高频开关电源设计毕业论文.doc
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1、 第 1 页 共 51 页 目 录 引言 .1 1本文概述2 1.1 选题背景.2 1.2 本课题主要特点和设计目标.2 1.3 课题设计思路.3 2SABER 软件 4 2.1 SABER 简介.4 2.2 SABER 仿真流程.5 2.3 本章小结.5 3三相桥式全控整流器的设计7 3.1 工作原理.7 3.1.1 三相桥式全控整流电路的特点.8 3.2 保护电路.8 3.2.1 过电压产生的原因.8 3.2.2 过压保护.8 3.2.3 过电流产生的原因.9 3.2.4 过流保护.10 3.3 SABER 仿真.12 3.3.1 设计规范.12 3.3.2 建立模型.13 3.3.3 仿
2、真结果.13 3.3.4 结果分析.15 3.4 本章小结.15 4功率因素校正技术.16 4.1 谐波.16 4.1.1 谐波的危害.16 4.1.2 谐波补偿和功率因素校正.16 4.2 有源功率因数校正.17 4.2.1 APFC 技术分类 17 4.2.2 临界导电模式 APFC 的控制原理 18 4.2.3 功率因素校正电路的缺点及解决方法.19 4.3 本章小结.20 5软开关功率变换技术.21 第 2 页 共 51 页 5.1 软开关技术的提出.21 5.1.1 开关损耗的成因.21 5.2 软开关技术.22 5.2.1 软开关技术的一般实现方法.23 5.2.2 软开关的发展历
3、程主要分类.25 5.3 本章小结.26 6双管正激变换器的设计.27 6.1 工作原理.27 6.2 SG3525 的功能介绍以及应用 28 6.2.1 SG3525 基本工作原理和应用特点 .29 6.2.2 SG3525 在双管正激开关电源中的应用 .29 6.3 启动电路的改进.31 6.4 SABER 仿真.31 6.4.1 设计步骤简介.31 6.4.2 设计规范.31 6.4.3 开环设计(功率电路设计).32 6.4.4 调制器设计和闭环仿真.35 6.5 仿真结果.38 6.6 本章小结.39 7BOOST 变换器的设计 .40 7.1 工作原理.40 7.2 SABER 仿
4、真.41 7.2.1 设计规范.41 7.2.2 参数设计.42 7.2.3 仿真结果.43 7.3 本章小结.43 8系统集成调试.44 9结论与展望.45 谢 辞 46 参考文献 47 附录 48 第 1 页 共 51 页 引言 人类已经进入工业经济时代,并处于转入高新技术产业迅猛发展的时期。电源是 向负载提供优质电能的供电设备,是工业的基础。 电源涉及功率半导体器件,综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术等 多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展,电源技术又与现代控制理论、材料科 学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。在现代通信,电子仪器、计算机、 工业自动化、电力工程、国
5、防以及某些高新技术中发挥着重要作用。 开关电源是直流电源系统的一个重要组成部分。高频开关技术是采用高频功率半 导体器件和脉宽调制(PWM)技术的功率变换技术。其发展方向是高频,高功率因素, 抗干扰和模块化,其中进一步实现高频化是开关电源的发展趋势,同时软开关技术也 成为开关电源的主流技术,由于工作频率高,电路中的滤波电感和电容的体积可大大 缩小;同时,高频变压器取代了工频变压器则变压器的体积减小、重量降低;另外, 由于开关管高频工作,功率损耗小,因而开关电源效率高。开关管一般采用 PWM 控 制方式,稳压稳流特性极佳。 现在应用于开关电源技术的仿真软件已有多种,它们有通用的软件,也有专业的 软
6、件,其中通用的最具影响的是 PSPICE 和 MATLAB。PSPICE 是美国加州大学伯克利分 校推出的集成电路分析软件 SPICE 的微机版,广泛应用于电子电路的设计。早期的 MATLAB 主要应用于控制系统的仿真和分析,经过不断扩展已经成为包括通信、电气工 程、优化控制等诸多领域的科学计算软件。虽然上述两个软件均可用于开关电源系统 的仿真,但是笔者认为开关电源技术作为一门跟实践紧密联系的课程,采用专业级的 仿真软件效果将会更好,因此本次设计将采用专业级的电源仿真软件-SABER。 本文应用高频开关 PWM 技术,设计了一种开关频率 50KHZ 的高频开关电源,系 统主电路包括三相桥式全控
