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1、绪 论随着电力电子技术的高速发展，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迅速发展。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
2、输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。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泛的发展空间。 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。直流稳压系统，即稳压电源，是各种电子电路的动力源，被人们誉为电路的心脏。人所皆知，所有的用电设备，包括电子仪表、家用电器、工业用电器设备等，对供电电压都有一定的要求。例如，有的电视机要求22
3、0V的电网供电电压变化不能超过10%，即从198V到242V之间。如果超出这个范围，电视机就不能正常收看，甚至会因电压过高而烧坏电视机。至于精密电子仪器，对供电电压保持稳定不变的要求就更加严格。为解决用电设备要求供电稳定，而是点电网又难以保证的供求矛盾，人们便研制了各种各样的稳定电源。所谓 “稳定”是指电压或电流的变化小到可以允许的程度，并不是绝对不变的。稳压问题的提出，可追溯到19世纪，爱迪生发明电灯时，就曾考虑过稳压器。到20世纪初，就已经出现了铁磁稳压器及相应的技术文献。电子管问世不久，就有人设计了电子管直流稳压器，20世纪40年代后期，电子器件与磁饱和元件相结合，构成了电子控制的磁饱和
4、交流稳压器，至今还在应用中。20世纪50年代，随着半导体工业的飞速发展，晶体管的诞生使串联调整型晶体管稳压电源成了直流稳压电源的中心，这种局面一直维持到20世纪60年代中期。这种电源虽然性能优良，但它的最大的弱点是由于功率调整管与负载串联，并且晶体管工作在线性区域。稳压器的输出电压调节与稳定借助于功率调整管上电压降的调整来实现，因而在输出电压低、电流大的场合，效率非常低且功率晶体管发热也很严重，散热变成了很大的问题。随着半导体技术的进步，电子设备开始从分立元件进入集成电路时代，体积日益减小，装机密度不断提高，规模容量逐渐增大。这种晶体管串联型常规电源难以满足形势发展的问题日益显露。20世纪60
5、是年代后期，科技工作者对稳定电源技术进行了一次新的总结，是开关电源和可控硅电源得到了快速的发展。与此同时，将稳压器的大部分元器件都集成在一块硅基片上的集成稳压器也在不断发展。从1967年美国Bob Widlar发明了第一块集成稳压器A723至今，集成稳压器种类之多，系列之全使人们刮目相看。简述之，以电子计算机为代表的要求供电电压低，电流大的电源都是由开关电源担任的；要求供电电压高，电流大的设备的电源有可控硅电源代之；要求控制电电流小，电压低的仪器仪表会家用电器都采用集成稳压器。至于一些对电源稳定度要求很高的精密测量仪器或在其他高电压，小电流的供电场合，仍摆脱不了串联型晶体管稳压电源。除稳压电源
6、外，稳定电源还包括稳流电源。稳流电源的功能是稳定负载电流。因为在实际生活中，有一些用电设备要求流过的电流保持稳定。对稳流电源的研究比稳压电源晚一些，但就其工作原理来说，稳流电源和稳压电源很相似。完全可以说，稳流实质上是稳定某一个负载电流成比例的电压。如果这个电压稳定，与之成比例的电流自然也就稳定了。这样，让负载电流流过一个可以认为是不变的精密电阻，在精密电阻上产生的电压与负载电流成比例，想办法是这个电压稳定，负载电流也就稳定了。不过，在具体作时，稳流电源比稳压电源要复杂些，问题还要多一些。 现代电子设备使用的稳压电源按工作方式大致可分为线性稳压源和开关稳压电源两大类。所谓线性稳压源，就是其调整
7、管工作在线性放大区。这种稳压电源主要缺点是变换率低，一般只有百分之三十五到百分之六十左右。由于调整管上损耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积较大的散热器。因此，它的应用受到了很大的限制。开关稳压电源的调整管工作在开关状态。主要优点就是变换效率高，可达百分之七十到百分之九十五。体积小，重量轻，调整管功率损耗小，散热器也随之减小，稳压范围宽，对电网造成污染小，而且滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小。本设计即是利用开关稳压电源的诸多优点来实现直流稳压系统的设计。应用PWM脉宽调制技术，采用现代新型电力半导体器件绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipola
8、r TransistorIGBT)作为本稳压系统的调整管，其具有耐压高，电流容量大，开关频率高，损耗小等特点。第1章 开关电源的分类及发展趋势1.1 开关电源的分类 开关电源技术领域主要有两大突破口，相关电力电子器件的开发与开关变频技术创新，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源
9、的结构和特性作以阐述。 1.1.1 DC/DC变换 DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类： （1） Buck电路降压斩波器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，极性相同。 （2） Boost电路升压斩波器，其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，极性相同。 （3） Buck-Boost电路降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。 （4） Cuk电路降压或升压斩波器，其输出平均电压U
10、o 大于或小于输入电压UI,极性相反，电容传输。 当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为（6、2、10、17）W/cm3，效率为（80-90）%。日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200300）kHz，功率密度已达到27 W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二极管），是整个电路效率提高到90%。 1.1.2 AC/DC变换 AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功
11、率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优
12、化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。 AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单项、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。 1.2 开关电源的选用 开关电源在输入抗干扰性能上，由于其自身电路结构的特点（多级串联），一般的输入干扰如浪涌电压很难通过，在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势，其输出电压稳定度可达（0.51）%。开关电源模块作为一种电力电子集成器件，在选用中应注意以下几点：输出电流的选择、接地设计、保护电路的选择。 1.2.1 输出电流的选择因开关电源工作效率高，一般可达到80%以上，故在其
13、输出电流的选择上，应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流，以使被选用的开关电源具有高的性能价格比，通常输出计算公式为： Is=KIf 式中：Is开关电源的额定输出电流； If用电设备的最大吸收电流； K裕量系数，一般取1.51.8。 1.2.2 接地开关电源比线性电源会产生更多的干扰，对共模干扰敏感的用电设备，应采取接地和屏蔽措施，按ICE1000EN61000FCC等EMC限制，形状开关电源均采取EMC电磁兼容措施，因此开关电源一般应带有EMC电磁兼容滤波器。如利德华福技术的HA系列开关电源，将其FG端子接大地或接用户机壳，方能满足上述电磁兼容的要求。 1.2.3 保护电路 开关电源在设计中
14、必须具有过流、过热、短路等保护功能，故在设计时应首选保护功能齐备的开关电源模块，并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配，以避免损坏用电设备或开关电源。1.3 开关电源技术的发展趋势目前，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。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的kHz、用制成的kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极
15、管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实
16、用化研究。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。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
