通信高频开关电源的设计

《通信高频开关电源的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通信高频开关电源的设计（17页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、目录第1部分 课程设计的目的.2第2部分,课程设计的内容22.1, 通信高频开光电源的设计.22.2，新电解大功率直流可控电源的设计32.3 ,设计一台交直交PWM变频电源.3第3部分，课题的选择4第4部分，课程设计主体部分44.1，总体设计方案44.2，高频开关电源电路原理54.3 通信高频开关电源电路.6主电路.6控制电路.8检测电路.8辅助电源.84.4.高频变压器设计.94.5，功率开关器件的选择.114.5.1,电阻的择.114.5.2,二极管的择.114.5.3功率开关管的选择.124.5.4,电感的选择.134.5.5,电容的择.144.5.6,高频变压器的选择.144.6，驱动

2、电路的设计.144.6.1 电力MOSFET的驱动电路.154.6.2 IGBT的驱动.164.7，设计中各参数的计算.164.7.1谐振电感的计算 174.7.2稳压电路参数计算.174.8主电路图各部分组成介绍184.8.1.抗干扰滤波和全桥整流.184.8.2升压型功率因数校正电路.194.8.3能量恢复吸收电路.194.8.4 半桥型直流变换器.204.9，副边滤波电感电容的设计.214.10，稳压电路的设计21第1部分：课程设计的目的本课程设计是在学习完电力电子技术课程之后进行的一个重要的实践性教学环节,是工程技术应用型人才培养目标的重要组成部分.在教师指导下让学生独立完成,一方面巩

3、固课程知识,加深对理论知识的理解,一方面训练学生综合运作所学的理论知识,掌握一定的设计方法和设计思想,能初步解决一些实际问题;培养学生查阅资料,立即获取新知识,新信息的能力.在规定时间内通过分析任务书,查阅收集资料,充分发挥主动性与创造性,在老师的指导下联系实际,掌握正确的方法,理清思路,独立完成课程设计,撰写设计说明书,其格式和字数应符合规定.根据要求设计出实际可行的电路,并计算电路中所用元器件的参数,确定其规格型号;课程设计说明书要求整洁,完备,内容正确,概念清楚,文字通畅,并绘制出相应的电路图,符合规范.第2部分,课程设计的内容2.1, 通信高频开光电源的设计输出直流电压48v，输出电流

4、I0=25A，输出电压文波波峰值不超过0.24V，输出电流2.5V时，付边电感电流仍然连续，采用pwm控制方案，最大占空比Dmax=0.8设计内容1） 总体设计方案2） 高频电压器设计3） 功率开光电源的选择4） 驱动电路的设计5） 谐振电感的设计6） 复变滤波电感电容的设计与选择第3部分，课题的选择本次课程设计我们小组选择的是第一个课题-通信高频开光电源的设计。具体要求如下：输出直流电压48v，输出电流I0=25A，输出电压文波波峰值不超过0.24V，输出电流2.5V时，付边电感电流仍然连续，采用pwm控制方案，最大占空比Dmax=0.8设计内容7） 总体设计方案8） 高频电压器设计9） 功

5、率开光器件的选择10） 驱动电路的设计11） 谐振电感的设计12） 副边滤波电感电容的设计与选择第4部分，课程设计主体部分4.1，总体设计方案1），通信高频开关电源原理开关电源由以下几个部分组成： 主电路： 从交流电网输入、直流输出的全过程，包括以下几个模块：a、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。b、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。 c、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。 d、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。控制电路

6、： 一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的资料，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。检测电路 : 除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表资料。辅助电源： 提供所有单一电路的不同要求电源。 简约流程图如下：电源输入滤波器全桥整流直流滤波开关管（振荡逆变）开关变压器输出整流与滤波。4.2，高频开关电源电路原理通信高频开关电源由以下几个部分组成：、4.3 通信高频开关电源电路组成介绍主电路从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：1、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍

7、本机产生的杂波反馈到公共电网。2、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。3、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。4、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。控制电路一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。检测电路除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据。辅助电源提供所有单一电路的不同要求电源。开关控制稳压原理开关K以一定的时

