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1、 目录第一章 绪论11.1什么是开关电源11.2 开关电源的分类及结构形式21.3开关电源的发展31.4 逆变电源技术的发展概况41.4.1 逆变电源技术41.4.2 逆变电源技术的发展概况51.4.3 逆变电源的发展趋势7第二章 主电路的研究与选择92.1开关电源的设计步骤92.2 设计指标及要求92.3总体方案设计102.3.1 方案比较102.3.2 方案论证112.3.3方案选择122.4 逆变器主电路的基本形式132.4.1单端反激式变换电路132.4.2 单端正激式变换电路132.4.3 推挽式变换电路142.4.4 半桥逆变式主电路142.4.5 全桥逆变功率转换电路152.5
2、基本DC/DC变换器主电路拓扑162.5.1 隔离型单端正激变换器162.5.2 隔离型半桥逆变器172.5.3 隔离型全桥变换器182.6 驱动电路19第三章 脉宽调制技术PWM193.1 PWM控制的基本原理203.2 PWM逆变电路21第四章 单元模块设计234.1 车载逆变电源直流/直流（DC/DC）变换电路的设计244.1.1直流/直流变换主电路244.1.2 直流/直流变换控制及保护电路264.2 逆变电源直流/交流变换电路的设计284.2.1 直流/交流变换主电路294.2.2 直流/交流变换控制及保护电路294.3 电路参数的计算及元器件的选择314.3.1 直流/直流变换电路
3、中元器件参数的计算314.3.2 直流/交流变换电路中的参数计算354.4 特殊器件的介绍364.4.1 脉宽调制芯片SG3524364.4.2 MIC4424374.4.3 光电耦合器384.5 各单元模块的联接394.6 辅助电源设计39第五章 系统调试395.1 控制电路调试405.1.1 基本调试405.1.2 控制电路的调试405.2 系统开环调试405.3 系统闭环调试40第六章 结论及展望416.1 结论416.2 展望41参考文献42附录43第一章 绪论1.1什么是开关电源电是工业的动力，是人类生活的源泉。电源是产生电的装置，表示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率等；在同一
4、参数要求下，又有重量、体积、效率和可靠性等指标。我们用的电，一般都需经过转换才能适合使用的需要，例如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率变换为小功率等。按照电子理论，所谓AC/DC就是交流转换为直流；AC/AC称为交流变交流，即为改变频率；DC/AC称为逆变；DC/DC为直流变交流后再变为直流。为了达到转换的目的，电源变换的方法是多样的。自20世纪60年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源（Switchin
5、g Power Supply）。开关电源通常由六大部分组成，如图1-1所示。图1-1 开关电源工作原理框图第一部分是输入电路，它包含有低通滤波和一次整流环节。220V交流电直接经低通滤波和桥式整流后得到未稳压的直流电压Vi，此电压送到第二部分进行功率因数校正，其目的是提高功率因数，它的形式是保持输入电流与输入电压同相。功率因数校正的方法有无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。所谓有源功率因数校正（Active Power Factor Correction, APFC）,是指电源在校正过程中常采用三极管和集成电路。开关电源电路常采用有源功率因数校正。第三部分是功率转换，它是由电子开关和高频变
6、压器来完成的，是把高功率因数的直流电压变换成受到控制的、符合设计要求的高频方波脉冲电压。第四部分是输出电路，用于将高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压输出。第五部分是控制电路，输出电压经过分压、采样后与电路的基准电压进行比较、放大。第六部分是频率振荡发生器，它产生一种高频波段信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽调制，达到脉冲宽度可调。有了高频振荡才有电源变换，所以说开关电源的实质是电源变换。1.2 开关电源的分类及结构形式目前开关电源的种类很多，从工作性质来分，大体上可分为“硬开关”和“软开关”两种。所谓硬开关，是指电子脉冲、外加控制信号强行对电子开关进行“开”和“关”，而与电子开关自身流过
