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1.引言

1.1開關電源的概念

開關電源(SwitchModepowerSupply，SMpS)是以功率半導體器件為開關元件，利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的新增而上升，但二者上升速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源，這一點稱為成本反轉(zhuǎn)點。開關電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。

開關電源中應用的電力電子器件重要為二極管、IGBT和MOSFET。一般由脈沖寬度調(diào)制(pWM)控制IC和MOSFET構成。開關電源電路重要由整流濾波電路、DC-DC控制器(內(nèi)含變壓器)、開關占空比控制器以及取樣比較電路等模塊組成。

1.1.1pWM技術簡介[1]

脈沖寬度調(diào)制(pWM)，是英文“pulseWidthModulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。

脈沖寬度調(diào)制(pWM)基于采樣控制理論中的一個重要結(jié)論，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。在控制時對半導體開關器件的導通和關斷進行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或其他所要的波形.按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制,既可改變逆變電路輸出電壓的大小,也可改變輸出頻率.pWM運用于開關電源控制時首先保持主電路開關元件的恒定工作周期(T=ton+toff)，再由輸出信號與基準信號的差值來控制閉環(huán)反饋，以調(diào)節(jié)導通時間ton，最終控制輸出電壓(或電流)的穩(wěn)定。

pWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號出現(xiàn)影響。

對噪聲抵抗能力的增強是pWM相關于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的重要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向pWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當?shù)腞C或LC網(wǎng)絡可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。

1.1.2降壓型DC-DC開關電源原理簡介[2]

將一種直流電壓變換成另一種固定的或可調(diào)的直流電壓的過程稱為DC-DC交換完成這一變幻的電路稱為DC-DC轉(zhuǎn)換器。根據(jù)輸入電路與輸出電路的關系，DC-DC轉(zhuǎn)換器可分為非隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器和隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器。降壓型DC-DC開關電源屬于非隔離式的。

降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器主電路圖如下：

其中，功率IGBT為開關調(diào)整元件，它的導通與關斷由控制電路決定;L和C為濾波元件。驅(qū)動VT導通時，負載電壓Uo=Uin，負載電流Io按指數(shù)上升;控制VT關斷時，二極管VD可保持輸出電流持續(xù)，所以通常稱為續(xù)流二極管。負載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負載電壓Uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負載電流持續(xù)且脈動小，通常串聯(lián)L值較大的電感。至一個周期T結(jié)束，在驅(qū)動VT導通，重復上一周期過程。當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，負載電流在一個周期的初值和終值相等。負載電壓的平均值為

式中，ton為VT處于導通的時間，toff為VT處于關斷的時間;T為開關管控制信號的周期，即ton+toff;α為開關管導通時間與控制信號周期之比，通常稱為控制信號的占空比。從該式可以看出，，占空比最大為1，若減小占空比，該電路輸出電壓總是低于輸入電壓，因此將其稱為降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。負載電流的平均值為

若負載中電感值較小，則在VT管斷后，負載電流會在一個周期內(nèi)衰減為零，出現(xiàn)負載電流斷續(xù)的情況。因此有降壓DC-DC開關電源有非持續(xù)電流模式(DCM)和持續(xù)電流模式(CCM)兩種工作模式。波形圖如下所示：

1.2開關電源的發(fā)展簡介[3]

能源在每個國家中的地位都是舉足輕重，關乎興衰的，所以如何開發(fā)并合理

利用能源是一個重要的課題。特別關于我國這樣的能源消耗大國和貧乏國，更是

如此。我國、美國和俄羅斯等大國始終把能源技術列為國家關鍵性的科技領域。

能源技術的其中一個重要方面就是電力電子技術，這是一門結(jié)合了微電子學、

電機學、控制理論等多種學科的交叉性邊沿學科，它利用功率半導體器件對電網(wǎng)

功率、電流、電壓、頻率、相位進行精確控制和處理，使得電力電子裝置小型化、

高頻化、智能化，效率和性能得以大幅度提高。

開關電源技術屬于電力電子技術，它運用功率變換器進行電能變換，經(jīng)過變

換電能，可以滿足各種對參數(shù)的要求。這些變換包括交流到直流(AC-DC，即整流)，直流到交流(DC-AC，即逆變)，交流到交流(AC-AC，即變壓)，直流到直流(DC-DC)。廣義地說，利用半導體功率器件作為開關，將一種電源形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N電源形式的主電路都叫做開關變換器電路;轉(zhuǎn)變時用自動控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護環(huán)節(jié)則稱為開關電源(SwitchingpowerSupply)。由于其高效節(jié)能可帶來巨大經(jīng)濟效益，因而引起社會各方面的重視而得到迅速推廣。

