《小型高频开关电源的设计大学本科毕业论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《小型高频开关电源的设计大学本科毕业论文.doc（37页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 University of Science and Technology Liaoning毕业设计 论文题目：小型高频开关电源的设计 学 院： 电子与信息工程学院 班 级： 自动化2011-6 IV 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 页小型高频开关电源的设计摘 要 在各种电力电子设备中，开关电源作为其供电装置必不可少。一个完整的开关电源系统主要由输入电路、开关变换器、变压器、输出电路、控制电路等几部分组成，将交流输入电转换成电力电子设备所需的直流电。现阶段开关电源主要向高频化、集成化、智能化等方向发展，对电力电子设备性能的提高扮演了举足轻重的角色。本文针对电动汽车电驱动系统的电源需求，设计一款
2、小型高频开关电源，以期实现宽范围电压输入和多路隔离输出的问题。选择单端反激式拓扑，高频变压器采用耦合方式实现小型开关电源的多路隔离输出。基于单端反激式变换器原理及电流型PWM控制芯片，本文设计了一个单端反激式多路输出小型高频开关电源，主要介绍了单端反激变换器、RCD箝位电路、UC3842芯片、电压及电流反馈电路的设计过程。关键词：开关电源；单端反激式变换器；高频变压器；电流型PWM控制；UC3842Small High-frequency Switching Power Supply DesignAbstractIn various power electronic devices, swit
3、ching power supply device as playing an important role. A complete switching power supply system consists of an input circuit, switching converters, transformers, output circuit, a control circuit composed of several parts, the AC input power is converted into direct current required to power electr
4、onic devices. At this stage mainly to the high-frequency switching power supply, integration, intelligence and other direction, to improve the performance of power electronics played a pivotal role.In this paper, the power requirements of the electric vehicle electric drive system, a small high-freq
5、uency switching power supply design, in order to achieve a wide range of input voltage problem and multi-channel isolation output. Choose single-ended flyback topology, high-frequency transformer coupling achieve small switching power supply multi-channel isolation output. Based on a single-ended fl
6、yback converter principle and current mode PWM control chip, the article gives a single-ended flyback multi-output compact high-frequency switching power supply design, introduced the flyback transformer, RCD clamp circuit, UC3824 start circuit, voltage feedback circuit and current feedback circuit
7、design process.Keywords: switching power supply; single-ended flyback converter; high-frequency transformers; current-mode PWM control; UC3842目 录1 绪论11.1 高频开关电源概述11.1.1 高频开关电源的特点11.1.2 高频开关电源技术发展方向11.2 选题背景21.3 本文主要研究内容32 高频开关电源的工作原理42.1 高频开关电源的基本原理42.2 开关电源的技术参数52.2.1 输入技术参数52.2.2 输出技术参数62.3 开关电源的变
8、换器72.3.1 单端正激式结构72.3.2 单端反激式结构82.3.3 半桥式电路结构82.3.4 全桥式电路结构92.3.5 推挽式电路结构93 单端反激式变换器113.1 单端反激式变换器的构成与基本原理113.2 单端反激变换器的工作模式123.3 单端反激式变换器工作模式的分析比较154 小型高频开关电源系统的电路设计184.1 控制电路的理论基础184.1.1 控制电路的构成及原理184.2 小型高频开关电源系统的主电路设计194.2.1 小型高频开关电源的原理图设计194.2.2 高频变压器设计204.2.3 箝位电路设计224.3 小型高频开关电源系统的控制电路设计244.3.
