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1、 第47页 共 51页目 录引言11本文概述21.1选题背景21.2本课题主要特点和设计目标21.3课题设计思路32SABER软件42.1SABER简介42.2SABER仿真流程52.3本章小结53三相桥式全控整流器的设计73.1工作原理73.1.1 三相桥式全控整流电路的特点83.2保护电路83.2.1 过电压产生的原因83.2.2 过压保护83.2.3 过电流产生的原因93.2.4 过流保护103.3SABER仿真123.3.1 设计规范123.3.2 建立模型133.3.3 仿真结果133.3.4 结果分析153.4本章小结154功率因素校正技术164.1谐波164.1.1 谐波的危害1
2、64.1.2 谐波补偿和功率因素校正164.2有源功率因数校正174.2.1 APFC技术分类174.2.2 临界导电模式APFC的控制原理184.2.3 功率因素校正电路的缺点及解决方法194.3本章小结205软开关功率变换技术215.1软开关技术的提出215.1.1 开关损耗的成因215.2软开关技术225.2.1 软开关技术的一般实现方法235.2.2 软开关的发展历程主要分类255.3本章小结266双管正激变换器的设计276.1工作原理276.2SG3525的功能介绍以及应用286.2.1 SG3525基本工作原理和应用特点296.2.2 SG3525在双管正激开关电源中的应用296.
3、3启动电路的改进316.4SABER仿真316.4.1 设计步骤简介316.4.2 设计规范316.4.3 开环设计（功率电路设计）326.4.4 调制器设计和闭环仿真356.5仿真结果386.6本章小结397BOOST变换器的设计407.1工作原理407.2SABER仿真417.2.1 设计规范417.2.2 参数设计427.2.3 仿真结果437.3本章小结438系统集成调试449结论与展望45谢 辞46参考文献47附录48引言人类已经进入工业经济时代，并处于转入高新技术产业迅猛发展的时期。电源是向负载提供优质电能的供电设备，是工业的基础。电源涉及功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子
4、技术、自动控制技术等多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。在现代通信，电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防以及某些高新技术中发挥着重要作用。开关电源是直流电源系统的一个重要组成部分。高频开关技术是采用高频功率半导体器件和脉宽调制(PWM)技术的功率变换技术。其发展方向是高频，高功率因素，抗干扰和模块化，其中进一步实现高频化是开关电源的发展趋势，同时软开关技术也成为开关电源的主流技术，由于工作频率高，电路中的滤波电感和电容的体积可大大缩小；同时，高频变压器取代了工频变压器则变压器的体积减小、重量降低；另外，由
5、于开关管高频工作，功率损耗小，因而开关电源效率高。开关管一般采用PWM控制方式，稳压稳流特性极佳。现在应用于开关电源技术的仿真软件已有多种，它们有通用的软件，也有专业的软件，其中通用的最具影响的是PSPICE 和MATLAB。PSPICE 是美国加州大学伯克利分校推出的集成电路分析软件SPICE 的微机版，广泛应用于电子电路的设计。早期的MATLAB 主要应用于控制系统的仿真和分析，经过不断扩展已经成为包括通信、电气工程、优化控制等诸多领域的科学计算软件。虽然上述两个软件均可用于开关电源系统的仿真，但是笔者认为开关电源技术作为一门跟实践紧密联系的课程，采用专业级的仿真软件效果将会更好，因此本次
6、设计将采用专业级的电源仿真软件-SABER。本文应用高频开关PWM技术，设计了一种开关频率50KHZ的高频开关电源，系统主电路包括三相桥式全控整流器、双管正激变换器、BOOST变换器。根据题目要求，应用SABER软件对上述几个电路进行了原理性仿真测试，并对仿真结果进行了分析。1 本文概述1.1 选题背景开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一
7、点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。从开关电源发展史来讲，如今已经走到第五代。第一代是70年初，那时候从线性电源开始走向开关电源；第二代是1976开始取得UL安规认证；第三代从80年代中期开始，开关电源走向全球通用，因此电源的开发就不能局限在北美或者日本市场，输入电压要考虑85265V范围内，同时欧规和其他安规都要考虑进来；第四代在90年中期，欧盟要求EMC(电磁兼容)，包括PFC方面的高次谐波要求；现在进入了第五代，2006年7月，欧盟将强制执行ROHS条例，以限制有毒物质的使
8、用，新一代的电源产品就这样诞生了。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节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。近年来，开关电源已广泛应用于电力，通信，交通等各个领域，并取得了显著的经济效益。随着开关器件以及磁性材料性能的不断改进，开关频率逐步提高，功率逐步增大，开关电源的性能也更加优良。相关技术的发展和开发软件的改进，也使开关电源的研发水平大大提高。1.2 本课题主要特点和设计目标 高可靠性、高电气指标等特征，使得开关电源具有更强的竞争力，应用