電源管理芯片實際上也是指具有自動控制環(huán)路和保護電路的DC-DC變換芯片，是開關電源的核心控制芯片。電源管理芯片在90年代中后期問世，由于替換了大部分分立器件，使開關電源的整體性能得到大幅度提高，同時降低了成本，因而顯示出強大的生命力。

我國開關電源起源于1970年代末期，到1980年代中期，開關電源產(chǎn)品開始

推廣應用。那時的開關電源產(chǎn)品采用的是頻率為20kHz以下的pWM技術，其效

率只能達到60%~70%。經(jīng)過20多年的不斷發(fā)展，新型功率器件的研發(fā)為開關電

源的高頻化莫定了基礎，功率MOSFET和IGBT的應用使中、小功率開關電源工

作頻率高達到400kHz(AC/DC)和1MHz(DC/DC)。軟開關技術的出現(xiàn)，真正實現(xiàn)了

開關電源的高頻化，它不僅可以減少電源的體積和重量，而且提高了開關電源的

效率。目前，采用軟開關技術的國產(chǎn)開關電源，其效率已達到93%。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。

1.2.1開關電源的發(fā)展史

開關電源的發(fā)展歷史可以追溯到幾十年前，可分為下列幾個時期：

1.電子管穩(wěn)壓電源時期(1950年代)。此時期重要為電子管直流電源和磁飽

和交流電源，這種電源體積大、耗能多、效率低。

2.晶體管穩(wěn)壓電源時期(1960年代-1970年代中期)。隨著晶體管技術的發(fā)

展，晶體管穩(wěn)壓電源得到迅速發(fā)展，電子管穩(wěn)壓電源逐漸被淘汰。

3.低性能穩(wěn)壓電源時期(1970年代-1980年代末期)。出現(xiàn)了晶體管自激式

開關穩(wěn)壓電源，工作頻率在20kHz以下，工作效率60%左右。隨著壓控率

器件的出現(xiàn)，促進了電源技術的極大發(fā)展，它可使兆瓦級的逆變電源設計

簡化，可取代要強迫換流的晶閘管，目前仍在使用。功率MOSFET的出現(xiàn)，

構成了高頻電力電子技術，其開關頻率可達l00kHz以上，并且可并聯(lián)大電

流輸出。

4.高性能的開關穩(wěn)壓電源時期(1990年代~至今)。隨著新型功率器件和脈

寬調(diào)制(pWM)電路的出現(xiàn)和各種零電壓、零電流變換拓撲電路的廣泛應用

出現(xiàn)了小體積、高效率、高可靠性的混合集成DC-DC電源。

1.3開關電源的發(fā)展展望

1.半導體和電路器件是開關電源發(fā)展的重要支撐。

2.高頻、高效、低壓化、標準化是開關電源重要發(fā)展趨勢：

1)低電壓化

半導體工藝等級在未來十年將從0.18微米向50納米工藝邁進，芯片所需最低電壓最終將變?yōu)?.6V，但輸出電流將朝著大電流方向發(fā)展。

2)高效化

應用各種軟開關技術，包括無源無損軟開關技術、有源軟開關技術，如ZVS/ZCS諧振、準諧振;恒頻零開關技術;零電壓、零電流轉(zhuǎn)換技術及目前同步整流用MOSFET代替整流二極管都能大大地提高模塊在低輸出電壓時的效率，而效率的提高使得敞開式無散熱器的電源模塊有了實現(xiàn)的可能。

