大功率开关电源设计

2016届毕业设计方案

课题名称：《大功率开关电源的设计》

所在学院 牵引与动力学院 班 级 动车134班 姓 名 李 升 学 号 201313220451 指导老师

毕业设计评分标准与答辩记录 班级 课题名称 考核项目及分值 分值 学号 姓名 总得分 考核内容 评分标准 得分 选题的应用性、工艺性、综合性、先进性、和经济性。查阅文献资料、5 参考书、使用工具书的能力。 设计过程20 分析和解决问题方面的能力，创造性，独立工作能力。 工作态度与遵守纪律情况。 文字的简洁性、通畅性，条理性与逻辑性。 论据正确充分、分析计算准确、使用公式与引用数据的正确性。 设计结果40 完成设计任务，贯彻国家标准，图样、数据表格、说明书质量。 设计方案比较选择的正确合理性，设计理念、设计方法、设计思路方面的独到性和创新性。 阐述课题的设计思路、主要依据、结论、体会和改进意见。 答辩情况40 回答问题的准确性、敏锐性、全面性，语言表达能力，逻辑条理性。 30 30 指导老师评价 指导教师签名 答辩教师签名 24 18 12 10 10 8 6 4 10 10 8 6 4 10 10 8 6 4 5 10 10 5 10 10 4 8 8 3 6 6 2 4 4 5 4 3 2 10 10 8 6 4 答辩记录与 答辩评价 I

2016届毕业设计任务书

一、 课题名称：多路输出单端反激式开关电源设计 二、 指导老师：邓小木 三、 设计内容与要求：

1、课题概述:

开关电源是通过控制开关晶体管开通和关断时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达80%一90%，比普通线性稳压电源效率提高近一倍。

本课题是设计多路输出单端反激式开关稳压电源。主电路采用多路输出单端反激变换器

结构，采用控制芯片UC3844实现电压电流双闭环控制，系统工作频率在50kHZ，输出+/-5V/0.5A（共4路），+/-12V/1A,，24V/1A 共7路隔离的电压。2、设计内容与要求： 1. 设计任务

1）多路输出高频开关变压器设计； 2）UC3844外围电路设计； 3）开关电源保护电路设计；

4）用PROTEL DXP绘制电路原理图，并制作PCB； 5）开关电源焊接、调试； 2． 技术指标

1）开关电源的输入电压：AC 185~250V

2）开关电源输出电压及电流：+/-5V/0.5A（共4路），+/-12V/1A,，24V/1.5A

3）开关电源的开关频率：50kHZ 4）开关电源的效率：≥80%

四、设计参考书

1）张占松，蔡宣三．开关电源的原理与设计[M]，北京：电子工业出版社，2004．

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2）周志敏，周纪海，纪爱华．开关电源实用电路[M]，北京：中国电力出版社，2006． 3）黄继昌．电源专用集成电路及其应用[M]，北京：人民邮电出版社，2006． 4）王增福，李昶，魏永明．新编常用稳压电源电路[M]，北京：电子工业出版社，2006． 5）黄俊，王兆安．电力电子变流技术[M]，北京：机械工业出版社，2006．

五、设计说明书要求

1、封面 2、目录

3、内容摘要(200-400字左右，中英文) 4、引言

5、正文（设计方案比较与选择，设计方案原理、分析、论证，设计结果的说明及特点）

6、结束语

7、附录(参考文献、图纸、材料清单等)

六、 设计进程安排

第1周：资料准备与借阅，了解课题思路。 第2-3周:设计要求说明及课题内容辅导。 第4－7周：进行毕业设计，完成初稿。 第7-10周：第一次检查，了解设计完成情况。

第11周：第二次检查设计完成情况，并作好毕业答辩准备。 第12周：毕业答辩与综合成绩评定。

七、毕业设计答辩及论文要求

1、毕业设计答辩要求

答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。

学生答辩时，自述部分内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。

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答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。

2、毕业设计论文要求

文字要求:说明书要求打印(除图纸外)，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。

图纸要求:按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。

曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。

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摘 要

大功率开关电源在日常的生产、生活中有着广泛的应用,尤其在军事、医疗和绝缘测试等领域应用更为频繁。传统的大功率开关电源采用线性电源技术的较多,这种结构形式造成电源整体效率较低,性能一般,体积大,重量沉。随着开关电源技术的进步和发展,各类用途的直流电源都倾向于采用开关电源技术。开关电源以其线性电源无法比拟的特点和优点己经成为电源行业的主流形式。开关电源技术应用于大功率电源领域,使大功率电源变得体积小,重量轻,效率高,性能更好。

在本文中，主要对大功率开关电源的结构组成、技术参数、控制电路工作原理等进行重点讲述，指出其常特点并详细分析结构。

关键词：大功率；脉冲触发电路；回馈电路。

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Abstract

High power switching power supply has been widely used in daily production and life, especially in the fields of military, medical and insulation testing. The traditional high power switching power supply adopts linear power supply technology, which causes the overall efficiency of the power supply is low, the performance is general, the volume is large, the weight is heavy. With the development of the technology of switching power supply, DC power supply tends to use switching power supply technology. Switching power supply with its linear power can not match the characteristics and advantages of the power industry has become the mainstream form. Switching power supply technology is applied to the field of high power supply, which makes the power supply of high power supply small, light weight, high efficiency and better performance.

