《開關(guān)電源設(shè)計》PPT課件

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1、第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 6.1 小 功 率 開 關(guān) 電 源 6.2 大 功 率 開 關(guān) 電 源 6.3 逆 變 電 源 6.4 便 攜 式 開 關(guān) 電 源 6.5 多 輸 出 高 精 度 直 流 電 源 6.6 通 信 系 統(tǒng) 電 源 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 6.1 小 功 率 開 關(guān) 電 源6.1.1 50W電 源 設(shè) 計本 節(jié) 以 小 型 電 源 的 設(shè) 計 為 例 ， 說 明 電 源 設(shè) 計 的 方 法 。 1 電 源 設(shè) 計 指 標(biāo) 典 型 小 功 率 電 源 輸 入 、 輸 出 參 數(shù) 如 下 ： 輸 入 電 壓 ： AC 220

2、V； 輸 入 電 壓 變 動 范 圍 ： 190 240V； 輸 入 頻 率 ： 50Hz； 輸 出 電 壓 ： 12V； 輸 出 電 流 ： 2.5A。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 控 制 電 路 形 式 為 它 激 式 ， 采 用 UC3842為 PWM控 制 電 路 。電 源 開 關(guān) 頻 率 的 選 擇 決 定 了 變 換 器 的 特 性 ， 開 關(guān) 頻 率 越 高 ，變 壓 器 、 電 感 器 的 體 積 越 小 ， 電 路 的 動 態(tài) 響 應(yīng) 也 越 好 。 但 隨著 頻 率 的 提 高 ， 諸 如 開 關(guān) 損 耗 、 門 極 驅(qū) 動 損 耗 、 輸 出 整 流 管的 損 耗

3、等 會 越 來 越 突 出 ， 而 且 頻 率 越 高 ， 對 磁 性 材 料 的 選 擇和 參 數(shù) 設(shè) 計 的 要 求 會 越 苛 刻 。 另 外 ， 高 頻 下 線 路 的 寄 生 參 數(shù)對 線 路 的 影 響 程 度 難 以 預(yù) 料 ， 整 個 電 路 的 穩(wěn) 定 性 、 運 行 特 性以 及 系 統(tǒng) 的 調(diào) 試 會 比 較 困 難 。 在 本 電 源 中 ， 選 定 工 作 頻 率 為85kHz。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 2 電 路 結(jié) 構(gòu) 的 選 擇 小 功 率 開 關(guān) 電 源 可 以 采 用 單 端 反 激 式 或 者 單 端 正 激 式 電路 ， 電 源 結(jié) 構(gòu) 簡 單

4、 ， 工 作 可 靠 ， 成 本 低 。 與 單 端 反 激 式 電 路相 比 ， 單 端 正 激 式 電 路 開 關(guān) 電 流 小 ， 輸 出 紋 波 小 ， 更 容 易 適應(yīng) 高 頻 化 。 用 電 流 型 PWM控 制 芯 片 UC3842構(gòu) 成 的 單 端 正 激式 開 關(guān) 穩(wěn) 壓 電 源 的 主 電 路 如 圖 6-1所 示 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 圖 6-1 UC3842構(gòu) 成 的 單 端 正 激 式 開 關(guān) 穩(wěn) 壓 電 源 主 電 路 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 單 端 正 激 式 開 關(guān) 穩(wěn) 壓 電 源 加 有 磁 通 復(fù) 位 電 路 ， 以 釋 放 勵磁 電

5、 路 的 能 量 。 在 圖 6-1中 ， 開 關(guān) 管 VT導(dǎo) 通 時 VD1導(dǎo) 通 ， 次級 繞 組 N2向 負 載 供 電 ， VD4截 止 ， 反 饋 電 繞 組 N3的 電 流 為 零 ；VT關(guān) 斷 時 VD1截 止 ， VD4導(dǎo) 通 ， N3經(jīng) 電 容 C1濾 波 后 向 UC3842的 7腳 供 電 ， 同 時 初 級 繞 組 N1上 產(chǎn) 生 的 感 應(yīng) 電 動 勢 使 VD3導(dǎo)通 并 加 在 RC吸 收 回 路 。 由 于 變 壓 器 中 的 磁 場 能 量 不 像 一 般的 RCD磁 通 復(fù) 位 電 路 消 耗 在 電 阻 上 ， 而 是 通 過 N 3泄 放 ， 因此 可 達

6、 到 減 少 發(fā) 熱 、 提 高 效 率 的 目 的 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 3 變 壓 器 和 輸 出 電 感 的 設(shè) 計 依 據(jù) UC3842應(yīng) 用 方 式 ， 選 用 定 時 電 阻 RT=18k， 定 時電 容 CT=3300pF。 確 定 開 關(guān) 頻 率 f=30kHz， 周 期 T=33.3s。選 電 源 占 空 比 D=0.5， 得 ton=T D=16.65s (6-1) 選 擇 磁 芯 截 面 積 S=1.13cm2， 磁 路 有 效 長 度 l=6.4cm，=2000(MXO材 料 )， 則 電 感 系 數(shù) 為 (6-2) H44.4104.0 6 l SL

7、變 壓 器 初 級 繞 組 匝 數(shù) N1為 (6-3) SBtUN maxoni1 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 初 級 繞 組 電 感 為 87211 NL L mH 次 級 繞 組 匝 數(shù) 為 DU UUUNN L i VD1o12 )( (6-4) 式 中 ： UVD1為 整 流 二 極 管 VD1的 壓 降 ， UL為 輸 出 電 感 L的 壓 降 。取 UVD1+UL=0.7V， 代 入 式 (6-4)， 得 N2=28匝 。 由 式 (6-2)， 次級 繞 組 電 感 為 48.3222 NL L mH (6-5) 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 設(shè) 開 關(guān) 管 斷 開 時

8、， N1兩 端 感 應(yīng) 電 動 勢 e=300V； 反 饋 繞組 向 UC3842的 7腳 提 供 工 作 電 壓 ， 設(shè) 電 容 C1上 的 電 壓UC=16V， 由 N3=(UC/e)N1， 得 N37.5， 取 8匝 。 變 壓 器 次 級 電 流 為 矩 形 波 ， 其 有 效 值 為 (6-6) A 77.1707.05.2 o2 DII 導(dǎo) 線 電 流 密 度 取 4A/mm2， 所 需 繞 組 導(dǎo) 線 截 面 積 為 1.77/4 0.44mm2。 同 樣 可 選 擇 初 級 繞 組 導(dǎo) 線 ， 初 級 電 流 有 效 值 為 (6-7) 2 1 o1 0.35ANI I DN