9、1 电流型PWM控制芯片UC3842254.3.2 UC3842的启动及正常工作254.3.3 电压反馈电路设计264.3.4 电流反馈电路设计274.3.5 振荡频率的设定284.3.6 输出滤波电路设计28结 论29致 谢30参考文献31第 32 页辽宁科技大学本科生毕业设计1 绪论1.1 高频开关电源概述1.1.1 高频开关电源的特点所谓高频开关电源，广义地说，凡是利用功率半导体器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一种电源形态的主电路都叫做开关转换电器，利用高频脉宽调制（PWM）技术或高频脉冲频率调制（PFM）技术，在转变时通过对开关转换器的自动闭环控制来稳定电压，并具有保护与显示环节
10、的，则称为高频开关电源1。自从20世纪70年代，用高频开关电源取代线性调节器式电源以来，高频开关电源得到了很大的发展。40多年来，高频开关电源的技术进步和发展历程有三大标志：（1）功率半导体开关器件用功率场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)取代了70年代使用的普通功率晶体管；（2）高频化PWM与PFM控制技术的应用和软开关技术的应用；(3)开关电源系统集成技术的应用。现代的高频开关电源技术是发展最快、应用最广泛的一种电力电子电源技术。可以说，凡是用电的电子设备没有不用开关电源的，如家用电器中的电视机、个人计算机、音响设备、日光灯镇流器、医院的医疗设备、通信电源、航空航天
11、电源、UPS电源、变频器电源、交流电动机的变频调速电源、便携式电子设备的电源等，都要使用高频开关电源。它的应用面之广是任何电力电子电源都无法比拟的1。1.1.2 高频开关电源技术发展方向（1）采用高性能碳化硅（SiC）功率半导体器件26碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料，其优点是禁带宽、工作温度高（可达600 ）、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小以及PN结耐压高等。（2）高频磁技术对高频磁性材料，要求损耗小，散热性能好，磁性能优越。适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注，如超薄钴基非晶态磁带，1MHz（）时，损耗仅仅为0.71 ，是MnZn高频铁氧体的。研究将铁氧体或其
12、他薄膜材料高密度集成在硅片上，或硅材料集成在铁氧体上，是一种磁电混合集成技术，这种技术还包括利用电感箔式绕组层间分布电容实现磁元件与电容混合技术等。此外，给出磁元件设计准则、方法、磁参数和结构参数与电路性能的依赖关系，明确设计自由度与约束条件也是发展方向之一。（3）新型电容器研究开发适合于功率电源系统用的新型电容器和超级大电容，要求容量大、等效串联电阻小、体积小等。（4）功率因数校正AC-DC变换技术一般高功率因数AC-DC电源由两级组成，在DC-DC变换器前加一级前置功率因数校正器，这样至少需要2个主开关管及两套控制驱动电路，总体效率低，成本高。在要求不太高的情况下，可以用PFC和变换器组合
13、电路构成小功率DC-DC开关电源，功率因数仍可校正到0.8以上，这种电路结构称为单管单级功率因数校正AC-DC变换器。（5）高频开关电源的电磁兼容研究高频开关电源的电磁兼容性通常涉及开关过程产生的和，引起强大的传导性电磁干扰和谐波干扰。同时，开关电源内部控制电路也必须能承受主电路及工业应用现场电磁噪声的干扰。由于问题的特殊性和测量上的具体困难，针对开关电源电磁兼容的研究工作，目前还处于起始阶段。1.2 选题背景 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（PWM）控制IC 和MOSFET 构成。开关电源和线性电源相
14、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，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。从开关电源发展史来讲，如今已经走到第五代。第一代70年初，那时候从线性电源开始走向开关电源；第二代是1976开始取得UL 安规认证；第三代从80年代中期开始，开关电源走向全球通用，因此电源的开发就不能局限在北美或者日本市场，输入电压要考虑85265V 范围内，同时欧规和其他安规都要考虑进来；第四代在90年中期，欧盟要求电磁兼容（E
