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1、华南理工大学硕士学位论文通信用开关电源的智能化及小型化设计姓名：罗春华申请学位级别：硕士专业：电子与通信工程指导教师：陈艳峰;潘远峰20061201摘要通信电源是通信系统的核心组成部件，其性能的优劣将直接影响整个通信系统的稳定性和可靠性，因而被喻为通信系统的“心脏”。随着电信技术的飞速发展，电信网络结构日益复杂，人们对通信的需求越来越多，对通信的质量也提出越来越高的要求，因而对通信电源系统也相应提出了更高的要求。高频开关电源技术以其高效、可靠、小型、易于集成化、模块化和智能化等显著特点而成为现代通信供电系统的主流，如何在实际应用中进一步提高通信用高频开关电源的效率与可靠性，实现其小型化、模块化
2、和智能化，一直是电力电子技术领域的研究热点和追求目标。本文结合实际工程应用的具体要求，首先介绍了移相控制全桥软开关P W MD C D C变换器的原理、单向有源功率因数校正原理、均流技术的工作原理，以及这三种技术对应的集成控制器：移相谐振全桥软开关控制器U C 3 8 7 5、A P F C 控制器L 4 9 8 1、负载均流集成控制器U C 3 9 0 7 的性能、特点及典型应用。然后在充分理解这些知识的基础上，设计和研制出了小型智能化通信用1 8 0 0 W 高频开关电源，其中对整流、升压及均率因数较正电路、直流(D O D c)变换器电路、均流电路、输入滤波电路、软启动电路、输出滤波、保
3、护电路、辅助电源电路等均有详尽的设计分析与说明。对电路板的设计和散热设计也提出了自己的经验和看法。最后给出了一些主要电路的实验波形，性能参数的测试结果与分析。关键词：开关电源；软开关技术；有源功率因数校正；均流技术；移相全桥控制A b s t r a c tA so n eo ft h ec o r ep a r t so fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m,t h ec o m m u n i c a t i o np o w e rs u p p l y，w h i c hi so f t e nr e g a r d e da st h e H E
4、 A R T o f t h es y s t e m,h a ss i g n i f i c a n te f f e c t so nt h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m W i 也t h ef a s td e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fc o m m u n i c a t i o n,t h es t r u c t u r eo fc o m m u n i c a t i o nn e t w o
5、 r ki sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d，a n dt h e r e f o r eh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep o w e rs u p p l ya r eb e i n gb r o u g h tf o r w a r d T h eh i g l lf r e q u e n c yS M P S(S w i t c h e d-M a d eP o w e rS u p p l
6、y)i st h em a i n s t r e a mo fm o d e mc o m m t m i c a t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m sb e c a u s eo fi t so b v i o u sa d v a n t a g e ss u c h 邪h i g he f f i c i e n c ya n dr e l i a b l i t y，r u i n i t y p e，e a s yb e i n gi n t e g r a t e d,m o d u l a r i z e da n di n t e
