开题报告 高频开关电源

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1、黑龙江科技学院本科毕业设计开题报告题 目8V/10A高频开关电源设计来源自拟题目一、研究目的和意义随着工业的发展，工业粉尘治理成为急于解决的问题。常见的除尘设备有沉降除尘、惯性除尘、 旋风除尘、水膜除尘、布袋除尘及电除尘。静电除尘的原理是:在电极间加上高电压，使气体放电， 产生电子与正离子，气体中的尘粒获得电子而带负电荷，它在电场的作用下被吸向带正电荷的大电 极而附着在大电极上，然后用振动、刮削或冲洗的方法将其清除。静电除尘装置具有净化效率高、 压力损失小、耐高温、处理气体量大等特点，又能使混合粉尘分离，达到回收贵重材料的目的，所 以获得了广泛的应用。为了形成电场和电晕电流，必须设置配套的高压

2、电源。电源装置的容量、供 电 方式和供电特性将直接影响到静电除尘器的除尘效率。传统的静电高压电源根据输出功率大小，常 采用工频变压器直接升压整流方式或电容倍压电路方式来实现。功率输出大者则选用前者方式，输 出较小者选用后者来实现。随着电力电子技术的发展，新一代功率电子器件，MOSFET、如IGBT 等应用，高频逆变技术越来越成熟，各种不同类型和特点的电路，广泛地应用于直流直流变换，直 流交流逆变等场合，并使用户系统总体的体积减小，重量减轻，系统的效率也将得到一定程度的 提高。国际上，从20世纪20年代开始发展起来的常规电除尘器，其输出的高压电源是采用工频 22ov(或38ov)通过铁芯变压器把

3、电压升高至几万伏，在经过整流器变成脉动直流。由于这种电源内 阻很小，属于硬特性电源，不随负载加重而跌落。变压器体积较大，高压绝缘技术要求较高，用于工 业现场，高压需有短路保护措施，并常需要在输出高压端串电抗器件以限制短路电流的变化率，同 样由于频率较低，电感体积也较大。随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活 的关系日益密 切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源 化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控 交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源 技术的

4、迅谏发展。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)控制集成芯片IC和绝缘栅场效 应管MOsFET构成。开关电源不仅体积小而且损耗低，故几乎己应用在所有的电子设备中。随着许 多电器尺寸不断减小，供电电源 所占尺寸变得大得多，人们在降低开关电源的体积、重量等方面做 了不少工作。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。

5、开关电源经历了三个 重要发展阶段。第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GTO)发展为MOS型器件(功率MOS-FET、 IGBT、IGCT等)，使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。 第二个阶段自20世纪80年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使功率变换器性能更好、 重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。第三个 阶段从20世纪90年代中期开始，集成电力电子系统和集成电力电子模块(IPEM)技术开始发展， 它是当今国际电力电子界函待解决的新问题之一。目前市场上的高压开关电源大多采用晶闸管驱动， 开关

6、速度低、损耗大、噪声也大，并且使高压开关电源的频率受到限制，从而缩小了它的使用范围。 虽然国内已有少数厂家生产高频高压开关电源，但价格昂贵，因此设计、开发价格低廉的高频高压 开关电压是大势所趋，具有良好的市场。二、开关电源技术的发展方向1955年美国罗耶(GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制 电路的开端，1957年美国查赛(JenSen)发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家们提出取消 工频变压器的串联开关电源的设想， 这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了 1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器

7、件改善，终于做成了 25 千赫的开关电源#。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主 导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一 种电源方式。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(Mn Zn)材料上加大科技创新，以提 高在高频率和较大磁通密度(BS)下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术6。SMT 技术的应用使 得开关电源取得了长足的

8、进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、 小、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v。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

9、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。（1）高频化是电源技术发展的主流电源技术的精髓是电能变换，即利用电能变化 技术，将市电或电池等一次电源变换成适用于各种用电对象的二次电源。开关电源在电源技术中占 有重要地位，从lOkHZ发展到高稳定度、大容量、小体积、开关频率达到兆赫级的高频开关电源。 为高频变换提供了物质基础，促进了现代电源技术的繁荣和发展。高频化带来了最直接的好处是降 低原材料消耗、电源装置小型化、加快系统的动态反应，进一步提高电源进入更广阔的领域特别是 高新技术领域，进一步扩展了它的应用范围。（2）新理论、新技术的指导谐振变换、移