7、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。但是它比其他变换电源的形式简单的多，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，电子开关在“零状态”下工作，理论上它的损耗为零，对浪涌电压、脉冲尖峰电压的抑制能力很大，其工作频率可以提高到5MHZ以上，开关电源的重量和体积则可进行更大的改变。为了实现零电压“开”和零电流“关”，我们常采用谐振的方法。从电子理论可知道，谐振
8、就是容抗等于感抗，总的电抗为零，电路中的电流为无穷大。如果正弦波电压加到并联的电感回路上，这时电感上的电压就为无穷大。利用谐振电路可实现正弦波振荡，当振荡到零时，电子开关导通，称之为零电压导通（Zero Voltage Switching）。同样，流过电子开关的电流振荡到零时，电子开关关断，称之为零电流关断（Zero Current Switching）。总之，电子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
9、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定输出参数，我们称之为调频开关电源。调频开关电源没有脉冲调制开关电源那么容易控制，再加上准谐振电路电压峰值高，开关所受到的应力大，目前还没有得到广泛应用。DC/DC变换类型是开关电源变换的基本类型，它通过控制开关通、断时间的比例，用电抗器与电容器上蓄积的能量对开关波形进行微分平滑处理，从而更有效地调整脉冲的宽度及频率。从输入、输出有无变压器隔离来说，DC/DC变换分为有变压器隔离和没有变压器隔离两类。每一类有6种拓扑，即降压式（Buck）、升压式（Boost）、升压-降压式（Buck- Boos
10、t）、串联式（Cuk）、并联式（Sepic）、以及塞达式（Zata）。按激励方式分，有自激式和他激式两种。自激式包括单管式和推挽式，他激式包括调频式（PWF）、调宽式（PWM）、调幅式（PAM）和谐振式（RSM）4种，我们用得最多的是调宽式变换器。调宽式变换器有以下几种：正激式（Forward Converter Mode）、反激式（Feedback Converter Mode）、半桥式（Half Bridge Mode）、全桥式（Overall Bridge Mode）、推挽式（Push Draw Mode）和阻塞式（Ringing Choke Converter, RCC）等6种。按谐振
11、方式分，有串联谐振式、并联谐振式和串并联谐振式；按能量传递方式分，有连续模式和不连续模式两种。凡是以脉冲宽度来调制的电子开关变换器都叫做PWM变换器。开关电源的结构形式很多，按PWM方式来分有以下几种：1)反激式变换器；2)反激式双晶体管变换器；3)正激式变换器；4)正激式双晶体管变换器；5)半桥式变换器；6)桥式变换器；7)推挽式变换器；8)RCC变换器。1.3开关电源的发展随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、
12、薄。小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。这种传统稳压电源技术比较成熟，并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小。使用可靠等优点，但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压，这将导致调整管的功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右。另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，其已很难满足现代电子设备发展的要求。20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了