8、间间隔重复地接通和断开，在开关K接通时，输入电源E通过开关K和滤波电路提供给负载RL，在整个开关接通期间，电源E向负载提供能量；当开关K断开时，输入电源E便中断了能量的提供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。图中，由电感L、电容C2和二极管D组成的电路，就具有这种功能。电感L用以储存能量，在开关断开时，储存在电感L中的能量通过二极管D释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量，因二极管D使负载电流连续不断，所以称为续流二极管。在AB间的电压平均值EAB可用下式表示：EAB

9、=TON/T*E式中TON为开关每次接通的时间，T为开关通断的工作周期（即开关接通时间TON和关断时间TOFF之和）。由式可知，改变开关接通时间和工作周期的比例，AB间电压的平均值也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整TON和T的比例便能使输出电压V0维持不变。改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”（Time Ratio Control,缩写为TRC）。按TRC控制原理，有三种方式：1、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,缩写为PWM）开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。2、脉冲频率调制（Puls

10、e Frequency Modulation,缩写为PFM）导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。3、混合调制导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。4.4.高频变压器设计变压器的工作原理是用电磁感应原理工作的。变压器有两组线圈。初级线圈和次级线圈。次级线圈在初级线圈外边。当初级线圈通上交流电时，变压器铁芯产生交变磁场，次级线圈就产生感应电动势。变压器的线圈的匝数比等于电压比。例如：初级线圈是500匝，次级线圈是250匝，初级通上220V交流电，次级电压就是110V。变压器能降压也能升压。如果初级线圈比次级线圈圈数少就是升压变压器,可

11、将低电压升为高电压。由于实际变压器存在线圈电阻、漏磁通等一些电磁损耗，按理论计算的副线圈匝数，在实际上感应的电压达不到额定值。因此，副线圈的实际匝数要比理论匝数多，在设计和生产时，要根据变压器的容量和铁芯构成情况设计，并经测试调整后确定。变压器容量越大，铁芯构成越好，转换效率就越高，实际匝数就越接近理论匝数。由于实际变压器存在线圈电阻、漏磁通等一些电磁损耗，按理论计算的副线圈匝数，在实际上感应的电压达不到额定值。因此，副线圈的实际匝数要比理论匝数多，在设计和生产时，要根据变压器的容量和铁芯构成情况设计，并经测试调整后确定。变压器容量越大，铁芯构成越好，转换效率就越高，实际匝数就越接近理论匝数。

12、高频变压器是相对低频变压器而言，二者在基本原理上是相同的，都是利用电磁感应原理实现信号的转换（关于电磁感应现象及原理可另外参阅相关资料)，但是应用不同。 低频变压器主要用做交流电源，其目的是实现电压升或降（即变压）。高频变压器（RF Transformer) 的主要应用则是实现阻抗变换、平衡与不平衡之间的转换。高频变压器主要应用的是阻抗变换的结果，相反低频变压器应用的则是电压变换的结果，应用的侧重点不同。关于平衡-不平衡变换的应用则要从信号的相位考量，若初级（或次级）线圈两端信号相位相差180度，则称为平衡信号，若相位相同则称为不平衡信号。 高频变压器和低频变压器的工作原理一样.就是频率不同所

13、用的铁芯材料不同.低频变压器一般用铁芯,高频变压器用铁氧体磁芯或空芯. 高频电源变压器完成功能有3个：功率传送，电压变换和绝缘隔离。功率传送有两种方式。第一种是变压器功率的传送方式，加在原绕组上的电压，在磁芯中产生磁通变化，使副绕组感应电压，从而使电功率从原边传送到副边。已知变压器各绕组额定电压，额定电流，工作频率，波形（占空比）等参数。计算与确定变压器（磁）心材料与尺寸，各绕组的匝数，导线截面，直径，并绕根数，层间绝缘厚度，并考虑线圈的布置。1， 确定变压器的铁心此环节包括两方面的确定:变压器容量的确定和铁心材料及尺寸的选择。一， 变压器容量的确定按照磁通变化会感应电动势的原理，可得出电压的