7、l l i g e n t i z e d H o wt od e c r e a s et h es i z eo ft h ep o w e rs u p p l ya n dm a k ef a r t h e ri m p r o v e m e n t so ni t se f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y，a n dh o wt oa c h i e v et h em i n i t y p e，m o d u l a r i z a t i o na n dc o m p u t e r i z a t i o ni np
8、r a c t i c ea r ea l w a y st h eh o tt o p i c si nt h ef i e l do fp r a c t i c a ld e s i g no f s w i t c h e d-m o d ep o w e rs u p p l y T h er e s e a r c hw o r k si n t h i sp a p e rc o m ef r o mt h ep r a c t i c a ld e m a n do fa ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n F i r s t
9、t h ep r i n c i p l eo fp h a s e-s h i f t-c o n t r o ls o f t-s w i t c h i n gf u l l-b r i d g eP W MD C D Cc o n v e r t e r,s i n g l e-p h a s ea c t i v eP F Ca n dc u r r e n ts h a r e，a sw e l la st h ep 毹o r m a n e e，c h a r a c t e r i s t i ca n dt y p i c a la p p l i c a t i o nw
10、i mt h et h r e er e l a t e dt y e so f c o n t r o l l e r,U C 3 8 7 5 L 4 9 1 8a n dU C 3 9 0 7 a i n t r o d u c e d T h e na ni n t e l l i g e n tm i n i t y p e1 8 0 0 WS M P Si sd e s i g n e da n dt e s t e d A n a l y s i sa n dd e s i g no nt h em a j o rc i r c u i t s，s u c ha sR e e t
11、i f i e r B o o s t A F P C，D C D Cc o n v e r t e r,C u r r e n ts h a r e,I n p u t O u p u tF i l t e r,S o f tS t a r t u p，S a f e g u a r da n dA u x i l i a r yp o w e rs u p p l yc i r e u i Le t c，a l ed i s c u s s e di nd e t a i l M o r e o v e rt h ed e s i g ng u i d e l i n ef o rP C
12、Ba n dh e a td i s p e r s i o ni sa l s op r o v i d e d F i n a l l y,m a i nt e s t e dd a t e sa n dw a v e f o r m sa r eg i v e nt ov e r i f yO U rd e s i g ni nt h i sp a p e r K e yW o r d s：S w i t c h e d-M o d eP o w e rS u p p l y(S M P S)；S o f t-s w i t c h i n gT e c h n o l o g y；A
13、c t i v eP o w e rF a c t o rC o r r e c t i o n(A P F C)；C u r r e n tS h a r eT e c h n o l o g y；P h a s e s h i t tF u l l b r i d g eC o n t r o ln华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人
