基于正激式VA开关电源设计说明

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1、 . . . 题 目基于正激式24V/5A开关电源设计 学院名称指导教师职称班 级学 号学生 年 月 日毕业设计论文任务书学 院：题 目：基于正激式24V/5A开关电源设计 起 止 时 间：年 月 日至年 月 日学 生 姓 名： 专 业 班 级： 指 导 教 师： 教研室主 任： 院 长： 年 月 日论文 容及要求：一、毕业设计论文原始依据1效率高；2带负载能力强,满足常见电子设备负载的要求；体积小,噪音低4工作安全可靠,体积轻巧5具有过载、 过热、短路等自动保护功能；6开关器件工作在高频状态。设计主要指标：输入电源：AC 220V10%、50Hz5%；输出电压：DC 24V ；输出电流：5A

2、;转换效率 87%以上;工作频率：70KHz100KHz。最大输出纹波电压：150mV.二、毕业设计论文主要容1、系统功能分析与设计1系统整体方案设计；2、主电路分析与设计1主电路方案确定 2主电路设计包括AC-DC与DC-DC 3器件参数的计算与选型 4高频变压器设计；3、控制电路分析与设计1控制方案的确定 2控制电路设计 3主要器件的参数计算与选型4、驱动电路设计5、保护电路设计6、系统的电路仿真与分析7、硬件电路制作与调试拓展三、毕业设计论文基本要求1、 翻译与该课题相关的英文论文一篇；2、 设计说明书一份一万五千字以上,含中英文摘要、正文、程序清单；3、 设计图纸系统完整电路原理图pr

3、otelaltium作图、电路仿真图、相关元器件清单图表等。；4、 按照学校论文标准格式装订打印。四、毕业设计论文进度安排设计任务分析,相关资料检索,进行外文资料翻译;查找资料,确定设计框架图,撰写开题报告；高频开关电源的结构选择及方案设计；主电路的设计包括相关参数计算与器件选择、高频变压器设计；控制方案与电路设计包括相关参数计算与芯片选择;保护电路与相关外围电路设计;系统仿真调试并交初稿；整理稿件并定稿,准备答辩工作； 备注：每周向指导教师汇报1-2次设计进展情况五、主要参考文献1王兆安.电力电子技术第5版：机械工业2 占松.开关电源手册第版：人民邮电3 序葆.电力电子器件及其应用：机械工业

4、4 明勋.电力电子设备设计和应用手册：机械工业注：其他相关资料自行查阅。 指导 签 名 年 月 日毕业设计论文开题报告设计论文题目基于正激式24V/5A开关电源设计设计论文题目来源自选设计论文题目类型工程设计类起止时间一、 设计论文依据及研究意义：1. 研究依据： 1设计依据：电源设计手册实用电源技术手册（2） 设计规：GB/T 14860.4-2012电子和通信设备用变压器和电感器GB2423.2 电工电子产品基本环境测试规程 GB6833.4 电子测量仪器电磁兼容性试验规3任务书2研究意义：开关电源高频化是其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新

5、技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在安防监控,节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。二、设计论文主要研究的容、预期目标：技术方案、路线1.研究容：1系统功能分析与设计2主电路的分析与设计3控制电路分析与设计4驱动电路设计5保护电路设计6系统的电路仿真与分析7硬件电路制作与调试2.预期目标：设计的开关电源要能达到这几个功能,效率高,带负载能力强,满足常见电子设备负载的要求,体积小,噪音低,工作安全可靠,体积轻巧,具有过载,过热,短路等自动保护功能,开关器件工作在高频状态。三、 设计论文的研究重点及难点：1.重点：主电路的设计 驱动电路的设计2

6、.难点：控制电路的设计 仿真分析四、 设计论文研究方法及步骤进度安排：1.研究方法：先整流滤波、后经过高频逆变得到高频交流电压,然后由高频变压降压器降压、再整流滤波,这种采用高频开关方式进行电能变换的电源称为开关电源。交流输入、直流输出的开关电源将交流转换为直流,整流电路普遍采用二极管构成的桥式电路,直流采用大电容滤波,该电路结构简单、工作可靠、成本低,效率也比较高,开关电源的主电路采取了正激式的方法,控制电路采取了控制芯片进行控制驱动,外设一些保护措施。开关电源的核心部分是高频逆变-变压器-高频整流电路,采用具体的电路是隔离型直流-直流变流电路。开关电源的控制方式是采取电压模式控制,在反馈控

