(新)高压软开关充电电源硬件设计

高压软开关充电电源硬件设计
高压软开关充电电源硬件设计
摘要
电源对于所有用电设备是必不可少的开关电源取消了传统电源采用的笨重的工频变压器使得电源的体积大大缩小电源中的电力电子器件工作在开关状态使整机效率很高由于它具有体积小重量轻和效率高的优点因而发展非常迅速应用范围日益扩大
本文简要介绍了开关电源的基本结构工作原理以及其发展状况和技术的发展趋势并对开关电源的分类和优缺点进行了阐述本文还介绍了减小开关电源体积和开关损耗的技术软开关技术
在前面知识的基础上本论文利用谐振开关技术设计了一台给高压脉冲电容充电的高压软开关电源在谐振开关技术中最适合给脉冲电容充电的电路是串联谐振开关电路输出近似为恒流源或称等台阶充电突出的优点是充电效率高且电路本身具有短路保护能力整个装置利用DSP实现电路的控制PWM信号形成及电路的保护
由于采用了全数字的控制充电的稳定度很高装置的开关频率是20kHz属于高频因此使得每次开关所充的电量较小这大大提高了充电的精度
关键词开关电源软开关充电
High-pressured Soft Switch Charge Power Source Hardware Design
Abstract
The power supply is essential to all equipment which uses electricity The switching power supply has cancelled the conversion depressor that traditional power sources adopt causing the volume of the power source
to reduce greatly In power supply electronic device works in soft switch condition so the entire efficiency to be very high Because the volume is small the weight is light and the efficiency high thus it develops extremely rapidly the application of the soft switching power supply expands day by day
This article briefly introduced the switching power supply basic structure the principle of work as well as its development condition and the technical development tendency In addition started from opposite directions folio turns off the power source the classification and the virtues and defects has carried in detail This article also introduced a new technical soft switch technology which the switching power supply volume and the switch loss can be avoided
In front knowledge foundation present paper use resonance-switch technical design one too for high-pressured pulse electric capacity charge high-pressure soft switching power supply The pulse electric capacity charge in the resonant switch technology the electric circuit is the series resonance switch in circuits Outputs is approximate for the permanent current source or calls " the stair charge The prominent merit is the charge efficiency