7、整流器、双管正激变换器、BOOST 变换器。根据题目要求, 应用 SABER 软件对上述几个电路进行了原理性仿真测试,并对仿真结果进行了分析。 第 2 页 共 51 页 1本文概述 1.1 选题背景 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输出功率点上,反而高于开关电源,这一 点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术也在不断地 创新,这一成本
8、反转点日益向低输出电力端移动,这为开关电源提供了广阔的发展空 间。 从开关电源发展史来讲,如今已经走到第五代。第一代是 70 年初,那时候从线性 电源开始走向开关电源;第二代是 1976 开始取得 UL 安规认证;第三代从 80 年代中 期开始,开关电源走向全球通用,因此电源的开发就不能局限在北美或者日本市场, 输入电压要考虑 85265V 范围内,同时欧规和其他安规都要考虑进来;第四代在 90 年 中期,欧盟要求 EMC(电磁兼容),包括 PFC 方面的高次谐波要求;现在进入了第五代, 2006 年 7 月,欧盟将强制执行 ROHS 条例,以限制有毒物质的使用,新一代的电源产 品就这样诞生了
9、。 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。 近年来,开关电源已广泛应用于电力,通信,交通等各个领域,并取得了显著的 经济效益。随着开关器件以及磁性材料性能的不断改进,开关频率逐步提高,功率逐 步增大,开关电源的性能也更加优良。相关技术的发展和开发软件的改进,也使开关 电源的研发水平大大提高。 1.2 本课题主要特点和设计目标 高可靠性、高电气指标等特征,使得开关电源具有更强的竞争力,应用领域不断 扩大
10、,高频开关电源向着高频、高效、高功率因素发展,必然将有更多更好的新技术 出现,来不断完善它。 本文通过对开关电源的工作原理进行探究,分析了提高电源性能的新技术,设计 了主体电路,分析了控制保护电路,并用 SABER 软件对电路进行原理性仿真模拟。 本课题所设计的开关电源,具体要求如下: 第 3 页 共 51 页 (1)输入:三相交流输入 380V,在10变化内; (2)输出:200VDC/10A; (3)稳压精度 0.1,功率因数大于 0.9,具有过流过压保护措施 1.3 课题设计思路 交流输入的开关电源的设计电路如图 1.1 所示。交流电经整流和 PFC 后转换成高 压直流电,经 DC/DC
11、 变换器后转换成所需的直流电输出。 交流 三相桥式 全控整流 PFC 输入 保护 主控器输出 保护 DC/DC 直流 触发电路 图1.1 开关电源的基本设计 本文主要通过对传统开关电源的研究,针对其不足,提出了改善,运用 PWM 技 术,使电源输出更稳定,性能更好,效率更高。 保护电路 第 4 页 共 51 页 2SABER 软件 2.1 SABER 简介 SABER 是由 analogy 公司开发、现由 Synopsys 公司经营的系统仿真软件,被誉为 全球最先进的系统仿真软件,也是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品,现已成为 混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准,可用于电子、电力电子
12、、机电一体 化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真,这也是 SABER 的 最大特点。SABER 作为混合仿真系统,可以兼容模拟、数字、控制量的混合仿真,便 于在不同层面上分析和解决问题,其他仿真软件不具备这样的功能。 SABER 仿真软件是当今世界上功能强大的电力电子仿真软件之一,我们从以下几 个方面对 SABER 仿真软件进行介绍: (1) 原理图输入和仿真。SABER Sketch 是 SABER 的原理图输入工具,通过它可 以直接进入 SABER 仿真引擎。在 SABER Sketch 中,用户能够创建自己的原理图,启 动 SABER 完成各种仿真(偏置点分析、DC
13、 分析、AC 分析、瞬态分析、温度分析、 参数分析、傅立叶分析、蒙特卡诺分析、噪声分析、应力分析、失真分析等) ,可以直 接在原理图上查看仿真结果,SABER Sketch 及其仿真功能可以帮助用户完成混合信号、 混合技术(电气、液压等)系统的仿真分析。SABER Sketch 中的原理图可以输出成多 种标准图形格式,用于报告、设计审阅或创建文档。 (2) 数据可视化和分析。Cosmos Scope 是 SABER 的波形查看和仿真结果分析工 具,它的测量工具有 50 多种标准的测量功能,可以对波形进行准确的定量分析。它的 专利工具波形计算器,可以对波形进行多种数学操作。Cosmos Scop