14、承担。览。作者签名：、罗眷千日期：萨耐年，。月0 1 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅(除在保密期内的保密论文外)；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。本学位论文属于：口保密，在年解密后适用本授权书。酌；保密。学位论文全文电子版提交后：酬司意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏(请在以上相应方
15、框内打“”)淼赫池章指导教师签名：3 七!参。山露日期：0 耐，j D 日期：力形础。第一章绪论第一章绪论1 1 前言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8 0 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9 0 年代开关电源进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、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。现在，开关电源因其体积小和耗能低等特点，几乎已应用在所有的电子设备中。简单地说，开关电源的工作原理是：交流电源输入经整流滤波成直流，通过高频P
16、W M(脉冲宽度调制)信号控制开关管，将直流加到开关变压器初级上，开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载，输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制P W M 占空比，以达到稳定输出的目的”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，开关电源一般由脉冲宽度调制(P w M)控制I c 和M O S F E T构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出
17、电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空问”1。1 2 开关电源的发展及其现状2 0 世纪6 0 年代，开关电源的问世，使其逐步取代了线性稳压电源和S C R 相控电源。4 0 多年来，开关电源技术有了飞迅发展和变化，开关电源的发展经历了从线性电源、相控电源到开关电源的发展历程，由于开关电源具有功率转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、重量轻等优点，从而取代了相控电源，成为通信电源的主体，并向着高频小型化、高效率、高可靠的方向发展。计算机控制、计算机通信和计算机网络技术的快速发展，为通信电源监控系统的发展和完善提供了外部条件，使其发展逐步实现少人值守，直至无人值守。近年来，随着技术的进步，特
18、别是功率器件的更新换代，新型电磁材料的不断使用，功率变换技术的不断改进，控制方法的不断进步，以及相关学科的技术不断融合，通信电源在系统的可靠性、稳定性，电磁兼容性，消除网侧电流谐波、提高电能利用率、降华南理工大学硕士学位论文低损耗、提高系统的动态性能等方面都取得长足的进步。此外，由于计算机监控系统在通信电源中的广泛应用，也使得电源的智能化程度不断提高，系统维护管理能力不断得到加强；而完善的接地系统和防雷措施进一步提高了电源的平均无故障时间M T B F。目前，通信电源正向高频化、高功率密度、高功率因数、高效率、高可靠性、高智能化方向发展”通信系统中使用的开关电源代表了开关电源整体行业的水平，也
19、代表了开关电源的最新技术，其技术的发展主要表现在以下几个技术发展方面。1 2 1 功率半导体器件及磁性材料开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。功率半导体器件从双极型器件P T、S C R、C T O)发展为M O S 型器件(功率M O S F E T、I G B T、I G C T 等)，使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。M O S F E T 与I G B T 在向高电压、大电流、低通态电阻或压降、快速(低栅荷)、开关管内反向并联快速二极管或肖特基(S c h o t t k y)二极管等多方向发展，软恢复的大电流超快恢复二极
