基于软开关技术的开关电源设计(共34页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上太原科技大学毕业论文基于软开关技术的开关电源设计 太原科技大学教务处二一五年五月专心-专注-专业摘要随着电力电子技术的不断发展,开关电源凭借自身效率高、体积小及控制灵 活等一系列优越性,广泛应用于航空航天、计算机通信以及自动控制等领域,并 有逐步取代传统线性稳压电源的趋势。因此,不断提高开关电源性能是开关电源 市场所需要的,其中就包括功率因数校正(PFC)技术和软开关技术。本文从 Boost 变换器入手,分析了其工作原理和在单级功率因数校正方面的应用。结合全桥变换器拓扑,本文提出了开关电源的新型拓扑应用,即基于全桥架 构的单级 PFC 电路拓扑。该新型拓扑结合了 Bo
2、ost 变换器和全桥变换器的优点, 兼具功率因数校正和较大功率应用的优势。同时,为了提高开关电源效率,本文 在电路设计中加入了钳位电路,通过合理设计驱动信号时序,实现开关管的零电 压开通的软开关技术。在系统控制策略选择上,本文采用单周期控制技术。该控制技术的理念新颖, 将其应用于有源功率因数校正电路中,可以大大减小电流畸变和实现较高功率因 数。同时,该控制技术取消了传统控制方法所必须的乘法器,较低了控制电路的 设计难度,是当前一种很有应用前景的控制策略。在此基础上,完成了系统的控 制算法编写。通过系统地分析,本文设计了一台基于上述理论,功率级别为 1KVA 的开关 电源样机,采用市电输入,直流
3、稳压输出。详细分析了主电路参数设计,介绍了 各个功能模块的电路设计。最后展示了开关电源样机的各个测试信号,得到较为 理想的开关电源输出电压和较为良好的单级 PFC 效果。由此,验证了本开关电源 设计的正确性和可行性。关键词:开关电源,单级 PFC,软开关,全桥,单周控制ABSTRACTWith the development of power electronics, switching power supply which is of many advantages, such as: high efficiency, small volume and flexible control st
4、rategies, and so on, is widely used in aerospace, computer communication and automatic control and other fields. Therefore, to improve the performance of switching power supply is required for switching power supply market, including power factor correction and soft switch technology.This paper star
5、ts from the Boost converter analysis, including its working principle and application in the field of single-stage power factor correction (S2-PFC). Combined with the full bridge converter topology, this paper presents a new topology of switching power supply, which is based on a single-stage PFC ci
6、rcuit topology of full bridge structure. The new topology combines the advantages of Boost converter and full-bridge converter, and the new one can be used in large power application with the purpose of the power factor correction. At the same time, in order to improve the efficiency of theswitching
7、 power supply, this paper joined the clamp circuit in the circuit design.On the system control strategies, this paper adopts One-Cycle-Control (OCC) technology. This control technology that is use in the active power factor correction circuit can greatly reduce the current distortion and realize the
8、 high power factor. Meanwhile, the control technology will not use the multiplier as the traditional method, and reduce the difficulty of design of control circuit.Through the systematic analysis, a set of switch power supply prototype, whose power volume is about 1KVA, is finished preliminarily bas
9、ed on the above theory. Switch power supply prototype inputs the grid AC voltage, outputs DC voltage steadily. Analyze the main circuit parameter, and describe the circuit design of each functional module. At the end, present each test signal of the switching power supply prototype, which could impr
10、ove the correctness and feasibility of the theoretical analysis and engineering design.Keywords: Switching power supply, S2-PFC, Soft-Switching, Full-Bridge, OCC目 录第一章 绪 论.11.1 开关电源概述 . 11.2 开关电源国内外发展现状与趋势 . 21.3 本论文的研究背景、目的及意义 . 41.4 本文所做的主要工作 . 5第二章 开关电源系统硬件设计.342.1 主电路模块参数设计 . 342.1.1 整流电路参数设计 .
