高频开关电源的设计
论高频开关电源模块并联均流之设计
55科协论坛·2009年第2期（下）工程技术与产业经济模块化是高频开关电源的发展方向之一，对于并联运行的模块，最关键的问题是单个模块根据各自的功率等级平均负担负载电流，也就是并联模块之间的均流问题。
1 高频开关电源模块并联均流方案之比较为了提高系统的稳定性和实用性，并联电源必须具有下列特性：各模块承受的电流能动平衡，实现均流；当输入电压或负载电流变化时，应保持输出电压稳定，并且均流的瞬态响应好；采用冗余供电系统保证任一电源模块故障时，负载可以获得足够的功率，并且能实现故障模块自动隔离和热更换。
笔者重点对输出阻抗法、主从设置法、平均值均流法和最大电流自动均流法的优缺点进行归纳总结：输出阻抗法是最简单实现并联均流的方法，不需要在并联模块之间建立连线，各个电源模块之间比较独立，它是通过改变模块等效内阻实现并联均流的。
在提高均流性能的同时必然会导致电压调整率的下降，难以应用在电压调整率要求较高的电源系统中。
由于等效内阻相对较小，此方法在大电压、高功率的电源系统中使用收到很大的限制，但由于其简单性，在小功率场合中有着广泛的应用。
主从设置法利用双环控制，提高均流效果，使电源系统的容量大大提高。
但是在工程实践中应用很少，它没有真正实现了冗余系统，主模块的稳定性决定了整个电源系统的性能，失去并联均流系统的大部分优势。
平均电流值自动均流法可以精确的实现均流，可靠性较高。
但当均流母线发生短路，或任何某个模块不工作时，均流母线电压下降，导致系统电压下降，造成电源无法正常工作。
在每个模块输出电流信号和均流母线间串接一个可控开关，在故障情况下及时断开该模块，保证系统正常的工作。
最大电流自动均流法的均流母线体现输出电流最大的那个模块的电流信号即主模块，当其它从模块的输出电流超过主模块的输出电流会自动变成主模块。
此方法可以实现较好的冗余，其控制方法也比较多，是比较理想的均流方法。
2 高频开关电源模块并联负载均流方案通过对不同均流方法的分析，可知不同方法各有各自的优点和缺点。
30kHz高频开关电源变压器的设计
30kHz高频开关电源变压器的设计Design of 30kHz High－frequency SMPS Transformer南京电子技术研究所冯挹(南京210013）在传统的高频变压器设计中，由于磁心材料的限制，其工作频率较低，一般在20kHz左右。
随着电源技术的不断发展，电源系统的小型化，高频化和高功率比已成为一个永恒的研究方向和发展趋势。
因此，研究使用频率更高的电源变压器是降低电源系统体积，提高电源输出功率比的关键因素。
本文根据超微晶合金的优异电磁性能，通过示例介绍30kHz超微晶高频开关电源变压器的设计。
1变压器的性能指标电路形式：半桥式开关电源变换器原理见图1：工作频率f：30kHz变换器输入电压Ui:DC300V变换器输出电压U0:DC2100V变换器输出电流Io:0.08A整流电路：桥式整流占空比D：1％～90％输出效率η:≥80％耐压：DC12kV温升：＋50℃工作环境条件:－55℃～＋85℃2变压器磁心的选择与工作点确定从变压器的性能指标要求可知，传统的薄带硅钢、铁氧体材料已很难满足变压器在频率、使用环境方面的设计要求。
磁心的材料只有从坡莫合金、钴基非晶态合金和超微晶合金三种材料中来考虑，但坡莫合金、钴基非晶态价格高，约为超微晶合金的数倍，而饱和磁感应强度Bs却为超微晶合金2/3左右，且加工工艺复杂。
因此，综合三种材料的性能比较（表1），选择饱和磁感应强度Bs高，温度稳定性好，价格低廉，加工方便的超微晶合金有利于变压器技术指标的实现。
图1（1）钴基非晶态合金和超微晶合金的主要磁性能比较磁心工作点的选择往往从磁心的材料，变压器的工作状态，工作频率，输出功率，绝缘耐压等因素来考虑。
超微晶合金的饱和磁感应强度Bs较高约为1.2T，在双极性开关电源变压器的设计中，磁心的最大工作磁感应强度Bm一般可取到0.6～0.7T，经特别处理的磁心，Bm可达到0.9T。
在本设计中，由于工作频率、绝缘耐压、使用环境的原因，把最大工作磁感应强度Bm定在0.6T，而磁心结构则定为不切口的矩形磁心。
高频开关电源变压器设计
开关电源功率变压器的设计方法1开关电源功率变压器的特性功率变压器是开关电源中非常重要的部件，它和普通电源变压器一样也是通过磁耦合来传输能量的。
不过在这种功率变压器中实现磁耦合的磁路不是普通变压器中的硅钢片，而是在高频情况下工作的磁导率较高的铁氧体磁心或铍莫合金等磁性材料，其目的是为了获得较大的励磁电感、减小磁路中的功率损耗，使之能以最小的损耗和相位失真传输具有宽频带的脉冲能量。
图1（a）为加在脉冲变压器输入端的矩形脉冲波，图1（b）为输出端得到的输出波形，可以看出脉冲变压器带来的波形失真主要有以下几个方面：图1脉冲变压器输入、输出波形（a）输入波形（b）输出波形（1）上升沿和下降沿变得倾斜，即存在上升时间和下降时间；（2）上升过程的末了时刻，有上冲，甚至出现振荡现象；（3）下降过程的末了时刻，有下冲，也可能出现振荡波形；（4）平顶部分是逐渐降落的。
这些失真反映了实际脉冲变压器和理想变压器的差别，考虑到各种因素对波形的影响，可以得到如图2所示的脉冲变压器等效电路。
图中：Rsi——信号源Ui的内阻Rp——一次绕组的电阻Rm——磁心损耗（对铁氧体磁心，可以忽略）T——理想变压器Rso——二次绕组的电阻RL——负载电阻C1、C2——一次和二次绕组的等效分布电容Lin、Lis——一次和二次绕组的漏感Lm1——一次绕组电感，也叫励磁电感n——理想变压器的匝数比，n=N1/N2图2脉冲变压器的等效电路将图2所示电路的二次回路折合到一次，做近似处理，合并某些参数，可得图3所示电路，漏感Li包括Lin和Lis，总分布电容C包括C1和C2；总电阻RS包括Rsi、RP和Rso；Lm1是励磁电感，和前述的Lm1相同；RL′是RL等效到一次侧的阻值，RL′=RL/n2,折合后的输出电压U′o=Uo/n。
经过这样处理后，等效电路中只有5个元件，但在脉冲作用的各段时间内，每个元件并不都是同时起主要作用，我们知道任何一个脉冲波形可以分解成基波与许多谐波的叠加。
(完整版)高频开关电源设计毕业设计
