[毕业设计]高压软开关充电电源硬件设计

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1、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

2、“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 DesignAbstractThe power supply is essential to all equipment, which uses electricity. The switch

3、ing 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

4、 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 develop

5、ment 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

6、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 reso

7、nance 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 a

8、nd 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 g

9、reatly.KeywordsSwitching 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IAbstractII第1章 绪论11.1 开关电源的发展状况11.2开关电源的技术发展趋势31.3本论文的研究目的4第2章 开关电源原理52.1 开关电源基本工作原理52.2 开关电源的分类62.3 关电源优缺点72.3.1 开关电源的优点72.3.2 开关电源的缺点82.4 软开关技术简介92.4.1 硬开关与软开关92.4.2 软开关的分类102.5 本章小结12第3章 高压软开关充电电源硬件设计133.1 主电路设计133.1.

10、1 主要技术指标133.1.2 主电路选型133.1.3 电路的工作原理及方式133.1.4 主电路的各项参数193.2 控制及触发电路的设计223.2.1 电压电流检测223.2.2 IGBT的驱动223.2.3 DSP的选择243.2.4 PWM波的形成273.3 电路的理想波形283.4 本章小结29结论30致谢31参考文献32附录 外文翻译33千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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 20

17、0kHz 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

18、, 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。1.2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%88%。据悉，美国VICOR开关电源公司设计制造了多种ECZ软开关DC/DC变换

19、器，其最大输出功率有800W、600W、300W等，相应的功率密度为6.2、10、17W/cm，效率为80%90%；日本Nemic-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200300kHz，功率密度27W/cm，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DC/DC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。

20、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N+1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

21、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3.3V这一电压）、输

22、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。1.3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

23、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。第2章 开关电源原理2.1 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

24、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，

25、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（V/W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V/W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

26、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，V/W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。2.2 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

27、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

28、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,

29、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

30、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。2.3 开关电源优缺点2.3.1 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

31、, 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

32、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1/5001/1000。滤波电容容量减小以后, 整个电源的体积和重量

33、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。2.3.2 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

34、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

35、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。2.4 软开关技术简介2.4.1 硬开关与软开关现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，同时对装置的效率和电磁兼容性也提出了更高的要求。通常，滤波电感、电容和变压器在装置的体积和重量中占很大比例。因此必须设法降低他们的体积和重量，才能达到装置的小型化、轻量化。从“电路”的有关知识中可以知道，提高工作频率可以减少变压器各绕组间的匝数，并减小铁心的体积，从而使变压器小型化。因此装置小型化、轻量化的直接途径就是电路的高频化。但在提高开关频率的同时，开关损耗也会随之增加，电路效率严重下降，电磁干扰也增大了，所以简单的提高开关频率是不行的。

36、（a）硬开关的开通过程（b）硬开关的关断过程图 2-3 硬开关的开关过程针对这些问题出现了软开关技术，他利用以谐振为住的辅助换流手段，解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高。在很多电路中，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，起典型的开关过程如图2-3所示。开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，因此导致了开关损耗。而且电压和电流的变化很快，波形出现了明显的过冲，这导致了开关噪声的产生。具有这样的开关过程的开关称为硬开关。在硬开关过程中会产生较大的开关损耗和开关噪声。开关损耗随着频率的增加，使电路效率下降，阻碍了开关频率的提高；开关噪声给电路

37、带来严重的电磁干扰问题，影响周边电子设备的工作。通过在原来的开关电路中增加很小的电感，电容等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程中引入谐振过程，开关开通前电压降为零，或关断前电流降为零，就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，降低他们的变化率，从而大大减小甚至消除损耗和开关噪声，这样的电路称为软开关电路。软开关电路中典型的开关过程如图2-4所示。具有这样开关过程的开关称为软开关。开关损耗理论上为零5。（a）软开关的开通过程 （b）软开关的关断过程图2-4软开关的开关过程2.4.2 软开关的分类 根据电路中主要开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路零电压电路和零电流电路两大类。通常

38、，一种开关电路要么属于零电压电路，要么属于零电流电路。但在有些情况下，电路中有多个开关，有些开关工作在零电压的条件下，而另一些开关工作在零电流的条件下。 根据软开关技术的发展历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。下面分别介绍上述三类软开关电路。1.准谐振电路这是最早出现的软开关电路，其中有些现在还在大量使用。准谐振电路可分为(1)零电压开关准谐振电路；(2)零电流开关准谐振电路；(3)零电压开关多谐振电路；(4)用于逆变器的谐振直流环电路。2.零开关PWM电路这类电路中引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生与开关过程前后。零开关PWM电路可以分为1）