9、第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 導(dǎo) 線 截 面 積 為 0.35/4=0.0875 mm2， 選 用 截 面 積 為 0.1 mm2的 導(dǎo) 線 。 取輸 出 電 感 的 電 流 變 化 量 IL=0.2Io=0.5 A， 則 輸 出 電 感 為 onoVD12 tI UUUL L (6-8) 式 中 ， U2為 次 級 繞 組 電 壓 。 計 算 得 ： 4.25 VD1o2 D UUUU L V (6-9) 取 UVD1=0.5 V， Uo=12 V， 代 入 式 (6-8)得 L=429.57 H。 根 據(jù) 輸 出 電 感 上 的 電 流 IL=Io， 繞 組 導(dǎo) 線 截 面 積 約 為

10、 2.5/4=0.65 mm2，選 擇 截 面 積 為 0.75 mm2的 導(dǎo) 線 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 4開關(guān)管、整流二極管和續(xù)流二極管的選擇 由 于 開 關(guān) 管 斷 開 時 初 級 繞 組 N1 兩 端 的 感 應(yīng) 電 動 勢 限 制 為 eL 300 V，交 流 輸 入 電 壓 經(jīng) 全 波 整 流 、 電 容 濾 波 后 ， 直 流 輸 入 電 壓 的 最 大 值 為 3392240maxi U V (6-10) 整 流 二 極 管 所 承 受 的 最 高 反 向 電 壓 為 60 12D NNeU V (6-11) 續(xù) 流 二 極 管 所 承 受 的 最 高 反 向 電

11、 壓 為 6812maxiF NNUU V (6-12) 整 流 二 極 管 和 續(xù) 流 二 極 管 的 最 大 電 流 為 75.21.1 oVD2VD1 III A (6-13) 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 5 反 饋 電 路 的 設(shè) 計 電 流 反 饋 電 路 采 用 電 流 互 感 器 ， 通 過 檢 測 開 關(guān) 管 上 的 電流 作 為 采 樣 電 流 ， 原 理 如 圖 6-2所 示 。 電 流 互 感 器 的 輸 出 分為 電 流 瞬 時 值 反 饋 和 電 流 平 均 值 反 饋 兩 路 ， R2上 的 電 壓 反 映電 流 瞬 時 值 。 開 關(guān) 管 上 的 電 流 變

12、 化 會 使 UR2變 化 ， UR2接 入UC3842的 保 護 輸 入 端 3腳 ， 當(dāng) UR2=1V時 ， UC3842芯 片 的 輸出 脈 沖 將 關(guān) 斷 。 通 過 調(diào) 節(jié) R1、 R2的 分 壓 比 可 改 變 開 關(guān) 管 的 限流 值 ， 實 現(xiàn) 電 流 瞬 時 值 的 逐 周 期 比 較 ， 屬 于 限 流 式 保 護 。 輸出 脈 沖 關(guān) 斷 ， 實 現(xiàn) 對 電 流 平 均 值 的 保 護 ， 屬 于 截 流 式 保 護 。兩 種 過 流 保 護 互 為 補 充 ， 使 電 源 更 為 安 全 可 靠 。 采 用 電 流 互感 器 采 樣 ， 使 控 制 電 路 與 主 電

13、路 隔 離 ， 同 時 與 電 阻 采 樣 相 比 降 低 了 功 耗 ， 有 利 于 提 高 整 個 電 源 的 效 率 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 電 壓 反 饋 電 路 如 圖 6-3所 示 。 輸 出 電 壓 通 過 集 成 穩(wěn) 壓 器TL431和 光 電 耦 合 器 反 饋 到 UC3842的 1腳 ， 調(diào) 節(jié) R1、 R2的 分壓 比 可 設(shè) 定 和 調(diào) 節(jié) 輸 出 電 壓 ， 達 到 較 高 的 穩(wěn) 壓 精 度 。 如 果 輸出 電 壓 Uo升 高 ， 集 成 穩(wěn) 壓 器 TL431的 陰 極 到 陽 極 的 電 流 增 大 ，使 光 電 耦 合 器 輸 出 的 三 極

14、 管 電 流 增 大 ， 即 UC3842的 1腳 對 地的 分 流 變 大 ， UC3842的 輸 出 脈 寬 相 應(yīng) 變 窄 ， 輸 出 電 壓 U o減小 。 同 樣 ， 如 果 輸 出 電 壓 Uo減 小 ， 可 通 過 反 饋 調(diào) 節(jié) 使 之 升高 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 圖 6-2 電 流 反 饋 電 路 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 圖 6-3 電 壓 反 饋 電 路 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 6 保 護 電 路 的 設(shè) 計 圖 6-4所 示 為 變 壓 器 過 熱 保 護 電 路 ， NTC為 測 變 壓 器 溫度 的 一 個 負 溫 度 系 數(shù) 的

15、熱 敏 電 阻 。 由 NTC、 R2、 運 放 A1構(gòu) 成滯 環(huán) 比 較 器 。 在 正 常 工 作 時 ， 變 壓 器 溫 度 正 常 ， NTC的 阻 值較 大 ， 運 放 兩 輸 入 端 電 壓 U+U-， 運 放 的 輸 出 電 壓 較 高 ， 使三 極 管 VT飽 和 導(dǎo) 通 ， 將 電 源 內(nèi) 部 的 假 負 載 R7自 動 接 入 。 當(dāng)電 源 接 入 負 載 RL時 ， R8上 的 壓 降 使 U+U ， 運 放 的 輸 出 電壓 為 零 ， VT截 止 ， 將 R7斷 開 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 圖 6-5 輸 出 過 電 壓 保 護 電 路 第 6章 開 關(guān)

16、 電 源 設(shè) 計 圖 6-6 空 載 保 護 電 路 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 7 調(diào) 試 在 輸 入 電 壓 為 220V的 條 件 下 ， 輸 入 功 率 是 個 脈 沖 序 列 ，周 期 為 10ms， 即 每 半 個 工 頻 周 期 電 源 輸 入 端 通 過 整 流 橋 為輸 入 平 滑 濾 波 電 容 充 一 次 電 。 在 各 種 不 同 的 負 載 狀 況 下 ， 當(dāng)輸 入 電 壓 從 90V變 化 到 250V時 ， 相 應(yīng) 的 輸 出 電 壓 的 測 試 結(jié)果 如 表 6-1所 示 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 表6-1 不同負載下的輸出電壓 輸 出 電 壓

17、 /V 輸 入 電 壓 /V 空 載 半 載 (10) 滿 載 (5) 90 12.456 12.360 12.242 110 12.459 12.368 12.247 220 12.467 12.375 12.265 250 12.471 12.381 12.262 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 實 測 各 種 負 載 狀 況 下 的 效 率 如 表 6-2 所 示 。 表6-2 不同負載下的效率 負 載 空 載 半 載 (10 ) 滿 載 (5 ) 輸 入 功 率 /W 3.00 20.03 36.02 輸 出 功 率 /W 0 15.29 30.04 效 率 0 76.34% 83.