13、开关电源。在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术设计制造的连续工作的线性电源，并广泛应用于电子、电气设备中。20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成了计算机的电源换代。20世纪90年代，开关电源在电子、电气设备以及家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关管输出脉冲信号的占空比调整输出电压。以功率晶体管（GTR）为例，当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零；当开关管截止时，其集电极电流为零、所以，其功耗小，效率可高达70%95%。而功耗小，散
14、热器也随之减小。开关型稳压电源直接对电网电压进行整流、滤波调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器。此外，开关工作频率为几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此，开关电源具有数量轻、体积小等优点。另外，由于功耗小，机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V（110%），而开关型稳压电源在电网电压在110260V范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益使开关电源实现了小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小
15、型化、轻便化。另外，开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。目前市场上开关电源中的功率管多采用双极性晶体管，开关频率可达几十千赫；采用功率MOSFET的开关电源的转换频率可达几百千赫。为提高开关频率，必须采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种电路工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，是提高开关电源工作频率的一种方式。采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下4个方面。1)小型化、薄型化、轻量化、高频化开关电源的体积和重量主要是由储能原件（磁性元件和电容）决定的
16、，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。2)高可靠性开关电源使用的元器件数量是连续工作线性电源的几十分之一，因此提高了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光电耦合器及排风扇等元器件和部件的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的元器件，提高集成度。这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。3)低噪声开关电源的缺点之一是噪声大。单纯地追求高频化，噪声也会随
17、之增大。采用谐振变换技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。4)采用计算机辅助设计和控制采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机监测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时监测、记录并自动报警等。开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进此元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等，对于开关电源小型