is high also has inherently short-circuits the protection ability Entire realizes the electric circuit control the PWM signal using DSP forms and the electric circuit protection Because it has used entire digital control the charge stability is very high The installment turn-on frequency is 20 kHz belonging to high frequency therefore each time the switch flushes the electric quantity is small and this increased the charge precision greatly
Keywords Switching power supply Soft switch Charge 不要删除行尾的分节符此行不会被打印
目录
摘要I
Abstract II
第1章绪论 1
11 开关电源的发展状况 1
12开关电源的技术发展趋势 3
13本论文的研究目的 4
第2章开关电源原理 5
21 开关电源基本工作原理 5
22 开关电源的分类 6
23 关电源优缺点7
com 开关电源的优点7
com 开关电源的缺点8
24 软开关技术简介9
com 硬开关与软开关9
com 软开关的分类 10
25 本章小结12
第3章高压软开关充电电源硬件设计13
31 主电路设计13
com 主要技术指标 13
com 主电路选型13
com 电路的工作原理及方式13
com 主电路的各项参数19
32 控制及触发电路的设计 22
com 电压电流检测 22
com IGBT的驱动22
com DSP的选择24
com PWM波的形成27
33 电路的理想波形28
34 本章小结29
结论30
致谢31
参考文献32
附录外文翻译33
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绪论
开关电源的发展状况
开关电源属于电力电子技术他运用功率变换器进行电能变换经过变换电能他可以满足各种用电要求开关电源是美国NASA用于宇宙火箭搭载电源目的而开发的与线性电源相比开关电源具有体积小重量轻效率高的特点被广泛用于电视机计算机自动控制装置产业机械通信装置等各个领域特别是随着半导体技术的进步和信息产业的发展开关电源的需求量不断扩大随着现代半导体技术的发展尤其是高性能的全控器件的产生开关电源迎来了一个生机勃勃的春天1．发展史1955年美国的科学家罗耶首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器此后利用这一技术的各种形式的晶体管直流变换器不断地研制和涌现出来从而取代了早期采用的旋转式或机械振子式的寿命短可靠性差转换效率低的换流设备由于变换器中的功率开关管工作在开关状态所以由此而制成的开关电源输出的组数多极性可变效率高体积小重量轻在当时被广泛地应用于航天及军事电子设备上由于那时的微电子技术十分落后不能制作出耐压高速度快功率大的晶体管所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入并且转换的速度也不能太高60年代末由于微电子技术的快速发展高反压的晶体管出现了从此以后直流变换器就可以直接由市电经整流滤波后输入不再需要有降压变压器了从而极大地扩大了开关电源的应用范围并在此基础上诞生了无工频降压变压器开关电源省掉了工频降压变压器使开关电源的体积和重量大为减小开关稳压电源才真正做到效率高体积小重量轻70年代以后与该技术有关的高频高反压的大功率晶体管场效应管高频电容肖特基二极管高频磁芯材料等元器件也不断地被研制和生产出来使这一技术得到了飞速的发展并且被广泛地应用于计算机通信航天彩色电视等领域中从而使无工频变压器开关电源成为各种电源中的佼佼者[1]
2．目前正在克服的困难随着半导体技术和微电子技术的高速发展集成度
高功能强的大规模集成电路的不断出现使得电子设备的体积在不断地缩小重量在不断地减轻所以从事这方面的研究和生产的人们对电源中的开关变压器还感到不是十分理想他们正致力于研制出效率更高体积和重量更小的开关变压器或通过别的途径来取代它使之能满足电子仪器和设备微小型化的要求这就是从事开关电源研究的科技人员目前正