14、平均值和磁通峰值成正比的关系，而电流的有效值影响导线电阻发热，是选择导线截面积的因素，所以各绕组的电压平均值和电流有效值之积是影响变压器尺寸的重要参数之一。对于正弦波电压的变压器来说，因电压习惯于用有效值来表示，所以各绕组的容量定义喂该绕组电压和相应电流有效值之积，变压器容量为一次绕组容量和二次绕组容量的平均值。对于脉宽调制的变换器来说，电压为正，负面积相等的准方波（或方波），其电压平均值等于电压幅值乘以2倍占空比，即2D。二， 铁心材料及尺寸的选择通常变换器的开关频率在数万赫兹及以上，变压器常采用铁氧体磁芯或微晶合金铁心。铁氧体磁芯的式样，尺寸品种多，框架，精度，工艺问题成熟；微晶合金铁心用

15、于100khz以下，制成大，小环型磁芯，与铁氧体竞争。微晶合金铁心易制成大功率，在数千瓦及以上的大功率已显示其优势。1），磁通密度的选择：涉及工作的稳定，功率损耗，散热，铜损，铁损的优化等复杂问题，要反复设计，制作才能完善。其最基本要求是：a),磁通密度必须小于饱和磁通密度b),当频率达到100khz以上时，高频变化的磁通变化引起的铁心功率损耗很大，发热严重。为使铁心温升不超过60摄氏度，磁通变化应相应减小，常在1/32/3倍饱和磁通密度之间预选，温升是否合格，最终以实验为准。c),要注意合闸冲击。2),铁心的有效横截面与窗口面积之积 是选择铁心的关键数据。三，各绕组匝数的确定本次设计中采用的

16、是半桥型直流变换器，所以此时变压器，理论上磁通密度正负对称，故。电压波形为交流对称方波及交流对称准方波，电压幅值每伏所需匝数为。一次绕组匝数。二次绕组匝数式中，为变压器二次绕组得空载电压，为变压器二次绕组得满载电压，为变压器阻抗电压得百分数，一般取1%5%。此设计中高频变压器原边，副边变比为1：14.5，功率开关器件的选择本次课程设计中一共用到8个电阻，若干二极管，1个电力MOSFET,2个IGBT,3个电感，8个电容，一个高频变压器。4.5.1,电阻的选择：其中(510)用来限制峰值电流，减少尖峰干扰，为静态电力MOSFET放电电阻（1100k）,而取=，阻值可根据需要灵活选取。4.5.2,

17、二极管的选择 快恢复二极管（Fast Recovery Diode FRD）恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5ms以下）的二极管，也简称快速二极管工艺上多采用了掺金措施；有的采用PN结型结构；有的采用改进的PiN结构 ；采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在400V以下。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。 肖特基二极管以金属和半导体接触形成的

18、势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier DiodeSBD），简称为肖特基二极管20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用肖特基二极管的弱点：当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点：反向恢复时间很短（1040ns）；正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高 ；由于此次设计电压在200V以上，故选

19、择快恢复二极管。所承受得最大正反向电压均为=373V. 取400V4.5.3功率开关管的选择：本次课程设计功率因素校正电路部分采用的开关器件是电力MOSFET，这是由它的以下优点决定的：（1），开关时间短，可小到及纳秒至数十纳秒。大功率得约为0.3微秒，可用于开关频率为50500khz得开关整流器。（2），电压驱动：高输入阻抗和低驱动电流。不需要静态驱动电流，但为了提高驱动脉冲的陡度，要求驱动芯片有0.51.5A的峰值电流。（3）安全工作去大：电流大时击穿电压并不显著降低，即没有二次击穿现象。（4），通态电阻：有正得电阻温度系数，温度升高时，略有增大，电流容易均匀分配，不易集中在某些局部而形成

20、局部过热点。另外, MOSFET的应用范围也因为一些自身得因素而受到了一些限制：1) MOSFET的最高电压约为1200V，不易再提高了；2) 电流也相应较小，常用得在数十安以下；3) 300V以上的MOSFET通态电阻较大，因而导通损耗较大（但300V以下的MOSFET通态电阻小是它得优点，前以述及）；4) 静电对栅源绝缘破坏得概率较大，要注意避免。因为功率因数校正电路部分里开关管所承受的最大电压=，小于300V，故此时采用MOSFET比采用IGBT更有优势。 IGBT的特性和参数特点(1)开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当；