In this paper, the structure, technical parameters and working principle of high power switching power supply are mainly described.

Key words: high power; pulse trigger circuit; feedback circuit.

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目 录

摘 要 .................................................................... V Abstract .................................................................. VI 第1章 绪 论 .............................................................. 1

1.1高压直流电源简介 ................................................... 1 1.2高压开关电源简介 ................................................... 2 1.3高压开关电源发展趋势 ............................................... 3 第2章 大功率开关电源的基本原理 ............................................. 5

2.1 大功率开关电源的组成 ............................................... 5 2.2 DC-DC 变换器拓扑的选择 ............................................. 6

2.2.1 DC-DC 变换器逆变电路拓扑 ..................................... 6 2.2.2 DC-DC 变换器次级整流拓扑 .................................... 10 2.3 全桥式逆变拓扑控制方式 ............................................ 15 2.4 本章小结 .......................................................... 17 第3章 开关电源主电路的设计 ............................................... 18

3. 1 开关电源主电路的设计 ............................................. 18 3.2开关电源的设计要求 ................................................ 18 3.3 电路结构框图 ...................................................... 19

3.3.1输入整流滤波电路 ............................................ 19 3.3.2 单相逆变桥 ................................................. 20 3.3.3 输出整流滤波电路 ........................................... 20 3.4 输入整流滤波电路设计 .............................................. 20

3.4.1 整流桥 ..................................................... 20 3.4.2 输入整流电容 ............................................... 21 3.4.3 输入滤波电感 ............................................... 22 3.5 逆变电路的设计 .................................................... 22

3.5.1 功率转换电路的选择.......................................... 22 3.5.2 确定电路工作频率f .......................................... 22 3.5.3 选用高压开关管 ............................................. 23 3.6 输出整流滤波电路 .................................................. 24

3.6.1 输出整流二极管 ............................................. 24 3.6.2 输出滤波电感 ............................................... 25 3.6.3 输出滤波电容 ............................................... 25

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3.7 输出整流滤波电路 .................................................. 26

3.7.1 输出整流二极管 ............................................. 26 3.7.2 输出滤波电感 ............................................... 26 3.7.3 输出滤波电容 ............................................... 27

第4章 开关电源控制电路的设计 .............................................. 28

4.1开关电源控制电路的设计 ............................................ 28 4.1 移相PWM控制芯片UC3879 的特性4.2 驱动电路设计

[13][14]

[11][12]

................................. 28

.................................................. 30

4.2.1 驱动脉冲变压器的设计 ........................................ 31 4.2.2 驱动放大电路的设计.......................................... 31 4.3反馈电路设计

[15][16]

.................................................. 32

4.3.1 反馈电路结构 ............................................... 32 4.4 保护电路的设计 .................................................... 33 4.5开关电源维修 ...................................................... 34 第5章 总 结 .............................................................. 36 致 谢 .................................................................... 37 参考文献 .................................................................. 38

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第1章 绪论

1.1 高压直流电源简介

高压直流是指大小（电压高低）和方向（正负极）都不随时间（相对范围内）而变化，比如干电池。脉动直流电是指方向（正负极）不变，但大小随时间变化，比如：我们把50Hz的交流电经过二极管整流后得到的就是典型脉动直流电，半波整流得到的是50Hz的脉动直流电，如果是全波或桥式整流得到的就是100Hz的脉动直流电，它们只有经过滤波（用电感或电容）以后才变成平滑直流电，当然其中仍存在脉动成分（称纹波系数），大小视滤波电路得滤波效果。

传统的高压直流电源通常用工频交流电源经升压变压器升压、整流滤波而得。如图1-1所示,其中T为升压变压器,C为滤波电容,R1、R2为电阻主要起限流保护的作用。对于电压不是很高的场合,可用半波整流电路,全波或桥式整流电路得到直流电压。

图1-1 整流电路

在实际应用中升压变压器之前要加自藕调压器,通过调整自藕调压器实现调整高压直流输出的目的。

这类整流电路优点是接线简单,缺点是所用设备、组件的电压较高,体积、重量和占地面积大,一般只能作为试验室内使用。

电路工作过程是这样的,在正弦波负半周电源通过V2对C1充电,在正弦波的正半周,电源C2和同时对C1充电,C2上获得的电压约为电源电压的峰值和C1上电压的和,因此,经过几个周期后,C2上的电压约为变压器输出电压峰值的2倍。若要更高的直流电压,可以把几级倍压电路串接在一起,每一级都能获得约2倍峰值电压的直流电压。若有n级串联,则可得到2n倍的直流电压,但级数越多,

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内阻抗越大,实际输出电压比预期值小得越多,同时脉动系数也越大。因此,级数不宜太多,一般不超过5级。

图1-2倍压整流电路

1.2 高压开关电源简介

随着电力电子器件和相关应用技术的发展,作为用电设备心脏的电源系统发生了很大的变化。以开关方式工作的直流稳压电源以其体积小、重量轻、效率高、稳压效果好的特点,正逐步取代传统电源的位置,成为电源行业的主流形式。高压直流电源领域也同样深受开关电源技术影响,并已广泛地应用于系统之中。