9、领域不断扩大，高频开关电源向着高频、高效、高功率因素发展，必然将有更多更好的新技术出现，来不断完善它。本文通过对开关电源的工作原理进行探究，分析了提高电源性能的新技术，设计了主体电路，分析了控制保护电路，并用SABER软件对电路进行原理性仿真模拟。本课题所设计的开关电源，具体要求如下：(1) 输入：三相交流输入380V，在10变化内；(2) 输出：200VDC/10A；(3) 稳压精度0.1，功率因数大于0.9，具有过流过压保护措施1.3 课题设计思路交流输入的开关电源的设计电路如图1.1所示。交流电经整流和PFC后转换成高压直流电，经DC/DC变换器后转换成所需的直流电输出。保护电路交流三相
10、桥式全控整流PFC输入保护主控器输出保护DC/DC直流触发电路图1.1 开关电源的基本设计本文主要通过对传统开关电源的研究，针对其不足，提出了改善，运用PWM技术，使电源输出更稳定，性能更好，效率更高。2 SABER软件2.1 SABER简介SABER是由analogy公司开发、现由Synopsys公司经营的系统仿真软件，被誉为全球最先进的系统仿真软件，也是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品，现已成为混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准，可用于电子、电力电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真，这也是SABER的最大特点。SABER作为混合仿真系统，可以兼
11、容模拟、数字、控制量的混合仿真，便于在不同层面上分析和解决问题，其他仿真软件不具备这样的功能。SABER仿真软件是当今世界上功能强大的电力电子仿真软件之一，我们从以下几个方面对SABER仿真软件进行介绍： (1) 原理图输入和仿真。SABER Sketch是SABER的原理图输入工具，通过它可以直接进入SABER仿真引擎。在SABER Sketch中，用户能够创建自己的原理图，启动SABER完成各种仿真（偏置点分析、DC分析、AC分析、瞬态分析、温度分析、参数分析、傅立叶分析、蒙特卡诺分析、噪声分析、应力分析、失真分析等），可以直接在原理图上查看仿真结果，SABER Sketch及其仿真功能可
12、以帮助用户完成混合信号、混合技术（电气、液压等）系统的仿真分析。SABER Sketch中的原理图可以输出成多种标准图形格式，用于报告、设计审阅或创建文档。(2) 数据可视化和分析。Cosmos Scope是SABER的波形查看和仿真结果分析工具，它的测量工具有50多种标准的测量功能，可以对波形进行准确的定量分析。它的专利工具波形计算器，可以对波形进行多种数学操作。Cosmos Scope中的图形也可以输出成多种标准图形格式用于文档。(3) 模型库。SABER拥有市场上最大的电气、混合信号、混合技术模型库，它具有很大的通用模型库和较为精确的具体型号的器件模型，其元件模型库中有4700多种带具体
13、型号的器件模型，500多种通用模型，能够满足航空、汽车和电源设计的需求。SABER模型库向用户提供了不同层次的模型，支持自上而下或自下而上的系统仿真方法，这些模型采用最新的硬件描述语言（HDL），最大限度的保证了模型的准确性，支持模型共享。(4) 建模。不同类型的设计需要不同类型的模型，SABER提供了完整的建模功能，可以满足各种仿真与分析的需求。其建模语言主要有MAST、VHDLAMS、Fortran，建模工具包括StateAMS、5维的图表建模工具TLU，SABER可以对SPICE、SIMULINK模型进行模型转换，同时SABER还拥有强大的参数提取工具，可以通过协同仿真实现模型复用。SA
14、BER的混合信号、混合技术设计和验证能力已经得到了业界的验证，功能强大的原理图输入、仿真分析、模型库、建模语言、建模功能再加上先进的布局布线设计使SABER成为业界工程师的首选。SABER的架构和独一无二的模型交换能力为市场上提供了最为强大的仿真工具，能够处理所有的仿真需求。2.2 SABER仿真流程利用Saber软件进行仿真分析主要有两种途径，一种是基于原理图进行仿真分析，另一种是基于网表进行仿真分析.前一种方法的基本过程如下：a. 在SaberSketch中完成原理图录入工作;b. 然后使用netlist命令为原理图产生相应的网表;c. 在使用 simulate 命令将原理图所对应的网表文
15、件加载到仿真器中,同时在Sketch中启动SaberGuide界面;d. 在SaberGuide界面下设置所需要的仿真分析环境,并启动仿真;e. 仿真结束以后利用CosmosScope工具对仿真结果进行分析处理.在这种方法中,需要使用SaberSketch和CosmosScope两个工具,但从原理图开始,比较直观.所以,多数Saber的使用者都采用这种方法进行仿真分析.但它有一个不好的地方就是仿真分析设置和结果观察在两个工具中进行,在需要反复修改测试的情况下,需要在两个窗口间来回切换,比较麻烦.而另一种方法则正好能弥补它的不足.基于网表的分析基本过程如下:a. 启动SaberGuide环境,即平时大家所看到的Saber Simulator图标,并利用load design 命令加载需要仿真的网表文件;b. 在SaberGuide界面下设置所需要的仿真分析环
