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1、摘 要开关电源具有效率高、体积小、重量轻等显著特点。目前世界各国都有广泛的应用，特别是对大容量高频开关电源的研究和开发已成为当今电力电子学的主要研究领域，并派生了很多新的研究方向。本设计的题目为10kW直流开关电源的设计，直流开关电源的工作原理：电网输送来的交流电经整流滤波电路变为直流，经过高频逆变电路变为高频交流，通过高频变压器将高频交流电变压，然后高频交流电经单相桥式整流滤波电路变为直流。根据直流开关电源的工作原理确定设计方案，选择三相桥式不控整流滤波电路作为主电路的输入级电路，通过分析比较各种变化器的优缺点，选用移相式全桥变换器，设计了高频变压器，选择单相桥式整流电路作为主电路的输出级电
2、路，在电压调节环节上，详细分析了基于UC3825控制芯片的PWM控制电路。并根据任务要求完成了IGBT驱动电路、系统反馈电路的、保护电路、辅助电源以及均流电路的设计。本次设计的10kW直流开关电源具有输出电压可调、输出电流大、纹波小等特点。实验结果表明它基本达到设计要求，从而验证了理论分析的正确性，具有广阔的应用前景。关键词：变换器；开关电源；高频变压器；PWM控制AbstractSwitching power supply with high efficiency, small size, light weight and other significant characteristics.
3、 At present, all the countries in the world have a wide range of applications, especially in the research and development of large capacity and high frequency switching power supply has become a main research field of modern power electronics, and derive a lot of new research directions.The subject
4、of this design is the design of 10kW DC switching power supply, the working principle of DC switching power supply: the grid to the AC rectified filter circuit into a DC, after high frequency inverter circuit into a high-frequency alternating current, high frequency alternating current transformer b
5、y high-frequency transformer will, then high frequency AC single-phase bridge rectifier filter circuit for dc. According to the design scheme to determine the working principle of DC switching power supply, selection of three-phase uncontrolled rectifier filter circuit as the input circuit of main c
6、ircuit, comparing the advantages and disadvantages of various changes through the analysis, selection of phase-shift full bridge converter, high frequency transformer design, selection of single phase bridge rectifier circuit as output circuit of the main circuit, on the voltage regulation part, a d