18、40% 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 6.1.2 120W/24V電 源 設(shè) 計 1 設(shè) 計 要 求 以 圖 6-7所 示 的 120W、 24V開 關(guān) 穩(wěn) 壓 電 源 原 理 圖 來 說 明其 設(shè) 計 步 驟 。 設(shè) 計 指 標(biāo) 為 ： 輸 入 電 壓 ： AC 185 265V， 50Hz； 輸 出 電 壓 ： DC 24V； 輸 出 電 流 ： 5.0A； 電 壓 調(diào) 整 率 ： 1%。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 圖 6-7 120W、 24V開 關(guān) 穩(wěn) 壓 電 源 原 理 圖 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 2 器 件 選 擇 選 擇 TOP系 列 的 TOP248Y作

19、為 開 關(guān) 器 件 。 由 于TOP248Y工 作 在 輸 出 功 率 的 上 限 ， 電 流 設(shè) 定 在 最 大 值 ， 即將 TOP248Y的 X端 直 接 與 源 極 相 連 。 過 壓 值 設(shè) 定 在 DC 450V，若 輸 入 電 壓 超 過 此 值 ， 則 TOP248Y將 自 行 關(guān) 斷 ， 直 到 輸 入電 壓 恢 復(fù) 正 常 值 時 TOP248Y自 行 恢 復(fù) 啟 動 。 頻 率 選 擇 端 F也與 源 極 直 接 相 連 ， 此 時 開 關(guān) 工 作 頻 率 設(shè) 定 在 130kHz。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 3 脈 沖 變 壓 器 的 設(shè) 計 脈 沖 變 壓 器

20、 的 初 級 電 感 L中 的 電 流 與 電 壓 的 關(guān) 系 為0L UI L (6-14) 式 中 ： U0為 初 級 電 感 兩 端 的 電 壓 ； 為 開 關(guān) 脈 沖 寬 度 。 脈 沖 變 壓 器 的 初 級 電 感 值 在 300 3000H之 間 ， 輸 出 功 率大 時 應(yīng) 取 下 限 ， 反 之 則 取 上 限 。 變 壓 器 初 級 電 感 值 不 能 太 小 ，否 則 會 造 成 TOP248Y中 的 功 率 MOSFET的 漏 極 電 流 太 大 ， 使 開關(guān) 損 耗 增 加 ， 同 時 易 造 成 過 流 保 護 動 作 ， 使 電 源 難 以 啟 動 。 同樣 ，

21、初 級 電 感 值 也 不 能 太 大 ， 否 則 不 能 滿 足 輸 出 功 率 的 要 求 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 4電源次級電路的設(shè)計 次 級 電 路 設(shè) 計 主 要 是 選 擇 整 流 管 和 濾 波 電 容 。 整 流 管 的 選 擇 應(yīng)根 據(jù) 輸 出 電 流 和 電 壓 進 行 ， 其 最 大 值 為 10522 oRLC II A (6-15) U RLC nUimax (6-16) minomax i DUUn (6-17) 式 中 ： Uo為 輸 出 電 壓 ； Io為 輸 出 電 流 ； Ui max為 最 大 直 流 輸 入 電 壓 ；Dmin為 開 關(guān) 的

22、 最 小 占 空 比 ； n為 脈 沖 變 壓 器 的 變 比 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 將 Ui max=375 V， Uo=24 V， Dmin=0.25 代 入 式 (6-17)， 得 到脈 沖 變 壓 器 的 變 比 為 n 4。 此 時 脈 沖 變 壓 器 的 初 級 勵 磁 電 流 為 5 1.25 A4LI (6-18) 此 值 遠 小 于 TOP248Y 的 漏 極 電 流 7.2 A。 電 源 次 級 整 流 管 在 輸 出 電 壓 較 低 的 情 況 下 采 用 肖 特 基 二 極管 ， 以 減 小 二 極 管 的 損 耗 。 當(dāng) 輸 出 電 壓 較 高 時 ，

23、 則 需 要 采 用 快 恢 復(fù) 二 極 管 。 當(dāng) 開 關(guān) 頻 率 較 高 時 ， 應(yīng) 采 用 超 快 恢 復(fù) 二 極 管 作 整流 管 ， 以 減 小 其 反 向 電 流 對 初 級 的 影 響 。 濾 波 電 容 C7的 容 量 應(yīng)滿 足 輸 出 電 壓 紋 波 的 要 求 ， L1及 C9應(yīng) 能 有 效 地 濾 除 開 關(guān) 過 程 所產(chǎn) 生 的 高 頻 噪 聲 干 擾 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 5 反 饋 電 路 的 設(shè) 計 圖 6-7所 示 電 路 的 反 饋 電 路 采 用 光 電 耦 合 器 和 可 調(diào) 式 三端 穩(wěn) 壓 器 VZD2以 及 RP6、 R10、 R11

24、組 成 的 輸 出 電 壓 調(diào) 整 電 路 ，R5為 光 電 耦 合 器 的 限 流 電 阻 。 在 啟 動 瞬 間 ， 檢 測 的 電 流 通 過光 電 耦 合 器 改 變 IC1控 制 端 的 電 流 ， 實 現(xiàn) 預(yù) 調(diào) 整 ， 以 確 保 電源 在 低 電 網(wǎng) 電 壓 和 滿 載 啟 動 時 達 到 規(guī) 定 的 調(diào) 整 值 。 C 3和 C4、R4組 成 環(huán) 路 補 償 電 路 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 6.2 大 功 率 開 關(guān) 電 源6.2.1 技 術(shù) 指 標(biāo) 交 流 輸 入 電 壓 ： 三 相 ， 380 (1 20%)V， 50Hz； 輸 出 直 流 電 壓 ： 0

25、300V； 輸 出 直 流 電 流 ： 0 20A； 穩(wěn) 壓 穩(wěn) 流 精 度 ： 0.01%； 效 率 ： 95%； 運 行 方 式 ： 100%連 續(xù) 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 6.2.2 功 率 變 換 部 分 電 路 的 功 率 變 換 部 分 是 采 用 IGBT模 塊 組 成 半 橋 式 電 路 ，如 圖 6-8所 示 。 此 部 分 是 開 關(guān) 電 源 的 核 心 ， 其 性 能 的 好 壞 直接 影 響 整 個 電 源 的 性 能 與 可 靠 性 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 圖 6-8 功 率 變 換 部 分 電 路 圖 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 1

26、 主 電 路 經(jīng) 過 VD1 VD6組 成 的 三 相 全 波 整 流 后 ， 得 到 約 560V直流 電 壓 ， 再 經(jīng) 輸 入 濾 波 電 容 C2、 C3分 壓 ， 它 們 各 承 受 約280V電 壓 。 當(dāng) VT1的 門 極 電 壓 U1達 到 一 定 電 平 值 時 ， VT1導(dǎo)通 ， 電 容 器 C2經(jīng) 過 VT1的 漏 極 和 源 極 、 變 壓 器 T的 初 級 繞 組放 電 ， 給 次 級 傳 遞 能 量 。 當(dāng) VT1截 止 時 ， VT2的 門 極 電 壓 U2也 達 到 一 定 的 電 平 值 ， 使 VT2由 截 止 轉(zhuǎn) 為 導(dǎo) 通 ， 電 容 器 C3經(jīng)T的 初