在克服的第一个困难开关电源的效率是与开关管的变换速度成正比的并且由于采用了开关变压器以后才能使之由一组输入得到极性大小各不相同的多组输出要进一步提高其效率就必须提高其工作频率但是当频率提高以后对整个电路中的元器件又有了新的要求例如高频电容开关管开关变压器储能电感快速整流二极管等都会出现新的问题进一步研制出适应高频工作的有关电路元器件是从事开关电源研制的科技人员要解决的第二个问题线性电源中的功率调整管具有稳压和电子滤波的双重作用因而串联线性电源不产生开关干扰且输出波纹电压小但是开关电源中的开关管是工作在开关状态所以就会产生尖峰干扰和谐振干扰这些干扰就会污染市电电网影响邻近的电子仪器和设备的正常工作随着开关电源电路和抑制干扰措施的不断增加和完善它的这一缺点得到了进一步的克服可以达到不妨碍一般电子仪器和设备正常
工作的程度但在一些精密电子仪器中由于这一缺点却使开关电源不能得到应用所以克服这一缺点进一步提高开关电源的使用范围是从事开关电源研制人员要解决的第三个问题
目前在开关电源方面急需解决的最后一个问题是开关管的二次击穿问题要解决这一问题首先要将其产生的原因分析清楚而目前人们对此还没有完全掌握还只能从热点的角度进行解释所以这方面还需人们去做大量的研究和探索工作
3国内发展概况我国的晶体管直流变换器及开关电源研制工作开始于60年代初到60年代中进入了实用阶段 70年代初开始研制无工频降压变压器开关电
源1974年研制成功了工作频率为10 kHz输出电压为5V 的无工频降压变压器开关电源近10多年来我国的许多研究所工厂和高等院校已研制和生产出了多种型号的工作频率为20 kHz 左右输出功率在1000W以下的无工频降压变压器开关电源并应用于计算机通信电视等方面取得了较好的效果工作频率为100～200kHz 的高频开关电源于80年代初就已开始试制 90年代初试制成功目前正在走向实用和再进一步提高工作频率阶段
许多年来虽然我国在这方面投入了大量的人力和物力做出了巨大的努力并取得了可喜的成就但是目前我国的开关电源技术与世界上先进的国家相比仍有较大的差距此外近几年来我国虽然把无工频变压器开关电源的工作频率从数十kHz 提高到数百kHz把输出功率由数十W 提高到数百W 甚至数千W 但是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的开关电源事业要发展要赶超世界先进水平最根本和最关键的问题是如何提高和改进我国的半导体器件技术和制作工艺[2]
12开关电源的技术发展趋势
1小型化由于电源小型花的关键是高频化因此国外目前都在致力于同步开发新型元器件特别是改善二次整流的损耗变压器电容器小型化同时采用SMT技术在电路板两面布置元器件以确保开关电源的轻小薄
2高效率开关电源高频化使传统的PWM开关硬开关功耗加大效率降低噪声也提高了达不到高频高效的预期效益因此实现零电压导通零电压关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流采用软开关技术可使效率达到85～88VICOR开关电源公司设计制造了多种ECZ软开关DCDC变换器其最大输出功率有800W600W300WWcm80～90Nemic-Lambda公司日前推出一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列开关频率为200～300kHz27Wcm用同步整流器即用MOSFER代替肖特基二极管是整个电路效率提高到90
3高可靠开关电源使用的元器件比连续工作电源多数十倍因此降低了可靠性追求寿命的延长要从设计方面着手而不是从使用方面着想美国一公司通过降低节温减少器件的电应力降低运行电流等措施使其DCDC开关电源系列产品的可靠性大大提高产品的MTBF高达100万时以上
4模块化可以用模块电源组成分布式电源系统可以设计成N1冗余电源系统从而提高可靠性可以做成插入式实现热交换从而在运行中出现鼓掌时能高速更换模块插件多台模块并联可实现大功率电源系统此外还可以在电源系统建成后根据发展需要不断扩充容量
5低噪声开关电源的又一缺点是噪声大单纯追求高频化噪声也随之增大采用部分谐振转换回路技术在原理上既可以高频化又可以低噪声但谐振转换技术也有其难点如果很难准确的控制开关频率谐振时增大了器件负荷场效应管的寄生电容易引起短路损耗元件热应力转向开关管等问题难以解决日本把变压器设计成一二次分离阻燃密封自身具备对付噪声功能的共模无噪声隔离变压器既节省了噪声滤波器又减少了噪声
6抗电磁干扰EMI 当开关电源在高频下工作时其噪声通过电源线产生对其他电子设备的干扰世界各国已经有了抗EMI的规范或标准