7、etailed analysis of the UC3825 control chip control circuit based on PWM. And the IGBT drive circuit, feedback circuit, protection circuit, auxiliary power supply and a flow equalization circuit is designed according to the requirement of the task.The design of 10kW DC switching power supply has the
8、 characteristics of adjustable output voltage, output current, low ripple. The experimental results show that it meets the design requirement, which verifies the correctness of the theoretical analysis, has a broad application prospect.Keywords: converter；Switching power supply；high-frequency transf
9、ormer；PWM control目 录第1章 绪论11.1 开关电源的简介11.2 开关电源的发展及国外现状11.3 国内开关电源的发展及现状3第2章 系统分析和设计方案确定52.1系统整体概述52.2变换器的选择62.3控制电路的实现62.4 整流滤波电路的选择82.4.1 输入整流滤波回路82.4.2 输出整流滤波回路8第3章 开关电源主电路的设计93.1 开关电源的设计要求93.2 主电路组成框图93.2.1 输入整流滤波电路103.2.2移相式全桥变换器的设计123.2.3 输出整流滤波电路16第4章 控制电路的设计194.1 PWM集成控制器的基本原理194.2 高速脉宽调制器UC
10、3825194.2.1 主要特点214.2.2 极限参数214.2.3 内部电路工作原理224.3 UC3825的调试244.4 反馈电路的设计25第5章 保护电路的设计285.1 软启动电路的设计285.2 过流过压保护29第6章 辅助电源设计32第7章 均流电路设计347.1 均流电路概述347.2 开关电源并联系统常用的均流方法34第8章 结论37参考文献38致 谢39附 录140附 录241第1章 绪论1.1 开关电源的简介开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术
11、的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用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。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
12、源。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。开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。这里主要介绍的只是直流开关电源，其功能是将电能质量较差的电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压（精电）。直
13、流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说，直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的，DC/DC转换器的分类基本上就是直流开关电源的分类。1.2 开关电源的发展及国外现状自1957年第一只可控硅(SCR)问世后，可控硅取代了笨重而且效率低下的硒或氧化亚铜整流器件，可控硅整流器就作为通信设备的一次电源使用。在随后的20年内，由于半导体工艺的进步，可控硅的电压、电流额定值及其它特性参数得到了不断提高和改进，满足了通信设备不断发展的需要，因此，直到70年代，发达国家还一直将可控硅整流器作为大多数通信设备的一次电源使用。虽然可控硅整流
14、器工作稳定，能满足通信设备的要求，但它是相控电源，工作于工频，有庞大笨重的电源变压器、电感线圈、滤波电容，噪声大，效率低，功率因数低，稳压精度也较低。因此，自1947年肖克莱发明晶体管，并在随后的几年内对晶体管的质量和性能不断完善提高后，人们就着力研究利用晶体管进行高频变换的方案。1955年美国罗耶(GHRoger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换电路的开始, 1957年美国查赛(JJJen Sen)又发明了自激式推挽双变压器变换器电路。在此基础上，1964年，美国科学家提出了取消工频变压器的串联开关电源的设想，并在NEC杂志上发表了“脉宽调制应用于电源小型化”等文章
