大功率开关电源的研究

《电源技术》课程设计题目:大功率开关电源的研究

摘要：本论文结合开关电源发展的现状，分析和研究了开关电源在高频和大功率情况下的实现方案，并对高频大功率开关电源的主电路和控制电路进行了理论设计和参数估算。

关键词：开关电源移相全桥零电压开关-脉宽调制电磁兼容

目录

第一章开关电源发展状况 (3)

1.1 新型高频功率半导体器件 (3)

1.2 软开关技术 (3)

1.3 控制技术 (4)

1.4 有源功率因数校正技术 (4)

1.5 分布电源技术、并联均流技术 (4)

1.6 电源智能化技术和系统的集成化技术 (5)

第二章开关电源方案基本工作原理 (6)

第三章全桥变换器的工作原理 (7)

第四章开关电源主电路的设计 (8)

4.1高频变压器的设计 (8)

4.2输入整流滤波电路设计 (8)

4.3输出整流滤波电路设计 (9)

第五章开关电源控制电路的设计 (10)

5.1移相PWM控制芯片UC3879的特性 (10)

5.2驱动电路设计 (10)

5.3反馈电路设计 (11)

5.4保护电路的设计 (12)

参考文献 (13)

第一章开关电源发展状况

开关电源的前身是线性稳压电源。各种电子装置、许多电气控制设备的工作电源都是直流电源。在开关电源出现之前，这些装置的工作电源都采用线性稳压电源。由于计算机等电子装置的集成度不断增加，功能越来越强，它们的体积却越来越小。因此，迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源，这就成了开关电源技术发展的强大动力。

新型电力电子器件的发展给开关电源的发展提供了物质条件。开关频率的提高有助于开关电源的体积减小、重量减轻。早期的开关电源的开关频率仅为数千赫兹，随着开关器件以及磁性材料性能的不断改进，开关频率也逐步提高。但当开关频率达到10KHz左右时，变压器、电感等磁性元件发出的噪声就变得很刺耳。为了减小噪声，在20世纪70年代，开关频率终于突破了人耳听觉极限20KHz，这一变化甚至被称为“20KHz革命”。后来随着电力MOSFET的应用，开关电源的开关频率进一步提高，使得电源体积更小，重量更轻，功率密度更进一步提高。

由于和线性稳压电源相比，开关电源在绝大多数性能指标上都具有很大的优势。因此，目前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合以外，开关电源已经全面取代了线性稳压电源。计算机、电视机、各种电子仪器的电源几乎都已是开关电源一统天下。目前推动开关电源性能和质量不断提高的主要技术是：

1.1 新型高频功率半导体器件

如功率MOSFET和IGBT已完全可代替功率晶体管和中小电流的晶闸管，使开关电源工作频率可达到400KHz(AC-DC开关变换器)和1MHZ(DC-DC)开关变换器，实现开关电源高频化有了可能。超快恢复功率二极管和MOSFET同步整流技术的开发，也为研制高效低电压输出(≤3V)的开关电源创造了条件。2

1.2 软开关技术

PWM开关电源按硬开关模式工作(开/关过程中，电压下降/上升/下降波形有交叠)，因而开关损耗大。开关电源高频化可以缩小体积重量，但开关损耗却更大了(功耗与频率成正比)。为此必须研究开关电压/电流波形不交叠的技术，即所谓零电压(ZVS)/零电流(ZCS)开关技术，或称软开关技术(相对于PWM硬开关

技术而言)。90年代中期，30A/48V开关整流器模块采用移相全桥(Phase-shifted Full bridge)ZVS-PWM技术后，重量比用PWM技术的同类产品，重量下降40％。软开关技术的开发和应用提高了开关电源的效率，据说，最近国外小功率DC-DC 开关电源模块(48/12V)总功率可达到96％；48/5V DC-DC开关电源模块的效率可达到92-93％。20世纪末，国内生产的50-100A输出、全桥移相ZVZCS-PWM开关电源模块的效率超过93％。

1.3 控制技术

电流型控制及多环控制(Multi-loop control)已得到较普遍应用；电荷控制(Charge control)，一周期控制(One-cycle control)，数字信号处理器(DSP)控制等技术的开发及相应专用集成控制芯片的研制，使开关电源动态性能有很大提高，电路也大幅度简化。

1.4 有源功率因数校正技术

由于输入端有整流元件和滤波电容，单相AC-DC开关电源及一大类整流电源供电的电子设备，其电网侧(输入端)功率因数仅为0.65。用有源功率校正技术(Active Power Factor Correction)，简称APFC，可提高到0.95-0.99，既治理了电网的谐波“污染”，又提高了开关电源的整体效率。单相APFC是DC-DC开关变换器拓扑和功率因数控制技术的具体应用，而三相APFC则是三相PWM整流开关拓扑和功率因数控制技术的结合。

1.5 分布电源技术、并联均流技术

分布电源技术(Distributeb Power Technique)是将250-425/48V DC-DC变换器产生的48V母线(Distributed Bus)电压，供电给负载板(Board)，再通过板上(On board)若干个并联的薄型(Low Profile)DC-DC变换器，将48V变换为负载所需的3.3-5V电压。一般，DC-DC变换器的功率密度达100W/in3、效率90％，并且应当是可并联的3(Parallelable)。分布电源系统适合于用超高速集成电路(Very High Speed IC-VHSIC)组成的大型工作站(如图像处理站)、大型数字电子交换系统等，其优点是：可降低48V母线上的电流和电压降；容易实现N+1冗余(Redundancy)，提高了系统可靠性；易于扩增负载容量；散热好；瞬态响应好；减少电解电容器数量；可实现DC-DC变换器组件模块化(Modularity)；易于使用