目录引言......................................................... 1本文概述 .................................................1.1选题背景............................................................................................................................1.2本课题主要特点和设计目标 ...........................................................................................1.3课题设计思路.................................................................................................................... 2SABER软件................................................2.1SABER简介 .....................................................................................................................2.2SABER仿真流程 .............................................................................................................2.3本章小结............................................................................................................................ 3三相桥式全控整流器的设计..................................3.1工作原理............................................................................................................................3.1.1 三相桥式全控整流电路的特点......................................................................................3.2保护电路............................................................................................................................3.2.1 过电压产生的原因..........................................................................................................3.2.2 过压保护 (1)3.2.3 过电流产生的原因 (1)3.2.4 过流保护 (1)3.3SABER仿真 (1)3.3.1 设计规范 (1)3.3.2 建立模型 (1)3.3.3 仿真结果 (1)3.3.4 结果分析 (1)3.4本章小结 (2)4功率因素校正技术 (2)4.1谐波 (2)4.1.1 谐波的危害 (2)4.1.2 谐波补偿和功率因素校正 (2)4.2有源功率因数校正 (2)4.2.1 APFC技术分类 (2)4.2.2 临界导电模式APFC的控制原理 (2)4.2.3 功率因素校正电路的缺点及解决方法 (2)4.3本章小结 (2)5软开关功率变换技术 (2)5.1软开关技术的提出 (2)5.1.1 开关损耗的成因 (2)5.2软开关技术 (2)5.2.1 软开关技术的一般实现方法 (2)5.2.2 软开关的发展历程主要分类 (2)5.3本章小结 (3)6双管正激变换器的设计 (3)6.1工作原理 (3)6.2SG3525的功能介绍以及应用 (3)6.2.1 SG3525基本工作原理和应用特点 (3)6.2.2 SG3525在双管正激开关电源中的应用 (3)6.3启动电路的改进 (3)6.4SABER仿真 (3)6.4.1 设计步骤简介 (3)6.4.2 设计规范 (3)6.4.3 开环设计（功率电路设计） (3)6.4.4 调制器设计和闭环仿真 (4)6.5仿真结果 (4)6.6本章小结 (4)7BOOST变换器的设计 (4)7.1工作原理 (4)7.2SABER仿真 (5)7.2.1 设计规范 (5)7.2.2 参数设计 (5)7.2.3 仿真结果 (5)7.3本章小结 (5)8系统集成调试 (5)9结论与展望 (5)谢辞 (5)参考文献 (5)附录 (5)引言人类已经进入工业经济时代，并处于转入高新技术产业迅猛发展的时期。
高频高压开关电源的设计的开题报告
高频高压开关电源的设计的开题报告
一、研究背景和意义
高频高压开关电源是一种电能转换和控制的工具，广泛应用于无线电通讯、雷达设备、医疗设备等领域。
近年来，随着科技的发展，人们对高频高压开关电源的性能和应用范围的要求也越来越高，这就要求我们必须研究和开发出更加先进、可靠的高频高压开关电源。
二、研究目的
本研究的主要目的是设计一种高效率、高稳定性、高精度、高可靠性的高频高压开关电源，以满足现代化科技的需要，同时提升工业生产和实用性。
三、研究方法
本研究采用理论研究和实验验证相结合的方法，首先根据电路理论和电子学原理设计电路，并模拟分析电路的性能，最后在实验中对电路进行验证。
四、预期结果
本研究的预期结果是设计出一种长时间稳定工作，精度高，效率高的高频高压开关电源，满足现代科技发展的要求。
五、研究内容和进度
1. 研究高频高压开关电源的基础理论和电子学原理，了解高频高压开关电源相关的研究进展和应用；
2. 设计高频高压开关电源的电路方案，进行仿真分析；
3. 制作电路并进行实验测试，验证电路方案的可行性和稳定性；
4. 进行实验数据分析和总结，得出本研究的结论。
六、研究意义和实际应用
高频高压开关电源是现代化科技的重要组成部分，其在无线电通讯、雷达设备、医疗设备等领域有着广泛的应用。
设计出更加先进、可靠的高频高压开关电源对于推动现代化科技的发展，提升工业生产和实用性，具有重要的意义和实际价值。
高频开关电源——原理、设计与实例分析