20、管，可减小恢复过程中发出的噪音干扰。硅肖特基二极管有很小的反向恢复时间(约1 0 n s)，低的正向压降和低的反向耐压，现在已有耐压高到2 0 0 V 的产品。从电磁元器件的角度来说，通信电源中大量使用磁性器件，比如各种各样变压器、电抗器、电流互感器、滤波或谐振电感等，它们对电路性能有重要的影响。总体而言，对磁性材料要求是具有宽的温度范围，高频损耗小，矫顽力低，导磁率高；而变压器烧制则通风散热好，且绕组要用多股细线并绕，或者用铜皮绕制，以减少高频时集肤效应。由于功率器件性能的改善，以及软开关技术等的采用，使得电源开关损耗大为下降。因此降低高频变压器和其他磁性器件的损耗已成为提高开关电源效率的一
21、个主要因素，增大输出变压器功率的关键是磁性材料的选择与结构的确定。欲使变压器结构紧凑、损耗小，应选择饱和磁感应强度、电阻率及脉冲磁导率较大，且带材厚度小的磁性材料。同时，采用绝缘强度高的材料作为线圈问的绝缘，以进一步提高能量传输效率。目前，高频开关电源中，一般采用铁氧体磁性材料作为变压器的磁心。铁氧体的电阻率高，高频损耗小。但它的饱和磁感应强度太低，所以磁心面积需要较大，影响耦合系数的提高，且铁氧体是压铸而成的，具有易脆性，制造大规模磁心有一定的困难。非晶态合金是近年发展起来的新材料，位错的迁移性很低；没有晶界，无各向异性；无阻2第一章绪论止磁畴运动的障碍；易磁化，其磁感应强度高；电阻率大，对
22、涡流阻力大，矫顽力小，能耗低。但以u 型供货的磁心磁感应强度大大降低，而以环形供货的磁心则绕制线圈比较困难。此外，其尺寸不够大，要满足大容量的开关电源需求，还有待进一步解决。由于非晶态合金兼有电阻率高和磁感应强度大的优点，高频损耗小，导磁不导电，因此，它是高频开关电源将来较为理想的磁性材料。可望进一步减小电源的体积和重量，降低能耗，提高效率。纵观国内发展情况，由于我国半导体技术与工艺跟不上时代的发展，导致我们自己研制和生产出的无工频变压器开关电源中的开关管大部分采用的仍是进口的晶体管。所以我国开关稳压电源事业要发展，要赶超世界先进水平，最根本的是要提高我国半导体r f l技术和工艺”1。1 2
23、 2 电路拓朴自2 0 世纪8 0 年代开始，高频化和软开关技术的开发研究，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去2 0 年国际电力电子界研究的热点之一。软开关技术、功率因数校正技术及多电平技术是近年来变换器拓扑方面的热点。采用软开关技术可以有效的降低开关损耗和开关应力，有助于变换器效率的提高：采用P F C技术可以提高A C D C 变换器的输入功率因数，减少对电网的谐波污染；而多电平技术主要应用在通信电源三相输入变换器中，可以有效降低开关管的电压应力。同时由于输入电压高，采用适当的软开关技术以降低开关损耗，是多电平技术将来的重要研究方向。为了降低变换器的体积，需
24、要提高开关频率而实现高的功率密度，必须使用较小尺寸的磁性材料及被动元件，但是提高频率将使M O S F E T 的开关损耗与驱动损耗大幅度增加，而软开关技术的应用可以降低开关损耗，这是实现开关电源小型化的关键之一”1。目前的通信电源工程应用最为广泛的是有源钳位Z V S 技术、上世纪9 0 年代初诞生的Z V S移相全桥技术及9 眸代后期提出的同步整流技术。1 2 3 控制技术功率器件发展到一定程度后，要进一步提高产品的性能，必须采用新的控制方法和新的技术。目前，新的控制方法和技术主要有软开关技术和功率因数校正技术，民主均流控制技术，电流模式控制技术，本脉冲(o n e-c y c l e)控
25、制技术等等。数字化的简单应用主要是保护与监控电路，以及与系统的通信，目前已大量地应用于通信电源系统中。其可以取代很多模拟电路，完成电源的起动、输入与输出的过、欠3华南理工大学硕士学位论文压保护、输出的过流与短路保护，及过热保护等，通过特定的介面电路，也能完成与系统间的通讯与显示。数字化的更先进应用包含不但实现完善的保护与监控功能，也能输出P W M 信号，通过驱动电路控制功率开关器件，并实现闭环控制功能。目前，T I、S T 及M o t o r o l a 公司等均推出了专用的电机与运动控制D S P 芯片。现阶段通信电源的数字化主要采取模拟与数字相结合的形式，P W M 部分仍然采用专门的