3)大電流、高密度化

4)高頻化

為了縮小開關電源的體積，提高電源的功率密度并改善其動態(tài)響應，小功率

DC-DC變換器的開關頻率已將現(xiàn)在的200～500kHz提高到1MHz以上，但高頻

化又會出現(xiàn)新的問題，如開關損耗以及無源元件的損耗增大，高頻寄生參數(shù)以及

高頻電磁干擾增大等。

5)在封裝結(jié)構上正朝著薄型，甚至超薄型方向發(fā)展

2.降壓型pWMAC-DC開關電源設計的基本要求

設計一款降壓型pWMAC-DC開關電源，設計參數(shù)如下：

輸入?yún)?shù)：

1.輸入交流電壓：單相AC220V

2.輸入電壓變動范圍：20%

3.輸入頻率：50Hz2Hz

輸出參數(shù)：

1.輸出直流電壓：24V

2.輸出功率：約200W

設計基本要求:

1.設計主電路;

2.設計控制電路和保護電路;

3.計算主電路電力電子器件參數(shù);

4.繪制主電路、控制電路和保護電路電路圖;

5.繪制完整電路圖。

3.電路總體方法的設計及相關原理

電源有一種輸入，即單相220V交流電壓，設計輸入電壓變動范圍為20%。有一種輸出：24V直流電壓，輸出功率約為200W。交流220V經(jīng)過一個濾波整流電路后得到直流電壓，送入DC-DC降壓斬波電路，控制電路供應控制信號控制IGBT的關斷，調(diào)節(jié)直流電壓的占空比，最后經(jīng)過LC濾波電路的到所需電壓。通過對輸出電壓的取樣，比較和放大，調(diào)節(jié)控制脈沖的寬度，以達到穩(wěn)壓輸出的目的。開關電源原理框圖如下：

整流部分是利用具有單向?qū)ㄐ缘亩O管構成橋式電路來實現(xiàn)的;濾波部分是利用電容電感器件的儲能效應，構成LC電路來實現(xiàn)的;降壓部分是利用降壓斬波電路來實現(xiàn)，控制方式為脈寬調(diào)制控制(pWM)，即在控制時對半導體開關器件的導通和關斷進行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或其他所要的波形。本次設計的開關電源控制時首先保持主電路開關元件的恒定工作周期(T=ton+toff)，再由輸出信號與基準信號的差值來控制閉環(huán)反饋，以調(diào)節(jié)導通時間ton，最終控制輸出電壓(或電流)的穩(wěn)定。

4.主電路設計及參數(shù)計算

4.1主電路的設計

主電路重要完成對交流的整流濾波，對直流電壓降壓和濾波三個工作。

整流電路圖設計如下：

工作時的波形圖如下：

將整流后的得到的直流電壓送入降壓斬波電路，通過脈寬調(diào)制控制調(diào)節(jié)輸出電壓平均值，在經(jīng)過LC濾波電路是電壓穩(wěn)定。降壓斬波電路設計如下圖：

脈寬調(diào)制控制型號有IGBT驅(qū)動電路發(fā)出;RCD保護電路用以緩沖IGBT在高頻工作環(huán)境下關斷時因為正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。

工作時的波形圖如下：

4.2主電路的參數(shù)確定

設計輸入電流為頻率50Hz的單相220V交流電，其脈沖周期為：

經(jīng)過整流后得到的是只有正半部分的正弦波幅值與輸入電壓相同，但周期為輸入電壓一般，即

設計輸出電壓為直流24V穩(wěn)壓，電流為8A直流。占空比α通常取0.4~0.45，該電路取α=0.42，考慮IGBT和二極管的導通壓降取0.8V，電感壓降取0.2V。于是可以得到：

設計輸出功率為200W，所以可以確定：

又由于Uin2=Uo1，確定電阻R1=100Ω，一次側(cè)與二次側(cè)線圈匝數(shù)比N1/N2=2，可以確定整流濾波電路中的回路電流及分壓電阻R0為：

關于整流濾波電路中的四個二極管VD1、VD2、VD3、VD4，它們承受的反向最大峰值電壓為輸入電壓Uin最大值的一半，約為77.8V;流過的最大平均電流約為0.5952A。所以我們可以選擇正向平均電流I(AV)大于0.62A，反向重復峰值電壓Urrm大于156V的電力二極管用來構成全橋。

關于斬波電路中的電力二極管VD，承受的最大反向重復峰值電壓約為84.2V，最大正向平均電流I(AV)約為8.33A，所以我們可以選擇正向平均電流I(AV)大于8.5A，反向重復峰值電壓Urrm大于169V的電力二極管作為續(xù)流二極管。