任务一反激式功率因数校正电路的原理 任务二临界模式PFC控制芯片L6562的介绍 任务三反激式功率因数校正电路的分析与设计 拓展任务有源PFC方法的比较和测试 项目小结 思考与练习
附录A印制电 路板的布线
附录B开关电 源规格书 （IPS）
作者介绍
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项目二升压式有源 功率因数校正电路
的分析
项目一填谷式无源 功率因数校正电路
的分析
项目三反激式有源 功率因数校正电路
的分析
任务一功率因数校正的基本概念 任务二填谷式无源功率因数校正电路的介绍 任务三控制芯片MT7801的介绍 任务四填谷式无源功率因数校正电路的分析与设计 项目小结
任务一升压式功率因数校正原理 任务二有源功率因数校正控制方法 任务三电感的设计 任务四连续模式的功率因数校正控制芯片ICE2PCS01的介绍 任务五 Boost功率因数校正电路的分析与设计 项目小结
任务一降压式变换器的分析 任务二 UC3842控制Buck电路的分析与设计 拓展任务升-降压式变换器的分析 项目小结 思考与练习
项目二 PWM芯片控 制的反激式电源电
路的分析
项目一单片集成反 激式电源电路的分
析
项目三准谐振反激 式电源电路的分析
任务一反激式变换器的分析 任务二单片集成芯片KA5X03XX系列介绍 任务三反激式变压器的制作与测试 任务四单片集成芯片控制反激式电路的分析与测试 拓展任务一次绕组控制的反激式电源电路 项目小结 思考与练习
目录分析
模块一开关电源基础入门
任务一开关电源的概述 任务二直流变换器的分类 任务三直流开关电源的特点和应用 任务四直流开关电源的性能指标 任务五开关电源的主要技术及发展趋势
高频开关电源设计与应用实例
高频开关电源设计与应用实例
电源网讯传统的工频交流整流电路，因为整流桥后面有一个大的电解电容来稳定输出电压，所以使电网的电流波形变成了尖脉冲，滤波电容越大，输入电流的脉宽就越窄，峰值越高，有效值就越大。
这种畸变的电流波形会导致一些问题，比如无功功率增加、电网谐波超标造成干扰等。
功率因数校正电路的目的，就是使电源的输入电流波形按照输入电压的变化成比例的变化。
使电源的工作特性就像一个电阻一样，而不在是容性的。
目前在功率因数校正电路中，最常用的就是由BOOST变换器构成的主电路。
而按照输入电流的连续与否，又分为DCM、CRM、CCM模式。
DCM 模式，因为控制简单，但输入电流不连续，峰值较高，所以常用在小功率场合。
CCM模式则相反，输入电流连续，电流纹波小，适合于大功率场合应用。
介于DCM和CCM之间的CRM称为电流临界连续模式，这种模式通常采用变频率的控制方式，采集升压电感的电流过零信号，当电流过零了，才开通MOS管。
这种类型的控制方式，在小功率PFC电路中非常常见。
今天我们主要谈适合大功率场合的CCM模式的功率因数校正电路的设计。
要设计一个功率因数校正电路，首先我们要给出我们的一些设计指标，我们按照一个输出500W左右的APFC电路来举例：
已知参数：
交流电源的频率fac——50Hz
最低交流电压有效值Umin——85Vac
最高交流电压有效值Umax——265Vac。
高频开关电源变压器的优化设计及其应用研究
高频开关电源变压器的优化设计及其应用研究摘要：在开关电源当中，变压器是实现核心性能的关键技术组件，因此要把控合理设计与应用。
本文通过分析高频开关电源变压器的构成及发展现况，进一步分析了变压器的优化设计方向与实际应用。
关键词：优化设计；变压器；高频开关电源引言：目前的开关电源正不断向高频化的方向发展，因此其相应的变压器装置也开始采用高频形式，基于此，本文主要围绕着高频开关电源变压器的内部设计展开的研究，希望能够对高频开关电源变压器的实际应用有所帮助。
1.高频开关电源变压器的构成及发展现况1.1高频开关电源变压器的构成与分类高频开关电源变压器中，其开关器件是基于半导体功率，因此也可称之为开关管，而控制开关管在高频下进行关闭与开通操作，从而实现将某种电能的形态转换为其他类型电能形态，这种性能的装置就叫做开关转换器。
以开关转换器为关键部件，再利用闭环自动控制方式对输出电压进行稳定处理，同时，整个电路中还配有相应的保护电源，这种情况下的电源就叫做开关电源，而使用高频的转换器做电源开关工作的转换装置，就被称作高频开关电源，其一般是采用高频DC 转换器。
在高频开关电源当中，其运行的最基本路线包括整流滤波电路、开关型的功率变换装置、控制电路以及交流直线转换电路，而其相应的变压器装置可采用以下几种分类方式。
一是基于不同的驱动方式来划分为自激式驱动变压器以及他激式驱动变压器；二是根据电路的拓扑结构来划分变压器类型，具体可分为两类，包括隔离式变压器与非隔离式变压器，其中隔离式变压器装置还可划分为半桥式变压器、全桥式变压器、反激式变压器、正激式变压器以及推挽式变压器，非隔离式变压器则包括升压型变压器与降压型变压器；三是基于输入与输出之间是否存在电器隔离来划分变压器类型，有电器隔离则为隔离式变压器，无电器隔离则为非隔离式变压器；四是基于DC的开关条件或DC转换器类型来划分，可分为软开关型变压器与硬开关型变压器[1]。
1.2开关电源技术的发展现况电源从上世纪60年代开始就得到使用，一开始大部分使用电源的电子产品都是线性电源结构，这种电源在原理上存在许多局限，且电源本身的体积大、重量高，还具有损耗大的缺点，随后，一种基于开关调节器的直流稳压电源逐渐将其取代，对于开关电源技术的集中化研究开始于上世纪90年代，当时使用的开关电源是基于DC/DC转换器，并采用脉冲宽度调制方式来实现功能，随后还有许多新型电源材料逐渐问世，包括高频磁性材料以及半导体材料，这些材料的应用也使得开关电源的频率得到进一步增长，当前，国内外的开关电源技术都已经实现市场化发展，国内自主研发的开关电源变压器装置也逐渐变多，但大部分变压器的频率较小，高频开关电源变压器的研究还有待加强，近年来，随着对高频开关电源变压器的研究力度加大，该项技术的发展也得到了跨越式的进步[2]。
大功率高频开关电源变压器设计与损耗分析
５ 结 束 语
通 过 对 高频 变压 器 损 耗 的分 析 计 算 ，在 设 计 中 要 充 分 考 虑 这 些 因素 ，尽 可 能解 决 高 频 开 关 电源 在 应 用 中磁 性 元 件 的 损 耗
Ｐ ： Ｒ： ＼ｏ ３ Ｗ ２× Ｉ ×０ ３ ｝ １５ ０
交 流 电 阻损 耗 ：
Ｋｆｅ＇ ￣ Ｇ Ｉ Ｋ ｃ ￣一 ， （
）
（） １
时 △Ｂ＝１ Ｔ
可 得 磁 滞损 耗 的模 型 为 ：