18、化始终产生着巨大的推动作用。总之，人们在开关电源技术领域里，边研究低损耗回路技术，边开发新型元器件，两者相互促进并推动着开关电源以每年超过两位数的市场增长率向小型化、薄型化、高频化、低噪声以及高可靠性方向发展。1.4 逆变电源技术的发展概况1.4.1 逆变电源技术逆变电源技术是电力电子技术的重要组成部分。逆变电源是一种采用开关方式的电能变换装置。图1-2所示为典型的交流输入、交流输出隔离型逆变电源的基本结构。从图1-2中可以看出，它从交流或直流输入获得稳压稳频的交流输出。逆变电源中的能量转换过程是：输入的工频交流电经过整流电路成为直流电，直流电通过逆变电路变为交流PWM波电压，其基波频率是逆变
19、电源的输出频率，PWM波电压经输出变压器隔离，再由滤波器滤成正弦波。这一能量转换、传递的过程通常表示为ACDCAC。直流输入、输出隔离型的逆变电源结构与图1-2基本相同，只是不需要输入端的整流电路，能量转换传递的过程可表示为DCAC。在逆变电源中，逆变器及其控制是逆变电源的核心。图1-2 逆变电源基本结构1.4.2 逆变电源技术的发展概况逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的20世纪60年代，逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动着逆变电源的发展。最初的逆变电源采用晶闸管(SCR)作为逆变器的开关器件，称为可控硅逆变电源。由于SCR是一种没有自关断能力的器件，因此必须通
20、过增加换流电路来强迫关断SCR，SCR的换流电路限制了逆变电源的进一步发展。随着半导体制造技术和变流技术的发展，自关断的电力电子器件脱颖而出，相继出现了电力晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等等。自关断器件在逆变器中的应用大大提高了逆变电源的性能。由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高。从而逆变桥输出电压中低次谐波的频率比较高，使输出滤波器的尺寸得以减小，而且对非线性负载的适应性得以提高。最初，对于采用全控型器件的逆变电源在控制上普遍采用带输出电压有效值或平均值反馈的PWM控制技术，其输出电压的稳定是通过输出电压有效值
21、或平均值反馈控制的方法实现的。采用输出电压有效值或平均值反馈控制的方法具有结构简单、容易实现的优点，但存在以下缺点：对非线性负载的适应性不强；死区时间的存在将使PWM波中含有不易滤掉的低次谐波，使输出电压出现波形畸变；动态特性不好，负载突变时输出电压调整时间长。为了克服单一电压有效值或平均值反馈控制方法的不足，实时反馈控制技术获得应用，它是近十年来发展起来的新型电源控制技术，目前仍在不断地完善和发展之中，实时反馈控制技术的采用使逆变电源的性能有了质的飞跃。实时反馈控制技术多种多样，主要有以下几种：(1)谐波补偿控制当逆变电源的负载为整流负载时，由于负载电流中含有大量谐波，谐波电流在逆变电源内阻
22、上的压降致使逆变电源输出电压波形畸变，谐波补偿控制可以较好地解决这一问题，其是在逆变桥输出PWM波中加入特定的谐波，抵消负载电流中的谐波对输出电压波形的影响，减小输出电压的波形畸变。目前这种方法只能由高速的数字信号处理器来实现。(2)无差拍控制1959年，Kalman首次提出了状态变量的无差拍控制理论。1985年，Gokhale在PESC年会上提出将无差拍控制应用于逆变器控制。逆变器的无差拍控制才引起了广泛的重视。无差拍控制是一种基于微机实现的控制方法。这种控制方法根据逆变电源系统的状态方程和输出反馈信号来推算下一个采样周期的开关时间，使输出电压在每个采样点上与给定信号相等。无差拍控制的缺点是
23、算法比较复杂，实现起来不太容易，它对系统模型的准确性要求较高，对负载大小的变化及负载的性质变化比较敏感，当负载大小变化及负载的性质变化时不易获得理想的正弦波输出。(3)重复控制为了消除非线性负载对逆变器输出的影响，在UPS逆变器控制中引入了重复控制技术。Haneyoshi及Kawamura等人首先在PWM逆变器中采用重复控制消除周期性畸变。后来，邹应屿等人进一步完善了逆变器的重复控制理论，给出了一种重复控制器的设计方法，提出了自适应重复控制的理论。重复控制是一种基于内模原理的控制方法，它将一个基波周期的偏差存储起来，用于下一个基波周期的控制，经过几个基波周期的重复可达到很高的控制精度。在这种控