關于斬波電路中的IGBTVT，集射極承受的最大電壓Uce約為84.2V，流過的最大電流值約為8.33A，則最大耗散功率約為701.2W。所以我們可以選擇最大集射極間電壓大于85V，最大集電極電流大于8.5A，最大集電極功耗大于723W的IGBT。

綜上所述，主電路的重要參數(shù)如下：

所用電力二極管和IGBT的導通壓降約為0.8V，電感壓降約為0.2V

1.整流濾波電路部分：

一次側(cè)與二次側(cè)線圈匝數(shù)比N1/N2：2

輸入電壓Uin：單相220V交流

輸出電壓Uo1：59.52V直流

回路電流平均值Io1：0.5952A

電阻R0：81.8Ω

電阻R1：100Ω

電力二極管VD1、VD2、VD3、VD4參數(shù)：

正向平均電流I(AV)≥0.62A，反向重復峰值電壓Urrm≥156V

2.降壓斬波電路部分：

輸入電壓Uin2：59.52V直流

輸出電壓Uo：24V穩(wěn)壓直流

回路電流平均值(輸出電流)Io2：8.33A

輸出功率：200W

電阻R2：2.88Ω

占空比α：0.42

電力二極管：

正向平均電流I(AV)≥8.5A，反向重復峰值電壓Urrm≥169V

IGBT參數(shù)：

最大集射極間電壓Uces≥85V，最大集電極電流Ic≥8.5A

最大集電極功耗pcm≥723W

5.控制電路、驅(qū)動電路及保護電路的設計

5.1控制及驅(qū)動電路設計[4]

本文設計的開關電源的控制及驅(qū)動電路的核心為三菱公司的M579系列驅(qū)動器。電路圖如下所示：

該集成驅(qū)動器的內(nèi)部包含有檢測電路、按時及復位電路和電氣隔離環(huán)節(jié)，可在發(fā)生過電流時能快速響應但慢速關斷IGBT。輸出的正驅(qū)動電壓為+15V，負驅(qū)動電壓為-10V。

5.2保護電路的設計

本文設計的電源電路重要要對IGBT在開通時采取di/dt保護和在關斷時采取過電壓保護，可選擇復合緩沖電路作為IGBT的保護電路，電路圖如下：

6.課程設計總結(jié)

通過本次課程設計，使我更加深刻地理解了直流斬波電路以及開關電源，了解了開關電源的基本結(jié)構、設計過程和實現(xiàn)的功能。使我了解到開關電源在電子設備、電力設備和通信系統(tǒng)的直流供電中得到廣泛應用，在高頻開關電源中，DC-DC變換是其核心。隨著半導體技術的發(fā)展，高集成度，功能強大的大規(guī)模集成電路不斷出現(xiàn)，使電子設備不斷縮小，重量不斷減輕，相應地要求系統(tǒng)供電電源的體積和重量相應減小，如何減小開關電源的體積，提高其效率，是將在在設計開關電源的過程要著重考慮的一個方面。

本文首先對開關電源的發(fā)展歷史、當下發(fā)展狀況以及將來的發(fā)展趨勢作了簡要的介紹，隨后闡述了降壓型AC-DC開關電源的核心部分——DC-DC轉(zhuǎn)換器(降壓斬波電路)的拓撲結(jié)構及其工作原理，描述了DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制方法——脈寬調(diào)制控制(pWM)，并詳細介紹了該控制方法的基本原理。在此基礎上設計了一款基于電壓控制模式的pWM降壓型AC-DC開關電源，設計的內(nèi)容包括主電路的設計、控制及驅(qū)動電路的設計和保護電路的設計，每個部分均給出設計電路圖，重點分析了主電路的工作原理，并給出設計參數(shù)。

參考文獻

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[6].王兆安.電力電子交流技術(第4版).機械工業(yè)出版杜.2007

[7].脫立芳.降壓型pWMDC_DC開關電源技術研究.西安電子科技大學碩士學位論文.2008

附錄

本文所設計的降壓型pWMAC-DC開關電源完整電路圖如下：

[1]1.1.1小節(jié)部分引用于(美)RaymondA.MackJr.的《開關電源入門》

[2]1.1.2小節(jié)部分引用于王兆安編寫的《電力電子交流技術(第4版)》和王兆安與黃俊共同編寫的《電力電子技術》