21、(2) 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力；(3) 通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域；(4) 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似；(5) 与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点 。由于本次课程设计只中，我们组设计的电路图里边半桥型直流变换器中开关管承受的最大电压约为400V左右，所以开关管只能用IGBT,而不适宜用功率MOSFET。另外，相对MOSFET，IGBT耐压更高，电流容量更大，开通速度比MOSFET快但关断速度比MOSFET稍小，4.5.4,电感的选择：是输入整流用到的平波电感，取

22、得足够大就行，具体参数可根据需要灵活选取。是能量恢复吸收电路里边的谐振电感H。是高频变压器二次侧整流输出后滤波电路里的滤波电感，它的值确定为：。4.5.5,电容的选择：，都是滤波电容，前者对输入市电进行抗干扰滤波，后者对高频变压器整流输出进行滤波， .,是能量恢复吸收电路里边的电容，计算的公式如下：，取。根据经验取：是半桥型直流变换器中两个桥臂上的电容器，得取值应使为（5%10%）或以下。4.5.6,高频变压器的选择：（见高频变压器设计部分）4.6，驱动电路的设计电力电子器件的驱动电路是主电路与控制电路之间的接口，它对设备的性能有很大的影响。驱动电路性能良好，可使器件工作在较理想的开关状态，缩

23、短开关时间、减小开关损耗，对设备的运行效率、安全性和可靠性都有重要意义。栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小使MOSFET开通的驱动电压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般15 20V关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取 -5 -15V）有利于减小关断时间和关断损耗在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小功率场效应晶体管（MOSFET）和绝缘双极型晶体管（IGBT）,共同得特点都是电压控制型器件，栅源或栅-射之间都是绝缘的，不需要静态驱动电流，驱动功率小；其栅源之间有输入电容，快速开关时

24、，要求有尖峰电流和放电尖锋电流。对驱动电路的要求1），栅源驱动脉冲电压幅值要足够大； 为降低通态电阻或压降，大功率高压器件要有1215V驱动电压。低压MOSFET有用逻辑电平4.5V。2），防止栅源之间击穿； 栅源击穿电压约50V，分散性大，易击穿损坏。应一般不大于20V，可用反向耐压约20V的肖特基二极管钳位限制过电压。3），驱动电压得开路脉冲的边沿要陡；应用条件：驱动芯片浮地端可以与MOSFET源极同电位相连，驱动芯片PWM功率输出极能拉，罐电流500mA,一般可直接驱动数十安的MOSFET和IGBT。电路：为被驱动的IGBT，其中(510)用来限制峰值电流，减少尖峰干扰，为静态电力MOS

25、FET放电电阻（1100k）。 4.6.1 电力MOSFET的驱动电路：电气隔离和晶体管放大电路两部分无输入信号时高速放大器A输出负电平,V3导通输出负驱动电压；当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压；专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。 电力MOSFET的驱动电路 4.6.2 IGBT的驱动 多采用专用的混合集成驱动器 M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图4.7，设计中各参数的计算：H。所承受得最大正反向电压均为=373V. 取400V滤波电

26、容所承受得最大正向电压为2倍市网电压，即,考虑到电网电压有的电压波动，故考虑安全裕量，取=500V缓冲电路里边电容的计算：,取，取4.7.1谐振电感的计算： H临界电感:LC滤波电路：，为滤波电路的输出电压，为高频变压器副边整流电路的输出。.为高频变压器副边电压，高频变压器原边电压，为半桥直流变换器的输入电压。因为输出电流2.5V时，付边电感电流仍然连续，故滤波电路电感。确定高频变压器的变比：，取1.4.7.2稳压电路参数计算：额定功率为限流电阻：,由此可得出：4.8，主电路图各部分组成介绍：4.8.1，抗干扰滤波和全桥整流：,组成对电网电压相电压220V的抗干扰滤波和全桥整流，整流输出电压，