，
（） ２ 副边 匝数 的计 算
－（ Ｋ １
）； ）（Ｆ Ｋｃ （ ３／ ｘ
（ ２ ）
Ｉ２ ｌ 、一 ：
：
－－ ｘ７ 一 一 ２－ ｏ ４ ０ 。 ｘ１ ５Ｋ１ 一 １
＝０ ５． ９
已知一次侧线圈电随：＝＝． １５ Ｒ ＩＯ ０６ ０
直 流 电 阻一 次 侧 线 圈 损耗 ：
Ｐ ＝ｘｃｌ ｚ １￣Ｗ ｃ ｆ ｄ＂ ＿ ｌ掣 ｘ０６ ２ Ｒ－ ００５
已 知二 次 侧 线 圈 电 阻 ： ｄ＝ ．０ ５ Ｒ ｃ ００ ３ ２ 直 流 电 阻二 次 侧 线 圈 损耗 ：
选 用铁 基超 微 晶 环形 铁 芯 ： Ｌ １ ０ ０ ０ ＯＮ 一 ３ ８ ４ ，该 磁 芯 的 饱 和 磁 感 应 强 度 Ｂ＝ ．５ ，剩 余 磁 感 应 强 度 Ｂ＜ ． ｒ１ Ｔ ２ ０２ Ｔ，居 里 温 度 ５ Ｏ ， 始 磁 导 率 Ｉ＞ ０ ０ 最 大 磁 导 率 ＜ ０ ０ ， 耗 Ｐ １℃ 初 ， ３ ０ ０， Ｌ ｉ ５０ ０ 损 （ ． 、０ Ｈ ） ３ Ｗ／ ｇ。 形 尺 寸 ： 径 １ Ｏ ０５ ２ ｋ ｚ ＜ ０ ｋ 外 Ｔ 外 ３ ｍｍ ， 内径 ８ ｍｍ ， Ｏ
高频开关电源系统中整流模块的功能设计
高频开关电源系统中整流模块的功能设计引言随着我国科技生产水平的不断提高，各行各业对供电质量的要求越来越高，而智能高频开关电源作为一种继电保护装置和控制回路装置，为生活和生产中的供电的可靠性提供了有力的保障。
当市电供电中断时还可以作为后备电源，所以说智能高频开关电源是对供电质量保证的重要组成部分之一。
它具有高度灵活组合、自主监控的特点，另外可靠性强、稳定性好且具有体积小、噪声低、节能高效、维护方便等也是它的一大优点。
可以说智能高频开关电源是一种集计算机技术、控制技术、通信技术于一体的高科技产品，可实现系统的自动诊断、自动测试和自动控制。
本文主要阐述的是智能高频开关电源的整流模块的设计方案。
1 系统总体结构介绍智能高频开关电源系统的总体结构主要由主监控单元、配电模块、交流配电单元、整流模块等组成，系统总体的结构图如图1 所示。
系统中的各个监控单元受主监控单元的管理和控制，通过通信线将各个监控单元采集的信息送给主监控统一管理。
主监控显示直流系统各种信息，用户也可以触摸显示屏查询信息及操作，系统信息还可以接入到远程监控系统中。
系统除了交流监控、直流监控、开关量监控等基础单位外，还配置了绝缘监测、降压装置、电池巡检等功能单元，以达到对直流系统进行全面监控的目的。
图1 系统控制原理图工作时两路市电（交流）经过交流切换装置输入一路交流，给各个整流模块供电。
整流模块将输入三相交流电转换为直流电，给备用电源（蓄电池）充电，同时也给合闸母线负载供电，另外合闸母线通过降压装置给控制母线供电。
所以说本文设计的整流模块是将整流和充电两项功能结合于一体的一种新型的整流模块。
2 整流模块的设计整流模块是智能高频开关电源系统中的一个重要部分，关系到系统的直流电压输出和工作时电压输出的稳定状况。
本文的设计主要是对模块整流原理的改进和完善，利用无源PFC 和DC/ DC 变换器的原理，使得改进后的模块能够有效完成整流作用。
本文设计的整流模块的工作原理框图如图2 所示，工作时，模块首先通过过防雷处理和滤波对输入的三相交流进行处理，这样才能保证模块后级电路的安全；经过处理后的三相交流经过整流和无源PFC 后转换成高压直流时，这时转换的高压直流要经过DC/ DC 变换器再次转换成可变的直流电压输出；另外模块控制部分还有负责过压、过流以及短路保护等作用，这样才能保证输出电压的稳定，也同时能对模块各部件进行保护。
高频开关电源设计与应用实例 2
高频开关电源设计与应用实例电源网讯传统的工频交流整流电路，因为整流桥后面有一个大的电解电容来稳定输出电压，所以使电网的电流波形变成了尖脉冲，滤波电容越大，输入电流的脉宽就越窄，峰值越高，有效值就越大。
这种畸变的电流波形会导致一些问题，比如无功功率增加、电网谐波超标造成干扰等。
功率因数校正电路的目的，就是使电源的输入电流波形按照输入电压的变化成比例的变化。
使电源的工作特性就像一个电阻一样，而不在是容性的。
目前在功率因数校正电路中，最常用的就是由BOOST变换器构成的主电路。
而按照输入电流的连续与否，又分为DCM、CRM、CCM模式。
DCM模式，因为控制简单，但输入电流不连续，峰值较高，所以常用在小功率场合。
CCM 模式则相反，输入电流连续，电流纹波小，适合于大功率场合应用。
介于DCM和CCM之间的CRM称为电流临界连续模式，这种模式通常采用变频率的控制方式，采集升压电感的电流过零信号，当电流过零了，才开通MOS管。
这种类型的控制方式，在小功率PFC电路中非常常见。
今天我们主要谈适合大功率场合的CCM模式的功率因数校正电路的设计。
要设计一个功率因数校正电路，首先我们要给出我们的一些设计指标，我们按照一个输出500W左右的APFC电路来举例：已知参数：交流电源的频率fac——50Hz最低交流电压有效值Umin——85Vac最高交流电压有效值Umax——265Vac输出直流电压Udc——400VDC输出功率Pout——600W最差状况下满载效率η——92%开关频率fs——65KHz输出电压纹波峰峰值Voutp-p——10V那么我们可以进行如下计算：1，输出电流Iout=Pout/Udc=600/400=1.5A2，最大输入功率Pin=Pout/η=600/0.92=652W3，输入电流最大有效值Iinrmsmax=Pin/Umin=652/85=7.67A4，那么输入电流有效值峰值为Iinrmsmax*1.414=10.85A5，高频纹波电流取输入电流峰值的20%，那么Ihf=0.2*Iinrmsmax=0.2*10.85=2.17A6，那么输入电感电流最大峰值为：ILpk=Iinrmsmax+0.5*Ihf=10.85+0.5*2.17=11.94A7，那么升压电感最小值为Lmin=(0.25*Uout)/(Ihf*fs)=(0.25*400)/(2.17*65KHz)=709uH8，输出电容最小值为：Cmin=Iout/(3.14*2*fac*Voutp-p)=1.5/(3.14*2*50*10)=477.7uF，实际电路中还要考虑hold up时间，所以电容容量可能需要重新按照hold up的时间要求来重新计算。
一款2KW高频开关电源电路的设计方案及实现
一款2KW高频开关电源电路的设计方案及实现
大量集成电路、超大规模集成电路等电子通信设备日益增多，要求电源的发展趋势是小型化、轻量化。