15、MC），包括功率因数校正（PFC）方面的高次谐波要求；现在进入了第五代，2006年7月，欧盟将强制执行关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令（Restriction of Hazardous Substances）条例，以限制有毒物质的使用，这样新一代的电源产品就诞生了。开关电源的发展方向是高频化，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约资源、节约能源及保护环境方面都具有重要的意义。近年来，开关电源已广泛地应用于电力，通信，交通等各个领域，并取得了显著的经济效益。随着开关器件
16、以及磁性材料性能的不断改进，开关频率逐步提高，功率逐步增大，开关电源的性能也更加优良。相关技术的发展和开发软件的改进，也使开关电源的研发水平大大提高。1.3 本文主要研究内容文章主要内容如下： (1)介绍开关电源的技术参数、单端反激式变换器的电路结构和工作原理，分析比较其工作模式之间的过渡过程和各自的优缺点。结合小型高频开关电源的设计需求指标，选择单端反激变换器作为主电路拓扑。 (2)控制电路部分有很多成熟的经验可以借鉴，如峰值电流型控制电路、驱动电路、各种保护电路等。根据小型高频开关电源实际需要，确定控制电路各部分参数值。为了保证电源输出电压的精度并稳定可靠的工作，反馈环路设计非常重要。 (
17、3)高频变压器是非常重要的磁元件，选择合适的磁芯材料、规格，决定其工作范围是否会饱和，合适的绕组绕制方式等对电源整机性能影响很大，故文中对反激高频变压器的绕制工艺进行了设计。文中还对RCD箝位电路、电压电流反馈电路等关键电路进行了设计和参数选择。2 高频开关电源的工作原理2.1 高频开关电源的基本原理高频开关电源是将交流输入电转换成电力电子设备所需的直流电的设备，相对于普通开关电源它的变换频率高，从而带来了效率的提高和体积的减小。其基本原理是:输入的工频交流电通过电网滤波、整流滤波成为单相的含有一定脉动成分的直流电，该直流电经高频变换器转变成矩形高频交流电，其中高频变换器受控制器的控制，再由高
18、频变压器隔离变换，得到所需的高频交流电，最后经过输出整流滤波电路，将变换器输出的高频交流电整流滤波得到符合用电标准的高质量、高品质的直流电。图2.1 开关电源的原理结构图开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、逆变器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。它们的功能介绍如下7。（1）输入电网滤波器：消除来自电网的干扰，如电动机的启动，电器的开/关、雷击等产生的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。（2）输入整流滤波器：对电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。（3）逆变器：是开关电源的关键部分，它把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离。（4）输
19、出整流滤波器：将变换器输出的高频交流电压整流滤波后得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。（5）控制电路：检测输出直流电压，并将其与基准电压比较后进行放大；调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。（6）保护电路：当开关电源发生过电压、过电流短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和电源本身。2.2 开关电源的技术参数 在设计一个开关电源的时候，必须首先对开关电源的各项技术参数作深入的了解，在其基础之上确定其所要设计的开关电源内部和外部的参数。本文从输出技术参数和输入技术参数这两个方面来介绍开关电源的各个参数。2.2.1 输入技术参数 开关电源输入技术参数表征其