39、零电压开关PWM电路；2) 零电流开关PWM电路和准谐振电路相比，这类电路有很多明显的优势：电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低，电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式。5这两种电路的基本开关单元如图2-5。(a) 零电压开关PWM基本开关单元 (b) 零电流开关PWM基本单元图2-5 零开关PWM电路的基本开关单元 3.零转换PWM电路这类软开关电路还是采用辅助开关控制谐振时刻的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与主开关并联的，因此输入电压和负载电流对电路谐振过程的影响很小，电路在很宽的输入电压输入范围内并从零负载到满载都能工作在软开关状态。而且电路中无功功

40、率的交换被削减到最小，使这种电路的效率进一步提高。零转换电路可分为：(1)零电压转换PWM电路；(2)零电流转换PWM电路。基本开关单元如图2-6。(a) ZVT PWM开关单元 (b)ZCT PWM 开关单元图2-6 零转换PWM电路的基本开关单元2.5 本章小结本章简要介绍了开关电源的工作原理，并从多方面阐述了开关电源的详细分类。讨论了开关电源在应用中的优点和不足。本章还简要介绍了软开关技术以及软开关和传统的硬开关之间的不同，指出软开关是实现开关电源高频化、小型化和轻量化的理想途径。第3章 高压软开关充电电源硬件设计3.1 主电路设计3.1.1 主要技术指标1输入电压220V交流，输出充电

41、电压02400V，直流；2负载电容容量3133uF；3输出电流2安培直流；电源容量5kW；4开关频率20kHz，谐振频率40kHz；5电流检测与电压检测；6用DSP实现PWM控制。 3.1.2 主电路选型在谐振开关技术中最适合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具有固有短路保护能力6。其主电路如图3-1所示。由于电源功率大，采用全桥型电路，高频变压器的副边也采用二极管整流桥进行整流。图3-1 电容充电电源主电路示意图图中为串联谐振电感(含变压器漏感和线路分布电感);为串联谐振电容。其工作原理和具体参数将在下面给出。3.1.3 电路的

42、工作原理及方式直流电压（由市电经过整流得到）经过逆变电路逆变为频率很高的方波交流电，此高频方波交流电在经高频变压器生压后，由二极管整流桥整流输出稳定的直流电流，向电容C进行充电。设为IGBT的开关频率，为谐振频率。串联谐振变换器按大小有3种工作方式：1方式一(/2) 电流断续工作,此方式下开关损耗低且干扰小,可实现开通时电流缓慢增加,关断时为零电流关断；2方式二(/2) 电流连续工作,零电压开通和硬关断,开关损耗和干扰较大。因线路存在电感,断时产生的电压尖峰较高,极易损坏开关器件7。现在以图3-2的电路来分析一下串联负载DCDC变换器的这三种运行方式。（a）串联负载DC/DC变换电路（b）等效

43、电路图3-2 串联负载DC/DC变换电路及等效电路由图可知，电感和电容形成串联谐振，并与负载串联，经过谐振的电流在负载端被全波整流。输出端的滤波电容C足够大，可以认为电容C两端电压是没有波纹的直流电压。为了简化分析，假定谐振电路中的电阻损耗可以忽略不计，输出电压可以反射到整流桥的输入端，以表示，如果为正，为负，。若开关T+导通，电流为正时流经T+，反之，流经二极管D-。与此类似，为负时，若开关T-导通，电流流经T+；反之流经二极管D+。因此，对图3-2（a）来说，可有如下四种状态：1.当0时T+导通: =+，；D-导通: =，。2.当0时T-导通: =，；D+导通: =+，。谐振槽上的电压取决

44、于电流的方向以及哪个开关器件导通。上述方程所描述的状态可以用图3-2（b）所示等效电路来表示。应该注意，使用这个等效电路时应按不同的时间间隔来计算。在每种时间间隔内，要确定其出使条件，并把和看作一个直流电压。在稳态对称运行时，两个开关器件的工作状态是相同的，与此相似，两个二极管的工作状态也是相同的，因此只要对半个运行周期进行分析即可知道整个周期的状态，因为另外半个周期的运行状态与此对称。此串联谐振电路的开关频率由电路中的开关器件来控制，它可以比谐振频率低，也可以比谐振频率高。根据和的不同比值，电流有连续和不连续之分，起运行状态可分为下面的三种情况。3.1.3.1 断续导通(/2)应用谐振方程可