应用电力电子器件产生高压直流的结构框图见图1.3,交流电源经整流单元整流、滤波后,变成低压直流,逆变单元由控制单元控制,使低压直流电压逆变成高频方波电压,经高频变压器形成高频高压的方波电压,然后经高压整流输出变成直流高压,电压反馈单元将输出的高压信号反馈到控制单元，只要调整控制单元的设定电压,就可调节直流高压的输出电压。其中整流单元通常采用不可控桥式整流,结合电感和电容加以滤波逆变单元根据所含开关管数量,可以分为单管、双管(半桥式和推挽式)和四管(桥式）,根据开关频率和电流电压参数不同,开关组件多用IGBT和MOSFERT；和高频变压器最重要的参数是频率,通常频率在几KHZ至几十KHZ之间。

图1-3 应用电力电子器件的高压直流电源的结构图

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采用开关电源技术的高压直流电源具有体积小,重量轻,控制精度高,稳定度高,纹波系数低,保护速度快等优点,因此它必然在高压直流电源中有更广泛的应用。

1.3 高压开关电源发展趋势

在要求高效率、小型、轻量的背景下开关电源得到大量的普及。在高压电源方面，工作频率为20KHZ～80KHZ的晶体管逆变器也已取代老式的市电频率方式的电源，成为电源的主流。在高压设备方面，作为负载的设备是多方面的，各种负载对电源的性能和功能的要求也有相当的差异。高压开关电源的阶段状况和发展前景决定输出电压有几KV～几百KV，输出功率有几W～几百w等各种各样。

高压开关电源的一般特征如下： 1、高频率、小型、轻量

2、响应速度快，在输入和负载急剧变化时，输出电压的稳定度好． 3、在负载放电时，由于平滑滤波电容是小型的，以及逆变器保护电路高速动作产生的对通过逆变部能量的抑制效果，把流向负载侧的剩余能量限制在最低限度，以保护负载。因此噪声产生量也少。

4、操作性好，适合作为设备内的电源适配器。

5、高稳定度，低波纹电压都比较容易实现。特别是在超高压范围更为有利。 在国外,从70年代开始,日本的一些公司开始采用开关电源技术,将市电整流后逆变为3kHZ左右的中频,然后升压,美国GE公司生产的AMX-2一移动式X线机把蓄电池供给的直流电逆变成500Hz的中频方波送入高压发生器,从而减小体积和重量。进入80年代,高压开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关组件,将电源的开关频率提高到20kHZ以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。近十年来,随着电力电子技术的进步和开关器件的发展,高压开关电源技术不断发展。突出的表现是频率在不断提高:如Philips公司30kW以下移动式X光机的X线发生装置频率达30kHZ以上,德国的霍夫曼公司高压发生器频率高达40kHZ。98年以后通用电气公司和瓦瑞安公司都研制成功100kHZ X线机发生器。另外,高压开关电源的功率也在不断地提高,10-30kW的大功率高压开关电源在产品上己很成熟,更高功率的高压开关电源也有很快的发展,如:用于雷达发射机的140kW高压开关电源(俄罗斯);用于脉冲功率技术中的300kW大功率恒流

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充电电源(美国EEV公司)等等。

可以看出，高压开关电源的发展的主要趋势是： 1、频率不断提高 2、功率不断增加

我国自年代初开始对高频化的高压大功率开关电源技术进行研究,分别列入了“七五”、“八五”、“九五”国家重点攻关项目。国家“八五”攻关项目(85-805-01),200kV高压直流开关电源的研制,输出功率达20Kw;国家自然基金资助项目(69871002)产生高浓度臭氧用20kHZ高压逆变电源的研制,电源的转换效率>80%,输出功率最高达20kW,电源体积降至原体积1/5,臭氧发生器体积降为原来1/6,还减少了原材料消耗静电除尘高压直流电源也实现了高频化,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压,在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHZ。

相对而言我国高压开关电源技术己取得了很大的进步，但同国外相比还有很大的差距，特别是大功率高压开关电源技术仍处在研发之中。

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第2章 大功率开关电源的基本原理

2.1 大功率开关电源的组成

一般把从交流电网汲取电能，输出直流电的开关电源称之为AC-DC变换器。如图2-1所示，AC-DC变换器由输入整流滤波电路和DC-DC变换器组成。输入整流滤波电路的形式一般为整流桥并联滤波电容，这一部分存在的问题留待第四章进行详细的讨论。而所谓的DC-DC变换器是指把输入的直流电变换成满足用电设备要求的直流电的电能转换设备。

交流输入 输入整流 滤波电路 直流 DC-DC 变换器 直流直流输出 图2-1 AC-DC变换器组成框

现有的DC-DC变换器技术，按照变换器的输入和输出之间是否具有高频变压器进行电气隔离可分为两大类：非隔离式DC-DC变换器、隔离式DC-DC变换器。非隔离式DC-DC变换器常用的拓扑有[1]：降压式变换器、升压式变换器、升降压式变换器、丘克（Cuk）变换器、单端初级电感（SEPIC）变换器以及ZETA变换器。隔离式DC-DC变换器常用的拓扑有：正激式变换器、反激式变换器、双管正激式变换器、推挽式变换器、半桥式变换器以及全桥式变换器。隔离式DC-DC变换器输入与输出之间存在电气隔离，在安全性方面与非隔离式DC-DC变换器相比，具有不可比拟的优势。此外，由于隔离式DC-DC变换器具有高频变压器，可以通过选取合适的匝比使得在额定负载下，占空比处于一个合适的范围内，同时也使得多路输出设计变得简单。大功率开关电源需要从交流电网中汲取电能，而且一般要三相输入，属于AC-DC变换器。三相电源经过输入整流滤波电路后输出为一个537V的高压，大功率开关电源中的DC-DC变换器输入为一个高压直流电。因此对于大功率率开关电源来说，尽管隔离式DC-DC变换器的成本较高，电路较复杂，但是出于安全性考虑，大功率开关电源一般采用隔离式DC-DC变换器结构。