15、，为使电源实现体积和重量的大幅下降提供了一条根本途径。随着大功率硅晶体管的耐压提高和二极管反向恢复时间的缩短等元器件性能的改善，1969年终于做成了25kHz的开关电源。电源界把开关电源的频率提高到20kHz以上称为电源技术的“20kHz革命”。经过几年的努力，从开关电源的电路拓扑型式到相配套的元器件等研究都取得了相当大的进展。在电路拓扑型式上开发出了单端贮能式反激电路、双反激电路、单端正激式电路、双正激电路、推挽电路、半桥电路、全桥电路，以适应不同应用场合、不同功率档次的需要；在元器件方面，功率晶体管和整流二极管的性能也有了较大的提高。1976年美国硅通用公司第一个做出了型号为SG1524的
16、脉宽调制(PWM, Pulse Width Modulation)控制芯片，极大地提高了开关电源的可靠性，并进一步减小了体积。在随后的几年中，大功率晶体管(GTR)和功率场效应管(MOSFET)相继被研制出来，其电压、电流额定值大为提高，工作频率也提高较多，可靠性也显著增加。到80年代中后期，绝缘栅双极性晶体管(IGBT)已研制出来并投入了市场，各种通信设备所需的一次电源大多采取PWM 集成控制芯片、双极型晶体管、场效应管、绝缘栅双极晶体管。随着微电子学的发展和元器件生产技术的提高，相继开发出了耐压高的功率场效应管(VMOS管)和高电压、大电流的绝缘栅双极性晶体管(IGBT)，具有软恢复特性的
17、大功率高频整流管，各种用途的集成脉宽调制控制器和高性能的铁氧体磁芯，高频用的电解电容器，低功耗的聚丙烯电容等。主要元器件技术性能的提高，为高频开关电源向大功率、高效率、高可靠性方向发展奠定了良好基础。随着通信用开关电源技术的广泛应用和不断深入，实际工作中人们对开关电源提出了更高的要求，提出了应用技术的高频化、硬件结构的模块化、软件控制的数字化、产品性能的绿色化、新一代电源的技术含量大大提高，使之更加可靠、稳定、高效、小型、安全。在高频化方面，为提高开关频率并克服一般的PWM和准谐振、多谐振变换器的缺点，又开发了相移脉宽调制零电压开关谐振变换器，这种电路克服了PWM方式硬开关造成的较大的开关损耗
18、的缺点，又实现了恒频工作，克服了准谐振和多谐振变换器工作频率变化及电压、电流幅度大的缺点。采用这种工作原理，大大减小了开关管的损耗，不但提高了效率也提高了工作频率，减小了体积，更重要的是降低了变换电路对分布参数的敏感性，拓宽了开关器件的安全工作区，在一定程度上降低了对器件的要求，从而显著提高了开关电源的可靠性。1.3 国内开关电源的发展及现状建国初期，我国邮电部门的科研技术人员开发了以国产大功率电动发电机组为主的成套设备作为开关电源用于通信。在引进原民主德国FGD系列和前苏联BCC51系列自动化硒整流器基础上，借鉴国外先进技术，与工厂共同研制成功国产XZL系列自动化硒整流器，并在武汉通信电源厂
19、批量生产，开始用硒整流器装备通信局(站)，替换原有的电动发电机组，这标志着我国国产开关电源设备跃到一个新的水平。但后来，我国的开关电源发展相当缓慢。1963年开始研制和采用可控硅(SCR)整流器,1965年着手研制逆变器和晶体管直流直流(DC/DC)变换器，当时与发达国家相比只落后五六年.后由于十年动乱，研制工作一直停滞不前，除了可控硅整流器于1967年在武汉通信电源厂开始形成系列化生产，供通信设备作一次电源使用，并不断得到改进，性能和质量逐步提高外，其它方面进展十分缓慢。一直到80年代才开始生产20kHz DC/DC变换器，但由于受元器件性能的影响，质量很不稳定，无法作为通信设备的一次电源使
20、用。只是作为通信设备的二次电源使用(二次电源对元器件的耐压及电流要求较低)。直到上世纪90年代初，我国大多数通信设备所用的一次电源仍然是可控硅整流器。这种电源工作于工频50Hz，有庞大的工频变压器、电感线圈、电解电容等，笨重庞大、效率低、噪声大、性能指标低，不易实现集中监控。由于通信事业发展的需要，八十年代后期，邮电部加强了开关电源技术发展的各项工作，制订了“通信基础电源系统设备系列暂行规定”，“通信局(站)电源系统总技术要求”和电源设备行业标准等文件，多次派代表参加国际电信能源会议，并在八十年代后期才第一批引进了澳大利亚生产的48V/50A(开关频率为40kHz)和48V/100A(开关频率