45、计算出电流和电压的稳态波形，如图3-3所示。在时刻，开关T+开通，电感电流从零开始建立，电容电压的初始值为，电流和电压在各区间的等效电路示于图3-3中。在时刻，滞后180，电感电流开始反向。因为开关T-尚未开通，电流只能流经二极管D+，向电源回馈能量。在之后的180度内，峰值电流较小。当达到零之后，如果电路中开关器件未开通，电流一直为零。由于电路中电流、电压是对称运行的，在断续期间，电容电压等于2，相对于为负值。因为，以电流成为断续状态在时刻，开关T-开通，下半周开始工作，其电流电压波形前相同，但极性相反。电路的开关频率可从T+两次开通为一个周期来计算。由图可知，开关频率小于谐振频率的一半，也

46、就是说一个开关周期内，谐振电流已震荡两次，另外还有两段停止工作时间。开关频率的半个周期超过了谐振电流的360，所以/2，被整流的电感电流等于输出直流电流，负载电压为。图3-3 电流断续运行3.1.3.2. 连续导通(/2)图3-4为/2)这种运行状态与以前讨论的连续导通状态有所不同，当/2 时，电流也是连续的，开关的关断是强迫关断，开通具有零电流和零电压条件。图 3-5 电流连续图3-5示出了时的电路波形。由图可知，T+开关在零电流条件下与处开通，且开始反向。在处，震荡电流未达到零之前，开关T+被强迫关断，正向电流被迫经二极管D-流通。此时加在谐振槽的电压为较大的负电压，所以流经二极管D-的电

47、流很快在处减小为零。此后，电流反向，当二极管D-开始反向导通时，开关T-立即开通。开关T-关断之后，二极管D+导通。开关T+和二极管D-的导通时间为开关频率的半个周期，此半个周期小于谐振频率的半个周期。三种方式中,方式一在绝缘栅双极晶体管(IGBT)开通和关断时损耗都最小,被选作恒流充电电源的工作方式，其工作时谐振电流波形见图3-6。 忽略图放电保护电路的影响,设为电容电压折算至变压器原边的电压,则理想情况(输入电压恒定,变压器及半导体器件为理想器件)下:在期间在期间充电电流平均值= （3-1）由上式可见,在谐振参数和输入电压一定时,充电电流与开关频率成正比。开关频率恒定,则充电电流恒定。充电

48、电流与负载电压无关,因而具有较强的抗负载短路能力8。图3-6 谐振电感电流波形3.1.4 主电路的各项参数3.1.4.1谐振参数充电电路的系统结构见图3-7。图3-7 系统结构图图中R1、R2、D1为放电保护电路;为串联谐振电感(含变压器漏感和线路分布电感);Cr为串联谐振电容。因，负载电容的影响可忽略不计。故有式中n为变压器变比，为谐振频率，为谐振周期，为开关频率，为开关周期9。现已确定开关频率=20kHz。由220V交流电通过二极管直接得到，其值为311V。由于电路将工作在方式一下，即40Hz取高频变压器变比n=15；变压器原边电压为311V方波电压供电，其基波有效值198V；取26.4H

49、，C取0.6F。这样有 =41.1Hz=6.63输出电流按式（3-1）计算：=1.99 A充电电流基本符合要求。3.1.4.2 输入整流如图3-8，为了使电路给逆变器提供一个稳定的电压，输入整流段需进行变压器隔离和滤波，且在电流输入端设置一熔断器，为电源提供保护，防止电流过大而损害设备。图3-8 输入整流电路3.1.4.3 输出整流 由于功率大，输出整流采用桥式整流电路。但由于输出电压较高，将超过单个二极管所承受的最高反向电压，为安全起见，下图3-9中的每个二极管将由三个二极管串联起来一起使用，并选用快恢复二极管。图3-9 输出整流电路3.1.4.4逆变参数在主电路中，IGBT选择富士电机公司

50、的2MBI175N-120，电流控制电路如图3-10，其具体参数和电路见表3-1。图3-10 IGBT电流控制电路表3-1 IGBT具体参数项目符号额定值单位集电极电压1200V门极电压V集电极电流连续75A1ms脉冲150A连续-75A1ms-脉冲150A最大能量消耗600W工作温度+150存储温度- 40到+125绝缘电压交流2500（1分钟）V调节扭矩装备13.5接线端13.53.2 控制及触发电路的设计3.2.1 电压电流检测如图3-7所示，电路的控制及触发信号的产生均由DSP芯片产生。电路的控制很简单，在DSP检测到充电电容的电压达到要求值后，关断IGBT的驱动信号即可。其检测信号由