7、制系统中仅有一个输出电压反馈控制环。2.研究步骤：1 设计任务分析,相关资料检索,进行外文资料翻译,。2 查找资料,确定设计框架图,撰写开题报告；3 高频开关电源的结构选择及方案设计；4 主电路的设计包括相关参数计算与器件选择、高频变压器设计；5 控制方案与电路设计包括相关参数计算与芯片选择；6 保护电路与相关外围电路设计7 系统仿真调试并交初稿；8 整理稿件并定稿,准备答辩工作；五、 进行设计论文所需条件：1.计算机2.参考文献 3.老师指导4.同学帮助5.网络信息六、 指导教师意见：签名： 年 月 日摘要:正激式开关电源因其结构和成本方面的优势在小功率电源领域有着不可替代的作用,是小功率供

8、电电源的首选。本论文从正激式开关电源的原理、整体结构设计、关键电路设计等方面进行了介绍。在正激式开关电源的原理方面,介绍了几种基本电路和拓扑结构的选择；在整体结构设计方面,主要分析了开关电源的组成电路；在关键电路设计方面,进行了输入电路、变压器、控制电路和RCD吸收回路的设计；通过具体设计及仿真软件的验证,证明了设计的正确性,为后期的实际工程设计提供的指导意义。关键词：正激式；开关电源；PWM；ABSTRACT : Widely used in the development of power electronic technology and smallelectronic devices,

9、 the low power demand increases gradually, forward switching power supply because of its structure and cost advantages in small power fieldplays an irreplaceable role, is a small power supply of choice. This design is asmall part of the energy storage inverter project, the purpose is to design aflyb

10、ack switching power supply. This paper the principle, forwardswitching power supply circuit structure design, key design etc. In the principle offlyback switching power supply, introduces several basic circuit and the selection of topology structure; in terms of overall structure design, mainly anal

11、yses thecircuit switching power supply; in the aspect of key circuit design, the design ofinput circuit, transformer, the control circuit and the RCD snubber circuit throughspecific design and simulation verification; the software, proved the correctness of the design, to provide for the practical e

12、ngineering the design guide.Keywords: forward switching ;power supply; PWM; 目录 引言1设计概述21.1 基本概念21.1.1 开关电源21.1.2 正激式开关电源21.2 技术指标31.2.1 机械指标31.2.2 环境标准31.2.3 电气标准31.3 目前的研究现状41.3.1 目前存在的问题41.3.2 主要开关电源技术51.3.3 开关电源的技术发展52开关电源主要电路的设计72.1 主电路的组成72.2主电路82.2.1非隔离式82.2.2隔离式152.3主电路的设计222.3.1 桥式整流电路222.3.

13、2正激电路252.3.3高频变压器的选取和计算262.3.4 MOSFET管的选取282.4 滤波电路302.5主电路原理图323 控制和反馈电路的设计343.3.1控制电路芯片343.2控制电路363.3反馈电路的设计363.3.1反馈器件的选取363.3.2反馈电路原理图383.4保护电路394部分电路仿真分析424.1MATLAB简介424.2系统的仿真及结果分析424.2.1 整流电路仿真43参考文献48附录元器件清单51附录 电路原理总图5249 / 59引言 电源向电子设备提供功率的装置。把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。通过变压器和整流器,把交流电变成直流电的装置叫做整流电

14、源。能提供信号的电子设备叫做信号源。信号源有时也叫做电源。开关电源技术是一门运用半导体功率器件实现电能的高频率变换,将粗电变换成精电,以满足供电质量要求的技术。由于在开关电源中半导体功率器件工作在高频开关方式,因此它具有高效率,高功率密度,高可靠性。由于开关电源的突出优点,开关电源更替线性电源是发展的必然趋势。近年来,由于微型计算机的普及,通信行业的迅猛发展,推动了开关电源技术的进步和产业的迅速发展。开关电源具有功耗小、功率高、稳压围宽、体积小等突出优点。本文主要设计了正激式开关电源,正激式开关电源具备了上述的所有优点,另外还具有,输出电压的瞬态控制特性相对来说比较好；正激式变压器开关电源负载

15、能力相对来说比较强；正激式变压器开关电源的电压和电流输出特性要比其它开关电源好很多。这些优点都是正激式开关电源所具备的的其它电源不具备的优点。 本文设计了正激式开关电源,主要从主电路,控制电路和反馈电路这几个部分出发,条理清楚,思路明确,环环紧扣,最后设计出了一个简单的正激式开关电源。设计概述1.1 基本概念1.1.1开关电源用某些半导体器件为开关通常是晶体管或MOSFET,把一种电源形态变换成另一种电源形态,并在变换时使用自动控制稳定输出并且还具有保护环节的电源称为开关电源。与其它的电源形式作比较,开关电源体积小、效率高、重量轻、耗能低。而且还具有很多保护功能,目前在邮政通讯、精密电子器件、