本文主要针对滤波电感、电容和变压器的体积和重量比较大，因此提出了一款2KW高频开关电源电路的设计方案，通过方案中的电源电路的设计方法，达到了以减少它们的体积来实现小型化、轻量化。
引言
我们可以通过减少变压器的绕组匝数和金减小铁心尺寸来提高工作频率，但在提高开关频率的同时，开关损耗会随之增加，电路效率会严重下降。
针对这些问题出现了软开关技术，它利用以谐振为主的辅助换流手段，解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关电源能高频高效地运行，从20世纪70年代以来国内外就开始不断研究高频软开关技术，目前已比较成熟，下面以方案中2KW的电源为例进行设计。
设计内容和方法
1、主电路型式的选择
变换电路的型式主要根据负载要求和给定电源电压等技术条件进行选择。
在几种常用的变换电路中，因为半桥、全桥变换电路功率开关管承受的电压比推挽变换电路低一倍，由于市电电压较高，所以不选推挽变换电路。
半桥变换电路与全桥变换电路在输出同样功率时，半桥变换电路的功率开关管承受二倍的工作电流，不易选管，输出功率较全桥小，所以采用全桥变换电路。
传统的全桥变换电路开关元件在电压很高或电流很大的条件下，在门极的控制下开通或关断，开关过程中电压、电流均不为零，出现重叠，导致了开。
高频开关电源系统中整流模块的功能设计
高频开关电源系统中整流模块的功能设计引言随着我国科技生产水平的不断提高，各行各业对供电质量的要求越来越高，而智能高频开关电源作为一种继电保护装置和控制回路装置，为生活和生产中的供电的可靠性提供了有力的保障。
当市电供电中断时还可以作为后备电源，所以说智能高频开关电源是对供电质量保证的重要组成部分之一。
它具有高度灵活组合、自主监控的特点，另外可靠性强、稳定性好且具有体积小、噪声低、节能高效、维护方便等也是它的一大优点。
可以说智能高频开关电源是一种集计算机技术、控制技术、通信技术于一体的高科技产品，可实现系统的自动诊断、自动测试和自动控制。
本文主要阐述的是智能高频开关电源的整流模块的设计方案。
1 系统总体结构介绍智能高频开关电源系统的总体结构主要由主监控单元、配电模块、交流配电单元、整流模块等组成，系统总体的结构图如图1 所示。
系统中的各个监控单元受主监控单元的管理和控制，通过通信线将各个监控单元采集的信息送给主监控统一管理。
主监控显示直流系统各种信息，用户也可以触摸显示屏查询信息及操作，系统信息还可以接入到远程监控系统中。
系统除了交流监控、直流监控、开关量监控等基础单位外，还配置了绝缘监测、降压装置、电池巡检等功能单元，以达到对直流系统进行全面监控的目的。
图1 系统控制原理图工作时两路市电（交流）经过交流切换装置输入一路交流，给各个整流模块供电。
整流模块将输入三相交流电转换为直流电，给备用电源（蓄电池）充电，同时也给合闸母线负载供电，另外合闸母线通过降压装置给控制母线供电。
所以说本文设计的整流模块是将整流和充电两项功能结合于一体的一种新型的整流模块。
2整流模块的设计整流模块是智能高频开关电源系统中的一个重要部分，关系到系统的直流电压输出和工作时电压输出的稳定状况。
本文的设计主要是对模块整流原理的改进和完善，利用无源PFC 和DC/ DC 变换器的原理，使得改进后的模块能够有效完成整流作用。
本文设计的整流模块的工作原理框图如图2 所示，工作时，模块首先通过过防雷处理和滤波对输入的三相交流进行处理，这样才能保证模块后级电路的安全；经过处理后的三相交流经过整流和无源PFC 后转换成高压直流时，这时转换的高压直流要经过DC/ DC 变换器再次转换成可变的直流电压输出；另外模块控制部分还有负责过压、过流以及短路保护等作用，这样才能保证输出电压的稳定，也同时能对模块各部件进行保护。
机载高频开关电源工作原理及设计简介
机载高频开关电源工作原理及设计简介机载高频开关电源产品专门用于输入交流400Hz的场合，这是特意为了满足军用雷达、航空航天、舰船、机车以及导弹发射等专门用途所设计的。
应用户要求，研制出机载高频开关电源产品对电子武器装备系统的国产化，打破国际封锁，提高我军装备的机动性，高性能都有重要的意义。
机上可供选择的供电电源有两种输入方式：115V/400Hz中频交流电源和28V 直流电源。
两种输入方式各有优缺点，115V/400Hz电源波动小，需要器件的耐压相对较高;而28V直流电源却相反，一般不能直接提供给设备部件使用，必须将供电电源进行隔离并稳压成为需要的直流电源才能使用。
机载电源的使用环境比较恶劣，必须适应宽范围温度正常工作，并能经受冲击、震动、潮湿等应力筛选试验，因此设计机载电源的可靠性给我们提出了更高的要求。
下面主要介绍115V/400Hz中频交流输入方式所研制的开关电源，它的输出电压270～380Vdc可以调节，输出功率不小于3000W，环境温度可宽至-40℃～+55℃，完全适应军品级电源的需要。
系统构成及主回路设计图1所示为整机电路原理框图。
它的设计主要通过升压功率因数校正电路及DC/DC变换电路两部分完成。
115Vac/400Hz中频交流电源经输入滤波，通过升压功率因数校正(PFC)电路完成功率因数校正及升压预稳、能量存储，再通过DC/DC半桥变换、高频整流滤波器、输出滤波电路以及反馈控制回路实现270～380Vdc可调节输出稳压的性能要求。
图1 整机电路原理框图升压功率因数校正电路主要使输入功率因数满足指标要求，同时实现升压预稳功能。
本部分设计兼顾功率因数电路达到0.92的要求，又使DC/DC输入电压适当，不致使功率因数校正电路工作负担过重，因此设定在330～350Vdc。
隔离式DC/DC变换器电路拓扑结构形式主要有以下几种：正激、反激、全桥、半桥和推挽。
反激和正激拓扑主要应用在中小功率电源中，不适合本电源的3000W输出功率要求。
开关电源中的高频磁元件设计
开关电源中的高频磁元件设计高频磁元件是开关电源中的重要组成部分，能够将输入的电能转化为高频电能，并进行功率变换。
它们在保证开关电源正常工作、提高效率和减小尺寸方面起到关键作用。
因此，在设计高频磁元件时，需要考虑多种因素，包括输入输出电压、频率、功率、效率等。
下面，将详细介绍高频磁元件的设计。
1.开关频率和功率密度：在设计高频磁元件时，首先需要考虑开关频率和功率密度。
开关频率越高，磁元件所承受的磁通变化速度越快，对磁性材料的要求也越高。
此外，功率密度的大小也会影响磁元件的尺寸和重量。
2.磁芯材料选择：选择合适的磁芯材料对于高频磁元件的设计至关重要。