如图2-2所示，隔离式DC-DC变换器主要由逆变电路、高频变压器、输出整流滤波电路三大部分组成。下面对隔离式DC-DC变换器各个部分的功能进行简单的介绍。

1）逆变电路。由变压器的基本原理可知，变压器只能传输交流信号，而

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DC-DC变换器的输入为直流电，因此需要逆变电路把输入的直流电转换成高频交流电。增加交流电的频率，可以减小高频变压器的体积。

2）高频变压器。把开关电源的输出和输出进行电气上的隔离。由逆变电路产生的高频交流电，经过高频变压器传递到开关电源输出整流滤波部分。选择合适的匝比，可以把电压调整到设计的范围内。

3）输出整流滤波电路。把高频交流电整流成直流脉动，然后再通过滤波电路把直流脉动中的高频成分滤除，最终得到较为平滑的直流电输出。

4）控制电路。按照给定输出量及输出量实时回馈量之间偏差的大小，调节逆变电路，使得DC-DC变换器跟踪给定量输出。

图2-2 隔离式DC-DC变换器组成

DC-DC变换器中的各个组成部分都存在众多的技术方案，而这些已有的技术方案的适用场合又各有区别。本文将通过对各种现有的方案进行分析对比，从而为大功率开关电源选择较为合理的技术方案。

2.2 DC-DC 变换器拓扑的选择

2.2.1 DC-DC 变换器逆变电路拓扑

首先，分析一下各种逆变电路拓扑的磁芯工作状况[2]，从磁芯利用率的角度来为逆变电路拓扑的选取提供依据。图2-3为反激式（连续电流下）磁芯工作状态，可以看出工作在连续电流下，磁芯工作在第一象限，只能被单向磁化，直流偏磁大，交流分量小，工作在局部磁化曲线上，在此种情况下磁芯的利用率较低。图2-4为正激式磁芯工作状态，可以看出磁芯也工作在第一象限，只能被单向磁化，磁芯的利用率较低。图2-5为推挽、半桥、全桥磁芯工作状态，可以看出磁芯工作在B-H坐标的四个象限，被双向磁化，每个周期沿着整个磁化曲线磁化一

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次，磁芯利用率高。而在相同的功率下，磁芯利用率和磁芯体积是相关的，磁芯利用率越大，磁芯体积越小。若将反激式、正激式这两种拓扑用到大功率开关电源上，在变压器的设计中，将需要采用体积很大的磁芯。基于磁芯利用率的限制，反激式、正激式拓扑较适用于小功率开关电源。

图2-3 反激式（连续电流下）磁芯工作状态 图2-4 正激式磁芯工作状态

图2-5 推挽、半桥、全桥磁芯工作状态

接着，从开关器件的电压应力、电流应力和变压器制作三方面来对比，从推挽、半桥和全桥中选取适合大功率开关电源的拓扑。

（1）推挽式拓扑

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图 2-6 所示为推挽式拓扑的原理图，理想情况下，开关管V1、V2 所要承受的最大电压为输入电压 Ui的两倍，即：

(2-1) UV1?UV2?2Ui而次级整流二极管 D1、 D2 所要承受的最大反向电压为：

W2UD1?UD2?2Ui W1(2-2)

推挽式拓扑变压器初级、次级均需要中间抽头，这样大大增加了变压器的制作难度，特别对于大功率开关电源的变压器来说更是如此。

图2-6 推挽式拓扑

（2）半桥式拓扑

图 2-7 所示为半桥式拓扑的原理图，理想情况下，开关管V1、V2 所要承受的最大电压与输入电压Ui 相等，即：

V1V2i

U?U?U（2-3）

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高频变压器输入电压幅值仅为直流输入电压Ui的一半，即：

1 （2-4） UAB?Ui2图2-7 半桥式拓扑

（3）全桥式拓扑

图2-8 所示为全桥式拓扑的原理图，理想情况下，开关管V1、V2 、V3 、V4 所要承受的最大电压与输入电压Ui相等，即：

UV1?UV2?UV3?UV4?Ui

(2-5)

而次级整流二极管 D1、 D2 所要承受的最大电压为：

W2UD1?UD2?2Ui (2-6) W1

高频变压器输入电压幅值等于直流输入电压Ui，即：

UAB?Ui （2-7）

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图2-8 全桥式拓扑

由上述对三种双向磁化拓扑的讨论可知，推挽式拓扑中的开关管电压应力比半桥式、全桥式拓扑大一倍。而大功率开关电源一般采用三相输入，直流母线上的电压约为537伏。对于具有如此高的直流母线电压的大功率开关电源来说，推挽式拓扑在开关管电压应力上的缺点是致命的，此外其变压器需要初级中间抽头结构也为变压器的制作带来困难，所以推挽式拓扑不是十分适合大功率开关电源。而半桥式拓扑和全桥式拓扑的开关管的电压应力一样，但是由于半桥式拓扑高频变压器输入电压只有全桥式拓扑的一半，所以在同等输出的功率下，半桥式拓扑的输入电流是全桥式拓扑的2倍，开关管的电流应力是也是全桥式拓扑的2倍。所以尽管全桥式拓扑的驱动电路复杂、成本高，但是当功率大到一定程度，开关器件的电压和电流额定值、磁性元件的体积成为开关电源功率增大的瓶颈时，全桥式拓扑成为大功率开关电源较为合适的选择。