24、制方法中，加到控制对象的输入信号除偏差信号外，还迭加了一个“过去的控制偏差”，这个“过去的控制偏差”是上一个基波周期中的控制偏差，把上一个基波周期的偏差反映到现在和“现在的偏差”一起加到控制对象进行控制，这种控制方式，偏差好像在被重复使用，所以称为重复控制。它的突出特点是稳态特性好，控制鲁棒性强。但重复控制的控制实时性差，动态响应速度慢。因此，重复控制一般都不单独使用来完成逆变器的控制，而是与其它控制方式相结合，共同来提高整个系统的性能。(4)滑模变结构控制滑模变结构控制理论起于20世纪50年代，它最显著的特点是对参数变动和外部扰动不敏感，因此非常适用于闭环反馈控制的电能变换器。早期的滑模变结
25、构控制器采用模拟电路实现，广泛应用于电力拖动系统中。20世纪90年代中后期。台湾的邹应屿和香港大学的LKWang等人将离散滑模变结构控制理论应用到UPS逆变器中，获得了良好的控制效果。滑模变结构控制实质上是一种非连续的开关控制方法，它强迫系统的跟踪误差及其导数运行于相平面的一条固定的滑模曲线上，与系统参数变动及外部扰动无关，因此系统有极强的鲁棒性。但是，就波形跟踪质量来说，滑模控制不及重复控制和无差拍控制。(5)单一的电压瞬时值反馈控制这种控制方法的基本思想是把输出电压的瞬时反馈值与给定正弦波进行比较，用瞬时偏差作为控制量，对逆变桥输出PWM波进行动态调节。和传统PWM控制方法相比，由于该方法
26、能对PWM波进行动态调整，故系统的快速性、抗扰性、对非线性负载的适应性、输出电压的波形品质等都比传统PWM控制方法有所提高。这种方法的缺点是系统的稳定性不好，特别是空载时，输出电压容易振荡。系统的稳定性问题限制了电压调节器增益的提高，因而输出电压的波形品质还不是很好。(6)带电流内环的电压瞬时值反馈控制带电流内环的电压瞬时值反馈控制方法是在单一的电压瞬时值反馈控制方法的基础上发展而来的。在这种方法中，不但引入输出电压的瞬时值反馈，还引入滤波电容电流或滤波电感电流的瞬时值反馈。电压环是外环，电流环是内环。电流环具有将滤波电容电流或滤波电感电流改造为可控的电流源的作用，这样控制输入和输出电压之间形
27、成了具有单极点的传递函数，因而系统的稳定性大大提高，克服了单一的电压瞬时值反馈控制系统空载容易振荡的缺点。由于稳定性的提高使得电压调节器增益可以取比较大的值，所以突加突卸负载时输出电压的动态特性大大提高，抗扰性大大提高，对非线性负载的适应性也大大提高。1.4.3 逆变电源的发展趋势随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对逆变器控制性能要求的提高，逆变电源也得到了深入的发展，目前，逆变电源的发展趋势主要集中在以下几个方面：(1)高频化提高逆变电源的开关频率，可以有效地减小装置的体积和重量，并可消除变压器和电感的音频噪声，同时改善了输入电压的动态响应能力。此外，为了进一步减小装置的体积和重量，必须去
28、掉笨重的工频隔离变压器，采用高频隔离。高频隔离可以采用两种方式实现：在整流器与逆变器之间加一级高频隔离的DCDC变换器；采用高频链逆变技术。高频化仅限于小容量逆变电源。在大容量逆变电源中，由于工频变压器引起的矛盾相对不如小容量UPS突出，而且大容量的高频逆变器、整流器和高频变压器的制作也分别受到高频开关器件的容量和高频磁性材料的限制。(2)高性能化高性能主要指输出电压特性的高性能，它主要体现在以下几个方面：稳压性能好，空载及负载时输出电压有效值要稳定；波形质量高，不但要求空载时的波形好，带载时波形也要好，对非线性负载的适应性要强；突加突减负载时输出电压的瞬态响应特性好；电压调制量小；输出电压的
29、频率稳定性好；对于三相电源，带不平衡负载时相电压失衡小。输出电压的高性能是用电设备对逆变电源的要求，控制方式的改进是逆变电源达到高性能的主要手段。(3)并联及模块化当今逆变电源的发展趋向是大功率化和高可靠性。虽然现在已经能生产几千千伏安的大型逆变电源，完全可以满足大功率要求的场合，但是，这样整个系统的可靠性完全由单台电源决定，无论如何是不可能达到很高的。为了提高系统的可靠性，就必须实现模块化。模块化意味着用户可以方便地将小容量的模块化电源任意组合，构成一个较大容量的逆变电源。模块化需要解决逆变电源之间的并联问题，逆变电源的并联要比直流电源的并联复杂，它面临着负荷分配、环流补偿、通断控制等多方面
