2-2 开关型稳压电源的原理电路DC/DC 变换器有多种形式，运用最多的有 PWM 变换器和谐振型变换器，其中PWM 变换器的工作波形为方波，谐振型变换器的工作波形为准正弦波。开关型稳压电源的输入端的瞬态变化很多都表现在输出端。提高开关频率后，能改善反馈放大器的频率特性，也能解决开关电源的瞬态响应问题。输出端的 LC 滤波电路特性决定了负载的瞬态响应特性，所以提高开关电源的瞬态响应特性可通过提高开关频率、减小输出滤波器 LC 的乘积来实现。咸宁学院学士学位论文42.2 隔离型 DC/DC 变换器DC/DC 变换器在大多数情况下需要隔离输入端与输出端，一般采用变压器进行隔离，这类开关电源称为隔
18、离型变换器。该变换器把直流电压或电流变换为高频方波电压或电流，通过变压器升压或降压后，再通过整流器和滤波器变为平滑的直流电压或电流，故该变换器又称逆变整流型变换器。下面介绍推挽型和全桥型这两种常见的隔离型变换器。非隔离型变换器用到的场合不多，本文从略。2.2.1 推挽型变换器推挽型变换器是典型的逆变整流型变换器，电路结构和工作波形如图 2-3 所示。加在变压器的一次绕组上的电压幅值为输入电压 Ui，脉冲宽度为开关导通时间 ton 的脉冲波形，变压器的二次侧的电压通过二极管 V1 和 V2 的全波整流变为直流。FTV 1 LC+_U oU iRV 2N 1N 2 N 1 N 2S 1S 2S 1
19、S 2U FT sD T s图 2-3 推挽型变换器电路和工作波形开关 S1 和 S2 交替导通，当 S1 导通时，二极管 V1 处于通态；当 S2 导通时，二极管 V2 处于通态；当两个开关都关断时，V 1 和 V2 都处于通态，各承担一半的电流，S 1和 S2 断态时承受的峰值电压均为 2Ui1。为了避免 S1 和 S2 同时导通引起的变压器一次侧绕组发生短路，每个开关的占空比应满足的条件为： 50%，并且还要留有死区。onstDT当滤波电感 L 的电流连续时，输出电压和输入电压的关系是：（2-1）21oonisUtN对推挽型变换器用 PSIM 6.0 软件做了仿真，电路图和波形图见附录。2.2.2 全桥型变换器全桥型变换器电路如图 2-4 所示，S 1、S 3 及 S2、S 4 是两对开关，重复交互通断。而两对开关导通存在时间差。所以变压器一次侧所加的电压 UAB 是脉冲宽度和其时间差相等的方波电压。变压器二次侧的二极管将该电压整流后变成方波（U F） ，再经滤