27、 級 繞 組 及 VT 2的 漏 極 和 源 極 放 電 ， 給 次 級 傳 遞 能 量 。為 了 避 免 因 VT1與 VT2同 時 導(dǎo) 通 造 成 直 通 故 障 而 損 壞 ， 必 須要 保 證 VT1和 VT2的 門 極 驅(qū) 動 電 壓 有 一 個 共 同 截 止 的 時 間 ，稱 為 控 制 脈 沖 的 “ 死 區(qū) ” 時 間 ， 要 求 “ 死 區(qū) ” 時 間 必 須 大 于VT1和 VT2的 最 長 導(dǎo) 通 飽 和 延 遲 時 間 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 2 RC緩 沖 電 路 如 圖 6-8所 示 ， 以 VT1為 例 ， 當(dāng) VT1截 止 時 ， 電 容 器 C

28、4通過 R4充 電 ； 當(dāng) VT1導(dǎo) 通 時 ， 電 容 器 C4經(jīng) R4放 電 。 盡 管 RC緩 沖電 路 消 耗 了 一 定 量 的 功 率 ， 但 卻 減 輕 了 開 關(guān) 管 關(guān) 斷 瞬 間 的 電壓 應(yīng) 力 。 RC電 路 必 須 保 證 以 下 兩 點 ： 一 是 在 開 關(guān) 管 截 止 期 間 ，必 須 能 使 電 容 器 充 電 到 接 近 正 偏 壓 U GS； 二 是 在 開 關(guān) 管 導(dǎo) 通期 間 ， 必 須 使 電 容 器 上 的 電 荷 經(jīng) 過 電 阻 全 部 放 掉 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 3 門 極 抗 干 擾 鉗 位 保 護 電 路 如 圖 6-9所

29、 示 ， 并 聯(lián) 在 IGBT的 門 極 與 發(fā) 射 極 之 間 的 穩(wěn) 壓管 極 性 相 反 ， 串 聯(lián) 在 一 起 使 用 的 目 的 是 把 門 極 正 向 電 壓 限 制在 20V以 內(nèi) ， 將 負 偏 壓 限 制 在 15V以 內(nèi) 。 把 加 在 門 極 的 電 壓鉗 位 到 預(yù) 定 電 平 ， 可 有 效 地 消 除 干 擾 在 驅(qū) 動 電 路 中 產(chǎn) 生 的 尖峰 電 壓 信 號 對 IGBT的 潛 在 危 害 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 圖 6-9 M57962L型 IGBT驅(qū) 動 器 的 原 理 圖 和 接 線 圖 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 4 驅(qū) 動 電

30、路 IGBT的 驅(qū) 動 采 用 專 用 的 混 合 集 成 驅(qū) 動 器 ， 內(nèi) 部 應(yīng) 具 有退 飽 和 檢 測 與 保 護 環(huán) 節(jié) ， 當(dāng) 發(fā) 生 過 電 流 時 能 快 速 響 應(yīng) 但 慢 速關(guān) 斷 IGBT， 并 向 外 部 電 路 發(fā) 出 故 障 信 號 。 本 例 采 用M57962L芯 片 ， 輸 出 的 正 驅(qū) 動 電 壓 均 為 +15V左 右 ， 負 驅(qū) 動電 壓 為 10V。 圖 6-9為 M57962L型 IGBT驅(qū) 動 器 的 原 理 圖 和接 線 圖 。 IGBT的 門 極 驅(qū) 動 電 路 密 切 地 關(guān) 系 到 其 靜 態(tài) 和 動 態(tài) 特 性 。門 極 電 路 的

31、正 偏 壓 U GS、 負 偏 壓 UGS和 門 極 電 阻 RC的 大 小 ，對 IGBT的 通 態(tài) 電 壓 、 開 關(guān) 時 間 、 開 關(guān) 損 耗 、 承 受 短 路 能 力以 及 du/dt參 數(shù) 均 有 不 同 程 度 的 影 響 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 在 IGBT的 門 極 與 源 極 之 間 ， 應(yīng) 加 11k的 泄 放 電 阻 。 考慮 正 偏 電 壓 UGS的 影 響 ， 當(dāng) UGS增 加 時 ， 開 通 時 間 縮 短 ， 因而 開 通 損 耗 減 小 。 UGS的 增 加 對 減 小 通 態(tài) 電 壓 和 開 通 損 耗 有利 ， 但 是 UGS不 能 隨 意

32、 增 加 ， 因 為 當(dāng) 增 加 到 一 定 程 度 后 ， 對IGBT的 負 載 短 路 能 力 以 及 du/dt有 不 利 影 響 ， 該 電 路 采 用UGS=15V。 負 偏 電 壓 是 很 重 要 的 門 極 驅(qū) 動 條 件 ， 它 直 接 影響 IGBT的 可 靠 運 行 。 過 高 的 du/dt產(chǎn) 生 較 大 的 位 移 電 流 ， 使門 極 和 源 極 之 間 的 電 壓 上 升 ， 并 超 過 IGBT的 門 極 閾 值 電 壓 ,產(chǎn) 生 一 個 較 大 的 漏 極 脈 沖 浪 涌 電 流 ， 過 大 的 漏 極 浪 涌 電 流 會使 IGBT發(fā) 生 不 可 控 的 擎

33、柱 現(xiàn) 象 。 為 了 避 免 IGBT發(fā) 生 這 種 誤觸 發(fā) ， 可 在 門 極 加 反 向 偏 置 電 壓 ， 該 電 路 中 U GS= 12V。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 6.3 逆 變 電 源6.3.1 系 統(tǒng) 設(shè) 計 1 主 電 路 設(shè) 計 逆 變 電 源 系 統(tǒng) 框 圖 如 圖 6-10所 示 。 主 電 路 首 先 需 將 24V直 流 輸 入 電 壓 變 換 為 96V、 可 調(diào) 節(jié) 的 直 流 母 線 電 壓 。 設(shè) 計 選用 性 能 優(yōu) 良 的 DC/DC模 塊 ， 以 縮 短 設(shè) 計 周 期 ， 提 高 產(chǎn) 品 可靠 性 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計

34、圖 6-10 逆 變 電 源 系 統(tǒng) 框 圖 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 采 用 VICOR系 列 模 塊 進 行 逆 變 電 源 的 設(shè) 計 ， 其 中 的DC/DC模 塊 采 用 了 零 電 流 /零 電 壓 (ZCS/ZVS)技 術(shù) ， 同 時 可 以利 用 其 I/O隔 離 的 特 性 實 現(xiàn) 系 統(tǒng) 的 隔 離 。 本 節(jié) 設(shè) 計 中 使 用 兩只 24V變 48V、 輸 出 功 率 為 150W的 DC/DC模 塊 A和 模 塊 B，輸 入 為 A、 B并 聯(lián) ， 輸 出 為 A、 B串 聯(lián) ， 以 獲 得 96V的 直 流 母線 電 壓 。 在 不 考 慮 電 源 的 損