30、的问题。但是，逆变电源的并联运行可以带来以下几个方面的好处：1)可以用来灵活地扩大电源系统的容量；2)可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性；3)具有极高的系统可维修性。当单台电源出现故障时，可以很方便地通过热插拔方式进行更换和维修。(4)小型化在逆变电源中，决定整个装置体积和重量的部分是变压器和LC滤波器，变压器可能放在输入部分，也可能放在输出部分，起电压隔离或电压匹配的作用；LC滤波器用于滤除PWM波中的高次谐波，滤波器的尺寸与PWM波的频谱特性有关。要使逆变电源小型化，可以采用的方法有三种：1)提高开关频率，使滤波器小型化；2)采用新的PWM控制方式，优化逆变桥输出PWM波的频谱，使滤波
31、器小型化；3)用高频变压器实现电压的隔离及匹配，替代输入或输出的低频变压器，实现变压器的小型化。(5)高输入功率因数化对于交流输入的逆变电源，中间环节直流电源一般由二极管整流获得，其输入电流成尖脉冲状，因此，输入功率因数不高。提高整流侧的输入功率因数不仅可大大提高逆变电源对输入电能的利用率，而且可以克服逆变电源对电网产生谐波污染的缺点。(6)数字化逆变电源的数字化并不是简单的指在系统中应用了数字器件，如单片机及FPGA等，而是指整个系统的控制应用数字器件的计算能力和离散控制方法来完成，随着硬件技术的发展处理器计算速度的提高，必然促使逆变电源向数字化方向发展。(7)智能化一个智能化的逆变电源除了
32、能够完成普通逆变电源的所有功能外，还应具有以下功能：1)对运行中的逆变电源进行监测，随时将采样点的状态信息送入计算机进行处理，一方面获取电源工作时的有关参数，另一方面监视电路中各部分的状态，从中分析电路的各部分工作是否正常；2)在逆变电源发生故障时，根据监测的结果，进行故障诊断，指出故障的部位，给出处理方法；3)自动显示所监测的参数，有异常或发生故障时，可以自动记录有关异常或故障的信息；4)按照技术说明书给出的指标，自动定期地进行自检，并形成自检记录文件；5)能够用程序控制逆变电源的启动和停止，实现无人值守的自动操作；6)具有信息交换功能，可以随时向上位机输入信息，或从上位机获取信息。第二章
33、主电路的研究与选择2.1开关电源的设计步骤开关电源可以采用模块化的设计思想。由于其设计比较复杂，因此要把它分解成多个基本功能模块进行设计。开关电源设计者潜意识里都是根据功能框图的步骤进行设计的。按照一定顺序和方式进行设计会使设计变得更加容易，因为下一步骤所需要的一些信息在该步骤之前就设计好了。总之，PWM和谐振式开关电源的设计总是在先进行总体考虑，然后对电源各部分分别进行设计，接下来是设计控制和辅助功能，最后进行测试和设计优化。所有的设计总是从电源所需的指标开始的。开关电源的设计中，拓扑的类型与电源各个组成部分的布置有关。这种布置与电源可以在何种环境下安全工作以及可以给负载提供的最大功率密切相
34、关。这也是设计中性能价格折中的关键点。每种拓扑都有自己的优点，有的拓扑可以成本比较低，但输出的功率受到限制；而有的可以输出足够的功率，但成本比较高。在某一种应用场合下，有好几种拓扑可以工作，但只有一种是在要求的成本范围内性能最好的，表2-1显示了各种拓扑结构的特点及应用范围。表2-1 PWM开关电源拓扑的比较拓扑功率范围/WVin (DC)范围/V输入输出隔离效率约为（%）Buck01000540无70Boost0150540无80Forward01505500有78Flyback01505500有80Push-Pull1001000101000有75Half-bridge1001505010
35、00有75Bridge4002000501000有73总之，选择最合适的拓扑要考虑的主要因素有：1)输入输出是否要隔离变压器；2)加载变压器一次侧或电感上的电压值有多大；3)通过开关管的峰值电流多大；4)加载开关管上的最高电压是多少。2.2 设计指标及要求如前所述，开关电源的设计首先要选择合适的电路拓扑结构，而合适的主电路结构由明确的设计指标确定。众所周知，汽车内部有一个输出12V（90Ah）的直流电，一般供点烟器使用，也可以为其他电器提供电力。但不便的是它仅能提供直流电，而一般设备都使用220V交流电，这使得众多电器不能在汽车上使用。车载逆变电源将轿车蓄电池的直流12V（卡车为24V）转换为