2.2.2 DC-DC 变换器次级整流拓扑

在开关电源中常用的次级整流拓扑有[3]：全波整流、全桥整流和倍流整流。下面详细分析这三种不同整流拓扑的工作，以确定各种整流拓扑的适用情况。

（1）全波整流拓扑

如图2-9 所示，对于全波整流拓扑，当高频变压次级电压Vs为正时，二极管D1导通、D2截止，二极管D1、滤波电感L、电容C和负载R构成回路。此时

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滤波电感两端电压为正，电感电流线性增长，处于储能状态。当高频变压器两端电压为零时，次级绕组电压也为零，此时初级绕组电流为零，而次级由于滤波电感的存在需要通过D1、D2 进行续流，由于二极管 D1、D2 两个续流回路理论上是对称的，二极管 D1、D2同时导通且各通过滤波电感电流的一半。此时输出电压加在滤波电感两端，电感两端电压为负，电感电流线性下降，电感处于能量释放状态。当高频变压器次级电压V 为负时，二极管D2 导通、D1 截止，二极管D2、滤波电感 L、电容C 和负载 R 构成回路。此种状态下，除了通过电流的绕组和二极管不一样外，其他的工作状态与高频变压器次级电压Vs为正时的情况相同。全波整流各点波形如图2-10 所示。

图2-9 全波整流拓扑

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图2-10 全波整流各点波形

全波整流拓扑只需要2个整流二极管，在滤波电感储能期间，只有一个二极管导通，有着较小的导通损耗和电压降，特别适用于低压输出的大功率开关电源应用。另外，全波整流拓扑只需要一个滤波电感，较为简单。但是，全波整流拓扑需要高频变压器次级中间抽头结构，会给高频高频变压器的设计和制造带来困难，且外部接线和焊接也难以处理[4]。整流二极管承受的最大电压为高频变压器次级最大电压的两倍，故不太适用于高电压输出的大功率开关电源的应用。

（2）全桥整流拓扑

如图 2-11 所示，对于全桥整流拓扑，当高频变压器次级电压Vs为正时，二极管 D1、D4导通，D2、D3截止，二极管D1、D4、电感L、电容C 和电阻R构成回路。此时滤波电感两端电压为正，滤波电感电流线性增长，处于储能状态。当高频变压器两端电压为零时，次级绕组电压也为零，此时初级绕组电流为零，而次级由于滤波电感的存在需要通过D1、D2、D3、D4进行续流，由于两个续流回路都是对称的，二极管D1、D4通过滤波电感电流的一半，二极管D2、D3通过滤波电感电流的另外一半，以实现对滤波电感的续流。此时输出电压加在滤波电感两端，电感两端电压为负，电感电流线性下降，电感处于能量释放状态。当高频变压器次级电压Vs为负时，二极管D2、D3导通、D1、D4截止，二极管D2、D3、滤波电感L、电容C和负载R构成回路。此种状态下，除了通过电流的二极管不一样外，其他的工作状态与高频变压器次级电压V 为正时的情况相同，全桥整流各点波形如图 2-12 所示。

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图2-11 全桥整流拓扑

图2-12 全波整流各点波形

全桥整流拓扑需要4个整流二极管，在滤波电感储能期间，有两个二极管导通，有着较大的导通损耗和电压降，不适用于低电压大电流输出的大功率开关电源应用。而其整流二极管承受的最大电压为高频变压器次级的最大电压，电压应力较小，适用于高电压输出的大功率开关电源的应用。此外，全桥整流拓扑不需要中心抽头的高频变压器，便于高频变压器的设计、制造和外部接线、焊接。

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（3）倍流整流拓扑

如图 2-14 所示，对于倍流整流拓扑，当高频变压器次级电压Vs为正时，二极管 D2导通，D1截止，电感L1、电容C、电阻R和二极管D2构成回路。而电感L2、二极管D2、电容C和电阻R构成电感L2的续流回路。此时电感L1两端电压为正，电感L1电流线性增长，处于储能状态；电感L2两端电压为负，电感L2电流线性减少，处于能量释放的状态。当高频变压器两端电压为零时，次级绕组电压为零，为此初级绕组电流为零，为此电感L1通过二极管D1、电容C和电阻R回路续流，电感L1两端电压为负，滤波电感L1电流性减少，处于能量释放的状态，电感L2电流性减少，处于能量释放的状态。当高频变压器次级电压Vs为负时，二极管D1导通，D2截止，电感L2、电容C、电阻R和二极管D1构成回路。而电感L1、二极管D1、电容D1、电容C和电阻R构成电感L1的续流回路。此时电感L2两端电压为正，电感L2电流性增长，处于储能状态；电感L1两端电压为负，电感L1电流线性减少，处于能量释放的状态[5]。