21、为20kHz)的高频开关电源，在吸收国外先进技术的基础上，投入较大的力量，开始研制自己的开关电源。邮电部武汉电源厂、通信仪表厂等厂家开发出了自己的以PWM方式工作的开关电源,并推向电信行业应用，取得了较好的效果.随后邮电部对电源提出了更新换代和实现监控(包括远程监控)的要求，众多厂家都投入力量研制开发，推出了采用PWM技术的高频开关电源，有些厂家还推出了实现远程监控的解决方案，短短几年后，电信部门所用的一次通信电源几乎都更换成了采用PWM 集成控制芯片、大功率晶体管、功率场效应管、绝缘栅双极晶体管的半桥或全桥电路，其开关频率为几十100kHz、效率高于90%、功率因数接近1。稳压精度优于0.5
22、%,模块化组合的高频开关电源，电信行业成套电源技术提高到了一个崭新的水平。总的说来，开关电源的发展趋势为:继续向高频、高效、高可靠、高密度化、低耗、低噪声、抗干扰和模块化发展。第2章 系统分析和设计方案确定本章从整体上对开关电源的各种功能模块进行了介绍，主要阐述了各模块的结构、功能以及相互之间的关系，其中重点介绍了主变换器和控制电路，对当前开关电源常用的变换器的结构、优缺点、适用范围等进行了分析，在此基础上，结合本文的实际情况，选择了合适的变换器结构；在控制电路部分，介绍了开关电源控制电路各控制单元的功能以及实现方法。最后对开关电源整流滤波电路进行了简单介绍。2.1系统整体概述按照各部分的功能
23、划分，从大的方面讲，开关电源可分成：电源主电路和电源控制电路两部分。电源的主电路是负责进行功率转换的部分，通过适当的控制电路可以将市电转换为所需的直流输出电压。而控制电路则根据实际的需要产生主电路所需的控制脉冲和提供各种保护功能。开关电源的结构框图可如图2.1所示。EMI滤波器整流滤波高频变换器高频变压器高频整流滤波输出辅助电源PWM调节器误差比较放大器电压电流取样电路基准电压保护电路控制电路ACDC图2.1 开关电源的结构框图从图中可以看出，这几部分是相辅相成的统一整体。在电源的研制和开发过程中必须对每一部分都进行认真的分析和研究，才能使所研制的开关电源满足设计要求。电源主电路通过输入整流滤
24、波、DC-DC变换、输市出整流滤波将电转为所需要的直流电压。开关电源的主回路可以分为:输入整流滤波回路、功率开关桥、输出整流滤波三部分。输入整流滤波回路将交流电通过整流模块变换成含有脉动成分的直流电，然后通过输入滤波电容使得脉动直流电变为较平滑的直流电。功率开关桥将滤波得到的直流电变换为高频的方波电压，通过高频变压器传送到输出侧。最后，由输出整流滤波回路将高频方波电压滤波成为所需要的直流电压或电流，主回路进行正常的功率变换所需的触发脉冲由控制电路提供。控制电路是整个电源的大脑，它控制整个装置工作并实现相应的保护功能。一般控制电路应具有以下功能:控制脉冲产生电路、驱动电路、电压反馈控制电路、各种
25、保护电路、辅助电源电路。为了使开关电源设备正常的工作，使电源的各个组成部分都能发挥其最大的效能，就必须让电源的各个组成部分相互协调、相互协作、在电源的研制与设计过程中应对这方面的问题给予足够的重视。2.2变换器的选择近年来，移相控制全桥变换器由于具有恒频软开关运行、移相控制实现方便、电流和电压应力小、巧妙利用寄生元件等一系列突出优点，倍受各方的广泛关注.移相控制方式作为全桥变换器特有的-种控制方式，它是指保持每个开关管的导通时间不变，同一桥臂两只管子相位相差180度。对全桥变换器来说，只有对角线上两只开关管同时导通时，变换器才输出功率，所以可通过调节对角线上的两只开关管导通重合角的宽度来实现稳
26、压控制，而在功率器件环流期间，它又利用变压器的漏感、功率半导体器件的结电容或外加的附加电感电容的谐振来实现零电压或零电流的开关换流。本文根据实际技术要求开发的开关电源的主电路，应该采用移相式全桥变换器的拓扑结构。2.3控制电路的实现控制电路是开关电源系统的另一重要部分。DC-DC变换器需要控制电路提供适当的驱动脉冲，才能有效的工作。如果控制电路不完善，主电路设计得再好也无法发挥其自身的功能，例如:如果控制电路输出的触发信号不稳定，或者出现误触发，有可能引起开关桥的直通，导致短路，从而损坏开关元件。根据电路功能的分工可将控制电路分为几大部分:脉冲产生电路、触发电路、电压反馈控制电路、软启动电路、
27、保护电路、辅助电源电路等，具体控制电路如图2.2所示。从图2.2可以看出，脉冲产生电路是控制电路的核心。脉冲产生电路根据电压反馈控制电路、保护电路以及软启动电路等提供的控制信号产生出所需的脉冲信号，然后该脉冲信号经过触发电路的放大后去驱动开关元件，使开关管导通或关断。电源主电路触发电路保护电路电压反馈控制电路脉冲产生电路软启动电路辅助电源图2.2 电源控制电路框图电压反馈控制电路通过检测电压的大小，对输出电压进行采样，然后将采样电压和参考电压相比较得出误差信号，反馈控制电路将误差信号进行PI处理后得到一控制电压。最后，反馈控制电路将该控制电压送给脉冲产生电路，进而调节输出脉冲的脉宽达到调节输出