16、大型设备、医疗仪器、家电数码等领域应用相当广泛。1.1.2 正激式开关电源正激式开关电源后文都简称为正激式只是开关电源的一种,可以用开关电源的标准来进行划分:从工作性质上分,大致可分硬开关和软开关两种,硬开关就是指电子脉冲、外加控制信号强制对电子开关来进行开和关的控制, 那么在开关导通和关闭这段时间的电流和电压的同时存在,就会造成损失,这种损耗和开关的频率成正比,可是,因为比其它变换方式简便,因此,很多电机上现在还是继续使用这种方式。软开关就是电子开关在还没加上电压的时候导通,在还没具备电流的时候关断。如果是理想条件,开关的损耗就是为零,对浪涌电压、脉冲尖峰电压的抑制能力比较明显,而且工作频率

17、可以提升到一定的地步,实现了软开关,还可以让电源的质量和大小有很显著的改变。以工作方式上分,又可以分为三种,这三种就是正激式、反激式、推挽式,半桥式和全桥式是把推挽式加以改进的,把它们进行辨别的地方有很多,最大不同就是变换器,变压器一次侧与二次侧同名端是在一侧的方法就是正激式,可是反激式的则与正激式的恰恰不一样,在功能上两个也有不同,正激式变压器只是起到一个能量的平行交接,反激式变压器就还要来进行暂时的保存在某时间刻的电能即可作为一个电感,由于变压器电感的极性的不同,反激式变压器一次侧与二次侧是不能在同一时刻导通的,但正激式和反激式变压器大部分都是一个输入端与反馈绕组一起构成一次侧,而输出端就

18、只有一组,推挽式的变压器大体上就是两个反相位工作的正激式变压器的一起共存,其有两个输入端两个输出端。对于大部分正激式开关电源,它的输出功率要大一些,成本也其它的电源多,而反激式比较简便,可是功率也要低一点,所以成本会少一点,推挽式的电路对比其它的电源要复杂,可是输出功率围比较广。1.2 技术指标1.2.1 机械指标在我们国家对开关电源的机械指标没有太多的要求,但在国外都有一定的要求。对于外貌,大体上要美观、没有油渍、不能过大、简便轻质、没有松散。另外要求具有一定的抗震和抵抗冲击的能力,即要求成品在要求的机械打击试验甚至是大规模的损坏的试验能满足一定的指标,不单单是电源的外体没有裂痕损伤,而且电

19、源在满负荷通电下还能往常一样的运行。1.2.2 环境标准最大的要电源在恶劣的环境下还能正常工作,基本上的规为：在室,室温增加至45时输出电压漂移小于3%,室外小于5%；在湿度为92%、温度为28的环境下保存48小时,绝缘强度不变,以上都只是个比较常见的规定,具体的指标要根据实际要求来定。 1.2.3 电气标准电气指标的容有很多,基本几个指标如下：输入指标：包括输入电压的相数、最大的电压、电压的工作围、电压频率及输入电流。每个国家有不一样的交流电压及频率,日本100V/60HZ、国220V/60HZ、美国120V/60HZ、澳大利亚240V/50HZ。输出指标：包括产品可以承受的输入电压的围,在

20、多大的输入电压围还能让输出的稳定性能没有太大的波动,还有就是在负载不一样的时候输出的稳定程度、环境变化不一样的影响下输出的保持程度、在开机一段时间之后保持输出的稳定、空载损耗、输出的纹波一般而言这个交流纹波都要求mv数量级,其标准一般都是要求输出纹波是输出值的1%-5%。耐压指标：这个指标是安规的容,其要求产品有一定的耐压程度。绝缘要求：要求输入交流线与输出线,输出线、输入线与机壳之间的绝缘电阻要达到几M如10M等等。效率：不同的电机需要不一样的效率,大体来说开关电源的效率都要求满足80%以上。功率因数：日本60W以上输出功率,其它国家75W以上输出功率要求做功率因数校正,功率因数要达到0.9

21、5以上。漏电流：平常装载在可移动设备上的交流漏电流应小于1mA;装设在特定位置且接地的设备上的要求交流漏电流应小于3.5mA,在医疗类产机种要求非常的严厉。EMI/RFI：电磁射频指标,要求其不能够干扰到别的电子设备的正常工作也要具备一定的抗干扰能力。平均故障时间：平均无故障使用时间,其大小基本上都是要能达到万小时数量级。保护：一般的容式过流保护、超载保护、短路保护、高压保护、过温保护。1.3 目前的研究现状1.3.1 目前存在的问题开关电源技术开始研究晚可是发展速度很快,材料的不间断的更新、用途的不断开拓,是它快速发展的最主要原因,但是在体积、重量、效率、电磁兼容性以及安全性能都不能说是没有