35、耗 時 ， 電 源 的 最 大 輸 出 功 率 為300W。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 電 源 在 正 常 工 作 時 輸 出 電 壓 為 36V， 若 直 流 利 用 率 為0.7， 調(diào) 制 度 為 最 大 值 1， 則 所 需 直 流 電 壓 為 36/0.751.4V。輸 出 電 壓 為 68V時 ， 若 直 流 利 用 率 仍 為 0.7， 調(diào) 制 度 為 最 大值 1， 則 所 需 直 流 電 壓 為 68/0.797V。 這 是 空 載 時 所 需 的直 流 電 壓 ， 當(dāng) 帶 重 載 時 ， 由 于 線 路 阻 抗 和 系 統(tǒng) 輸 出 阻 抗 的 存在 ， 所 需 的 直

36、 流 母 線 電 壓 更 高 ， 所 以 必 須 采 取 措 施 提 高 直 流利 用 率 。 計 算 SPWM數(shù) 據(jù) 時 ， 可 適 當(dāng) 地 過 調(diào) 制 ， 并 在 電 路 中加 大 濾 波 電 容 器 的 容 量 ， 以 達 到 提 高 和 穩(wěn) 定 直 流 母 線 電 壓 的目 的 。 逆 變 橋 使 用 功 率 MOSFET構(gòu) 成 三 相 逆 變 全 橋 ， 濾 波 網(wǎng)絡(luò) 中 的 電 容 采 用 三 角 形 連 接 方 式 ， 以 加 強 濾 波 作 用 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 2 保 護 與 控 制 電 源 電 源 在 有 異 常 情 況 出 現(xiàn) 時 ， 有 兩 種 切

37、斷 輸 出 方 法 ： 一 是封 鎖 控 制 數(shù) 據(jù) ， 選 擇 ROM數(shù) 據(jù) 全 為 零 的 空 頁 ， 此 法 方 便 、快 速 ； 二 是 斷 開 直 流 母 線 電 壓 ， 此 法 有 利 于 負 載 的 安 全 。 這里 選 擇 后 者 。 V系 列 模 塊 的 GATE-IN端 是 其 功 率 提 升 同 步 端 ，也 是 該 模 塊 的 使 能 端 ， 拉 低 該 端 電 壓 即 可 關(guān) 閉 模 塊 。 GATE-IN端 電 位 為 基 準(zhǔn) 電 位 ， 所 檢 測 的 過 流 、 過 壓 信 號 均 需 以 光電 耦 合 與 之 隔 離 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 6.

38、3.2 PWM控 制 1 SPWM基 本 原 理 逆 變 過 程 需 要 控 制 開 關(guān) 管 的 動 作 模 式 ， 使 得 輸 出 波 形 為 正 弦 波 。 本設(shè) 計 利 用 SPWM采 樣 方 法 對 開 關(guān) 管 進 行 控 制 。 在 ROM中 的 PWM數(shù) 據(jù) 是離 線 計 算 ， 靈 活 性 大 。 取 得 SPWM方 法 是 通 過 利 用 規(guī) 則 采 樣 法 計 算 數(shù) 據(jù) ，準(zhǔn) 確 地 得 到 開 關(guān) 器 件 的 導(dǎo) 通 、 關(guān) 斷 時 間 ， 其 原 理 誤 差 與 存 儲 數(shù) 據(jù) 時 取 整帶 來 的 誤 差 相 比 可 以 忽 略 。 計 算 程 序 的 入 口 參 數(shù)

39、 主 要 有 3個 ， 即 載 波 頻率 fc、 調(diào) 制 頻 率 fM和 調(diào) 制 度 M， 其 中 調(diào) 制 度 代 表 預(yù) 期 的 輸 出 幅 值 。 輸 出電 壓 切 換 前 后 的 幅 值 相 差 很 大 ， 不 能 使 用 同 一 個 調(diào) 制 度 ， 所 以 在 ROM中 存 儲 兩 組 數(shù) 據(jù) (每 組 2KB)， 通 過 控 制 高 位 地 址 線 實 現(xiàn) 電 壓 切 換 。 在 啟動 階 段 輸 出 68V電 壓 時 ， 需 適 當(dāng) 過 調(diào) 制 ， 此 時 SPWM就 近 似 為 梯 形 波 比 較 調(diào) 制 ， 使 直 流 利 用 率 提 高 ； 而 正 常 工 作 輸 出 36V

40、電 壓 時 ， 調(diào) 制 度 較 低 ，諧 波 含 量 將 很 少 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 按 SPWM基 本 原 理 ， 自 然 采 樣 法 中 要 求 解 復(fù) 雜 的 超 越 方程 ， 難 以 在 實 時 控 制 中 在 線 計 算 ， 工 程 應(yīng) 用 不 多 。 而 規(guī) 則 采樣 法 是 一 種 工 程 實 用 方 法 ， 效 果 接 近 自 然 采 樣 法 ， 計 算 量 小得 多 。 規(guī) 則 采 樣 法 原 理 見 圖 6-11所 示 ， 三 角 波 兩 個 正 峰 值 之 間為 一 個 采 樣 周 期 Tc。 自 然 采 樣 法 中 ， 脈 沖 中 點 與 三 角 波

41、一 周期 中 點 不 重 合 。 規(guī) 則 采 樣 法 使 兩 者 重 合 ， 每 個 脈 沖 中 點 為 相應(yīng) 三 角 波 中 點 ， 計 算 大 為 簡 化 。 三 角 波 負 峰 時 刻 t D對 信 號 波采 樣 得 D點 ， 過 D作 水 平 線 和 三 角 波 交 于 A、 B點 ， 在 A點 時刻 tA和 B點 時 刻 tB控 制 器 件 的 通 斷 ， 脈 沖 寬 度 和 用 自 然 采 樣法 得 到 的 脈 沖 寬 度 非 常 接 近 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 圖 6-11 規(guī) 則 采 樣 法 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 2規(guī)則采樣法計算 規(guī) 則 采 樣 法

42、計 算 公 式 推 導(dǎo) 過 程 如 下 。 正 弦 調(diào) 制 信 號 波 公 式 中 ， a稱 為 調(diào) 制 度 ， 0 a ， T為 交 流 電 的 周 期 。此 時 輸 出 電 壓 為 T253Ud1.2U (6-25) 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 2 掉 電 保 護 電 路 的 設(shè) 計 與 參 數(shù) 計 算 為 了 在 瞬 間 掉 電 時 不 丟 失 信 息 ， 要 求 電 源 具 有 掉 電 保 護功 能 ， 如 要 求 電 源 正 常 供 電 時 提 供 一 低 電 平 ， 而 在 掉 電 瞬 間電 壓 由 +5V下 降 到 4.6V這 一 期 間 提 供 并 維 持 一 高 電 平

