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1、毕业设计文献综述电气工程及其自动化大功率开关电源的设计开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出 电压的一种电源。开关电源已经应用于各种电了设备中，正是开关电源广阔的应用前景，为 开关电源技术发展提供了强大的动力。木文是对所搜集资料的梳理，以期对开关电源有一个 全面的了解。一、开关电源的分类开关电源种类繁多，按工作性质分，可分为“驶开关”和“软开关”两种。所谓便开关, 是指电了脉冲、外加控制信号强行对电了开关进行“通”和“断”，而与电了开关自身流过的 电流以及两端施加的电压无关。显然，开关在接通和关断期间是有电流、电压存在的，因此 这种工作方式是有损耗的。但是
2、它比其它变换电源的控制形式简单得多，成木也低，所以硬 开关在很多地方仍然在应用,如脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)器就属于硬开关。 目前，很多开关电源都用PWM来控制。另一类叫做软开关，电子开关在零电压下导通，在零 电流下关断。可见，电了开关是在“零状态”下工作的，所以理论上它的损耗为零，软开关 对浪涌电圧、脉冲尖峰电压的抑制能力很强，其工作频率可以提高到5MIIz以上，开关电源的 重量和体积则可以进行更大的改变。为了实现冬电压“通”和零电流“断”，我们常采用谐振 的方法。利用谐振电路可实现正弦波振荡，当振荡到零时，电了开关导通，称之为零电压导 iS(Zero
3、 Voltage Switching, ZVS)。同样,流过电子开关的电流振荡到零时,电了开关关断, 称之为零电流关断(Zero Current Switching, ZCS)总之.，电了开关具有零电压导通、零电 流关断的外部条件，这种变换器称为准谐振变换器。它是在脉宽调制器上附加谐振网络而形 成的，固定电子开关导通时间，通过调整振荡频率，最终使电路产生谐振，从而获得准谐振 变换器的模式。准谐振变换器开关电源的输出电压不随输入电压的变化而变化，它的输出电 流也不随用电负载的变化而变化，这种开关电源的主变换器依靠开关频率来稳泄输出参数， 称Z为调频开关电源。调频开关电源没有脉冲调制开关电源那么容
4、易控制，再加上准谐振电 路电压峰值高，开关所受的应力大，H前还没有得到广泛的应川丁。从输入、输出有无变压器隔离来说，肓流-肓流(DC-DC)变换分为有变压器隔离和没侑变 压器隔离两类。非隔离型有六种拓补结构，即降压(Buck)型电路、升压(Boost)型电路、升降 压(Buck-Boost)型电路、Cuk型丘克电路、Sepic型电路和Zeta型电路。隔离型开关电源分为正激型、反激型、半桥型、全桥型和推挽型五种。按激励方式分，有白激式和他激式两种。|激式包括单管式和推挽式，他激式有四种类型，分别为脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)、脉冲密度调制(PDM)和混合调制，其中用得最多的是脉
5、冲宽度调调制变换器工匕。二、国内开关电源的发展概况(1) 电源技术的发展 国内开关电源技术的发展，起源于20世纪70年代末80年代初。经过20多年的发展，开关电源技术有了重大进步和突破。新型功率器件的开发促 进了开关电源的高频化；控制技术的发展以及专用控制芯片的生产，使开关电源的动态性能 和可靠性大大提高；有源功率因数校正技术(APFC)的开发，提高了 AC/DC开关电源的功率因 数，既治理了电网的谐波污染，乂提高了开关电源的敕体效率。集成化是开关电源的一个重要发展方向。集成化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体 积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，
6、提高系统的可靠性。另外，大功率的开关电源，由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性 方血的考虑，一般采用多个独立的模块单元并联T作“o在节能减排深入人心的今天，H然要求开关电源朝“绿色”方向发展。电源系统的绿色 化有两层含义：首先是节电，这样就能减少对环境的污染；其次是要求电源不能(或很少)对 电网产生污染。(2) 电源市场的发展我国信息产业、国防T业、家电行业，特别是电信业的迅猛发展, 是电源市场发展的强人推动力。据国家统计局最新资料显示，当前我国电了信息产业的产区、 产出、销伟总规模以及对国家经济增长的贡献，均居全国各工业行业Z首，成为我国工业第 一支柱产业。国内成规模的企业有I7L家，国产
7、开关电源已占一据了相当市场，一些大公司自 主开发的电源系列产品已获得广泛认同，在市场竞争中颇具优势，并开始出口。同时也应看 到，也有不少进口品牌，在这一领域己经形成了竞争局面。(3) 电源标准的制定20世纪90年代初，高频开关电源的应用刚刚在电了、电信行业起 步，适时颁布的通信用高频开关整流器和通信局(站)电源系统总技术要求等标准对 指导生产、服务用户起到了重要作用，对高频开关电源在电信行业的迅速推广也起到了积极 作川。随肴市场的扩大，川户对电源科能化程度的要求越来越高，冇关电源集中监控的标准 相继被推出。随着技术不断进步，经验逐渐积累，行业标准急需修订，技术指标需要改进， 测试方法需要完善，