7电源系统的管理和控制应用微处理器或微机集中控制与管理可以及时反映开关电源环境的各种变化中央处理单元实现智能控制可自动诊断故障减少维护工作量确保正常运行
8计算机辅助设计CAD 利用计算机对开关电源进行CAD设计和模拟试验十分有效是最为快速经济的设计方法
9产品更新加快目前的开关电源产品要求输入电压通用适用世界各国电网电压规范出电压规范扩大如计算机和工作站需要增加33V这一电压输入端功率因数进一步提高并具有安全过压保护等方面的功能[3]
13本论文的研究目的
本论文是结合当前开关电源的发展趋势以及今后将从事电源设计与制造工作的需要而完成的通过完成本论文作者希望完成以下目的
1．在系统学习开关电源原理的基础上自己独立设计一台充电电源了解开关电源的主要设计过程及其相关方法
2．在整个过程中不断学习消化掌握各种类型开关电源的主要特点和性能重点掌握减小开关损耗的方法软开关技术
3．在设计过程中掌握开关电源的整体系统结构主电路触发电路检测电路输入输出电路保护电路和整体的控制电路
4．通过对开关电源的理论学习和实践经验了解电源的应用前景和发展趋势从而明确自己今后努力的方向争取在电源的设计和制造等工作中加以应用开关电源原理
开关电源基本工作原理
开关K 以一定的频率重复的接通或断开在开关K 接通时输入电源通过开关K 和滤波电路向负载提供能量当开关K断开时输入电源便中断了能量的供给开关电源的示意图如图2-1所示
为了使负载能够得到连续的能量开关电源就必须有一套储能装置以便在开关K 接通时将一部分能量储存起来当开关K 断开后再将储存的能量提供给负载图2-1中的电感L电容C和二级管D 组成的电路就具有这样的功能当开关K 接通时电感L 用以储存能量开关K 断开时储存在电感L中的能量通过二级管D 释放给负载从而使负载得到连续而又稳定的能量
当电子开关K按一定的频率开关时导通时间越长输出电压越高导通时间越短输出电压越低通常开关电源就是这样在开关频率一定的情况下通过调整开关时间的长短控制输出电压的高低目前也有的开关电源采用开关时间长短恒定通过改变开关频率来改变输出电压的高低
图2-1 开关电源示意图
开关电源的形式有很多种其中尤其以脉冲宽度调制型PWM最为盛行现在就以此种形式的开关电源介绍以下开关电源的工作原理
采用PWM技术的开关电源原理机构如图2-2所示从电网将能量传递给负载的回路称为主回路其余称为控制回路
工频电网交流电压经过输入整流滤波电路得到高波纹未调直流电压在经功率转换电路变换成符合要求的矩形波脉动电压最后经过整流滤波电路将其平滑成连续的低波纹直流电压
图2-2 PWM方式开关电源框图
控制回路在提供高压开关T管基极驱动脉冲的同时需要完成输出电压稳压的控制而且还必须能对电源或负载提供保护它通常由检测比较放大电路电压-脉冲宽度转换电路VW电路时钟震荡电路以及自用电压源等基本电路构成对于PWM方式而言将频率固定的震荡源称为时钟震荡器这种电源利用检测电路反映输出电压值通过和给定参考电压比较并产生误差信号在经过VW电路调制脉冲宽度调节输出电压例如由于某种原因负载电流减小或电网电压上升使高频变压器副边输出电压的平均值增大电源输出电压也将随之提高反馈检测电路将提高了输出电压和基准电压进行比较并产生负积极性的误差电压VW电路根据该误差电压及时减小输出脉宽这样使输出电压平均值减小接近原来的数值从而实现稳压的作用
开关电源的分类
在电子技术和应用飞速发展的今天对电子仪器和设备的要求是在性能上更加安全可靠在功能上不断增加在使用上自动化程度要越来越高在体积上日趋小型化这使采用具有众多优点的开关电源就显得更加重要所以开关电源在计算机通信航天彩电等方面都得到了越来越广泛的应用发挥了巨大的作用这大大促进了开关电源的发展从事这方面研究和生产的人员也在不断地增加开关电源的品种和类型也越来越多常见的开关电源的分类方法有下列几种
1按激励方式划分分为他激式和自激式他激式开关电源电路中专设激励信号振荡器自激式开关功率管兼作振荡管该形式的开关电源电路结构简单元器件少可以做成低成本的开关电源
2按调制方式划分分为脉宽调制型频率调整型和混合调整型脉宽调制型保持振荡频率保持不变通过调节脉冲宽度来改变输出电压的大小频率调整型保持占空比保持不变脉冲宽度保持不变通过改变振荡频率来改变输出电压大小混合调整型是脉冲宽度和振荡频率均可进行调节的开关电源
3．按开关管电流的工作方式划分分开关型和谐振型开关型用开关晶体管把直流变成高频标准方波其电路形式类似于他激式谐振型用开关晶体管与LC 谐振回路将直流变成标准正弦波其电路形式类似于自激式开关电源4．按开关晶体管的类型划分分为晶体管型和可控硅型晶体管型采用晶体管包括场效应管作为开关功率管可控硅型采用可控硅作为开关功率管这种电路的特点是直接输入交流电压不需要一次整流部分