22、缺点,至今为止,存在的主要问题有:器件问题.电源的集成度不大,一定程度影响到稳定性和可靠性,同时对于电源体积和效率来说也是困扰。材料问题.开关电源使用的磁心和电解电容及整流管这些体积都大,比较沉重,在电路中不单耗能,降低了开关电源的工作效率,而且会直接致使电源的体积笨重庞大。能源变换问题.目前的转变基本上以频率为奠基,改变电压是目标,其结果就是生产复杂,很难控制,未来期待更好的能源转变方法的出现。软件问题.目前,开关电源的软件开发还处于刚刚开始的地步,要能做到功率转换、功率因子提高、全程自动检测实现软件操作,目前还有一定的差异。生产工艺问题.基本上是在实验室可以达到的技术指标,但是实际生产中却

23、做不到,人为的因素除外,还有这些器件的性能、检测、环境、设备、很多的因素。电路复杂,维修困难,对电路的污染严重。电源噪声大,不适合用于某些低噪声电路,这是开关电源目前存在的主要技术问题。1.3.2 主要开关电源技术功率半导体器件。功率MOSFET和IGBT这些已经可以更换功率晶体管和中小电流的晶体管,让实现开关电源频率的升高有了更大的可能.极其快速恢复二极管和MOSFET同步整流技术的研发,也为研究高效率或者低电压输出的开关电源提供了条件.而且,现在已经可以把功率器件与电路控制和检测执行等组件集成封装,获得标准的、可制造的模块,让成本降低了还提高可靠稳定性。软开关技术。在硬开关条件下工作的开关

24、电源,开关器件的电压和电流波形在时间上的一步步增加,会致使开关损耗,损耗和频率是成正比关系,为此实现软开关技术,可以使电源效率提高。有源功率因子校正技术。因为输入端有整流原件和滤波电容,许多整流电源供电的电子装备的输入端功率因子仅0.65.用APEC之后的电路,其功率因子可改善到0.95-0.99。1.3.3 开关电源的技术发展开关电源技术的发展动向,开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化,因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件,特别是改善二次整流器件的损耗,并在功率铁氧体材料上加大科技创新,以提高在高频

25、率和较大磁通密度下获得高的磁性能,而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展,在电路板两面布置元器件,以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新,实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术,并大幅提高了开关电源的工作效率。对于高可靠性指标,美国的开关电源生产商通过降低运行电流,降低结温等措施以减少器件的应力,使得产品的可靠性大大提高。模块化是开关电源发展的总体趋势,可以采用模块化电源组成分布式电源系统,可以设计成N+1冗余电源系统,并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点,若单独追求高频化其噪

26、声也必将随着增大,而采用部分谐振转换电路技术,在理论上即可实现高频化又可降低噪声,但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题,故仍需在这一领域开展大量的工作,以使得该项技术得以实用化。电力电子技术的不断创新,使开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度,就必须走技术创新之路,走出有中国特色的产学研联合发展之路,为我国国民经济的高速发展做出贡献。2开关电源主要电路的设计调宽方波整流滤波2.1 主电路的组成整流滤波高频变压器ACDC脉宽调制 比较器取样器振荡器基准电压图2.1主电路图的组成拓扑 1 交流输入。外界输入电压,输入市值电压220V交流电。220V就是,即1.41

27、4。2桥式整流。整流电路的作用是将交流输出交流电转换成单向脉动性直流电,这就是整流过程,整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压,而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压。桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路,只要增加两只二极管口连接成桥式结构,便具有全波整流电路的优点,而同时在一定程度上克服了它的缺点。变成了含有一定脉动电压成分的直流电压。 3高频变换部分。高频变换部分的核心是DC-DC变换器,它主要由高频功率开关和高频隔离变压器组成。高频功率开关元件可以采用场效应管MOSFET,高频变换部分产生高频高压方波,所得到的高压方波送给高频隔离降压变压器的初级

28、,在变压器的次级感应出的电压被整流、滤波后就产生了低压直流。为了调节输出电压,使得在输入交流和输出负载发生变化时,输出电压能保持稳定,可以采用脉宽调制器的电路进行调节,通过对输出电压采样,并把采样的结果反馈给控制电路,控制电路把它与基准电压进行比较,根据比较结果来控制高频功率开关元件的开关时间比例占空比,达到调整输出电压的目的。2.2主电路开关电源的拓扑结构很多,主要有隔离式和非隔离式划分,隔离式有正激式、反激式、推挽式；非隔离式有boost、buck、buck-boost类型的电路。下面分别介绍这几种电路的情况。2.2.1非隔离式（1） Boost电路 电路的原理图以及波形图如下图所示。a电