43、 。 掉 電 保 護 電 路 如 圖 6-16所 示 。 該 電 路 為 DC/DC變 換 模 塊 ，其 中 二 極 管 V D1的 作 用 是 防 止 輸 入 電 源 的 正 、 負 極 插 錯 以 及阻 止 C1向 輸 入 側(cè) 放 電 。 OC1選 用 4N27光 電 耦 合 器 ， 用 以 隔 離輸 入 、 輸 出 地 線 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 圖 6-16 掉 電 保 護 電 路 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 R1 的 計 算 需 根 據(jù) 輸 入 電 壓 和 使 三 極 管 飽 和 導(dǎo) 通 (UCE 0.3 V)的 低電 平 及 流 過 二 極 管 的 最 小 電

44、流 I1確 定 。 取 電 流 I1=15 mA， 則 有 2.31015 3.048 31 R k (6-26) 按 供 電 電 壓 48 V 計 算 損 耗 功 率 為 W7.0015.0)7.048( m IUP (6-27) 選 RJ1W-3.2 k。 R2由 +5 V 電 壓 和 流 經(jīng) 三 極 管 的 電 流 I2確 定 。 取 I2=5mA， 則 有 1)100005.0( )3.05(2 R k (6-28) 025.0005.052 RP W (6-29) 選 RJ-0.025W-1k。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 3 模 塊 輸 出 電 壓 調(diào) 節(jié) 微 波 發(fā) 生 器

45、 電 源 的 DC/DC變 換 模 塊 為 了 使 用 方 便 ， 設(shè)置 了 輸 出 電 壓 調(diào) 節(jié) 端 。 當(dāng) 輸 出 電 流 較 大 、 傳 輸 線 路 較 長 時 ，為 彌 補 線 路 上 的 壓 降 ， 需 要 將 輸 出 電 壓 調(diào) 高 。 組 件 的 +5V電 源 設(shè) 置 有 調(diào) 壓 電 阻 R3， 調(diào) 節(jié) 原 理 如 圖 6-17所 示 。 調(diào) 節(jié) 過 程就 是 改 變 基 準(zhǔn) 電 壓 ， 電 阻 R 3基 準(zhǔn) 電 壓 調(diào) 高 后 ， 輸 出 電 壓 將 同比 例 提 高 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 圖 6-17 輸 出 電 壓 調(diào) 整 電 路 第 6章 開 關(guān) 電 源

46、 設(shè) 計 4 保 護 電 路 VIC系 列 模 塊 的 VI-200系 列 設(shè) 有 過 流 、 過 壓 和 過 熱 保 護電 路 ， 設(shè) 置 的 過 壓 保 護 電 路 采 用 圖 6-18所 示 電 路 。 圖 6-18 過 壓 保 護 電 路 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 5 電 磁 兼 容 性 設(shè) 計 電 源 的 電 磁 兼 容 性 (EMC)設(shè) 計 主 要 包 括 以 下 內(nèi) 容 ： (1) 在 輸 入 端 加 EMI濾 波 器 ， 以 抑 制 傳 導(dǎo) 干 擾 。 (2) 采 用 具 有 EMI功 能 的 VIC前 端 模 塊 。 (3) 在 輸 入 線 之 間 加 電 容 和 在

47、 輸 入 、 輸 出 端 子 與 基 板 間加 電 容 ， 分 別 抑 制 差 模 干 擾 和 共 模 干 擾 。 (4) 良 好 的 屏 蔽 是 減 少 電 磁 輻 射 的 有 效 措 施 ， 加 寬 、 縮短 大 電 流 的 功 率 線 。 微 波 發(fā) 生 器 電 源 系 統(tǒng) 框 圖 如 圖 6-19所 示 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 圖 6-19 微 波 發(fā) 生 器 電 源 系 統(tǒng) 框 圖 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 6.4.3 機 載 小 型 電 源 的 設(shè) 計 1 機 載 儀 表 電 源 的 小 型 化 設(shè) 計 實 例 機 載 儀 表 電 源 為 一 臺 DC/DC變

48、 換 電 源 ， 它 可 將 單 一 48V直 流變 換 為 多 種 直 流 ， 以 供 儀 器 所 需 。 設(shè) 計 該 電 源 時 可 采 用 模 塊 電 源組 合 實 現(xiàn) 。 機 載 儀 表 對 電 源 的 技 術(shù) 要 求 如 下 ： 輸 入 電 壓 ： 48V； 輸 出 電 壓 ： +5V， 15V， 24V， 60V； 輸 出 電 流 ： 5A， 2A， 1A， 0.5A； 穩(wěn) 壓 精 度 ： 1%， 1%， 1.5%， 2%； 紋 波 噪 聲 峰 -峰 值 ： 50mV， 80mV， 100mV； 工 作 溫 度 ： 55 +60 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 2 電 源 部

49、 件 的 設(shè) 計 方 案 由 于 該 電 源 部 件 輸 出 電 壓 種 類 多 ， 給 定 的 外 形 尺 寸 小 ,且 輸 入 電 壓變 化 范 圍 大 ,工 作 溫 度 范 圍 寬 ,所 以 必 須 選 用 小 型 、 高 可 靠 性 的 電 源 模 塊 。 (1) 5V(5A)電 源 選 用 GAA電 源 模 塊 。 該 模 塊 輸 出 為 5V(5A)， 工 作溫 度 為 55 +100 ， 采 用 金 屬 殼 封 裝 ， 其 性 能 滿 足 設(shè) 計 要 求 。 (2) 15V(2A)電 源 選 用 VIC電 源 模 塊 。 該 模 塊 的 輸 出 為 15V(3A), 工 作 溫

50、度 為 -55 +100 ， 采 用 金 屬 殼 封 裝 ， 其 性 能 滿 足設(shè) 計 要 求 。 (3) 24V(1A)電 源 選 用 兩 塊 VIC電 源 模 塊 。 該 模 塊 的 輸 出 為24V(2A)， 工 作 溫 度 為 55 +100 ， 其 性 能 滿 足 設(shè) 計 要 求 。 (4) 60V(0.5A)電 源 選 用 VIC電 源 模 塊 。 該 模 塊 輸 出 為 30V(1A)， 將 兩 塊 串 聯(lián) 可 得 60V電 壓 ， 工 作 溫 度 均 為 55 +100 ， 其 性 能 滿 足 設(shè)計 要 求 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 3 電 源 電 路 的 結(jié) 構(gòu)

51、圖 6-20所 示 為 機 載 儀 表 電 源 結(jié) 構(gòu) 圖 。 圖 6-20 機 載 儀 表 電 源 結(jié) 構(gòu) 圖 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 6.4.4 機 載 三 相 交 流 電 源 的 設(shè) 計 機 載 交 流 穩(wěn) 壓 電 源 的 主 要 功 能 是 為 特 種 電 子 系 統(tǒng) 中 的 傳感 器 提 供 交 流 激 磁 信 號 ， 要 求 性 能 穩(wěn) 定 、 體 積 小 、 重 量 輕 、效 率 高 、 可 靠 性 好 。 近 幾 年 來 關(guān) 于 交 流 穩(wěn) 壓 電 源 研 究 的 主 要內(nèi) 容 之 一 是 線 性 諧 振 型 技 術(shù) 及 其 改 進 ， 以 及 開 關(guān) 型 交 流 穩(wěn)