11、342.1.2 输入电感的参数设计 . 352.1.3 输出电容的参数设计 . 362.2 控制模块芯片选择 . 382.3 信号采样模块硬件电路设计 . 382.3.1 输入电压采样电路 . 382.3.2 输入电流采样电路 . 392.4 高频变压器参数设计 . 392.5 驱动模块硬件电路设计 . 41第三章 单周期控制技术软件实现 .43 3.1 单周期控制策略系统软件设计 . 51 3.2 系统主程序设计 . 52 3.3 中断服务子程序设计 . 53 3.4 PI 调节子程序设计56第四章 系统实验结果分析.594.1 各个功能模块调试结果及分析 . 594.1.1 采样电路模块的
12、调试 . 594.1.2 控制电路模块的调试 . 614.1.3 驱动电路模块的调试 . 624.1.4 辅助电源模块的调试 . 634.2 开关电源系统实验结果及分析 . 634.3 本章小结 . 65第五章 结论.665.1 全文总结 . 665.2 工作展望 . 66致 谢 .68参考文献.69第一章 绪 论1.1 开关电源概述电源是电子设备的重要组成部分,其性能的好坏直接影响着电子设备运行的 安全性和可靠性。目前常用的直流稳压电源可分为线性稳压电源和开关稳压电源。线性稳压电源,是指稳压电源电路中的功率调整管工作于其线性放大区,工 作原理为:将工频电网电压经线性变压器降压后,通过整流、滤
13、波以及线性稳压 处理,最终输出所需的直流电压1。线性稳压电源虽然具有一系列优点,如:瞬态响应速度快;输出纹波电压较 小;工作噪声低;电源稳定度较高等。但是由于其自身拓扑结构,同时也有一系 列的缺点,如:转换效率较低,通常情况下只有 45%左右;电源系统体积较大, 重量较大,不利于小型化,并且原材料消耗更多而成本较高;输入电压的动态范 围比较小等。这些缺点成为其长远发展的巨大障碍2。开关电源,又称变换式电源、开关变换器,是一种利用现代电力电子技术实 现高频化电能转换的装置。通过控制开关管的开通时间和关断时间比率,将一个 标准的电压转换为所需的电压或电流。开关电源的输入电压来源一般是蓄电池, 光伏
14、电池,燃料电池或者通过整流器输入3。相较于线性稳压电源而言,开关电源自身优点在于:(1) 电源系统内部功耗较小,转换效率较高。功率开关晶体管在驱动信号的激 励下,周期性地工作在开-关状态,这就使得开关管的功耗很小,大幅提高了电源 系统效率,一般电源系统效率都能达到 90%以上。(2) 电源产品体积较小,重量较轻。由于高频技术的成熟应用,现代开关电源 不再使用传统的工频变压器,并且由于功率开关晶体管耗散功率降低而可以采用 较小的散热器件,所以开关电源具有较小的体积和较轻的重量,节省了相应的原 材料成本。(3) 稳压范围较宽,线性调整率较高。开关电源的输出电压是根据驱动信号的 占空比来实现调节的,
15、一旦输入信号电压发生变化,则可以快速相应地通过调节 开关频率或调节驱动脉冲宽度来保持稳定的输出。(4) 滤波效率较高,同时极大地减小了滤波电容和滤波电感的体积。开关电源的功率开关晶体管开关频率较高,目前成熟应用技术基本都在 50kHz 以上,是以 往线性稳压电源工作频率的 1000 倍以上,所以相比而言,开关电源的滤波效率也 几乎提高了 1000 倍。(5) 电路拓扑选择余地大。常见的有调频式和调宽式;升压式、降压式和升降 压式;单端式和双端式等。设计人员可以充分利用各类电路拓扑的特长,设计出 应用于各种场合的优质开关电源。1.2 开关电源国内外发展现状与趋势(1) 功率半导体器件的发展在近
16、20 年的时间里,一大批优秀的功率半导体器件的研发成功极大地推动了 开关电源的快速发展,这些器件现在已非常常见,如电力晶体管 GTR,功率 MOSFET,绝缘栅极双极性晶体管 IGBT 等,这些器件均是基于硅晶片研制而成。 21 世纪最有希望研制成为优秀功率半导体器件的是一种叫做碳化硅(SiC)的新型 功率半导体器件。其优点是:宽禁带,热稳定性好,通态电阻小,导热性好,漏 电流小等一系列优秀电气特性,非常适合制造成耐高温的高频大功率功率半导体 开关器件,如:SiC 功率 MOSFET,SiC 型 IGBT 等等。(2) 高效率和软开关技术 工作于开关状态的开关电源,功率开关晶体管的损耗主要包括
17、开通损耗和关断损耗,为此,研究人员研究了在开关过程中开关器件的电流和电压波形不相交 叠的技术,即零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)技术,总称软开关技术, 理论上使功率开关晶体管的开关损耗为 0,在减小开关损耗的同时,还大大降低了 开关噪声,减小了电磁干扰。据报导,最近国外小功率 DC-DC 转换器开关电源模块(48V/12A)总效率可达到 96%;48V/5A DC-DC 转换器开关电源模块的效率可 达到 92%93%。20 世纪末,我国自行生产的通信用 50100A 输出,全桥移相式 ZVS-PWM 开关电源模块效率已超过 93%。DSP 的计算辅助软开关技术的应用, 可以有效提高变
18、换器效率,同时,很多高效率的拓扑通过高级非线性数字控制技 术使开关电源在全工作范围内的性能都得到优化5。1.3 本论文的研究背景、目的及意义自 20 世纪 50 年代发展起来开关电源 PWM 调制技术,其功率开关管工作在硬 开关(Hard Switching)状态,在开通和关断的时候,电压和电流存在一定的交叠, 所以会产生相应的开关损耗(Switching Loss)。在一定的条件下,功率开关管在每 个开关周期中的开关损耗是一定的,那么,开关损耗和开关频率是成正比关系的, 开关频率越高,开关电源的总体效率反而越低,从这一点上来说,开关损耗限制 了开关电源的高频化发展,也就限制了其小型化和轻量化
19、的发展。此外,硬开关工作状态的功率开关管还会产生很高的瞬时电流和电压冲击, 产生较大的电磁干扰(EMI),同时也会对功率开关管本身造成很大的冲击而损坏。软开关技术的实现,为解决上述问题提供了一种有效的技术手段,有利于减小开 关损耗,有利于提高开关频率。软开关技术目前已广泛应用于开关电源设备当中。由于应用场合对开关电源的要求不断提高,研究人员对开关电源系统的输入 功率因数和谐波污染等课题有了更加深入的探讨。本文基于上述课题背景,在开 关电源的设计过程中,运用单级 PFC 技术,并融入软开关技术,结合全桥架构, 探索开关电源在较高功率应用场合下单级 PFC 技术的工程设计,并优化开关电源 性能。1
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