28、电压的目的。控制电路输出的PWM信号，电平幅值和功率能力均不足以驱动大功率开关元件，因此选择合适的驱动电路是必须的。驱动电路是将控制电路输出PWM脉冲信号经过电隔离后进行功率放大和电压调整再去驱动大功率开关管，由于所提供的脉冲幅度以及波形关系到开关管的开关过程，直接影响到损耗，所以，应该合理设计驱动电路，实现开关管的最佳开通与关断。电源的输出滤波电容较大，输出电压的突然建立将会形成非常大的电容充电电流，叠加在负载电流上，它不仅使开关管的负担过重而可能损坏，而且，由于持续时间长，往往会引起过流保护电路发生误动作。若为了避免由此引起的误动作而将保护电路搞得非常迟钝，这将会增加过流保护的不安全性。输
29、出电压在合闸时容易出现过冲，这种过冲，合闸时可能发生，在关闭电源时也可能产生，只要达到足够的幅度将会给负载造成损害，而且，反复的大电流冲击对电容器本身也不利，同时还会引起干扰，因此，开关电源必须具备输出电源软启动的功能。软启动电路在电源合闸和重新启动时提供一个逐渐上升的电压信号给脉冲产生电路，从而使控制电路的输出脉冲有一个逐渐建立的过程。保护电路是控制电路的一个重要组成部分，为了提高电源的可靠性必须不断完善保护电路的功能。当前开关电源电路的主要保护功能有:过流保护、过压保护、欠压保护、温度保护。过流保护和过压保护是为了保护负载和电源两者而设置的，而欠压保护和温度保护是为了电源本身而设置的。辅助
30、电源电路的功能是为控制电路供电。辅助电源的类型有很多种，既可以采用串联线性调整型电源，也可以采用开关电源。辅助电源也可以通过高频变压器获得输出后反馈提供，辅助电源本身作为开关电源的一组负载。选取辅助电源电路形式时，只要该电源能满足控制电路的要求即可。2.4 整流滤波电路的选择整流滤波回路是开关电源的重要组成部分，它可以提高电压、电流的稳定度，减小干扰。开关电源中分别存在输入和输出整流滤波回路。2.4.1 输入整流滤波回路本课题研究的电源额定工作状态的技术要求为:输出电压220V，输出电流50A，输出功率为10kW，属于大功率电源。为了保持三相交流电源的对称性和减小电源的输入滤波电容等原因，大功
31、率电源一般采用三相电源作为供电电源。因此，本设计采用三相桥式整流滤波电路作为输入级电路。2.4.2 输出整流滤波回路在大功率电源中，常用的输出整流电路有桥式整流电路和全波整流电路。因为本文实验要求输出电压为220V。桥式整流电路适用于输出电压较高的场合，还可以使变压器结构简单，降低整流管的电压定额，所以我们采用桥式整流电路作为输出整流电路。输出滤波电路一般可采用一级滤波也可采用两级滤波。输出滤波电路的作用是滤除二次侧整流电路输出的脉动直流中的交流成分，得到平滑的直流输出。第3章 开关电源主电路的设计开关电源最重要的两部分就是主电路和控制电路。本章将根据大功率直流开关电源的要求对主电路各部分进行
32、性能分析并计算各项参数，根据计算所得的数据结果选择各元器件，设计出各个独立模块，最后组装成开关电源的主电路。3.1 开关电源的设计要求本文设计的大功率直流开关电源主要应用于电力系统的高频开关电源，确定技术指标如下:1. 输入电压: 380V20%2. 电网频率: 50Hz10%3. 功率因数: 0.934. 输入过压告警: 437V5V5. 输入欠压告警: 320V5V6. 输出标称电压: 220VDC7. 输出电压范围: 176-286VDC8. 输出纹波电压: 10mV9. 输出额定电流: 50A10. 输出过压保护: 325V5V11. 输出欠压保护: 195V5V12. 便于生产和维护
33、在本设计的研究过程中，主要对开关直流电源的工作原理、电路的拓扑结构和运行模式进行了深入研究，并结合系统的技术参数，确定系统主电路的拓扑，设计出主电路，即分别设计出滤波、整流、DC-DC变换器、软启动和保护控制等部分。下面就对电源主电路的设计进行详细说明。3.2 主电路组成框图根据需要设计大功率开关电源的技术要求，本文进行了方案的验证与比较，设计如图3.1所示的软开关直流开关电源的主电路框图。虚线以上是主电路，主电路主要分为输入整流滤波、逆变开关电路、逆变变压器和输出整流滤波；虚线以下为控制回路，控制回路主要包括信息检测电路、控制和保护单元、监控单元和辅助电源。交流输入整流滤波高频逆变整流滤波直