27、其中抗干扰滤波既用以抑制后级高频开关变换器变换电路运行时得高频脉动电流成分对电网得干扰（防反灌），又用以抑制电网中出现得尖峰脉冲过电压损坏开关整流器的器件，并抑制电网对直流输出电压的尖峰脉冲电压干扰。4.8.2，升压型功率因数校正电路：由构成，此部分改善输入电流波形提高功率因数，并将脉动直流电压变换升高为上稳定的直流电压（通常为400V）供给直流变换电路。4.8.3能量恢复吸收电路：由构成，能量恢复吸收电路又称回能吸收电路，无损失吸收电路，能量恢复吸收电路由谐振原理将电容得能量转移，继而将能量输给负载或电源得以利用，提高效率。基本参数计算：（1），电容的计算 实际上，回能与缓冲储能是在开关管每

28、次截止期间同时进行得，相当于两电容并联起到缓冲作用，故。（2）谐振电感的计算 谐振是在开关管得开通期间完成得，所以谐振半周期应小于最小。若最小在最大导通时间的0.10.3倍范围内选择。则H4.8.4 半桥型直流变换器：由构成。板桥型 电路中只有2个桥臂采用了开关管，故称为半桥。电容分压 另外两个桥臂是电容器，用来分压，流通高频开关工作的交流电流成分，也起到输入电压的滤波作用。隔直电容 变压器一次绕组与隔直电容串联后，接在电桥的输出端上。工作原理电容器得容量相等，得阻值也相等，故每个电容上分得的电压为，每个开关管导通期小于0.5周期。耐压 此时开关管截止，直流输入电压经加至，故集射极之间所受得电

29、压为。计算式：，板桥型直流变换器特点：1），由于电容不能通过问台直流电流，所以隔断了变压器一次侧的直流电流成分，使变压器没有直流偏磁，因此，变压器磁路中不需要气隙，可采用环形磁心（无气隙），电路的可靠性提高。2），使用于大功率。3），与推挽型变换器相比较，在输入电压相同的条件下，开关管耐压小一半，变压器一次绕组电压低一半，故板桥型变换器适用于较高得直流输入电压。例如，500600V耐压得开关管，适用于400V的输入电压。低电压输入时开关管电流比推挽型的大一倍，导通损耗增大。4），需严格防止两开关管同时导通，需要设适当死区时间。4.9，副边滤波电感电容的设计滤波电路，是将L和C两种滤波元件组成的

30、滤波电路。整流输出得脉动电压先经电感滤波再经电容滤波，其滤波效果比采用单个电容要好得多。电路整流输出=0.9，脉动系数=0.67。对于直流量而言，电感上电阻很小，其上压降也很小，因此负载上得直流电压平均值=0.9。，为滤波电路的输出电压，为高频变压器副边整流电路的输出。滤波电感设计为：。因为输出电流2.5V时，付边电感电流仍然连续。滤波电容设计为：，且电容两端承受的最大电压应该为整流后输出电压得2倍，并留有一定裕量。如： =(1.52.0)*106.7=160213.33.取=200V。4.10，稳压电路的设计整流滤波电路输出得直流电压是不稳定的，输出电压不稳定的因素主要是负载的变化和市电交流

31、电压不稳定，由于整流滤波电路有内阻，因此当负载变化时，负载电流变化，使内阻上的压降变化，导致输出电压变化。通常交流电网电压容许变化，因而使输出得直流电压不稳定，为了获得稳定性好得直流电压，必须采取稳压措施。电路参数的选择：设计一个稳压管稳压电路，就是合理地选择电路元件的有关参数。在选择元件时，应首先知道负载所要求得输出电压，负载电流得最小值和最大值，输入电压得波动范围。（1），稳压电路输入电压的选择根据经验，一般选择=(23).此式中，即为滤波电路的输出电压。（2.），稳压管的选择在稳压管电路中=选择稳压管的一般原则为：=(3) ，限流电阻的选择限流电阻得下限值为：限流电阻得上限值：本次课程设计中，稳压电路各参数计算如下：额定功率为限流电阻：,由此可得出：。