20、输入端的各项特性，主要包括以下几点:（1）额定电压和电压变化范围 由于电网电压的不稳定和不同的国家和地区之间具有不同的电压标准，所以在设计开关电源的时候必须要使所设计的开关电源满足当地的电压标准，有的电源用途比较广泛，所以在设计的时候加入了输入切换功能，一般情况下，只要求开关电源具有比较宽的电压输入范围。（2）频率输入交流电的频率变化对开关电源的影响比较大，输入滤波器中电容电流和输入整流二极管的损耗都随输入交流电频率的增加而增大，从而使开关电源的效率降低。我国的民用电的频率一般为50或60赫兹，所以所设计的开关电源需满足我国的用电频率标准。（3）输入电流 开关电源的最大输入电流是指当输入电压最
21、小，输出电压和输出电流达到最大值时的输入电流;额定输入电流是指输入电压、输出电压和输出电流均为额定值时的输入电流。开关电源的输入滤波方式包括EMI滤波和电容滤波，其峰值电流较大，因此必须根据功率因数和电流峰值因数来确定输入电流值。（4）冲击电流冲击电流是指当输入电压在一定时间间隔内通断时，输入电流达到稳定值前电路中所流过的最大瞬时电流。开关电源中的冲击电流是指输入电压接通后，输出电压开始上升时流经的峰值电流，它的取值与输入电流有关，最大不能超过50A。一般情况下，当输入电压突然下降或突然断开时，由于热敏电阻不能快速恢复，其防止冲击电流的功能就会失效，所以，用热敏电阻不能防止开关电源频繁启动时的
22、冲击电流，应当规定开通和断开的间隔时间。（5）效率 开关电源的效率定义为当输入和输出均为额定值时其输出功率和输入有效功率之比。效率随电压、电流、功率因数和开关方式的不同而不同，其主要受电路损耗的影响，电路损耗包括开关管导通/关断损耗、浪涌电流吸收电路损耗、整流二极管上的损耗、磁芯损耗和辅助电源损耗，这些损耗是开关电源固有的缺陷只能减小而不能避免。开关电源的效率还受输入和输出的环境条件的影响，所以应当使开关电源具有良好的散热条件。（6）漏电流 漏电流是指输入端相对于地的电流，在开关电源中主要是指接通电源后通过滤波器中的电容对地的泄露电流。漏电流可以引发触电危险，破坏其他电子设备，所以必须保证开关
23、电源可靠接地。2.2.2 输出技术参数 开关电源输出技术参数表征其自身的参数，主要包括以下几个方面:（1）额定输出电压 额定输出电压是指开关电源输出端之间电压的标称值。一般要规定开关电源的输出电压范围和额定输出电压值的精度和纹波系数。（2）额定输出电流 额定输出电流是指输出端供给负载的最大平均电流值。（3）纹波噪声 纹波出现在输出端子间的一种与输入频率和开关变换频率同步的分量，通常用纹波系数来表示。纹波系数是指在额定输出电流下，输出纹波电压的有效值与输出电压的比值，一般控制在1%以内。噪声是指出现在输出端子之间的纹波以外的高频分量，通常以峰峰值或有效值来表示，一般在输出电压的0.5之内。（4）
24、稳压精度稳压精度也称之为电压调整率，其定义为当发生改变输出电压的因素时，输出电压的变化量和输出额定电压之比。改变输出电压的因素包括:输入电压的变化、负载的变化、环境温度的变动、初始偏(指输入和输出均为额定值时，从接入输入电压到指定时间内的输出电压的变动)、时效偏差、动态输入变动、动态负载变动、纹波噪声。（5）输出电压可调范围输出电压可调范围是指在保证稳压精度的条件下，可以从外部调节输出电压的范围。2.3 开关电源的变换器 DC-DC变换器是开关电源的主要组成部分，在开关电源的各个环节中扮演关键的角色。尽管基本的变压器可以完成电压变换的工作，但实际上还是有局限性。带变压隔离器的变换器拓扑结构可以
25、解决基本拓扑结构遇到的一些局限性问题，它是从基本变换器的拓扑结构经派生、组合、演变而来的7。 变压器隔离的DC-DC变换器分类为:单端 (正激式和反激式)、推挽式、半桥式和全桥式。正激式、推挽式、半桥式和全桥式变换器是在Buck变换器基础上演变而来的;反激式变换器是在Buck-Boost变换器基础上演变而来的。2.3.1 单端正激式结构 单端正激式变换器是一个隔离开关变换器，其根本特点是有一个用于隔离的高频变压器，因此可以用于高电压的场合。由于引入了高频变压器，所以极大地增加了变换器的种类，丰富了变换器的功能，也有效扩大了变换器的使用范围。单端正激式变换器拓补因其结构简单、工作可靠、成本低廉而