倍流整流拓扑只需要2个整流二极管，在滤波电感储能期间，只有一个二极管导通，有着较小的导通损耗和电压降，特别适用于低压输出的大功率电源开关应用。而且倍流整流拓扑不需要中心抽头的高频变压器，便于高频变压器的设计、制造和外部接线、焊接。倍流整流拓扑需要2个滤波电感器，相对复杂。在相同输出电压的条件下，整流二极管承受的最大电压与全波整流拓扑一样，故不太适用于高电压输出的大功率开关电源的应用。倍流整流拓扑存在无效的电感回路，需要满足一定条件才能抑制该无效回路产生的影响。

图2-14 倍流整流拓扑

由上述对全波整流、全桥整流和倍流整流三种拓扑的原理及其优缺点的分析，可以得到以下结论：全桥整流拓扑适用于高压输出的大功率开关电源应用；

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全波整流、倍流整流拓扑适用于低压输出的大功率开关电源应用。

图2-15 倍流整流各点波形

文献[6]经详细分析指出，当输出负载电流较小时，由于电流波动产生的损耗较为明显, 所以只有一个滤波电感且电流波动较小的全波整流拓扑更为合适；当输出负载电流较大时，倍流整流通过两个电感的纹波电流的相互抵消来减小输出纹波电流，从而降低对输出滤波器的要求，所以此时倍流整流拓扑更为合适。

2.3 全桥式逆变拓扑控制方式

对于全桥式逆变拓扑来说，常用的控制方式有双极性控制和移相控制[7]。下面分析上述两种控制方式。

（1）双极性PWM控制

双极性PWM控制的开关时序如图2-16 所示。四个开关管均采用 PWM控制方式，开关管V1、V4 一组、V2、V3 一组，同一组内的开关管同时开通同时关断，两组开关管分别轮流导通，每组开关管导通不超过半个开关周期。当开关管V1、V4 导通时，直流母线电压Vin加在高频变压器的初级绕组上，此时开关管V2、

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图2-16 双极性PWM控制

V3 都承受着电压Vin；当开关管V2、V3 导通时，直流母线电压Vin反向加在高频变压器的初级绕组上，此时，V1、V4 都承受着电压Vin；当开关管都处于关断状态时，加在高频变压器初级绕组上的电压为0，此时四个开关管承受的电压均为Vin/2。加在高频变压器初级绕组上的电压波形为方波，通过调整每组开关管的导通时间，即调整开关管的占空比，就能够调节电压方波的脉冲宽度，进而调节加在高频变压器初级绕组电压有效值的大小。双极性 PWM控制方式，由于同一桥臂的开关管不存在一个开关管关断后另一个开关管马上导通的情况，因此不存在同一桥臂开关管直通的危险。

（2）移相 PWM 控制

移相 PWM 控制的开关时序如图 2-17 所示。开关管V1、V3交替导通，各自导通180°的电角度；开关管V2、V4也交替导通，各自导通180°的电角度。开关管V1、V4并非同时导通，而是开关管V1 导通在先，V4导通在后，两者导通间隔相差一个电角度；开关管 V2、V3之间的关系与开关管V1、V4的关系是一致的。由于开关管V1先于V4导通，V3先于V2导通，故把开关管V1、V3所在的桥臂称为超前臂，把开关管V2、V4所在的桥臂称为滞后臂。移相PWM控制得到的结果也是加在高频变压器初级绕组的电压为方波，觉得方波脉冲宽度的参数为超前臂上的开关管与滞后臂上开关管相差的电角度α，电角度α越小，方波的脉宽就越大；电角度α越大，方波的脉宽就越小。移相PWM控制是通过控制超前臂与滞后臂上开关管的电角度差α来调整加在高频变压器初级绕组方波电压的脉冲宽度进而调节加在高频变压器初级绕组电压有效值的大小。移相PWM控制

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Iave=

Pm1375==3.35A E410计算单相全波整流电路滤波电容的经验公式为:

Cm=400～600Iave

由于三相全波整流电路的基波频率为单向电路的3倍，因此计算三相电路滤波电路的公式为:

Cm=133～200Iave

所以，

Cm= 200×3.35= 670uF

根据计算结果，在实际电路中，我们选用1O00 uF/4OOV 的电解电容4只两两串联后再并联组成滤波电容组。

3.4.3 输入滤波电感

电感中最大电流为交流输入电压下限时通过直流输入电路的平均电流 Iave=3.35A

理论上输入滤波电感越大，电流脉动越小，输入功率因素越高，但受体积重量和价格的限制，并根据绕制厂家的现有工艺水平，选用C15×32×l05硅钢片铁心，线径为1.6毫米，电感量为18mH的工频电感。电感量的确定较难精确计算，可通过实验确定。

3.5 逆变电路的设计

3.5.1 功率转换电路的选择

根据第二章的分析可知，该电源属于大功率电源，采用全桥式功率转换电路.