5．按储能电感与负载的连接方式划分分串联型和并联型串联型储能电感串联在输入与输出电压之间并联型储能电感并联在输入与输出电压之间6．按晶体管的连接方法划分分为单端式推挽式半桥式和全桥式单端式仅使用一个晶体管作为电路中的开关管这种电路的特点是价格低电路结构简单但输出功率不能提高推挽式使用两个功率开关管将其连接成推挽功率放大器的形式这种电路的特点是可以工作在电源电压较低的场合一般逆变器多采用这种形式的电路但它的缺点是开关变压器的初级必须具有中心抽头半桥式使用两个功率开关管将其连接成半桥形式它的特点是适应于输入电压较高的场合全桥式使用四个功率开关管将其连接成全桥的形式它的特点是输出功率较大7．按电路结构划分分为散件式和集成电路式散件式整个开关电源电路都是采用分立式元器件组成的这种电路的缺点是电路结构较为复杂集成电路式整个开关电源电路或电路的一部分是由集成电路组成的这种集成电路通常被称为厚
膜电路有的厚膜集成电路中包括功率开关管有的则不包括这种形式的电源的特点是电路结构简单调试方便可靠性高这种电路被广泛地应用于彩色电视中以上五花八门的开关电源品种都是站在不同的角度以开关电源不同的特点命名和划分的不论是激励方法输出直流电压的调节手段储能电感的连接方法功率开关管的器件种类以及串并联结构还是其他的电路形式它们最后总可以归结为串联型和并联型开关电源这两大类[4]
开关电源优缺点
开关电源的优点
1．功耗小效率高开关电源结构原理方框图中的晶体管在激励信号的驱动下其工作状态处于导通截止和截止导通的开关状态转换速度很快频率一般为50kHz左右在一些技术先进的国家可以做到几百或者上千kHz晶体管V饱和导通时虽然电流较大但管压降很小截止断开时虽然管压降很大但通过的电流几乎为零这就使得开关晶体管V 在其整个工作过程中的功耗很小电源的效率可以大幅度地提高
2．体积小重量轻没有了笨重的工频降压变压器由于调整管上的耗散功率大幅度地降低因而省去了体积和重量都较大的散热片由于这两方面的原因故开关电源的体积小重量轻
3．稳压范围宽开关电源的输出电压是通过激励信号的占空比来调节的输入电压的波动变化可以通过改变占空比的方式来进行补偿这样在输入电压变化或波动较大时它仍能保证有较稳定的输出电压所以开关电源的稳压范围很宽稳压效果较好此外改变占空比的方法有脉宽调制型频率调制型和混合调制型三种这样开关电源不仅具有稳压范围宽的优点而且实现稳压的方法也较多较灵活设计人员可以根据实际应用的需要和要求灵活选用各种形式的稳压方法4．滤波效率高不需要较大容量的滤波电容开关电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz 左右是线性电源的1000倍这使整流后的滤波效率几乎也提高
了1000倍就是采用半波整流后加电容滤波效率也提高了500倍在相同波纹输出电压的要求下采用开关电源时滤波电容的容量只是线性电源中滤波电容容量的1500～11000滤波电容容量
减小以后整个电源的体积和重量也相应地有所减小
5．电路形式灵活多样例如有自激式和他激式有调宽型和调频型有单端式和双端式有开关元件为晶体管式和开关元件为可控硅式等等设计者可以发挥各种类型电路的特长设计出能满足各种不同应用场合的开关电源
开关电源的缺点
开关电源最为突出的缺点就是开关干扰较为严重开关电源中的开关功率管是工作在开关状态下它产生的交流电压和电流会通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制消除屏蔽和隔离就会严重地影响整机的正常工作此外由于开关电源中没有了工频降压变压器的隔离振荡器所产生的高频干扰如果不加以消除就会串入工频电网使附近的其他电子仪器设备和家用电器受到严重的干扰
目前由于国内微电子技术阻容器件生产技术以及磁性材料技术与
一些技术先进的国家还有一定的差距因此开关电源的造价不能进一步降低也影响到可靠性的进一步提高所以在我国的电子仪器以及机电一体化仪器中开关电源还不能得到普及使用特别是无工频变压器开关电源中的高压电容高反压大功率开关管开关变压器的磁性材料等元件我国还处于研究和开发阶段一些先进的国家虽然有了一定的发展但是在实际应用中还存在一些问题不能令人十分满意这就暴露出了开关电源的又一个缺点那就是电路结构复杂故障率高维修麻烦成本高对此如果设计者和制造者不予以充分重视则会直接影响开关稳压电源的推广应用
软开关技术简介
硬开关与软开关。