34、流输出辅助电源控制和保护单元反馈监控单元图3.1 直流开关电源的主电路框图本电源采用ZVZCS- PWM 拓扑，原边加箝位二极管，三相交流输入整流后，加LC滤波，以提高输入功率因数，主功率管选用IGBT，控制电路采用UC3825移相控制专用集成芯片，电流电压双闭环控制。3.2.1 输入整流滤波电路三相交流电经电源内部EMI滤波后，加到整流滤波模块。EMI滤波器的作用是滤除功率管开关产生的电压电流尖峰和毛刺，减小电源内部对电网的干扰，同时又能减小其他用电设备通过电网传向电源的干扰。滤波电路采用LC滤波，电感的作用是拓开电流导通时间，限制电流峰值，可以提高电源的输入功率因数。滤波电容采用四个电解电
35、容，两个串联后并联使用，满足三相整流后的高压要求。电阻、是平衡串联电容上的电压，高频电容与电解电容并联使用，滤除高频谐波，弥补电解电容高频特性差的缺陷。如图3.2即为输入整流滤波电路。图3.2 输入整流滤波电路输入整流滤波电路同一般大功率PWM型开关电源的输入整流滤波电路相似。主要包括两部分组成:整流桥和输入滤波电路。工作频率为50Hz，输入为三相交流电压380V，采用三相整流桥。最大输入电压：=（1+20%）=3801.2=456V整流二极管的峰值电压为：=456=640V取50%的裕量：640(1+50%)=960V根据整流桥的实际电压等级，我们选择整流桥的耐压为1200V。因为电源的输入
36、功率随效率变化，所以应取电源效率最差时的数值。在此，我们按一般开关电源的效率取值，取效率为80%。电源的输入功率:P=22050/0.8=13750W因最大输入电流是在交流输入电压下限时，所以，=380V80%=304V,最大输入线电流: =26.1A取整流桥的额定电流为100A 。输入电容器决定于输出保持时间和直流输入电压的纹波电压的大小，而且要在计算流入电容器的纹波电流是否完全达到电容器的容许值的基础上进行设计。E为电网电压最低时输入三相桥式整流电路的输出平均电压，为交流输入线电压:E= (3-1)即： E= 1.35380(120%)= 410V通过直流输入电路的平均电流为： =33.5
37、A计算单相全波整流电路滤波电容的经验公式为:=400600 (3-2)由于三相全波整流电路的基波频率为单向电路的3倍，因此计算三相电路滤波电路的公式为:=133200 (3-3)所以：= 20033.5= 6700uF根据计算结果，在实际电路中，我们选用10000uF/400V的电解电容4只两两串联后再并联组成滤波电容组。电感中最大电流为交流输入电压下限时通过直流输入电路的平均电流=33.5A。理论上输入滤波电感越大，电流脉动越小，输入功率因素越高，但受体积重量和价格的限制，并根据绕制厂家的现有工艺水平，选用C1532l05硅钢片铁心，线径为1.6毫米，电感量为18mH的工频电感。电感量的确定
38、较难精确计算，可通过实验确定。3.2.2移相式全桥变换器的设计移相式全桥变换电路如图3.3所示。图3.3 移相式全桥变换电路单相逆变桥采用IGBT，以满足高压、高功率的要求。无感电容(、)并联在两桥臂之间，降低两桥臂之间电压尖峰的干扰，谐波电感，隔直电容、防止变压器的直流偏磁，原边箝位二极管减轻副边振荡，主变压器起到原、副边的隔离、耦合作用，原、副边各一副绕组，以满足副边采用全桥整流的要求，原边加交流互感器，检测原边电流作保护用。考虑到开关管的参数、控制电路及主电路的特性等因素，选取开关桥的工作频率为30kHz。高频变压器的计算：(1) 选择工作磁通密度B磁芯选用MX0-200铁氧体材料。选取
39、工作磁通密度B=900GS.(2) 计算磁芯规格并计算副边绕组匝数根据电源所用高频变压器的设计经验，磁芯采用环形磁芯。磁芯规格:Ddh= 1206020 mmD为环形磁芯的外直径，d为环形磁芯的内直径，h为环形磁芯的厚度。根据设计高频变压器的总结公式: =100 （3-4）式中，应取最大值。电路工作频率为30kHz，T=33.4uS，为导通时间，根据计算的占空比，我们暂取11uS，为施加在原变绕组上的电压幅值，其最大值为电网电压最大时的三相整流滤波输出值:即为：380(1+ 20%)=640V。为磁芯截面积:=600=6cm所以，计算所得高频变压器副边绕组匝数为:65.2取整数为65T。(3)
40、 计算原边绕组匝数按设计要求，输出电压最大值为286V，考虑从电源输出端到负载之间传输线的压降(取压降0.3V)，因此，该电源的最高输出电压为:=325+0.3=325.3V输出整流二极管的压降取2V；滤波电感的压降取0.6V；我们暂取开关桥的最大占空比=0.66；因此，最高输出电压、额定负载时高频变压器副边绕组最低电压幅值为:= (325.3+2+0.6)/0.66 = 496.8V因为: (3-5)其中= 380(1-20%)1.35=410V得到原边绕组匝数:=78.8因此，变压器原边绕组的匝数应取整数79T。(4) 计算实际占空比在输入电压最低，输出电压最高时有最大占空比= 380(1