26、被广泛应用于独立的离线式中、小功率电源的设计中。在计算机、通信、工业控制、仪器仪表、医疗设备等领域，这类电源具有广阔的市场需求7。正激变换器的原理图如图2.2所示。图2.2 正激变换器的原理图 当s导通时，为负载提供的能量是通过正激变换器的副边整流二极管D:得到。当s截止时，为负载提供能量的是通过续流二极管D:将输出滤波电感L储存的能量释放，电流方向不变。2.3.2 单端反激式结构 当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种开关电源称为反激式开关电源。电路结构及工作原理将在第三章做详细的介绍。
27、2.3.3 半桥式电路结构 半桥式开关电源属于双激式开关电源，从原理上来说，它也属于推挽式开关电源，它是多种推挽式开关电源家庭成员之一。在半桥式开关电源中，两个控制开关管S1和S2轮流交替工作，开关电源在整个工作周期之内都向负载提供功率输出，因此，其输出电流的瞬间响应速度很高，电压的输出特性也很好。其主要优点是开关管关断时的承受电压为UDC，而不像推挽拓补或单端正激式变换器那样为2UDC。因此，该拓补在网压为220v的市场设备中得到了广泛应用。半桥式电路的结构原理图如图2.3所示。图2.3 半桥式电路的结构原理图 由于半桥式开关电源的两个开关器件的工作电压只有输入电压的一半，所以它比较适用于工
28、作电压比较高的场合。2.3.4 全桥式电路结构 在需要大功率的场合，在众多DC-DC变换器拓补中，首选全桥变换器。因为当功率开关管的额定电压和电流相同时，变换器的输出功率通常随开关管数量的增加而增大，故全桥变换器的输出功率最大。全桥变换器由四个功率开关管构成，其主变压器只需要一个初级绕组，该变压器通过正、反向的电压得到正、反向磁通，从而使其铁芯和绕组得到最佳利用，使其效率和功率密度得到提高。全桥电路的结构原理图如图2.4所示。图2.4 全桥电路的结构原理图2.3.5 推挽式电路结构 在双激式开关电源中，推挽式开关电源是最常用的开关电源。由于推挽式开关电源中的两个控制开关管K1和K2轮流交替工作
29、，其输出电压波形非常对称，并且开关电源在整个工作周期之内都向负载提供功率输出，所以其输出电流的瞬间响应速度很高，电压输出特性也很好。推挽式开关电源是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源，它在输入电压很低的情况下，仍能维持很大的功率输出，因此它被广泛应用于DC/AC逆变器，或DC/DC转换器电路中。推挽式电路的结构原理图如图2.5所示。图2.5 推挽式电路的结构原理图3 单端反激式变换器下面将对单端反激变换器主电路和控制电路的相关基础理论进行分析，从而为本文所设计的小型高频开关电源的整个电路的设计提供参考依据和理论支撑。3.1 单端反激式变换器的构成与基本原理单端反激式变换器是在Buck-Bo
30、ost电路基础上增加一个变压器，使变换器的输入与输出之间实现电气隔离，这样也使变换器能够更加安全可靠的运行，电磁兼容性也有一定的提升。因为不用输出电感，输入电压和负载产生改变时，反激变换器各输出端跟随调整的很好，输出调整率比其他拓扑好很多，因此在输出功率为50150W、要求多路输出的场合常采用反激拓扑。单端反激式变换器基本原理图如图3.1所示。其基本原理如下：当开关管VT导通时，输入电压直接加到初级绕组上，其电流线性上升，电感储能增加，由绕组同名端极性可判断次级绕组极性为上负下正，整流二极管VD截止，中没有电流流过，由电容C放电并向负载R提供能量；当开关管VT关断时，电源不再为变压器提供能量，
31、绕组极性变为上正下负，二极管VD导通，初级绕组中的电流转移到次级绕组上, 中的电流从最大值减小，此时存储在电感中的能量由二极管VD向负载R传递并给电容C充电。图3.1 单端反激式变换器基本原理图 假设为绕组的电感，为绕组的电感，则在VT导通时，期间流过的电流为： (3-1) 若VT的导通时间为，则导通结束时，的幅值为： (3-2) VT截止期间流过电流为： (3-3)其中，为输出电压，为VT截止开始时流过的电流幅值，那么 (3-4)假设，为常数，则电流，将按线性规律上升或下降。3.2 单端反激变换器的工作模式根据开关管导通和关断期间变压器中磁能储存和释放的情况，单端反激式变换器可以有三种不同的