26、模拟芯片，而D S P 芯片主要参与占空比控制，和频率设置、输出电压的调节及保护与监控等功能。近年来，数字电源的研究势头不减，成果也越来越多。它们总体上既包括硬件部分，还要做软件编程。硬件部分包括P W M 的逻辑部分、时钟、放大器环路的模数转换、数模转换以及数字处理、驱动，同步整流的检测和处理等。通信用高频开关电源向集成化、小型化方向发展将是未来的主要趋势，功率密度将越来越大，对工艺的要求也会越来越高。在半导体器件和磁性材料没有出现新的突破之前，重大的技术进展可能很难实现，技术创新的重点将集中在如何提高效率和减小重量。因而工艺技术也将会在电源制造中占的地位越来越高。另外数字化控制集成电路的应
27、用也是将来开关电源发展的一个方向，这将有赖于D S P 运行速度和抗干扰技术的进一步提高。对通信电源来说，其核心部分是开关变换器，而开关变换器的技术进步主要体现在器件、电路拓扑和控制技术方面有所突破，因此，应用这些相关技术的最新成果到通信电源中，是提高通信电源的技术性能、质量和可靠性的重要措施之一。它们相互依赖，共同发展，成为通信电源技术创新与发展的源动力。1 3 通信用开关电源的主要性能要求通信设备对电源系统的一般要求是可靠、稳定、小型、高效率”。1。(1)、可靠在通信发达的国家，都把供电的可靠性列为对电源系统的首要要求。现在较先进的开关整流器都采用多只整流模块并联工作的方法，这样当某一模块
28、发生故障时不会影响供电。(2)、稳定各种通信设备都要求电源电压稳定，不能超过允许变化范围。电源电压过高，会损坏通讯设备中的电子元件；电源电压过低，通信设备不能正常工作。此外，直流电源电压中的脉动噪声也必须限于允许值，否则也会严重影响通信质量。为了提高电源的稳定性，电源中都具有自动保护以及防雷电、防过压等的功能，此外，自动监测和4第一章绪论集中控制也是提高电源系统稳定性的有效途径。(3)、小型随着集成电路的迅速发展和应用，通信设备正在向小型化、集成化的方向发展。为了适应通信设备的发展，电源装置也必须实现小型化、集成化。此外，各种自动通信设备和航空航天装置中的通信设备更要求电源装置小、重量轻。(4
29、)、高效率随着通信设备容量的日益增加，电源系统的负荷不断增大，为了节约电源装置的效率。节能的主要措施是应用采用先进的软开关等技术而成的高效率谐振开关电源，以及采用先进的功率因数校正电路而成的绿色电源，以不影响电网质量。1 4 本课题的内容和意义这几年来，通信网与通信业务处理、传输以及移动、卫星、数据通信等设备的技术发展很快，大多数己达到或接近世界先进技术水平。但通讯电源设备的技术却相对地落后了。毫无疑问，高频开关电源已是通信电源系统的首选，因此，设计和开发更小型、更轻量、大幅度提高功率密度，以及具有智能化监控功能的开关电源，才能满足日新月异的电信网的技术要求。同时对今后通信网的协调发展是十分有
30、利的。通信电源的设计，既有理论问题，涉及到现代电力电子技术、微电子技术、自动控制理论、计算机技术、磁性材料等相关学科知识，除此之外，通信电源的设计，也是一种实验技术和工艺技术。元器件的选择，工艺技术，电磁兼容性的考虑等等，也都是设计时要充分考虑和认识的。因此，在理论和实践中不断创新，对通信电源的更新换代和培养高水平的开发队伍具有重要的意义。从整体性能来看，我国通信电源水平与国外同类产品相比，存在一定的差距。主要差距在工作的可靠性、稳定性和技术性能等方面。因此，组织力量研制开发具有自主知识产权，技术含量高的新一代通信电源，对振兴民族工业、提高产品的质量和竞争力，提高开发队伍的研究水平具有重要的意
31、义，也会带来显著的经济效益和良好的社会效益。跟踪国内外电源技术的发展并结合大功率高性能开关电源研制中的实际情况，本文侧重于小型化，智能化方面的研究和探讨，其主要工作内容及章节安排如下：第一章：介绍开关电源的发展现状，通信电源的性能要求及该课题的现实意义。第二章：从项目的具体要求出发，研究确定了本课题设计中的开关电源的整体方案。第三章：分析现有关于开关电源软开关技术及相应的拓朴结构。详细介绍了移相谐振全桥软开关控制器U C 3 8 7 5 的应用。第四章：主要阐述开关电源A P F C 技术的原理，A P F C 电路的设计与应用技术，对A P F C5华南理工大学硕士学位论文控制器L 4 9