29、路的原理图 b电路的波形图 图2.1BOOST电路的原理图以及波形图 boost电路的工作原理：Boost电路图 2-1即为升压斩波电路,当导通时,能量从输入电源流入,并储存于电感中,由于导通期间正向饱和管压降很小,所以这时二极管反偏,负载由滤波电容供给能量,将中储存的电能释放给负载。当截止时,电感中电流不能突变,它所产生的感应电势阻止电流减小,感应电势的极性为下正上负,二极管导通,电感中储存的能量经二极管,流入电容,并供给负载。 在导通的期间,能量储存于电感中,在截止的 期间,电感释放的能量补充在期间给电容上损失的能量。截止时,电感上电压跳变的幅值时与占空比有关的,愈大,中峰值电流大,储存的

30、磁能愈大。所以,如果在期间吃存的能量要在期间释放出来,那么,上的脉冲必定比较高的。假定开关无损耗,并联变换器电路在输入电压和输入电流,能在较低的输出电流下,输出较高的电压。稳压电源达到稳态后,输出电压稳定在所需的恒定值,只要适当选择电容,输出纹波可做得足够小,当要求纹波为,直流输出电流为是,由于在管子导通期间全部负载都由电容供电,因此选择取决于下式： 当Q1导通时,忽略管子导通压降,电感上的电压为输入电压,并且电流按ItV1L1速率线性上升,周期期间导通时,电感中的电流增量为Ldi/dt 。当截止时,假定右端的电感反冲电压等于输出电压,则电感上的电压为,而在稳态,期间中电流的增量应等于期间电流

31、的减量,故有 其中D=,由上式可知,当改变占空比D时,就能获得所需的上升的电压值。由于占空比D总是小于1,总是大于。 Boost电路能将电压升高的原因是电感L1储能之后具有使电压泵升的作用,而电容C能将输出电压保持住。boost电路特点： boost电路的电路相比较其他电路来的简单,所以成本比较低,另外boost电路的输出电压高于输入电压,能够起到升压作用。 boost电路的转换效率比较低,所以电源电压的利用率比较低,输出的功率较小。由boost电路最为显著的特点可以知道,boost电路只适用于升压电路。2buck电路a电路的原理图b电流连续时候的波形图c电流断续时的波形图图 2.2 buck

32、电路工作原理图以及波形图buck电路的工作原理：Buck电路图 2.2a即为降压斩波电路。控制脉冲使Q1导通之后,C开始充电,输出电压加到负载R两端,在C充电过程中,电感L1的电流逐渐增加,储存的磁场能量也逐渐增加。此时续流二极管D1因反向偏置而截止。经过Ton时间以后,控制信号使Q1截止,L1中的电流减小,L1中储存的磁场能量便通过续流二极管D1传递给负载。当负载电压低于电容C两端的电压时,C便向负载放电。经过时间后,控制脉冲又使Q1导通,上述过程重复发生。当控制信号使Q1导通时,电感L1中的电流从最小值增加到最大值,当控制信号使V 截止时,L1中的电流又从最大值下降到。建设Q1具有理想的开

33、关特性,其正向饱和管压降可以忽略。当控制信号使Q1导通时,电感L1中的电流从最小值增加到最大值,当控制信号使V 截止时,L1中的电流又从最大值下降到。建设Q1具有理想的开关特性,其正向饱和管压降可以忽略,所以可以列出以下的方程： 由此可得出： Q1导通状态终止时,T=Ton时,L1中的电流达到最大值,得： 在Q1截止期间,L1中的电流经续流二极管D1向负载释放能量,假若忽略D1的正向压降,则可得出下列方程： 由此可得出： Q1截止状态终止时,即T=时,L1中的电流下降到最小值,得： 由上面的公式可得： 式中是开关导通时间,是开关截止时间；T时开关管工作周期,D是占空比,D=由上式可知,输出电压

34、与开关管的占空比D成正比,所以通过改变开关管的占空比可以控制输出平均电压的大小。由于占空比D总是小于1,所以总是小于,所以这样的电路称为降压斩波电路,即buck变换器。buck电路的特点:Buck电路只能实现降压,所以在任何时候,输出电压只能比输入电压低。由于电路中没有变压器,所以输入和输出之间没有隔离。Buck电路的输出只有一路,不能用于多路输出,除非加个第二级的电压调节器。buck电路既可以工作于电流连续状态,又可以工作于电流断续状态。Buck变换器开关的门极驱动很麻烦,但是buck电路简单,所以成本比较低,而且buck变换器能把一个正的输入变换成一个负的输出。3. buck-boost电

35、路a电路的原理图b电路的波形图图 2.3 buck-boost电路原理图以及波形图 buck-boost电路的工作原理：升降压斩波电路的原理图如图2-3所示。由可控开关Q、储能电感L、二极管D、滤波电容C、负载电阻RL和控制电路等组成。当开关管Q受控制电路的脉冲信号触发而导通时,输入直流电压V1全部加于储能电感L的两端,感应电势的极性为上正下负,二极管D反向偏置截止,储能电感L将电能变换成磁能储存起来。电流从电源的正端经Q及L流回电源的负端。经过ton时间以后,开关管Q受控而截止时,储能电感L自感电势的极性变为上负下正,二极管D正向偏置而导通,储能电感L所存储的磁能通过D向负载 RL释放,并同