3.5.2 确定电路工作频率f

考虑到开关管的参数、控制电路及主电路的特性等因素，选取开关桥的工作频率为30KHz。

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3.5.3 选用高压开关管

(1) 耐压

根据相关文献可以查到，全桥功率转换电路高压开关管上施加的最高电压为

VCEM=E，对应于最高输入电网电压的输入整流电路的直流输出电压EM:

EM = Uinmax?2?380?(1?20%)?2=640V

考虑各种因素的影响取50%的裕量640×(l+50%)=960V (2) 开关电流

在一些参数尚不知道的情况下，我们需要估算开关管的电流，以便选择开关管和计算输出滤波电路。在高频变压器的计算中，我们估算了实际占空比Dmax为0.658，Dmin为0.252。

输入整流滤波电路的最大输出电流平均值:

Immax=

1375PM==3.3A Emm380?(1?20%)?1.35此时，Dmax= 0.658 峰值电流为3.3/0.658= 5.09A 输入整流滤波电路的最小输出电流值:

Immin=

1375PM==2.23A Emm380?(1?20%)?1.35此时，Dmin=0.252

峰值电流为2.32/0.252= 8.86A 所以，开关管估算最大电流值为8.86A

根据计算所得的结果分析，我们选取三菱电机公司第三代IGBT单管CM60HSA24作为高压开关管，其耐压为1200V，电流容许值为60A。

3.5.5 隔直电容Cb的选择

在第二章中，我们对主电路的工作模式进行了分析，对电路的重要参数之间的关系进行了推导，得出了如下关系式:

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△T = 4 * LL* Cb/DT

其中: △T为初级电流下降的时间；

LL为变压器的漏感；

D为占空比；

变压器的漏感与绕线工艺及磁芯形状等有关，绕制好的变压器漏感基本不变。在前面，我们设定电路的工作频率为30KHz，计算得到的最大占空比

Dmax=0.658，并且我们假设初级电流下降的时间为4uS，所以

Cb=

?T?D?T =4.7uF

4?LL3.6 输出整流滤波电路

输出整流滤波电路是通过快恢复整流二极管的整流和滤波电感及滤波电容将高频变压器输出的高频交变电压或电流编程要求的输出电压或电流。因为输出电压比较高(22OV)，所以高频变压器的副边选用桥式整流，以提高安全可靠性。下面对输出整流电路的各部分进行一下分析与计算。

3.6.1 输出整流二极管

因为输出二极管工作于高频状态(30KHz)，所以应选用快恢复二极管。 (1) 输出整流二极管的耐压

高频变压器副边的输出最高电压峰值为:

V2max=V1max×

79N1=380×(1+20%)×2×=783.6V

65N2所以加在输出整流二极管上最高的反压为783.6V (2) 输出整流二极管的电流

输出整流二极管流出的电流即为流过输出滤波电感的电流，所以其有效值为5.25A。

根据以上分析，同时考虑一定的裕量，选取RURU3O12O作为输出二极管。该二极管的耐压为120V，额定电流为30A。

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3.6.2 输出滤波电感

根据相关文献的公式可以得到:

L﹥

VI?V0t

2I0minon选I0min为额定负载电流的5%，即I0min= 5×5% =0.25A

T=1/fs=1/30×103=33.3uS

Tonmin=(Dmin*T)/2=4.2uS

V2max= 783.6V

此时的电感电流增量不得大于2I0min，所以

?Vomin783.6?195?4.2?10?6=4.94×10L=V2max?Tomin=

2?0.252Iomin所以选取滤波电感为4.94×10?3H

?3H

3.6.3 输出滤波电容

(1) 根据输出纹波电压?V0来计算滤波电容的大小:

220?(1?0.252)V(1?Dmin)C=0==11.66×10?6F 32f2Lo?Vo32?300002?4.9?10?3?0.1(2) 根据输出电压动态幅度?V0来求出滤波电容的大小

L0I2omaxC=

2Vp?V0其中，I0max为输出电流的最大值取5A，Vp为电源从满载突变到空载时输出电压的上冲幅度，取该值为22lV

因此，输出滤波电容为:

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5.9?10?3?52C==334uF

2212?2202取以上两者最大值，并考虑一定裕量，最后取C= 5OOuF

3.7 输出整流滤波电路

输出整流滤波电路是通过快恢复整流二极管的整流和滤波电感及滤波电容将高频变压器输出的高频交变电压或电流编程要求的输出电压或电流。因为输出电压比较高(22OV)，所以高频变压器的副边选用桥式整流，以提高安全可靠性。下面对输出整流电路的各部分进行一下分析与计算。

3.7.1 输出整流二极管

因为输出二极管工作于高频状态(30KHz)，所以应选用快恢复二极管。 (1) 输出整流二极管的耐压

高频变压器副边的输出最高电压峰值为:

V2max=V1max×

79N1=380×(1+20%)×2×=783.6V

65N2所以加在输出整流二极管上最高的反压为783.6V (2) 输出整流二极管的电流

输出整流二极管流出的电流即为流过输出滤波电感的电流，所以其有效值为5.25A。

根据以上分析，同时考虑一定的裕量，选取RURU3O12O作为输出二极管。该二极管的耐压为120V，额定电流为30A。

3.7.2 输出滤波电感

根据相关文献的公式可以得到:

L﹥

VI?V0t

2I0minon选I0min为额定负载电流的5%，即I0min= 5×5% =0.25A

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T=1/fs=1/30×103=33.3uS

Tonmin=(Dmin*T)/2=4.2uS

V2max= 783.6V

此时的电感电流增量不得大于2I0min，所以

?V783.6?195V?4.2?10?6=4.94×10?3H L=2maxomin?Tomin=

2?0.252Iomin所以选取滤波电感为4.94×10?3H

3.7.3 输出滤波电容

(1) 根据输出纹波电压?V0来计算滤波电容的大小:

220?(1?0.252)V(1?Dmin)C=0==11.66×10?6F 32f2Lo?Vo32?300002?4.9?10?3?0.1(2) 根据输出电压动态幅度?V0来求出滤波电容的大小