32、8 1 的原理与应用有详尽的论述。第五章：探讨开关电源的并联均流技术，分析均流电路的设计和均流集成控制器U C 3 9 0 7 的应用。第六章：详细论述1 8 0 0 W 通信用开关电源各主电路。并给出实验数据及测试结果与分析，以验证该设计是否符合要求。第七章：对全文做一综述，展望进一步研究工作的设想。6第二章系统的整体方案分析与选择第二章系统的整体方案分析与选择2 1 设计要求本课题的主要任务是研制小型和智能通信用高性能开关电源，该电源的主要技术指标及要求如下：1 输入电压：单向8 5 V A c 2 6 5 V A c，5 0 H z2 输出电压：直流4 8 v 5 4 V3 稳压精度：小
33、于或等于+-0 6 4 输出电流：额定3 3 6 A,最大3 6 A5 输出电压纹波：小于2 0 0 m V6 短路电流：小于3 8 A7 功率因数；大于0 9 58 效率：大于或等于9 0 9 总谐波畸变(耵D)；小于6 l O 电活衡重杂音：小于0 9 6 m V r m s1 1 均流功能：当多台并联工作时，每台输出电流相同，不均衡度小于5 1 2 具有以下保护功能：输入过压、欠压保护；输出过压、限流、短路保护；过热保护和风扇故障关机保护等以及报警功能。1 3 可远程调节输出电压及远程监控1 4 通过绝缘和高压测试2 2 系统整体概述通信用开关电源一般为模块化结构，在整个通信电源系统中若
34、干个模块并联运行(输出端并联)，自动均流。该模块通常被叫做开关型整流器，英文名称为S w i t c h i n gM o d eR e c t i f i e r。若干个整流模块并联运行组合成电源系统的整流柜，经由直流配电柜输出。整流器的接口关系如图2 1 所示，其电路组成方框图如图2 2 所示。7华南理工大学硕士学位论文市电交流输入统接口(遥控接口+均流总线)面板显示图2 1 开关整流模块接口图直流输出遥控接口均流总线图2 2 通信用开关整流器电路组成框图整个开关电源按各部分的功能划分，从大的方面讲，开关电源可分为外壳、电源主电路、电源控制电路三部分外壳既可起到固定作用，也可起到屏蔽作用，
35、有时能起到散热的作用。图2-2 的上半部分是电源的主电路，负责进行功率转换，通过适当的控制主电路可以将市电转化为所需的电压或电流。而控制电路(图2 2 的下半部分)则根据实际的需要产生主电路所需的控制信号和提供各种信号检测、接口功能和各种保护功能。8第二章系统的整体方案分析与选择2 3 方案的分析与选择为了使各部分电路相互协调，相互协作，使其各个组成部分能发挥最大功效，要求我们在研制和开发过程中必须对每一部分都进行认真的分析和研究，才能使所研制的电源满足设计要求。2 3 1 输入滤波器输入滤波器用于滤除来自电网的电磁干扰，抗浪涌冲击，并抑制变频开关整流器对交流电网的反灌传导骚扰。通常采用共模电
36、感抗干扰滤波器，有时在两条输入线上各串联个电感，以便更好地滤除有源功率因数校正电路产生的反灌变频电流分量。2 3 2 输入过欠压保护电路当交流输入电压高于允许输入电压范围的上限时，过压保护电路切断主电路的交流输入，当交流输入电压低于输入电压范围的下限时，欠压保护电路使有源功率因数校正电路和D C D C 变换器都关闭。当电网电压正常时，整流器能自动恢复工作。为了能实现雷电过电压保护，在交流电源输入侧的断路器(或溶断器)之后跨接一只氧化锌压敏电阻。2 3 3 软启动电路软启动电路又称缓启动电路，用以降低开机时的冲击(浪涌)电流，使高频开关整流器由于启动引起的输入冲击电流不大于额定输入电压条件下最
37、大稳态输入电流峰值的1 5 0，软启动时间一般为3 1 0 S。可在输入回路中串联一只阻值适当、额定功率较大的电阻，启动时由它限流，启动完成后用继电器触点将它旁路，或采用适当的电子电路使它被旁路。软启动电阻在电源正常工作时不消耗功率。2 3 4 整流桥整流桥一般采用无工频变压器单相桥式整流电路，把输入交流电压变成单方向脉动直流电压，在选择桥堆时，需注意其功率的选择以及散热的设计。2 3 5 功率校正电路一般的开关电源，其输入级是电网电压直接经过整流二极管整流，利用电容器滤波得到初级直流电压，再经过D C D C 变换器获得所需要等级的直流电。网侧电流呈现尖蜂状，谐波分量大，功率因数低。随着开关
38、电源功率的不断增大，这一问题不可忽视。因此，将P F C 技术引入开关电源是必然的，P F C 可分为无源P F C 和有源P F C，无源P F C 就是9华南理工大学硕士学位论文利用在网侧引入L C 滤波使得网侧电流波形平滑(但不是正弦波)，从而使功率因数得到一定的提高，最高功率因数可达0 8，且随着负载的变化而变化；有源P F C 可以使网侧电源波形为正弦波，功率因数大于0 9 9。根据要求，功率因数大于0 9 5，该开关电源的初级直流电源必须采用有源P F C 整流电路。采用有源功率因数校正电路，其电路多为P W M 开压式电路，它受专用P W M 集成控制器控制，使整流器的功率因数最