36、时向滤波电容C充电。经过时间后,控制脉冲又使Q导通,D截止,L储能,已充电的 C向负载RL放电,从而保证了向负载的供电。此后,又重复上述过程。由上述讨论可知,这种升降压斩波电路输出直流电压V2的极性和输入直流电压升降压斩波电路V1的极性是相反的,故也称为反相式直流交换器。假设储能电感L足够大,其时间常数远大于开关的周期,流过储能电感的电流可近似认为是线性的,并设开关管Q及二极管都具有理想的开关特性。分析电路图可以得到：1Q导通期间,D截止,电感L两端的电压为V1,呈线性上升。 式中是Q导通前流过L的电流。当tton时,流过L的电流达到最大值： Q截止期间,D导通,L向负载和C1供电,电感两端电

37、压 式中为Q截止前流过L电流。t时,Q开始导通,L中电流下降到极小值： 输入直流电压U1和输出直流电压U2的关系将式代入式可得： 当时, ,电路属于降压式；当时, ；当时, ,电路属于升压式。2.2.2隔离式（1） 正激式电路 正激Forward电路包含很多种不同拓扑,典型的单开关正激电路原理图和它的工作波形图如下图所示： 图a 图b 图2.4正激电路的原理图及波形图 电路的工作过程为：开关S开通后,变压器绕组W1两端的电压为上正下负,与其耦合的绕组W2两端的电压也是上正下负。因此VD1处于通态,VD2为断态,电感L的电流逐渐增长；S关断后,电感L通过VD2续流,VD1关断,L逐渐下降。S关断

38、后变压器的励磁电流经过绕组W3和VD3流回电源,所以S关断后承受的电压为： 221b 其中N为绕组匝数。开关S开通后,变压器的励磁电流由零开始,随着时间的增长而线性的增长,直到S关断。S关断后到下一次再开通的一段时间,必须设法使励磁电流降到0,否则下一个开关周期中,励磁电流将在本周期结束时的剩余值基础上继续增加,并在以后的开关周期中依次累积起来,变得越来越大,从而导致变压器的励磁电感饱和。励磁电感饱和后,励磁电流会更加迅速的增长,最终损坏电路的开关元件。因此在S关断后使励磁电流降回零是非常重要的,这一过程称为变压器的磁芯复位。 2-22在输出滤波电感电流连续的情况下,就是S开通时电感L的电流不

39、为0的时候,输出电压和输入电压的比为： 2-23 如果输出电感电流不连续,输出电压将高于式中的计算值,并且随负载减小而升高,在负载为零的极限情况下,。 连续模式下的电压增益理想状态下,由副边绕组在一个周期中的伏秒值为0可得 故可得电压增益为 M=/=/ 而在实际中,由于变压器存在一次绕组阻,二次绕组阻,故可得 2-26而 2-27 而 2-34联立可得 2-35 临界连续时,既可以看作连续又可以看作断续,此时：= 所以临界电流为 2-36当=1/2时取最大值为 2-37由此可得断续工作模式下的电压增益为 M= 2-38（2） 反激电路反激电路的电路原理图和波形图： 图a反激式电路原理图图2.5

40、反激电路原理图以及波形图 反激电路的工作原理:单端反激变换器主要用在250W以下的电路中,其中的变压器既有变压器的作用,也有电感的作用。 其有两种工作方式：一是完全能量转换方式,即电感电流断续工作模式；二是不完全能量转换方式,即电感电流连续工作模式。工作过程：当Tr导通时,电源电流流过变压器原边,增加,其变化为d/dt=/,而副边由于二极管D的作用,i2为0,变压器磁心磁感应强度增加,变压器储能；当Tr关断时,原边电流迅速降为0,副边电流i2在反激作用下迅速增大到最大值,然后开始线性减小,其变化为d/dt=/,此时原边由于开关管的关断,电流为0,变压器磁心磁感应强度减小,变压器放能。 连续模式

41、下的电压增益,理想状态下,由副边绕组在一个周期中的伏秒值为0可得： 故可得电压增益为 M=/=/ 而在实际中,由于变压器存在一次绕组阻,二次绕组阻,故可得 2-41而 2-42 2-43 2-44联立可得 M= 2-45断续模式下的电压增益,由面积相等可得 2-45由n可得 2-46 2-47而 2-48联立可得 2-49 临界连续时,既可以看作连续又可以看作断续,此时：= 所以临界电流为 2-50当=1/2时取最大值为 2-51由此可得断续工作模式下的电压增益为 M= 2-52（3） 推挽电路推挽电路电路原理图以及波形示意图：图2.6推挽式电路原理图以及波形图推挽电路的工作特点：推挽电路中两