常用的磁芯材料包括铁氧体、磁性粉末材料和软磁材料等。
铁氧体具有较高的磁导率和饱和磁感应强度，并且价格相对较低，适用于大功率开关电源。
磁性粉末材料具有优良的高频特性，适用于高频开关电源。
软磁材料具有低矫顽力和低剩磁，适用于高频大电流的开关电源。
3.磁芯形状设计：磁芯的形状对于高频磁元件的性能也有很大的影响。
通常，矩形和环形磁芯是常见的设计形式。
矩形磁芯适用于大功率开关电源，而环形磁芯适用于高频开关电源。
此外，还可以采用线圈分层和空气隙设计来减小电流的涡流损耗和铜损耗。
4.初级和次级绕组设计：绕组是高频磁元件中的重要组成部分，它将输入的电流变压为合适的电压，并传递给次级侧。
在设计绕组时，需要考虑绕组的匝数、尺寸、电阻和电感等参数，以及绕组之间的绝缘和屏蔽。
5.整体设计和电磁兼容性：在设计高频磁元件时，还需要考虑整体的设计和电磁兼容性。
合理的布局和隔离可以减小互感和干扰，提高系统的性能稳定性和抗干扰能力。
此外，还需要进行电磁兼容性测试，以确保高频磁元件符合相关标准和规范。
综上所述，高频磁元件的设计是开关电源设计中的重要环节。
在设计过程中，需要考虑开关频率、功率密度、磁芯材料选择、磁芯形状设计、绕组设计以及整体设计和电磁兼容性等因素，以确保高频磁元件的性能稳定和高效工作。
高频开关电源的设计
学校代码10126学号00812032分类号密级本科学期论文（设计）学院、系电子信息工程学院电子工程系专业名称电子信息科学与技术年级2008级学生姓名孙哲琦指导教师窦海峰2010年9 月28 日高频开关电源的设计摘要：通信电源是电信网的能源，其供电质量的好坏直接关系到整个电信网的畅通，本课题首先分析了近年来国内外高频通信开关电源的发展状况，在理论分析和电路实验的基础上，开发出了一种新型的高频通信开关电源（交流配电模块、直流配电模块、4只高频开关整流模块和监控模块置于同一机架内），该电源优化了电路的主要参数，设计了相移脉宽调制零电压开关谐振（PS-ZVS PWM）全桥变换器电路和以集成控制器UC3875芯片为核心的控制电路，实现了功率开关管的零电压开通和近似零电压关断，研制出高效率（达93%）、高稳定度(±0.5%）、高可靠性、低电磁干扰的高频开关整流模块。
同时文中还提到了以MCS-51单片机电路为核心的的电源监控模块与监控设计思路。
保证了整机能够安全可靠工作。
关键词：高频开关电源，相移脉宽调制，模块High Frequency Switching Power Supply's DesignAuthor: Sun zhe qi Tutor: Dou hai fengABSTRACT：The correspondence power switch is the telecommunication network energy, its power supply quality relates directly to the entire telecommunication network unimpededness, this topic has first analyzed the recent years domestic and foreign communications switching power supply development condition, tests in the theoretical analysis and the electric circuit in the foundation, developed one kind of new communication switching power supply (alternating-current distribution module, direct current power distribution module, 4 high frequency switches rectification module and monitoring module puts in identical rack), this power source optimized the electric circuit main parameter, has designed the phase-shift pulse-duration modulation zero potential switch resonance (PS-ZVS PWM) the entire bridge converter electric circuit and take integrates the controller UC3875 chip as the core control circuit, Realized the power switching valve zero potential to clear with the approximate zero potential shuts off, develops the high efficiency (to reach 93%), the high stability (±0.5%), redundant reliable, the low electronmagetic interference high frequency switch rectification module. At the same time in the article also proposed based on MCS-51 is the core power source monitoring module and monitoring design mentality. It has guaranteed entire machine safe reliable work.Keywords: High frequency switching power, Phase-Shifting PWM ZVS, Modules目录1 绪论 (1)1.1开关电源的发展及国外现状 (1)1.2国内通信电源的发展及现状 (2)1.3研究内容 (3)2 电路原理方案分析和选择 (5)2.1高频开关整流模块 (5)2.2直流配电模块 (8)2.3监控模块 (9)3 主要电路设计 (12)3.1高频开关整流模块主电路的设计 (12)结论 (17)致谢 (18)参考文献 (19)1 绪论1.1 开关电源的发展及国外现状开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的导通与截止．将直流电变为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压的电源。