39、高可达0 9 9 9，同时还起预稳压作用，关于功率因数校正技术及其应用，在第四章将详细讨论。2 3 6 直流(D C D C)变换器该电路输入为功率因数校正电路输出的直流电压(例如4 0 0 V)，输出为变频开关整流器的负载所需的稳定且波形十分平滑的直流电压，一般采用P W M 方式控制，为使变频开关整流器的输出侧与电网隔离，必须采用隔离式直流变换器，移相全桥Z V S-P W M变换器，移相全桥Z V C S-P W M 变换器，双晶体管单端正激变换器以及半桥变器，都是中大功率，小型化变频开关电源较为常用的方案。本设计采用的是移相全桥Z V S-P W M 变换器，关于软开关这一方面技术，在
40、随后的第三章中将有较详尽的论述。2 3 7 输出整流滤波电路输出整流滤波电路是开关电源电路的重要组成部分之一，它可以提高电压、电流的稳定度，减小干扰。在大中功率电源中，常用的输出整流电路有桥式整流电路和全波整流电路。桥式整流电路一般适用于输出电压较高的情况下，虽然可以降低整流管的电压定额，但是由于整流回路中存在两个开关管的管压降，因此损耗加大，特别是在输出电压较低的情况下，造成电源效率的显著下降。而全波整流电路则与其相反，比较适合于输出电压较低、电流较大的场合下。因此，在本设计中输出采用全波整流，L C 滤波的电路结构以满足系统较低的电压纹波要求。输出滤波电路用于滤除变频开关电源输出侧的尖峰和
41、杂波等噪声电压，使电源的输出电压满足各项杂音指标要求，对负载不产生电磁干扰。输出滤波电路一般可采用一级滤波也可以采用两级滤波。在开关电源中通常采用一级L C 滤波电路，当要求输出纹波很小时，也可采用两级L C 滤波电路。由于采用共模电感的抗干扰滤波器有很好的效果9 1，本系统除了采用L C 滤波电路以外，还利用共模电感的抗干扰滤波器，以提高滤波效果。2 3 8P W M 控制，保护及均流电路通常的开关电源都是由P W M 集成控制器及驱动电路输出驱动脉冲去控制直流变换l O第二章系统的整体方案分析与选择器。通信用开关电源的输出电压值，除了本身可以控制外，主要由开关电源系统中的控制器来控制，为了
42、与D C-D C 软开关技术配合，该P w M 控制器将采用移相全桥软开关P W M 变换器的集成控制器U C 3 8 7 5，其具体应用将在第三章中有详尽的讨论。保护电路就是根据机内检测的模块直流输出电压电流和机内温度，在情况异常时由保护电路控制P w M 集成控制器，实施输出过压，欠压和过热关机保护以及输出限流保护。并联运行的整流模块通过均流电路彼此间输出电流自动均衡，偏差应不超过额定输出电流的士5，关于均流技术及应用，亦有第五章将详尽探讨。2 3 9 辅助电源辅助电源将提供整个开关电源系统中控制电路等部分的直流电源电压，既可采用串联线性调整型电源，也可采用开关电源。本系统将采用由开关电源
43、专用集成电路N C P l 0 1 4 构成的单端反激变换器。2 3 1 0 显示及告警、摇控接口电路采用L E D 显示输出电压、电流和工作状态，包括显示告警信号。同时也通过遥控接口与开关电源系统中的监控模块部分相连，以达到集中控制功能。2 4 本章小结本章结合本课题的设计要求，给出了该开关电源的电源的电路框图，并对各部分电路的方案进行了简要分析和选择，给后面进行具体电路设计指明了方向。华南理工大学硕士学位论文第三章开关电源的软开关技术3 1 引言在前面第一章我们提到，开关电源的发展趋势是小型化、轻量化、模块化，同时对效率和电磁兼容性也提出了很高的要求，在一个开关电源装置中，滤波电感、电容和
44、变压器占整个电源体积和重量的很大比例，采取有效措施减小滤波器和变压器的体积和重量是实现电源小型化和轻量化的主要途径，我们知道，开关电源的滤波器总是针对开关频率设计的，一般来说，滤波器的载止频率取开关频率的1 1 0-1 1 0 0，因此通过提高开关频率，可以使滤波器的载止频相应提高，可以选用较小的电感和电容，滤波器的体积和重量得以降低。对于变压器，我们知道，在电压和电流不变的条件下，变压器的绕组匝数与工作频率成反比，频率越高，一次和二次的匝数越少。匝数减少了，所需的窗口面积也小了，从而可以选用较小的铁1 0 1。因此提高工作频率可以使变压器的体积和重量显著降低。从上述可以看出，开关电源的小型化