L0I2omaxC=

2Vp?V0其中，I0max为输出电流的最大值取5A，Vp为电源从满载突变到空载时输出电压的上冲幅度，取该值为22lV

因此，输出滤波电容为:

5.9?10?3?52C==334uF

2212?2202取以上两者最大值，并考虑一定裕量，最后取C= 5OOuF

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第4章 开关电源控制电路的设计

4.1开关电源控制电路的设计

开关电源的主电路主要处理电能，而控制电路主要处理电信号，它控制着主电路中的开关器件的工作，控制电路的设计质量对电源的性能相当重要。一般由驱动电路，调节器电路，PWM 控制电路及保护电路组成。控制系统结构图如图 4-1 所示。

图 4-1 控制系统结构图

其中，PWM 控制电路的作用是将在一定范围内连续变化的控制量模拟信号转换为PWM 信号，通常集成的PWM 控制器将误差电压放大器（EA），振荡器，PWM 比较器，驱动，基准源，保护电路等常用开关电源控制电路集成在同一芯片中，形成功能完整的集成电路，成为了控制电路的核心。

4.1 移相PWM控制芯片UC3879 的特性[11][12]

UC3879系列 IC 是UC3875 的改进产品，是一个具有软开关功能的PWM 驱动器，它通过移相的开关方式改变半桥电路驱动脉冲电压，来控制全桥变换器的功率管，从而使得固定频率的脉宽调制器与谐振式零电压开关相结合以后具有较高的性能。该芯片不但可以工作在电压模式，也可以工作在电流模式，同时还具有快速的过流保护功能。UC3879可独立编程控制时间延迟，在每只输出级开关管导通之前提供死区时间，它为每个谐振开关区间里实现ZVS留有余地。 主要性能：

? 可实现0 ～100％占空比控制； ? 实用的开关频率可达300k Hz；

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? 两个半桥输出的导通延迟都可单独编程； ? 欠电压锁定（UVLO）； ? 软启动控制；

? 4个100m A 图腾柱式输出极； ? 适用于电压拓扑和电流拓扑； ? 10MHz误差放大器；

? 在欠电压锁定期间输出主动变低；

? 启动电流只有150μA；5V基准电压可微调；

? 锁定后的过电流比较器在整个工作周期内均可重新启动；

UC3879 的各引脚如表4-1所示：

表 4-1 UC3879 各引脚

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UC3879 的功能框图如图4-2 所示

图 4-2 UC3879的功能框图

4.2 驱动电路设计[13][14]

驱动电路是控制电路与主电路的接口，同开关电源的可靠性，效率等性能密切相关。驱动电路需要有很高的快速性，能提供一定的驱动功率，并且有较高的抗干扰和隔离噪声能力。通常的 MOSFET 的驱动电路有以下三种：

1)采用光耦合器作为电气隔离的驱动电路，其由电气隔离及放大电路两部分构成，可获得很好的驱动波形，但由于光耦响应时间的限制，开关频率较高时，驱动延时显著（微秒级），且需要独立驱动电源。

2)采用集成驱动芯片（如IR2110）的驱动电路，依据自举原理，驱动高压侧和低压侧两元件时，不需独立电源，驱动延时小（纳秒级），适用开关频率高，驱动波形理想。但当 MOSFET 并联时，该电路驱动能力不足，需要增加放大电路。

3)采用脉冲变压器的驱动电路，其电路结构简单可靠，不需独立的驱动电源，延时小（纳秒级），适用开关频率很高。

本设计根据自身特点，采用脉冲变压器组成驱动电路，电路结构简单，延时小（经实验测定本电源驱动电路延时小于50ns）,可靠性高。

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4.2.1 驱动脉冲变压器的设计

在设计 MOSFET 栅极驱动变压器时，变压器的绝缘电压不低于两倍的输入电压，防止若绝缘出现问题，一旦开关管损坏，会造成控制电路的损坏。变压器匝数比一般为 1比 1。而且应采用一次二次耦合比较好的绕线方法，如果耦合不好，隔离的开关管开关速度要比接地的开关速度慢。

Vcc12?1088Np??10??3.81334fBmaxAc4?200?10?2?10?0.197

故变压器一次侧绕组取整为4匝，式中，Np为原边匝数，Ac 单位为；Bmax＝(1/2)Bsat＝2000，单位为Gs；

（a）脉冲变压器示意图 （b）脉冲变压器绕制图

图 4-3 脉冲变压器示意及绕制图

本设计选用外径0.45mm漆包线，磁芯TN16/6.3（Φ16mm铁氧体磁环），为了实现一，二次侧绕组紧密耦合，故采用一次侧绕组与两个二次侧绕组并行绕制变压器的方法，脉冲变压器示意及绕制图如图 4-3 所示。

4.2.2 驱动放大电路的设计

大功率全桥软开关电源的驱动电路，是所有类型开关电源中最复杂的一种。它要求四组相互独立，彼此隔离绝缘的驱动脉冲，分别加到四只主功率高压开关管的栅极。因为主功率开关管的激励电流较大，超出了500W全桥软开关电源的驱动电流，单靠UC3879 本身的输出功率，难以胜任驱动控制系统的稳定工作，所以在采用 IC控制系统时，一般都加上驱动放大电路，以增大驱动电流功率，减小 IC 的功耗和温升，提高电源可靠性。故采用四组互补对称驱动三极管（共

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dlb3.html