42、个开关S1和S2交替导通,在绕组N1和N1两端分别形成相位相反的交流电压。S1导通的时候,二极管VD1处于通态,S2导通时,二极管VD2处于通态,当两个开关都处于关断的时候,VD1和VD2都处于通态,分别分担一半的电流。S1或者S2导通的时候,电感的电流逐渐上升,两个开关都关断的时候,电感的电流逐渐下降。S1和S2断态的时候承受的峰值电压均为两倍Ui。如果S1和S2同时导通,就相当于变压器一次绕组短路,因此避免两个开关同时导通,每个开关导通各自的占空比不能超过50%,还要留有死区。当滤波电感的电流连续时： 2-53如果输出不连续,输出电压U0将高于上式的计算值,并且随着负载减小而上升,在负载为

43、零的极限情况下,。表2、1各种带隔离的直流直流变流电路的比较电路优点缺点功率围应用领域正激电路简单,成本低,可靠性高,驱动电路简单变压器单向励磁,利用率低几百瓦几千瓦各种中、小功率领域反激电路非常简单,成本很低,可靠性高,驱动电路简单难以达到较大的功率,变压器单向励磁,利用率低几瓦几百瓦小功率电子设备,计算机设备,消费电子设备推挽变压器双向励磁,变压器一次电路回路中只有一个开关,通态损耗小,驱动简单有偏磁问题几百瓦几千瓦低输入电压的电源2.3主电路的设计在主电路中,有几个比较重要的组成部分,一个是整流的桥式整流部分,一个是直流-直流高频变压部分,一个就是滤波电路部分,然后就是输出,下面分别介绍

44、这几个部分。2.3.1 桥式整流电路整流电路,是电力电子电路中最早出现的一种,作用就是将交流电能变成直流电供给直流用电设备或者是期待的需要输出的直流电压电流,整流电路可以从各个角度进行分类,主要的分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数可分为单相电路和多相电路；按变压器二次电流的方向是单向或者双向,又分为单拍电路和双拍电路。整流电路可分为相位控制整流电路和斩波控制整流电路。单相桥式整流电路的结构组成,整流桥部分采取了一体式的整流桥,整流桥的作用就是能够通过二极管的单向导通的特性将电平在零点上下浮动的交流电转换为单向的直流电,通常电

45、源中采取用四颗二极管实现的。 图a 图b图2.7单相桥式整流电路及其波形图整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要靠二极管的单向导电作用,因此二极管是构成整流电路的关键元件。下面分析整流电路时,为简单起见。把二极管当作理想元件来处理。即认为它的正向导通电阻为零,而反向电阻为无穷大。图中乃为电源变压器,它的作用是将交流电网电压V0变成整流电路要求的交流电压,是要求直流供电的负载电阻,四只整流二极管D1D4。接成电桥的形式,故有桥式整流电路之称。在电源电压V2的正、负半周负载足,上的电压V0的波形如图所示。电流的波形与V0的波形相同。显然,它们都是单方向的全波脉动波形。单相桥式整流电

46、压的平均值为： 2-54直流电流为。在桥式整流电路中,二极管D1、D3和D2、D4。是两两轮流导通的,所以流经每个二极管的平均电流为。二极管在截止时管子承受的最大反向电压可从看出。在正半周时,、导通,、截止。此时所承受到的最大反向电压均为的最大值,即。同理,在的负半周、也承受同样大小的反向电压。桥式整流电路的优点是输出电压高,纹波电压较小,管子所承受的最大反向电压较低,同时因电源变压器在正负半周都有电流供给负载,电源变压器得到充分的利用,效率较高。因此,这种电路在半导体整流电路中得到了广泛的应用。电路的缺点是二极管用的较多。在单相桥式全控整流电路中,每一个导电回路中有两个晶闸管,用两个晶闸管同

47、时导通以控制导电的回路。实际上为了对每个导电回路进行控制,只需要一个晶闸管可以用二极管代替,从而简化整个电路。(1) 与全控桥时相似,假设负载中电感很大,且电路已工作于稳态。在输入正半周,触发角处给晶闸管加触发脉冲,电压经过和向负载供电。转换电压过零变负时,因电感作用使电流连续,继续导通。(2) 但因为上端点电位低于下端点,使得电流从转移至,关断,电流不再流经变压器二次绕组,而是由和续流。此阶段,忽略器件的通态压降,则0,不像全控桥电路那样出现为负的情况。(3) 在变压器转换电压的负半周触发角时刻触发,导通,则向加反向电压使之关断,变压器转换电压经过VT3和VD2向负载供电。u2过零变正时,导