高频开关电源的设计
路 的设 计 原则 ．并 给 出 了设 计方案 。 为 以后 设 计 大功率 高频 开关 电源提 供 参考 。
关 键 词 ： 高 频 开 关 电 源 脉 宽 调 制 Ｐ Ｍ 主 电 路 逆 变 控 制 电路 Ｗ
１ 引言
开关 电源 是 直流 电源 系统 的一个 重要 组成 部 分 。高频 开关 技术 是采 用高 频 功率半 导 体 器 件 和 脉 宽 调 制 ｆＷＭ）技 术 的 功 率 变换 技 术 。 开关 电源 的 逆 变单 元 工 作 在 高 频 开 关 状 Ｐ
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图 １ 半 桥 式 高频 开 关 电 源 主 电路
此 电路 中 ，Ｅ 滤 波器 主要 用 于抑 制 交 流 电 网与 直流 变换 电路 之 间 的高频 噪声 干扰 。 ＭＩ
Ｄ１ Ｄ ￣ ４构 成整 流 电路 ，将 ２ ０ ２ Ｖ交 流 电转 换 成 直流 电 ，Ｃ 、Ｃ 、Ｓ 、Ｓ 、Ｄ 、Ｄ １ ２ １ ２ ５ ６构 成 半 桥 式 ＤＣ Ａ — Ｃ变 换 器 ，将 直 流 电压 逆 变 为 高频 交 流 方波 电压 ，并经 过 高 频 变压 器 Ｔ输 出 。
态 。 由于 工作 频率 高 ，电路 中的滤 波 电感 和 电容 的体 积可 大大 缩小 ；同时 ，高频 变 压器 取
代 了工频 变压 器 ．则变 压 器 的体 积减 小 、重 量降 低 ：另外 ，由于开 关 管高频 工作 ，功率 损
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目录1绪论 (1)1.1高频开关电源概述 (1)1.2意义及其发展趋势 (2)2高频开关电源的工作原理 (3)2.1高频开关电源的基本原理 (3)2.2高频开关变换器 (5)2.2.1单端反激型开关电源变换器 (5)2.2.2多端式变换器 (6)2.3控制电路 (8)3高频开关电源主电路的设计 (9)3.1P W M开关变换器的设计 (9)3.2变换器工作原理 (10)3.3变换器中的开关元件及其驱动电路 (11)3.3.1开关器件 (11)3.3.2M O S F E T的驱动 (11)3.4高频变压器的设计 (13)3.4.1概述 (13)3.4.2变压器的设计步骤 (13)3.4.3变压器电磁干扰的抑制 (15)3.5整流滤波电路 (15)3.5.1整流电路 (15)3.5.2滤波电路 (16)4总结 (19)参考文献 (20)1 绪论1.1高频开关电源概述八十年代,国高频开关电源只在个人计算机、电视机等若干设备上得到应用。
由于开关电源在重量、体积、用铜用铁及能耗等方面都比线性电源和相控电源有显著减少,而且对整机多相指标有良好影响,因此它的应用得到了推广。
近年来许多领域,例如电力系统、邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等都越来越多应用开关电源,取得了显著效益。
究其原因,是新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件(简称五新)不断地出现并应用到开关电源的缘故。
五新使开关电源更上一层搂,达到了频率高、效率高、功率密度高、功率因数高、可靠性高(简称五高)。
有了五高,开关电源就有更强的竞争实力,应用也更为扩大,反过来又遇到更多问题和更实际的要求。
这些问题和要求可归纳为以下五个方面:(l)能否全面贯彻电磁兼容各项标准?(2)能否大规模稳定生产或快捷单件特殊生产?(3)能否组建大容量电源?(4)电气额定值能否更高(如功率因数)或更低(如输出电压)?(5)能否使外形更加小型化、外形适应使用场所要求?这五个问题是开关电源能否在更广泛领域应用的关键,是五个挑战。
(简称五挑战)把挑战看成开关电源发展的动力和机遇,一向是电源科技工作者的态度。
以功率因数为例,AC-DC开关电源或其他电子仪器输入端产生功率因数下降问题,用什么办法来解决?毫无疑问,利用开关电源本身的工作原理来解决开关电源应用中产生的问题是最积极的态度。
实践中,用DC-DC开关电源和有源功率因数校正的开关电源,(成本比单机增加20%):成功解决了这个问题。
现在,又进一步发展成单级有功率因数校正的开关电源,(成本只增加5%);在三相升压式单开关整流器中减少谐波方法,有人采用注入六次谐波调脉宽控制,抑制住输入电流的五次谐波,解决了电流谐波畸变率小于100k的要求。
1.2意义及其发展趋势发电厂和变电所中,为了供给控制、信号、保护、自动装置、事故照明、直流油泵和交流不停电电源装置等的用电,要求有可靠的直流电源。
为此,发电厂和ll0KV以上的变电所通常用蓄电池作为直流电源,对上述的电源要求有高度的可靠性和稳定性,电源容量和电压质量均应在最严重的事故情况下保证用电设备的可靠工作。
根据电力系统的要求,蓄电池直流系统的电压等级为:1、控制负荷专用的蓄电池组的电压采用11OV。
2、动力负荷和直流事故照明专用的电压采用220V。
3、国的发电厂和变电所的直流电压大多采用220V。
所以,22OV直流电源在电力系统的操作电源系统中占有非常重要的地位。
高频开关电源的设计目前,直流电源主要包括三种:相控电源、线性电源、开关电源。
相控电源即相位控制型稳压电源,它的主要原理就是将市电直接经过整流滤波提供直流,由改变晶闸管的导通相位角来控制整流器的输出电压,所以如果采用适当的控制电路使晶闸管的导通相位根据输入电压或负载电流变化自动调整,整流器的输出电压就能稳定不变。
线性电源也是一种常用的稳压电源,通过串联调整管可以连续控制,它的功率调整管总是工作在放大区,流过的电流是连续的。
线性稳压电源通常包括:调整管、比较放大器、反馈采样部分以及基准电压部分。
开关电源的功率调整管工作在开关状态,功率损耗小,效率高,由于开关工作频率高,变压器的体积大大减小,滤波电感、电容数值较小。
在目前的电力系统中,大部分用的都是相控电源,但是,相控电源用的是工频变压器,体积大,而且输出电压的纹波系数大,监控系统不完善,采用主从备份方式,用户使用不方便,对电力系统新的要求也达不到标准,另外,由于充电设备与蓄电池并联运行,纹波系数较大,会出现蓄电池脉动充电放电,影响蓄电池的使用寿命。