32、工作模式，即电流断续工作模式、电流临界工作模式、电流连续工作模式。变压器一次绕组电流与二次绕组电流的理想波形（不考虑电路中的寄生参数）如图3.2所示，以下三种工作模式的理论分析都是基于理想条件下进行的，其中各电流的参考方向如图3.2中所示。图3.2 变压器一次绕组与二次绕组的电流理想波形（1）电流断续工作模式如图3.2中图（a）、（b）所示，当VT截止时间比绕组中电流衰减到零所用的时间更长，即时，次级电流和变压器磁通在VT截止时间之前就已经衰减到零。在下一个周期VT重新导通时，电流都从零开始按照的规律线性上升，磁通同样以线性规律上升。因为在VT导通时存储在变压器中的能量为： (3-5)所以，单
33、位时间内电源提供的能量（输入功率）为： (3-6)假定电路中没有功率损耗，全部被负载吸收，那么输出功率与输入功率相等。而 (3-7)所以， (3-8)得到输出电压为： (3-9)以上可知，输出电压与负载电阻R有关，负载电阻越大则输出电压越高，反之负载电阻越小，则输出电压越低，这是反激变换器的一个特点。另外，随输入电压的增大而增大，随导通时间的增加而增大，还随绕组电感量的增大而减小。当VT截止时，VD导通，次级绕组上的电压幅值近似为输出电压，这样，VT截止时管子上所承受的电压值可作以下计算，绕组上感应的电势应为： (3-10)因此，在VT截止时漏源极间承受的电压为： (3-11)由于初级电感电流
34、在开关管开始导通时刻从零开始增加，副边电感电流在开关管关断时刻结束之前应经下降为零。在一个开关周期中，储存在变压器中的磁能全部转变为电能供给负载和输出电容。因此该模式属于磁能完全释放型。（2）电流连续工作模式如图3.2中（c）、（d）所示，当VT截止时间较小时，截止时间结束将大于零，即，这种情况下，在下一个周期，VT重新导通时，初级绕组电流不是从零开始，而是从开始，按的斜率线性上升。初级电感电流在开关管导通开始时由非零值开始增加，副边电感电流在开关管关断时刻结束之前未下降为零，此时电路处于电流连续状态。在一个开关周期中，储存于变压器的磁能只有部分转变为电能供给负载和输出电容。因此该模式属于能量
35、不完全释放型。（3）电流临界工作模式电流临界工作模式介于断续模式于连续模式之间，VT的截止时间与绕组中的电流衰减到零所需要的时间相等，即 (3-12)这样，在VT截止时间将结束时，绕组中的电流刚好降到零。在下一个周期，VT重新导通时，中的电流也从零开始，按的规律线性上升，这时磁化电流达到临界状态。由于变压器中储存的磁能在一个开关周期中恰好全部转化为电能并完全释放给负载和输出电容。因此该模式属于能量完全释放型。3.3 单端反激式变换器工作模式的分析比较下面将从电流断续工作模式和电流连续工作模式下各自的电流应力、原边电感量大小及二极管反向恢复问题开始分析比较。(1)电流应力假定两种工作模式下的反激
36、变换器输出相同功率，最大占空比。 电流断续工作模式下的电流应力因为电流临界模式实为电流断续工作模式的特殊情况，且在相同条件下电流断续工作模式所求得的原边电感更小，为了简化分析，此处假定电路在输出功率为时恰好工作在电流临界状态，求得原边电感： (3-13)则每个开关周期内电感的电流峰值为： (3-14)把式（3-13）和占空比同时代入式（3-14），从而得到电流临界模式时电感电流峰值为： (3-15)则每个开关周期内电感电流的有效值为： (3-16) 电流连续工作模式下的电流应力在电流连续工作模式下，取原边电感为电流临界工作状态时值的倍（），即为： (3-17)根据相关资料可知此时每个开关周期内
37、原边电感电流峰值、最小值分别为： (3-18) (3-19)二者的比值为： (3-20)每个开关周期内电感电流的有效值为： (3-21) 两种工作模式下电流应力的比较由式（3-15）、（3-18）可知两种工作模式下电感电流峰值的关系为： (3-22)由式（3-16）、（3-21）可知两种工作模式下电感电流有效值的关系为： (3-23)由式（3-22）可知，当输出功率相同时，电流断续工作状态时的原边电感电流峰值比连续状态时大很多，即电流容量相同的功率管工作在连续状态时能输出更大的功率。(2)原边电感量若要使变换器一直处于电流连续工作模式，那么负载电流的最小输出为临界连续时的负载电流，从而可得：