41、-20%)1.35=410V=/= 79410/65= 498V=0.658在输入电压最高，输出电压最低的时候有最小占空比=/= 79640/65= 777V设此时= 1V=0.252相应的导通脉宽:T/2=0.65833.4/2=10.98 uST/2=0.25233.4/2=4.2uS (5) 选择绕组导线线径取负载电流为额定负载电流的105%，则流过输出电感的电流平均值为50120% =52.5A，流过副边绕组的电流幅值即为流过电感的电流幅值，即为=52.5A/=52.5/0.658=79.8A其平均值= 52.5A其有效值 = 52.5A考虑到存在集肤效应，根据相关文献，30kHz时的
42、穿透深度为0.3815mm，因此，选用的导线线径不得大于0.763mm。为绕制方便，选用线径为0.75mm的铜导线。取电流密度J=3A/mm，单根导线载流量为1.3253A。因此需用52.5/1.3253=39.61根，因而选用40根线径为0.75mm绞合而成。原边绕组流过的电流为双向电流，其宽度为，折算到输出电感电流增量以及励磁电流等三部分组成，前两者也如副边平均幅值电流那样取平均折算电流幅值，即：A设励磁电流幅值为折算副边电流幅值的8%，即:A它是锯齿形电流，我们将其转换成平均值在叠加到副边电流上。的平均值：A因此，原边绕组等效矩形波电流幅值为：= 52.5+2.1= 54.6A其有效值为
43、:=44.3A原边线径仍取0.75mm，电流密度J=3A/mm，单根导线载流量为1.3253A。因而需用44.3/1.3253=33.426根，因而选用34根线径为0.75mm的铜导线绞合而成。(6) 校核窗口面积1206020磁芯窗口面积为:= =2826mm副边绕组占有的标称面积为:=原边绕组占有的标称面积为:=占空系统为:= (+)/= (1149+1187)/2826= 0.8266可见窗口面积绰绰有余。选用高压开关管：(1) 耐压根据相关文献可以查到，全桥功率转换电路高压开关管上施加的最高电压为=E，对应于最高输入电网电压的输入整流电路的直流输出电压:=640V考虑各种因素的影响取5
44、0%的裕量640(l+50%)=960V(2) 开关电流在一些参数尚不知道的情况下，我们需要估算开关管的电流，以便选择开关管和计算输出滤波电路。在高频变压器的计算中，我们估算了实际占空比为0.658，为0.252。输入整流滤波电路的最大输出电流平均值:A此时，= 0.658，峰值电流为33/0.658= 50.9A输入整流滤波电路的最小输出电流值:=A此时，=0.252峰值电流为22.3/0.252= 88.49A所以，开关管估算最大电流值为88.49A根据计算所得的结果分析，我们选取三菱电机公司第三代IGBT单管CM60HSA24作为高压开关管，其耐压为1200V，电流容许值为60A。在第二
45、章中，我们对主电路的工作模式进行了分析，对电路的重要参数之间的关系进行了推导，得出了如下关系式: (3-6)式中: 为初级电流下降的时间；为变压器的漏感；为占空比；变压器的漏感与绕线工艺及磁芯形状等有关，绕制好的变压器漏感基本不变。在前面，我们设定电路的工作频率为30kHz，计算得到的最大占空比=0.658，并且我们假设初级电流下降的时间为4uS，所以：=4.7uF3.2.3 输出整流滤波电路输出整流滤波电路是通过快恢复整流二极管的整流和滤波电感及滤波电容将高频变压器输出的高频交变电压或电流编程要求的输出电压或电流。因为输出电压比较高(220V)，所以高频变压器的副边选用桥式整流，以提高安全可
46、靠性，如图3.4所示。采用全桥整流满足高压的要求，高频滤波电感，电解电容(、)，高频电容(，)滤除高频谐波分量，共模电感()，电容(、)，抑制共模分量，电流采样电阻、，输出二极管，防止电流反灌。下面对输出整流电路的各部分进行一下分析与计算。输出整流二极管:因为输出二极管工作于高频状态(30kHz)，所以应选用快恢复二极管。图3.4 输出整流电路(1) 输出整流二极管的耐压高频变压器副边的输出最高电压峰值为:V所以加在输出整流二极管上最高的反压为530.51V。(2) 输出整流二极管的电流输出整流二极管流出的电流即为流过输出滤波电感的电流，所以其有效值为52.5A。根据以上分析，同时考虑一定的裕量，选取IN5398作为输出二极管。该二极管的耐压为800V，额定电流为50A。输出滤波电感：根据相关文献的公式可以得到: (3-7)选为额定负载电流的5%，即：= 505% =2.5AT=1/=1/3010=33.3uSuS= 783.6V此时的电感电流增量不得大于2，所以H所以选取滤波电感为0.49410H输出滤波电容：