52、 壓電 源 。 線 性 諧 振 型 通 過 LC諧 振 參 量 的 改 變 使 交 流 輸 出 電 壓得 到 調(diào) 整 ， 以 連 續(xù) 可 調(diào) 式 獲 得 優(yōu) 越 的 穩(wěn) 壓 性 能 。 該 電 源 主 電路 中 不 含 電 力 半 導(dǎo) 體 器 件 ， 線 路 簡 單 ， 可 靠 性 高 。 但 是 由 于線 性 諧 振 型 電 源 存 在 輸 入 電 壓 范 圍 不 夠 寬 、 源 端 空 載 無 功 電流 和 諧 波 電 流 較 大 以 及 容 易 發(fā) 生 振 蕩 等 缺 點 ， 因 此 其 發(fā) 展 和應(yīng) 用 受 到 了 限 制 ， 特 別 是 在 大 功 率 場 合 的 應(yīng) 用 比 較 少

53、 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 開 關(guān) 型 交 流 穩(wěn) 壓 電 源 采 用 了 先 進 的 高 頻 開 關(guān) 電 源 技 術(shù) ，具 有 效 率 高 、 響 應(yīng) 速 度 快 等 優(yōu) 點 。 它 先 將 交 流 電 整 流 成 脈 動的 直 流 電 ， 再 通 過 高 頻 脈 寬 調(diào) 制 技 術(shù) ， 將 脈 動 的 直 流 電 逆 變成 交 流 電 ， 再 通 過 相 位 跟 蹤 與 轉(zhuǎn) 換 電 路 取 得 與 輸 入 側(cè) 同 頻 同相 的 補 償 電 壓 ， 加 在 輸 入 與 輸 出 之 間 ， 使 輸 出 電 壓 穩(wěn) 定 。 這項 技 術(shù) 成 為 當(dāng) 今 交 流 穩(wěn) 壓 電 源 技 術(shù)

54、 發(fā) 展 的 方 向 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 1 電 路 基 本 原 理 機 載 交 流 穩(wěn) 壓 電 源 是 一 種 AC/AC變 換 器 ， 其 關(guān) 鍵 部 分是 單 相 48V、 400Hz AC/AC變 換 穩(wěn) 壓 電 路 。 設(shè) 計 該 電 源 采用 的 是 高 頻 PWM斬 波 器 調(diào) 感 法 構(gòu) 成 的 新 型 交 流 穩(wěn) 壓 電 源 電路 ， 具 有 產(chǎn) 生 諧 波 小 、 抗 各 類 電 磁 干 擾 能 力 強 、 穩(wěn) 壓 精 度 高 、動 態(tài) 響 應(yīng) 快 等 諸 多 優(yōu) 點 ， 其 電 路 原 理 如 圖 6-21所 示 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 圖

55、 6-21 高 頻 PWM斬 波 器 式 穩(wěn) 壓 電 源 電 路 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 在 圖 6-21 中 ， 由 L1、 VD1 VD4、 C3、 VT 等 構(gòu) 成 高 頻 PWM 斬 波電 路 。 為 減 小 MOS 場 效 應(yīng) 管 VT 的 開 關(guān) 損 耗 ， 加 入 了 由 電 阻 、 電 容和 二 極 管 等 元 器 件 組 成 的 開 通 關(guān) 斷 緩 沖 電 路 RCD。 圖 6-21 中 的 電 感L1 和 高 頻 PWM 斬 波 支 路 可 用 等 效 電 感 LX表 示 ， LX是 功 率 場 效 應(yīng) 管VT 導(dǎo) 通 占 空 比 的 函 數(shù) ， 經(jīng) 推 導(dǎo) 可

56、得 ： DLL X 1 (6-30) 式 中 ， D為 VT 的 導(dǎo) 通 占 空 比 。 同 理 ， 圖 6-21 中 LX、 C2并 聯(lián) 電 路 的 阻 抗 Z也 是 D的 函 數(shù) ， 即 )1( j 22 XX LCLZ (6-31) 式 中 ， 為 輸 入 電 壓 Ui的 角 頻 率 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 當(dāng) 輸 入 電 壓 降 低 或 負 載 加 重 引 起 輸 出 電 壓 降 低 時 ， D增大 ， L2、 C2支 路 呈 感 性 ， 支 路 電 流 在 線 性 電 感 繞 組 N2上 的壓 降 與 Ui同 相 ， 耦 合 到 N3繞 組 上 的 電 壓 UN3與 U

57、i串 聯(lián) 相 加 后補 償 了 輸 入 電 壓 的 不 足 。 當(dāng) 輸 入 電 壓 升 高 或 負 載 減 輕 引 起 輸 出 電 壓 升 高 時 ， D減小 ， LX、 C2支 路 呈 容 性 ， 支 路 電 流 在 線 性 電 感 繞 組 N2上 的 壓降 與 Ui反 相 ， 耦 合 到 N3繞 組 上 的 電 壓 UN與 Ui串 聯(lián) 相 減 后 抵消 了 過 剩 的 輸 入 電 壓 。 由 以 上 分 析 可 知 ， 通 過 對 輸 出 電 壓 進 行 采 樣 閉 環(huán) 反 饋 ，控 制 導(dǎo) 通 占 空 比 D的 大 小 ， 自 動 改 變 N 3繞 組 上 電 壓 的 大 小 和相 位

58、， 可 實 現(xiàn) 輸 出 電 壓 的 穩(wěn) 定 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 2 電 路 參 數(shù) 選 擇 將 L1和 高 頻 PWM斬 波 器 支 路 等 效 為 一 電 感 LX后 ， 則 圖6-21所 示 電 路 可 認 為 是 一 線 性 電 路 ， 將 其 中 的 耦 合 電 感 L2、L3進 行 去 耦 等 效 ， 并 忽 略 L4、 C1濾 波 支 路 后 ， 對 等 效 電 路 運用 基 爾 霍 夫 定 律 列 回 路 方 程 ， 可 解 得 )( j)2( j)( 22 3202 i0o MM MM LMLLML LMLLRLL URU (6-32) 式 中 ： XXM L

59、CLL 221 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 由 于 U與 Uo同 相 ， 故 忽 略 兩 者 的 相 位 差 ， 可 得i23222220 2220o )( )( ULLLLR LMLRU MM M (6-33) 根 據(jù) 式 (6-33)所 提 供 的 輸 入 和 輸 出 電 壓 之 間 的 函 數(shù) 關(guān) 系 式 ，即 可 根 據(jù) 系 統(tǒng) 需 求 確 定 L1、 L2、 L3， 從 而 設(shè) 計 出 滿 足 性 能 要 求的 主 電 路 。 在 實 際 的 電 路 參 數(shù) 選 擇 中 ， 為 加 快 設(shè) 計 速 度 ， 提 高設(shè) 計 質(zhì) 量 ， 采 用 根 據(jù) 工 程 估 算 并 結(jié) 合 仿