38、(3-24)若要使变换器一直处于电流断续工作状态，那么负载电流的最大输出为临界连续时的负载电流，从而可得： (3-25)比较可知，当输出功率相同时，电流断续工作状态下的原边电感量小很多，使得反激变压器体积也小很多。(3)二极管反向恢复问题在电流工作在断续状态时，单端反激式变换器副边整流二极管在原边功率开关管再次开通前电流已经衰减到零，二极管完全截止，所以不会产生二极管反向恢复引起的振铃现象及相关的干扰问题。然而在电流连续模式下，反激式变换器副边整流二极管电流还没减小到零，原边功率开关管就已经导通，因此会产生二极管反向恢复。两种工作状态有完全不同的工作特性和应用场合，传递函数中不包括右半平面零点
39、的断续模式电路，其负载电流突变的瞬态响应更快。但快速的瞬态响应使得断续模式下次级峰值电流为连续工作状态下的23倍，使其在开关管关断瞬间出现较大的输出电压尖峰，并造成严重的RFI问题。尽管断续模式有诸多缺点，仍比连续模式的应用更加广泛。原因有两个：第一，断续状态下自身的变压器磁电感小，从而响应快，不存在次级整流二极管的反向恢复问题；第二，考虑到连续模式本身的特性（其传递函数包含右半平面零点），必须大幅地减小误差放大器带宽，这样才会使反馈环稳定。4 小型高频开关电源系统的电路设计4.1 控制电路的理论基础 小型电源系统由主电路及控制电路组成，其中主电路实现电能变换与传递，而控制电路用于处理并产生控
40、制信号，经驱动电路进行信号放大后控制功率MOSFET的导通与关断。控制电路正常与否，决定了整个电源系统的性能，若出现控制信号错误，整个电源将无法正常工作甚至出现损坏。4.1.1 控制电路的构成及原理图4.1 小型电源系统的结构图如图4.1所示，控制电路通常主要由基准源、调节器、PWM脉冲发生器、驱动电路、保护电路组成。各部分的电路功能如下：(1)基准源基准源用于供应稳定的基准电压或电流，为控制电路供给给定的参考量。(2)调节器调节器将主电路输出反馈信号与给定参考信号相比，得到误差信号。(3)PWM脉冲发生器PWM脉冲发生器将误差信号与振荡器信号进行比较，得到PWM脉冲信号，用于驱动功率MOSF
41、ET。(4)驱动电路通常由脉冲发生器产生的方波信号无法直接驱动功率MOSFET，需要有驱动电路进行功率放大，才能驱动功率MOSFET。(5)保护电路开关电源中不免会出现过流、欠压过压及输出短路等故障，这些会影响电源的正常运行，甚至造成损毁，所以必须要有保护电路，保证电路正常工作。4.2 小型高频开关电源系统的主电路设计本文所设计的电驱动系统小型高频开关电源输出功率约为50W，要求实现八路隔离输出且有两路输出精度要求较高。鉴于单端反激拓扑结构简单、成本低廉和在多路输出方面的优势，决定小型高频开关电源选择单端反激拓扑作为主电路拓扑，采用变压器耦合多绕组输出方式达成多路隔离输出。该小型高频开关电源的
42、主要技术指标如表4.1所示。表4.1 小型高频开关电源主要技术指标输入电压为220V400V各路输出电压带负载能力输出电压纹波精度PWM芯片供电绕组0.5W满足芯片供电要求+15V5.5W2%-15V1.5W3%+24V16W10%上桥臂U相驱动绕组3.5W满足驱动要求上桥臂V相驱动绕组3.5W满足驱动要求上桥臂W相驱动绕组3.5W满足驱动要求UVW三相下桥臂驱动绕组10.5W满足驱动要求4.2.1 小型高频开关电源的原理图设计该小型高频开关电源的原理图设计如图4.2所示，输入电压取自电动汽车动力电池组，经过单端反激变换器转换为+15V、15V、+24V输出，分别为PWM控制芯片、运算放大器及
43、DSP电路、风扇及继电器电路供电，其它四路输出为IGBT驱动供电（其中三路输出分别为U、V、W三相上桥臂的驱动电路供电，另一路为所有相下桥臂的驱动电路供电），其中15V输出作为最重要的两路对输出电压的纹波精度要求较高，因此对+15V输出进行电压反馈。考虑到小型高频开关电源的负载相对比较固定，而其它几路输出电压的纹波精度要求不高，所以从电路结构及成本方面考虑，没有采用二次稳压模块及复杂的输出滤波电路。图4.2 小型高频开关电源设计原理图4.2.2 高频变压器设计高频变压器作为小型高频开关电源中最重要的磁元件，它实际上是多绕组的耦合电感。高频变压器首先要存储能量，再将磁能转化为电能传输出去，它同时担当着储存能量和传递能量的职责。其性能如何不仅直接影响到自身的效率、发热温升及寿命，而且还将影响到电源的性能指标（如输出噪声纹波、电磁辐射及干扰等问题）和电源正常工作的可靠性。由于反激变换器在电流连续模式下存在右半平面零点问题，因此设计使电源始终工作在断续模式下，对变压器主要参数确定如下810： (1)选取极限耐压为800V的MOS