而高频开关电源体积小、重量轻、频率高、输出纹波小、模块叠加、N+1热备份设计、便于计算机管理等优点,符合现代电源的潮流。
所以,电力系统中的操作电源有高频开关电源取代相控电源的趋势。
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(单相或三相)电压变成所需的直流电压的装置。
基本的隔离式高频开关电源的原理框图如图2-1-1所示,高频开关电源主要由输入电网滤波器、输入整流滤波器、高频变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路、辅助电源等几部分组成。
其基本原理是:交流输入电压经电网滤波、整流滤波得到一直流电压,通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压,再经高频变压器隔离变换,输出所需的高频交流电压,最后经过输出整流滤波电路,将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的高质量、高品质的直流电压。
图2-1-1 开关电源基本原理框图以全桥式变换器高频开关电源为例,图2-1-2表示了交流输入电压到最后输出所需直流电压的各环节电压波形变换流程。
图2-1-2 高频开关电源的波形变化下面就图2-1-1中每一部分的作用、原理分别简述如下:(1)输入电网滩波器:消除来自电网的各种干扰,如电动机起动,电器开关的合闸与关断,雷击等产生的尖峰干扰。
同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散而污染电网。
一个典型的三相输入电网滤波器如图2-1-3所示:图2-1-3 三相电网滤波器示意图(2)输入整流滤波器:将电网输入的交流电进行整流滤波,为变换器提供波纹较小的直流电压。
而且,当电网瞬时停电时,滤波电容器储存的能量尚能使开关电源输出维持一定的时间。
对三相交流电输入,其典型电路如图2-1-4所示:图2-1-4 输入整流滤波器电路图(3)高频开关变换器(DC\AC):它是开关电源的关键部分。
它把直流电压变换成高频交流电,经过高频变压器再变成所需要的隔离输出交流电压。
(4)输出整流滤波:将变换器输出的高频交流电压滤波得到需要的直流电压。
同时还防止高频噪音对负载的干扰。
电路原理与输入滤波器相同。
(5)控制电路:检测输出直流电压,与基准电压比较,进行隔离放大,调制振荡器输出的脉冲宽度,从而控制变换器以保持输出电压的稳定。
一般控制电路还包括启动及禁止电路。
(6)保护电路:在开关电源发生过电压、过电流或短路时,保护电路使开关电源停止工作以保护负载和开关电源本身。
有的还有发出报警信号的功能。
(7)辅助电源:为控制电路和保护电路提供满足一定技术要求的直流电源,以保证它们工作稳定可靠。
辅助电源可以是独立的,也可以由开关电源本身产生。
2.2 高频开关变换器在高频开关电源中,高频开关变换器是核心部分,围绕开关变换器将会有很多的控制和保护电路,变换器的种类的选取将会影响整个功率器件耐压程度等很多参数,也会对系统的其它各部分产生相应的影响,所以,高频开关变换器的设计是很重要的一个环节,我们在后面的章节将会对它进行详细地分析和介绍。
按电力电子技术的习惯称谓,AC-DC称为整流,包括整流及离线式变换,DC-AC 称为逆变,AC-AC称为交-交变频(包括变压),DC-DC称为直流一直流变换。
所以,广义地说,凡用半导体功率器件作为开关,将一种电源形态转变成另一种形态的主电路叫作开关变换器电路。
转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称开关电源。
开关电源的主要部分是DC-DC变换器,它是转换的核心,涉及频率变换。
值得指出,常见到离线式开关变换器名称,是AC-DC变换,也常称开关整流器,它不单是整流的意义,而且整流后又作了DC-DC变换,离线是指变换器中有高频变压器隔离。
2.2.1单端反激型开关电源变换器图2-2-1所示为单端反激型开关电源的主回路,当功率晶体管T导通时,高频变压器的原边电压等于输入电源电压U,其极性为上正下负。
与之对应的高频开关电源的设计频变压器副边电压为上负下正,此时整流二极管D承受的是反向偏置电压,故不导通。
负载R L上的电流是靠输出电容C0的放电电流来提供,此时,高频变压器将电能变为磁能储存起来,而在晶体管受控截止时,高频变压器原、副边电压极性改变。
整流二极管D(和反相型开关电源中的续流二极管相对应)由反偏变为正偏导通,高频变压器就将原先储存的磁能变为电能,通过整流二极管向负载供电和向输出电容C0充电。
此电路的整流二极管D是在功率晶体管截止时才导通的。
故称此电路为反激型电路。
图2-2-1 单端反激型开关电源主回路2.2.2多端式变换器多端式变换器的主要回路最基本的有以下三种:推挽、半桥、全桥。
如图2-2-3所示:a. 推挽式开关电源主回路b. 半桥式式开关电源主回路C. 全桥式开关电源主回路图2-2-3（a.b.c) 三种多端式变换器这里以全桥变换器说明它的功率变换原理:全桥式开关电源变换器的原理图如图2-2-3c所示,VT1、VT4与VT2、VT3由基极激励驱动而轮流通断,从而将直流电压Vi变换成高频矩形波交流电压,然后通过Dl、D2整流,L、C2滤波后给负载提供稳定的直流电压。
四个功率开关管组成桥的四臂,桥的一对交点输入直流电压,另一对交点接高频变压器原边绕组。
VT1和VT4由一组开关信号驱动,VT1和VT4导通时电流方向对原边绕组是又上向下。
过半个周期,VT1和VT4截止,VT2和VT3在另一组驱动信号下导通,导通电流由电源Vi正端经VT3,原边绕组由下向上,VT2流向电源负端。
两对开关管是轮流导通,导通时绕组电压近似等于Vi。
每只开关管均为并联一只高速功率二极管,其钳位作用以减小开关管由导通转换为截止时,变压器产生的电压尖峰,以保护开关管不被击穿。
全桥式变换器的优点是:主变压器原边绕组比推挽式少了一半,变压器利用率提高;开关管可用低耐压(如400V)、大电流的功率管输出功率大。
DC-DC可分为PWM式、谐振式和它们的结合式。
为保证输出电压不随输入电压和负载变化,谐振式主要靠调节开关频率,属于调频系统。
PWM型开关电源具有控制简单,稳态直流增益,与负载无关等优点,缺点是开关损失随开关频率的提高而增加。
调频系统不如PWM开关那样易控,加上谐振电压和电流峰值高,开关应力大。