48、通,关断。和续流,负载电压又为零,此后一直重复以上过程。(4) 该电路实际应用中还需要加上一个续流二极管VDr,以避免可能发生的失控现象。实际中,如果没有续流二极管,当突然增加到180或者触发脉冲丢失时,会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况,这使得负载电压成为正弦半波,就是只有半个周期有电压输出,另外半个周期电压为零,平均值保持恒定,相当于单相半波不可控整流电路时的波形,称为失控。如果有续流二极管,续流过程由续流二极管来完成,在续流阶段晶闸管关断,这就避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。同时,续流期间导电回路中只有一个管压降,少一个管压降,有利于降低损耗。开关电源有两种

49、整流器,即工频整流器AC/DC和高频整流器。工频整流器的作用与一般电源的整流器相同。考虑到开关电源常常不用工频变压器而直接进行整流,因此,整流管应能承受较高的反向电压,比如600V。整流管的额定整流电流值由设计的输出功率决定,不仅稳态电流电容量要大于计算值常为它的两倍,而且还要能承受较高的浪涌电流的冲击。由资料实用电源技术手册查阅可知,桥式二极管的选取型号为D5SB。实用电源技术手册P115部分开关电源的桥式二极管2.3.2正激电路主电路采取了正激方式,电路原理图如图所示： 图2.8正激电路在主电路中,采取了单端正激式,单端通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器；正激脉冲变压器的原/付边相位关系,

50、确保在开关管导通,驱动脉冲变压器原边时,变压器付边同时对负载供电。从外界输入了交流电压,经过正激控制,如图所示,辅助绕组和D3连接,一次绕组和开关管连接起来,用MOSFET-N进行控制,经过二次绕组和输出电路连接起来。 图2.9正激电路波形图在主电路中,采取了正激方式,从外界输入了交流电压,经过正激控制,如图所示,辅助绕组和D1连接,一次绕组和开关管连接起来,用MOSFET-N进行控制,经过二次绕组和输出电路连接起来。2.3.3高频变压器的选取和计算单端正激变换器中的高频变压器,其磁通只工作在磁滞回线的第一象限,应遵循磁通复位的原则。但其变压器不像单端反激变换器的变压器那样有储能作用,因此单端

51、正激变换器的变压器的设计方法与反激式有很大差异。与脉冲变压器相同,单端变换器的变压器设计必须满足两个条件,一是服从电磁感应定律,二是在开关管导通期间确保磁芯不会饱和。原边绕组的匝数计算公式: 2-55式中E为原边绕组输入电压值,D为脉冲占空比,Ae是铁芯截面积,Bm是最大磁感应强度G,Br是剩余磁感应强度G。为了确保在开关管导通期间铁芯不发生饱和,磁场强度H应当满足： 2-56其中,H是磁场强度,lc是铁芯平均磁路长度cm,Im是磁化电流A,Lp是原边绕组励磁电感。1输出功率：次级主电路输出为120W,次级辅助输出,一路为18V,电流为2A,另一路为12V,电流为2A,总的输出：设效率,则输入

52、功率： 根据输入功率选择EE55磁芯设工作频率为38kHz,则 取占空比D=0.4,则 取=2计算初级直流输入电压对于单相交流电容滤波,直流电压约为交流输入电压有效值的1.2倍,则：3计算初级电感变压器初级绕组中的平均电流 则变压器初级绕组中的峰值电流 变压器初级电感量 4计算原边匝数 为防止变压器进入饱和区,留有裕量,取=0.3T,EE55磁芯中心柱的面积为340匝,取为26匝后来调试时实绕25匝5计算次级匝数初级绕组每伏匝数 伏/匝 次级主绕组匝数 匝 每一半绕组为12匝两辅助输出匝数 匝 取为2匝匝 取为2匝6线径的选择。变压器次级峰值电流 已知,初级电流的峰值为的三角波,有效值为A若取

53、则所需导线面积 为了减小集肤效应带来的影响,采用线来绕则 匝 留有裕量,6匝并绕同样的方法可以计算次级主绕组6匝并绕,两个辅助输出6匝并绕。2.3.4 MOSFET管的选取1功率管的分类及其特点 为了满足电力电子设备高频、高效率、高可靠性和低成本的方向发展要求,所以需要高速、高可靠、低损耗和低成本的功率器件。目前所用功率器件主要是功率MOSFET和IGBT。 MOSFET就是场效应晶体管。功率场效应晶体管分为结型和绝缘栅型,但通常指的是绝缘栅型中的MOS型,简称功率MOSFET 。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管。MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道功率MOSFET主要是N沟道增强型。按栅极电压幅值可分为；耗尽型和增强型。场效应管的工作方式