8、内容需要增加，为把好产品质量关提供更可靠的依据11。三、开关电源的发展概况由于外界的要求提高推动了两个开关电源的分支技术育成为当今电力电子的研究课 题，及有源功率因数校正技术和低压犬电流高功率DC/DC变换技术。另外由于技术性能和要 求的提高，使得许多相关技术课题的研究，例如电磁干扰(EMI)问题、PCB Layout问题、热理 论的分析、集成磁技术、新粮电容技术、新熨功率器件技术、新世控制以及结构和丁艺等正 在迅速增加。1. 电路集成的进一步发展方向是系统集成。20世纪末英特尔微处理器的工作电压是2 3V,电流为10A,操作频率是300MHzo而两年后它的工作电压降到IV,电流为3050A,
9、操 作频率为lGHzo现在的做法是把开关电源紧靠在微处理器上，开关电源以很快的速度提供电 流给微处理器，这样尚能满足现有处理器的要求。但将来微处理器丁作电压降低、电流增加、 速度加快的时候，现冇的解决方法将无法达到它的要求。为此，/泽元教授提出要彻底解决 问题，必须将开关电源与微处理器结合在一起。今天英特尔公司大部分人接受了这一想法并 在积极促成此事。提出的构想是开关电源紧密结合在微处理器主机板下面。这样开关电源的 大小必须与微处理器相当，而现在的开关电源要比微处理器大几H咅。如何减小体积？这又 面临新的挑战“。2. 功率因数校正技术的发展动态 功率因数校正技术有两类：一类是无源PFC技术，另
10、 一类是有源PFC技术。1982年国际电工委员会制定了 1EC555-2标准，欧洲于1987年制定 EN60555-2标准，规定300W以上的设备在1992年实行功率因数限制，凡是不符合此标准的产 品不准在欧洲销售。3. 低压大电流DC/DC变换技术的发展动态 低压大电流高功率DC/DC变换技术，已从 3.：弭降至现在的1.0V左右，电流H前己可达几十安至几百安。超高速计算机和超大规模集成 技术的迅速发展，要求供电电源电压不断降低，这是提高速度的前提条件现代高频开关电源的新技术、新器件、新产品和应用领域，正在快速发展和涌现。它以 空前规模，广泛地进入了国民经济和人类生活的备个环节。据专家估计，
11、高频开关电源近3 4年的新器件和新技术，已明显超过前十几年的总和各种电了装置、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。由于计算机等电了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。大功率开关型高压肓流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50159RV,电流达到0.5A以上，功率可达100kWo自从20世纪 70年代开始，口本的一些公司开始采用逆变技术，将市电整流后逆变为：3kH左右的中频，然 后升压。进入80年代，高频开关电源技术迅速发展。徳国西门子公司采用功率晶体管做主开 关元件，将
12、电源的开关频率提高到20kHz以上(这一变化茯至被称为“20kHz革命”)，并将 干式变压器技术成功应用于高频高压电源，取消了高压变压器油箱，使变压器系统的体积进 步减小。国内对静电除尘高压直流电源进行了研制，市电经整流变为育流，采川全桥零电流开关 串联谐振逆变电路将肓流电压逆变为高频电压，然麻由高频变压器升压，报麻整流为肓流高 压。在电阻负载条件下，输出育流电压达到55kV,电流达到15mA, 丁作频率为25.6kHz 。许多国外开关电源芯片厂家都推出了与产品相恥套的开关电源设计软件，如单片开关电 源计算机辅助设计软件有美国电源集成(Power Integrations, PI)公司推出的P
13、I Expert2. 0/2. 5/4. 0/5. 0/6. 0/6. 5 版专家系统；荷兰 Philips 公司开发的 STARplug design wizard V1.0(简称St ar Plug)设计软件；美国飞兆半导体公司(Fairchild Semiconductor Inc 简称 FATRCHTLD公司)推出的SMPS Design Toolkit 16开关电源设计工具包等。而开关电源计算 机仿真软件有意-法半导体(ST)有限公司开发的开关电源设计与仿真软件VIPer 2. 24；美国 Ridley Engineering公司开发的POWER 4-5-6/S. 5和美国Analo
14、g公司推出的模Saber仿真软 件等购。所有的仿真软件都是为实际制作服务的，计算机仿真设计完成后，再搭建实验电路 进行实验验证及参数优化，可以很大地提高设计效率，二者相互补充，但不能彼此替代J四、小结木文对从学校图书馆所借阅的与开关电源相关图书以及从期刊全文数据库中下载的 资料进行了整理，对开关电源进行了较为详细的阐述，包括开关电源的分类，国内外开关电 源的发展概况。高频变压器的设计是开关电源设计中的重要一项，其中涉及诸多方页的知识, 在选用什么类型的磁心，用什么规格的漆包线，匝比的确定以及绕组选择什么样的绕法，部 需通过计算，而且还要有相当丰富的经验，对于各种计算机辅助设计软件设计结果只能提
15、供 参考，实际制作过穆中还需不断调整参数。通过对资料的收集整理，最终确定将毕业设计分成四个部分来完成：1、功率因数校正电路的设计。采用功率因数校正芯片UC3854来实现。2、辅助电源的设计。T0P204YN是专门的单片集成开关电源芯片，其技术已十分成熟。3、驱动电路的设计。采用两片半桥驱动芯片IR2155來控制全桥电路工作。4、全桥变换电路的设计。以上四个部分相辅相成，某一环节工作不正常将导致敕个电路无法正常工作。参考文献1 赵同贺.新型开关电源典型电路设计与应用M.北京：机械工业出版社，2009. 9.2-4.2 杨旭，裴云庆，王兆安.开关电源技术M.北京：机械工业出版社,2004. 1.
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