60、 真 軟 件 進 行 優(yōu) 化 設(shè) 計 的方 法 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 根 據(jù) 以 下 原 則 估 算 L1、 L2、 L3等 的 參 數(shù) ： (1) 由 L2、 L3、 C2等 構(gòu) 成 正 弦 能 量 分 配 網(wǎng) 絡(luò) ， 其 自 然 諧振 頻 率 應(yīng) 設(shè) 在 輸 入 源 頻 率 的 1.5 2倍 之 間 ， 以 保 證 源 頻 率 變化 對 網(wǎng) 絡(luò) 的 影 響 較 小 。 在 本 設(shè) 計 中 ， 由 于 電 源 頻 率 為 400Hz，故 網(wǎng) 絡(luò) 諧 振 頻 率 應(yīng) 取 為 520 800Hz。 (2) N3/N2是 決 定 輸 入 電 壓 范 圍 的 主 要 參 數(shù) 。 N3

61、/N2過 小 時 ，輸 入 電 壓 的 范 圍 不 夠 寬 ； N 3/N2過 大 時 ， 則 導(dǎo) 致 系 統(tǒng) 的 瞬 態(tài)響 應(yīng) 特 性 變 壞 ， 負 載 適 應(yīng) 能 力 下 降 。 實 際 的 N3/N2取 0.4 0.7，可 獲 得 良 好 的 瞬 態(tài) 響 應(yīng) 性 能 和 負 載 特 性 等 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 (3) 電 路 中 由 于 諧 波 失 真 等 指 標(biāo) 的 限 制 ， L1不 能 過 小 。在 實 際 的 開 關(guān) 控 制 中 ， 由 于 采 用 的 是 高 頻 PWM方 式 ， 輸 出的 高 次 諧 波 只 要 用 小 容 量 的 電 容 器 C3即 可

62、消 除 。 當(dāng) 電 源 頻 率為 400Hz時 ， PWM開 關(guān) 頻 率 取 80kHz。 主 電 路 選 L1=20mH，C3=110pF， 可 濾 掉 高 頻 斬 波 器 中 的 高 次 諧 波 。 (4) 主 電 路 的 N4和 C1支 路 具 有 濾 波 和 減 少 電 流 波 形 失 真的 功 能 。 電 容 C 1的 取 值 不 可 過 大 ， 若 C1的 值 過 分 增 大 時 ， 電路 的 調(diào) 節(jié) 極 性 將 逆 轉(zhuǎn) ， 不 再 具 有 穩(wěn) 壓 功 能 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 3 電 路 計 算 機 仿 真 根 據(jù) 上 述 原 則 估 算 得 出 一 組 參 數(shù)

63、值 后 ， 在 輸 出 為 AC 48V、 400Hz、 50VA的 條 件 下 ， 運 用 ISSPICE4模 擬 及 數(shù) 字混 合 電 路 仿 真 軟 件 對 主 電 路 進 行 仿 真 。 仿 真 電 路 如 圖 6-22所示 。 在 仿 真 電 路 中 ， 分 別 用 電 壓 源 E1和 E2等 效 輸 入 源 和PWM高 頻 脈 沖 源 ， 輸 出 負 載 用 一 純 電 阻 等 效 。 在 輸 入 分 別為 AC 55V/400Hz和 AC 40V/400Hz的 條 件 下 ， 電 路 輸 入 和輸 出 的 仿 真 波 形 如 圖 6-23所 示 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè)

64、計 圖 6-22 主 電 路 的 仿 真 電 路 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 圖 6-23 仿 真 輸 入 與 輸 出 電 壓 波 形 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 6.5 多 輸 出 高 精 度 直 流 電 源 設(shè) 計 多 輸 出 高 精 度 直 流 電 源 時 ， 要 求 每 路 輸 出 回 路 具 有 高 精 度 穩(wěn) 壓和 隔 離 ， 可 采 用 多 個 雙 輸 出 變 換 器 來 實 現(xiàn) 。 每 個 雙 輸 出 變 換 器 都 有 單 獨的 控 制 和 保 護 環(huán) 節(jié) ， 從 結(jié) 構(gòu) 上 可 視 為 一 個 獨 立 的 電 源 ， 但 它 們 間 的 工 作是 通 過 同 步

65、 電 路 和 時 序 電 路 來 協(xié) 調(diào) 的 ， 用 這 種 方 法 構(gòu) 成 的 電 源 實 際 上 是一 個 電 源 系 統(tǒng) 。 與 單 個 集 中 電 源 相 比 ， 其 控 制 更 加 復(fù) 雜 ， 但 性 能 更 加 優(yōu)越 。 本 節(jié) 設(shè) 計 一 個 5路 輸 出 的 電 源 ， 每 路 輸 出 的 電 壓 、 電 流 如 表 6-3所 示 。該 電 源 采 用 3個 變 換 器 實 現(xiàn) 各 路 輸 出 的 精 密 穩(wěn) 壓 ： 用 變 換 器 實 現(xiàn) 輸 出 1，為 單 輸 出 電 源 ； 用 變 換 器 實 現(xiàn) 輸 出 2、 輸 出 3和 輸 出 4， 為 三 輸 出 電 源 ； 用

66、變 換 器 實 現(xiàn) 輸 出 5和 兩 個 +12V輔 助 電 源 ， 為 三 輸 出 電 源 。 其 中 變換 器 和 變 換 器 為 有 源 鉗 位 正 激 電 路 ， 變 換 器 為 反 激 電 路 ， 次 級的 整 流 二 極 管 均 采 用 肖 特 基 二 極 管 。 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 表6-4 輸 出 電 壓 變 換 器 輸 出 電 壓 U o 輸 出 1 輸 出 2 輸 出 3 輸 出 4 輸 出 5 輸 入 24 36 V 5.0 V， 15 A 9.0 V， 5.0 A 12.0 V， 3.5 A 15.0 V， 2.5 A -9 V， 1.0 A 第 6章 開 關(guān) 電 源 設(shè) 計 6.5.1 系 統(tǒng) 的 結(jié) 構(gòu) 與 原 理 圖 6-24是 多 輸 出 高 精 度 直 流 電 源 系 統(tǒng) 的 結(jié) 構(gòu) 圖 ， 由 3個 變 換 器 、輸 入 濾 波 器 、 同 步 電 路 和 檢 測 保 護 電 路 四 大 部 分 組 成 。 每 個 變 換器 都 構(gòu) 成 一 個 單 獨 的 可 工 作 電 源 ， 用 以 提 供 相 應(yīng) 的 輸 出 。 圖 6-24所