45、、轻量化最直接的途径是提高开关频率。但是在提高开关频率的同时，开关损耗也随之增加，电路效率严重下降，电磁干扰也随之增大，所以简单地提高开关频率是不行的。软开关技术就是针对这些问题而出现的，它主要解决电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高。3 2 传统的P W M 硬开关技术2 0 世纪6 0 年代开始得到发展和应用D C D CP W M 功率变换技术是一种硬开关技术。所谓“硬开关”(H a r dS w i t c h i n g)是指功率开关管的开通或关断时，器件上的电压或电流不等于零，即强迫器件在其电压不为零时开通或电流不为零时关断。相比线性电源，采用P W M 硬开关
46、技术的开关电源，其效率和功率密度均有成倍的提高，开关频率一般为1 0 2 0 K H z。图3 1 是开关管开关时的电压和电流波形。虽然驱动电压波形一般为标准的矩形波，但由于开关管不是理想器件，因此在开关管开关工作时，要产生开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗(S w i t c h i n gL o s s)，根据开关两端的电压和开关中流过的电流可以计算开关器件消耗的瞬时功率为：P(t)=l a s(t)i s(t)。如图图3-1 所示。在一定条件下，开关管在每个开关周期中的开关损耗是恒定的，变换器总的开关损耗与开关频率越高，总的开关损耗越大，变换器的效率就越低”“。1 2第三常开关电源的软开
47、关技术O两-O图3 1开关管开关时的电压和电流波形除了开关损耗，歼关警作在疆开关时还会产生商豹d 瑚t 和d v d t，从而产生严重的电磁于扰(E M I，E l e c t r o。另终，扶图给爨戆接感牲受载辩，M a g a n 幽I n t e r f a c e)3-2开关管工作在襁硬开关条件下的开关管的开关轨迹。困中虚线为安全工作区(S O A，S a f e t yO p e r a t i o na r e a)，如粜不改誓开关条侔，蕻开关轨迹穰可能超出安全运行区，使嚣关管受型撰伤、破坏。图3-2 开关管工作在在硬开关条件下的开关管的开关轨迹。3 3 软开关功率变换技术的提出和
48、发展综合上述，传统的P w M 硬开关技术的缺陷限制了工作在硬开关状态下的变换器工嚣频率懿遴一步提舞。嚣交羧纯是减夺交羧器静体积窝麓量，安瑰嵩溲集成伍帮夺型纯的有效手段。硬开关控制技术的缺昭已使其成为服碍变换器变频化的羁绊。为了觞决硬开关存在豹上述问题，使开关电源能在变频下高效率、蜜全地运行并减少开关噪声，国兰童堡三堑堡圭竺笪丝苎内外电力电子和电源科技办自2 0 世纪7 0 年代以来，不断地在研究开发变频软开关技术，其有效途径就是实现开关管的软开关(S o f ts w i t c h i n g)，因此软件开关技术应运而生。2 0 世纪8 0 年代初，美国g i l l i a 电力电子中心
49、的李泽元(F C L e e)教授等人提出了软开关的概念图3-3 所示为开关管实现软开关波形图，可以看出，开关损耗大大减小，甚至为零，图3-4 给出了开关管在软开关条件下的开关轨迹，从图中可以看出，此时开关管的-I-作条件很好，不会超出安全T 作。脂rX厂一，-l-，-坩，。0笏；kLj ifl，k-I-0芦k 一纺t妇l I-7(I)零电_ t 开荚C b)零电_ 匿井美图3-3 开关管实现软开关波形图图3-4 开关管在软开关条件下的开关轨迹软开关控制技术的发展历程从2 0 世纪7 0 年代以来，国内外已研究开发并得到应用各种变频软件开关变换技术类型有：7 0 年代的串联或并联谐振技术；8
50、0 年代的有源钳位z v s 技术，谁谐振和多谐振技1 4第三章开关电源的软开关技术术；Z C S-P W M 和Z V S P W M 技术。所有这些技术大致可分为三类：谐振变换器，有源钳位Z V S 单端变换器以及一大类零开关一脉宽调制变换器。对比硬开关与准谐振开关其示意图如图3 5 所示【9 1 t-囊井美I b)z v s 蠢豫撮开是i c)z c 8 堆膏曩开美相，霸m l 翻振开荧l e)烈孙I 瑁攮开荚图3 5 硬开关与准谐振开关示意图用Z V S 谐振开关或Z C S 谐振开关代替传统的P W M 硬开关，即可得到z v S 准谐振变换器和Z C S 准谐振变换器。这种变换器虽