51、霍尔电压传感器来完成。霍尔电压传感器把检测到的电压信号经过A/D转换器输入到DSP内，DSP把进来的电压信号与设定的信号进行比较，当电压信号大于设定值时发出控制信号，关断PWM波输出。图3-11 霍尔传感器端子说明：IN+：输入电压正；IN： 输入电压负；+：正电源；-：负电源；M：输出端；：公共地。霍尔传感器的输出端M接A/D转换器，把数字信号转换为电压信号输入给DSP10。输出电流也采用霍尔电流传感器采集信号，为DSP提供控制信号和保护信号.3.2.2 IGBT的驱动IGBT的驱动信号充分利用了DSP的功能，DSP产生PWM驱动信号，但此PWM信号的驱动能力较差，不能直接驱动IGBT。DS

52、P的驱动信号需经放大信号放大在进行驱动。在此选富士电机公司的EXB841做为IGBT的驱动器。EXB840（841）是高速型（最大40kHz 运行），其内部电路框图如图3-12所示。它为直插式结构，额定参数和运行条件可参考其使用手册。图3-12 EXB系列集成驱动器的内部结构框图EXB系列驱动器的各引脚功能如下：脚1：连接用于反向偏置电源的滤波电容器；脚2：电源（ 20V ）；脚3：驱动输出； 脚：用于连接外部电容器，以防止过流保护电路误动作（大多数场合不需要该电容器）； 脚5：过流保护输出； 脚6：集电极电压监视； 脚7、8 ：不接； 脚9：电源； 脚10、11：不接； 脚14、15：驱动信

53、号输入（，）11。由于本系列驱动器采用具有高隔离电压的光耦合器作为信号隔离，因此能用于交流380V的动力设备上。IGBT 通常只能承受10s的短路电流，所以必须有快速保护电路。EXB系列驱动器内设有电流保护电路，根据驱动信号与集电极之间的关系检测过电流，其检测电路如图3-13（a）。所示。当集电极电压 高时，虽然加入信号也认为存在过电流，但是如果发生过电流，驱动器的低速切断电路就慢速关断IGBT，从而保证1GBT不被损坏。如果以正常速度切断过电流，集电极产生的电压尖脉冲足以破坏IGBT，关断时的集电极波形如图 3-13(b)所示。IGBT在开关过程中需要一个+15V电压以获得低开启电压，还需要

54、一个-5V关栅电压以防止关断时的误动作。这两种电压（15V和-5V）均可由20V供电的驱动器内部电路产生，如图3-13(C)所示。 a)过电流检测器 b）关断时集电极电流波形 c）栅极电压产生图3-13 过电流检测及相关电流波形3.2.3 DSP的选择目前市场上DSP品种繁多，数不胜数，仅是大的DSP生产厂家就有TI公司、Lucent.、T&T、AD、Motorola等公司，其中TI公司被公认为DSP领域的技术领导者和开拓者。本课题决定采用TI公司专为数字电机控制而设计的TMS320F240芯片。它采用CMOS集成电路技术。与所有的TMS320F2xx系列一样，F240芯片具有高性能运算能力的

55、16位定点DSP内核和高效的指令集。通过把一个高性能的DSP内核和微处理器的片内外围设备集成为一个芯片的方案，F240成为传统的徽处理器和昂贵的多片设计的一种廉价的替代品。每秒2k万条指令的处理速度，使F240 DSP控制器可以远远超过传统的16位微控制器和微处理器的性能。F240器件的16位定点DSP内核为模拟系统的设计者提供了一个不牺牲系统精度和性能的数字解决方案。TMS320F240外型见图3-14。TMS320F24具有一个32位的中央算术逻辑单元和累加器。CALU具有独立的算术单元和辅助寄存器算术单元，执行一系列的算术和逻辑运算。乘法部分由乘法器、乘积寄存器(PREG)。暂存寄存器(