10、相谐振、零 开关PWM、零过渡PWM等电路拓扑理论;功率因数校正、有源箱位、并联均流、同步整流、高频 磁放大器、高速编程、遥感遥控、微机监控等新技术。指导了现代电源技术的发展。（3）新器件、新 材料的支撑绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、功率场效应晶体管（MOSFET）、智能IGBT功率模块 （IPM）、MOS栅控晶闸管（MCT）、静电感应晶体管（sIT）、超快恢复二极管、无感电容器、无感电阻 器、新型铁氧体、非晶和微晶软磁合金、纳米晶软磁合金等元器件，装备了现代电源技术，促进产 品升级换代。（4）控制的智能化 控制电路、驱动电路、保护电路采用集成组件。控制电路采用全数字 化。控制手段用微处理器

11、和单片机组成的软件控制方式，达到了较高的智能化程度，并且进一步提 高了电源设备的可靠性。（5）电源电路的模块化、集成化电源技术发展的特点是电源电路的模块化、 集成化。单片电源和模块电源取代整机电源，功率集成技术简化了电源的结构。已经在通讯、电力 获得广泛的应 用，并且派生出新的供电体制一分布式供电，是集中供电单一体制走向多元化。（6） 电源设备的标准规范电源设备要进入市场，今天的市场意识超越区域融贯全球的一体化市场，必须 遵从能源、环境、电磁兼容、贸易协定等共同准则，电源设备生产厂家必须接受安全、EMC、环境、 质量体系等种种标准规范的认证。自从石油危机以来，世界各国都在节约能源问题方面积极探

12、讨， 开关电源符合节能的原则。它在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义三、研究/设计的目标：1、高频开关电源的基本原理开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整 输出电压。开关电源的基本构成如图1所示，其中DC/DC变换器进行功率转换，它是开关电源的核 心部分，此外还有起动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路（R1、R2）检测输出电 压变化，与基准电压Ur比较，误差电压经过放大及脉宽调制（PWM）电路，再经过驱动电路控制功 率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。图2是一种电路实现形式。DC/DC变换器有多种电路形式，常

13、用的有工作波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振型变换 庚 右器。图1开关电源的基本构成图2开关型稳压电源的原理电路对于串联线性稳压电源，输出对输入的瞬态响应特性主要由调整管的频率特性决定。但对于开关 型稳压电源，输入的瞬态变化比较多地表现在输出端。提高开关频率的同时，由于反馈放大器的频率 特性得到改善，开关电源的瞬态响应问题也能得到改善。负载变化瞬态响应主要由输出端LC滤波器 特性决定，所以可以利用提高开关频率、降低输出滤波器LC乘积的方法来改善瞬态响应特性。开关型稳压电源的电路结构有多种：(1) 按驱动方式分，有自励式和他励式。(2) 按DC/DC变换器的工作方式分：单端正励

14、式和反励式、推挽式、半桥式、全桥式等； 降压型、升压型和升降压型等。(3) 按电路组成分，有谐振型和非谐振型。(4) 按控制方式分：脉冲宽度调制(PWM)式；脉冲频率调制(PFM)式；PWM与PFM混 合式。(5) 按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式、非隔离式和变压器耦合式、光电 耦合式等。以上这些方式的组合可构成多种方式的开关型稳压电源。因此设计者需根据各种方式的特征进行 有效地组合，制作出满足需要的高质量开关型稳压电源。变换电路方式主开关管耐压主开关管电流峰值输出电压u适合容量单端反激式2U.inP2To XUTinonuNTU X X -on-in N T1off几W几百W

15、单端正激式2UiinPTXU T inonN TUX 2 X on-in N T1几百W几千W变形双管串联正 激式UinN TU X 2 X -on- in N T1几百W几千W推挽式2U.inPoUin/T、1 + fTIon丿N TU X X in N T1几百W几千W半桥式UinP (T2o- 1Hof U ITinon丿1 NTU X X on2 in NT1几百W几千W串联型半桥式12Um1 N TUX X -on-2 in N T1几百W几千W全桥式UinPoUin/T、1 + fTI Ton 丿N TU X X -on- in N T1几百W几千W一般是按照开关电源的输入和输出进行分类Acdc:把交流输入变换成直流输出，一次电源。Dcdc：把直流输入变换成直流输出，二次电源。DcAc： 把直流输入变换成交流输出，逆变器电源。 AcAc:把交流输入变换成交流输出，UPS电源。四、设计方案：目前，在高频开关电源中应用最广泛的功率半导体器件有两类：双极型功率晶体管和功率金属氧 化物场效应管。1、晶体管的选择选择晶体管时，必须注意两个基本参数