36、220交流电。由于逆变电源直接在汽车上使用，而汽车又是高档消费品，要求无论在何种情况下对汽车有保护作用，即要求该车载逆变电源输入输出实现电气隔离。同时，由于逆变器输出功率较大，蓄电池输出电流较大，要求蓄电池不能溃电，即蓄电池电压不能下降的太低，以确保汽车能够正常启动，因此，要求车载电源应该有输入欠压保护以及输入极性反接保护。除上述要求外，逆变电源应该具有其它电源的过流、短路和过载保护。是否选用散热风扇，本人反复给予考虑，若选用散热风扇整个电源散热系统将得到改善，但体积会增加，同时，随着使用时间的增加，车载逆变电源有可能变脏。本课题考虑到该逆变电源用于汽车内，要求其保持干净，因而没有采用散热风扇
37、，采用自然散热方式。车载逆变电源属于消费电子产品，要求外形、色彩美观，本课题只考虑其电气性能，对于机构和外形不予考虑。车载逆变电源的详细指标及要求如以下各表所示。表2-2 输入电压、电流指标输入电压输入允许电压范围输入允许最大电流输入空载电流12VDC10.515VDC18A小于0.3A表2-3 输出电压、电流指标输出电压最大输出功率输出电压波形输出频率220VAC10%150W正弦波502HZ表2-4 电源保护要求输入欠压保护输入过压保护输出过流保护输出短路保护输入反接保护过温保护低于10.5V高于15V有有有有表2-5 其它要求输入输出是否隔离转换效率散热方式工作环境温度电源指示灯隔离不低
38、于85%自然散热-1040有2.3总体方案设计2.3.1 方案比较在本逆变电源的设计中，我们的目的是将车载电瓶的12V(90Ah)直流电压逆变为交流220V/50Hz的电压，通过一段时间对资料的收集和分析，现总结出如下三种方案，分别介绍如下：方案一：基于工频变压器的逆变电路 本方案设计的逆变电源是通过脉宽调制芯片产生的脉宽调制信号用来驱动半桥逆变电路，产生低压交流信号，再经过工频变压器的升压，转换为所需要的交流电压。电路框图如图2-1：直流电压脉宽调制芯片半桥逆变电路交流电压工频变压器图2-1 基于工频变压器的逆变电路框图方案二：简单推挽逆变电路 本方案设计的逆变器可以作为交流辅助电源。图2-
39、2是本逆变器的电路框图。它是通过在振荡级产生所需要的50Hz的交流信号，再经过推动级的放大，然后把放大后的电压信号送入推挽输出级经过放大、变压器的升压，从而得到所需要的220V/50Hz的交流电压。直流电压推动级推挽输出级振荡级交流电压图2-2 简单推挽逆变电路框图方案三：车载单相准正弦脉宽调制逆变电路直流电压直流/直流滤波输出控制电路驱动电路交流电压直流/交流图2-3 车载单相准正弦脉宽调制逆变电路框图 本方案是采用了比较典型的逆变电路的变换方式把直流12V电压变换成220V的交流电压，即第一级采用直流/直流变换，通过脉宽调制和高频变压器把直流低压升压变成直流高压，再通过第二级直流/交流变换
40、，通过对直流/交流全桥逆变电路各个桥臂MOS管通断的控制，把高压直流逆变为交流电压，然后通过滤波电路，滤出我们所需要的50Hz的频率交流电压，从而完成12V直流电压逆变成220V/50Hz的交流电压。2.3.2 方案论证方案1通过脉宽调制芯片把直流低压信号调制成脉宽调制信号，形成脉宽调制波PWM，并用其来驱动半桥逆变变换电路中的功率场效应管，控制电路中开关管的通断，变成交流低压信号，再把交流低压信号经过工频变压器的升压变成220V的交流电压。方案2首先通过555型集成电路和一些电阻和电容组成的振荡级来选定我们所需要的50Hz的工作频率的信号；再由几个三极管组成的推动级来对50Hz的振荡信号来进
41、行放大，同时再由几只复合管组成推挽放大电路的基极，进一步对其进行放大，以提高对功率输出级的驱动电流；然后由几只三极管和几只二极管、输出级变压器组成推挽输出级，它将推动级送来的激励信号进行放大，并通过变压器将初级电压升高到220V送到输出端。方案3电路采用了比较典型的两级变换的方式，在第一级直流/直流变换电路中利用了集成脉宽调制电路芯片调制出PWM波，通过PWM波信号来驱动MOS管的通断，把直流信号变换成交流低压信号，再通过高频变压器把交流低压方波信号升压成交流高压方波信号，然后通过整流滤波电路，把交流高压信号变成350V的直流高压；在第二级中，用另一片脉宽调制芯片与一片正弦函数芯片做适当的连接