56、TREG)和乘积移位器四部分组成。高速乘法器使F240可以高效地完成卷积、相关和滤波等数字信号处理中的基本运算。在将乘积寄存器的值送入CALU之前，乘积移位器将对乘积寄存器值进行定标操作。TMS320F240还包含辅助寄存器算术单元。这类算术单元独立于CALU。ARAU的主要功能是对8个辅助寄存器(从AR0到AR7)执行算术操作，该操作可与CALU中的操作并行进行。为加强信号处理能力，TMS320F240采用改进的哈佛结构，即独立的程序和数据存储空间和总线结构。程序总线传输程序存储空间内的指令代码和立即操作数，数据总线将数据存储空间与CALU。辅助寄存器等部分连接到一起。而且程序和数据总线都可

57、以在一个指令周期内将片内数据存储器、片内或片外程序存储器中的数据送入乘法器以完成一次乘加运算。TMS320F240具有很高的并行机制，数据在CALU中被处理的同时，在ARAU中还可以进行算术操作。这种并行机制的结果是在一个指令周期内可以完成一系列算术、逻辑和位操作。图3-14 DSP引脚图TMS320F240是该系列DSP控制器推出的第一个标准器件，它确定了单片数字电机控制器的标准。其指令执行速度是20MIP/S，几乎所有的指令都可以在一个50ns的单周期内执行完毕。这种高性能使复杂控制算法的实时执行成为可能，例如自适应控制和卡尔曼滤波。非常高的采样速率也可以用来使环路延迟达到最小。TMS32

58、0F240不仅有高速信号处理和数字控制功能所必需的体系结构特点，而且它有为电机控制应用提供单片解决方案所必需的外围设备。F240是利用亚微米CMOS技术制造的，达到了较低的功耗。作为一个系统管理者，DSP必须有强大的片内I/O端口和其他外围设备。TMS320F240的时间管理器与其它任何DSP均不同，这个应用优化的外围设备单元与高性能的DSP内核一起，使在所有类型电机的高精度、高效、全变速控制中使用先进的控制技术成为可能。事件管理器中包括一些专用的脉宽调制PWM发生函数。三个独立的双向定时器，每一个都有单独的比较寄存器，可以用来支持产生不对称的或对称的PWM波形。以下是F240的特点：1TMS

59、320F2XX核心CPU（1）32位的中央算术逻辑单元(CALU);（2）32位加法器;（3）16位X16位并行乘法器，32位乘积;（4）三个定标移位寄存器;（5）8个16位辅助寄存器，带有一个专用的算术单元，用来做数据存储器的间接寻址。2存储器（1）片内544 X 16位的双端口数据/程序RAM;（2）16K字X16位的片内PROM或闪存EPROM;（3）224K字X16位的最大可寻址存储器空间(64K字的程序空间，64K字的数据空间，64K字的I/O空间和32K字的全局空间)；（4）有软件等待状态发生器的外部存储器接口模块，具有16位地址总线和16位数据总线；（5）支持硬件等待状态。3程序

60、控制（1）4级管道操作;（2）8级硬件堆栈;（3）六个外部中断:电源驱动保护中断、复位、非屏蔽中断NMI和三个可屏蔽中断。4指令系统（1）与TMS320家族的C2X,C2XX,CSX定点产品在源代码级兼容；（2）单指令重复操作；（3）单周期的乘法/加法指令；（4）程序/数据管理的存储器块移动指令；（5）牵引寻址功能；（6）基于2快速傅立叶变换的位反转索引寻址功能。5电源（1）静态CMOS技术；（2）4种低电源模式以降低电源损耗；（3）仿真:与片内扫描仿真逻辑相连的正EE标准11491测试访问端口；（4）速度:50ns(20MIPS)的指令周期，多数指令为单周期。6事件管理器（1） 12个比较/

61、脉宽调制(PWM)通道(其中9个相互独立)；（2）三个16位通用定时器，有6种工作棋式，包括连续递增和连续加/减计数；（3）三个16位全比较单元，有死区功能；（4）三个16位简单比较单元；（5）四个捕获单元，其中两个有正交编码器脉冲接口功能。7双10位模数转换器(ADC)。828个独立可编程的多路复用110引脚。9基于锁相环的时钟模块。10带实时中断(RTI)的看门狗（WD）定时器模块。11串行通讯接口(SCI)12。3.2.4 PWM波的形成PWM波形的产生主要利用了TMS32OF240的事件管理器模块。现在重点介绍其中的通用定时器，与全比较和简单比较单元相关的PWM单元。事件管理器中有三个通用定时器。在实际应用中，这些定时器可以用作独立的时间基准，如:控制系统中采样周期的产生和为全比较单元以及相应的PWM电路产生比较/PWM输出的操作提供时间基准。其相关寄存器为16位的双向计数器TXCNT.1