42、产生SPWM波，用来对直流/交流变换电路中的全桥逆变电路进行脉宽调制，从而把350V直流高压逆变成220V的交流电压，然后通过滤波电路，滤出我们所需要的50Hz的交流信号，就得220V/50Hz的交流电压；而且在本次整个逆变电路中采用了变压器隔离的方法来保证主、控电路不受彼此的相互影响。2.3.3方案选择从上面的三个方案来分析看，方案2的简单推挽逆变电路没有使用脉宽调制技术，电路简单，而且此逆变器输出为50Hz的方波信号，由于波形为方波，可能对电器设备造成干扰，不能满足我们设计所需要的正弦波输出。方案1的基于工频变压器的逆变电路过于简单，而且经过升压变压器后的交流输出电压没有滤波网络，无法对我
43、们所需要的50Hz的频率进行滤取，电路体积较大等，不能符合我们毕业设计的要求。方案3相对于1，2两种方案来说，电路设计合理，在电路中采用了中间直流环节的高频变压器式逆变电源系统结构，它由高频逆变，高频变压器升压，整流滤波，高频SPWM逆变和输出滤波，可以满足我们设计所需要的要求，所以方案3是我们这次设计的最佳方案。1 本次逆变电源的设计主要内容包括：1) 直流/直流变换电路的设计；2) 直流/交流变换电路的设计；3) 直流/直流变换控制保护电路的设计；4) 直流/交流变换控制保护电路的设计；5) 高频变压器的设计。6) 辅助电源的设计。2.4 逆变器主电路的基本形式隔离式逆变主电路已经被广泛地
44、应用于多种逆变式功率变换装置中，有单相逆变，也有三相逆变。这些逆变式功率变换电路包括单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式、单相全桥式和三相全桥式几种。它们的性能和特点各有不同，分别用于不同的逆变装置中。现对其基本工作原理分别进行简要介绍和分析。2.4.1单端反激式变换电路隔离式单端反激式逆变电路可见图2-4。 在时间内，导通，D截止，加在T原边，T的原边励磁电感储存能量，在期间，截止，D导通，T中储存的能量耦合到副边输出到并为C充电。设变压器初级电流峰值为，匝比为n，原边电感为L，效率为，输出功率为 （2.1）开关管的最高端电压为（），其工作电流可以由下两式给出： （2.2） 图2-4单端反
45、激式变换电路在这种变换电路中，变压器作为一个耦合电感传输能量，体积比较大，不适合于大功率的变换器，它的优点是电路简单。另外，由于这种变换器能够自动地均衡各路负载，所以它可以比较容易地实现多路输出。2.4.2 单端正激式变换电路单端正激式变换电路见于图2-5。图2-5 单端正激式变换电路在时间内，导通，上升，截止，导通，上升，L储能，输出能量到并为C充电，中下部分为副边电流的折算值（/n），上部为变压器原边励磁电流。在期间，截止，截止，导通，励磁电流耦合到续流绕组中经泄放掉，副边电感L经续流，输出能量到补充能量。由于在一般的情况下，续流绕组和原边绕组匝数基本相等，所以开关管的最高端电压为2，其工
46、作电流由下式给出： （2.3）式中，为变压器原边励磁电感。2.4.3 推挽式变换电路推挽式功率变换电路如图2-6所示。两路相位相反的PWM驱动脉冲分别加到逆变开关管，的基极，控制它们交替通断，输入直流电压被变换成高频的方波交流电压经变压器输出。当导通时，截止，输入电压加在变压器T原边绕组上，由于变压器有两个绕组，且匝数相同，所以在上将施加两倍的电源电压，即2。当驱动脉冲结束后（死区时间），两只开关管都截止，端电压都为。当导通时，截止，工作过程和上面的类似，不再重复。图2-6 推挽式功率变换电路以上是分析的稳态工作的情况，在开关管开关的过程中，有时造成电流电压尖峰，下面我们分析下：在死区时间内，两只开关管都截止，变压器副边如果有如上所示的整流滤波电路，副边电感将通过两只整流二极管续流，两只整流二极管都导通。这时如果原边有一只开关管导通，副边将会有一只二极管截止，在它由导通到截止转换时，有一个反向恢复的过程，这时变压器副边相当于短路，所以在原边会有一个电流尖峰。2.4.4 半桥逆变式主电路 半桥逆变式功率变换主电路的形式如图2-7所示。图2-7 半桥逆变式主电路当两只开关管，都截止时，若两只电容相等，即=，则两电容中的点A的电压为输入电压的一半，即。当导通时，电容将通过和变压器原边放电，同时电源电压通过和变压器原边放电为电容充电，中点A的电位将有所上升