14、e 中的图形也 可以输出成多种标准图形格式用于文档。 (3) 模型库。SABER 拥有市场上最大的电气、混合信号、混合技术模型库,它具 有很大的通用模型库和较为精确的具体型号的器件模型,其元件模型库中有 4700 多种 带具体型号的器件模型,500 多种通用模型,能够满足航空、汽车和电源设计的需求。 SABER 模型库向用户提供了不同层次的模型,支持自上而下或自下而上的系统仿真方 法,这些模型采用最新的硬件描述语言(HDL) ,最大限度的保证了模型的准确性,支 持模型共享。 (4) 建模。不同类型的设计需要不同类型的模型,SABER 提供了完整的建模功能, 可以满足各种仿真与分析的需求。其建模
15、语言主要有 MAST、VHDLAMS、Fortran,建模工具包括 StateAMS、5 维的图表建模工具 TLU,SABER 可以对 SPICE、SIMULINK 模型进行模型转换,同时 SABER 还拥有强 大的参数提取工具,可以通过协同仿真实现模型复用。 SABER 的混合信号、混合技术设计和验证能力已经得到了业界的验证,功能强大 第 5 页 共 51 页 的原理图输入、仿真分析、模型库、建模语言、建模功能再加上先进的布局布线设计 使 SABER 成为业界工程师的首选。SABER 的架构和独一无二的模型交换能力为市场 上提供了最为强大的仿真工具,能够处理所有的仿真需求。 2.2 SABE
16、R 仿真流程 利用 Saber 软件进行仿真分析主要有两种途径,一种是基于原理图进行仿真分析, 另一种是基于网表进行仿真分析.前一种方法的基本过程如下: a.在 SaberSketch 中完成原理图录入工作; b.然后使用 netlist 命令为原理图产生相应的网表; c.在使用 simulate 命令将原理图所对应的网表文件加载到仿真器中,同时在 Sketch 中启动 SaberGuide 界面; d.在 SaberGuide 界面下设置所需要的仿真分析环境,并启动仿真; e.仿真结束以后利用 CosmosScope 工具对仿真结果进行分析处理. 在这种方法中,需要使用 SaberSketc
17、h 和 CosmosScope 两个工具,但从原理图开始,比 较直观.所以,多数 Saber 的使用者都采用这种方法进行仿真分析.但它有一个不好的地方 就是仿真分析设置和结果观察在两个工具中进行,在需要反复修改测试的情况下,需要在 两个窗口间来回切换,比较麻烦.而另一种方法则正好能弥补它的不足.基于网表的分析基 本过程如下: a.启动 SaberGuide 环境,即平时大家所看到的 Saber Simulator 图标,并利用 load design 命令加载需要仿真的网表文件; b.在 SaberGuide 界面下设置所需要的仿真分析环境,并启动仿真; c.仿真结束以后直接在 SaberGu
18、ide 环境下观察和分析仿真结果. 这种方法要比前一种少很多步骤,并可以在单一环境下实现对目标系统的仿真分析, 使用效率很高. 但它由于使用网表为基础,很不直观,因此多用于电路系统结构已经稳定, 只需要反复调试各种参数的情况;同时还需要使用者对 Saber 软件网表语法结构非常了 解,以便在需要修改电路参数和结构的情况下,能够直接对网表文件进行编辑. 2.3 本章小结 本章主要介绍了 Saber 软件的基本使用方法,总结了 Saber 软件的特点: a.集成度高:从调用画图程序到仿真模拟,可以在一个环境中完成,不用四处切 换工作环境; b.完整的图形查看功能:Saber 提供了 SaberSc
19、ope 和 DesignProbe 来查看仿真结 第 6 页 共 51 页 果,而 SaberScope 功能更加强大; c.各种完整的高级仿真:可进行偏置点分析、DC 分析、AC 分析、瞬态分析、温 度分析、参数分析、傅立叶分析、蒙特卡诺分析、噪声分析、应力分析、失真分析等; d.模块化和层次化:可将一部分电路块创建成一个符号表示,用于层次设计。 第 7 页 共 51 页 3三相桥式全控整流器的设计 3.1 工作原理 三相桥式全控整流电路拓扑如 3.1 所示,它通过对两组桥臂晶闸管元件的有序控 制,即共阴极组中与 a、b、c 三相电源相接的三个晶闸管分别为 VTl、VT3、VT5,共 阳极组
20、组与 a、b、c 三相电源相接的三个晶闸管分别为 VT4、VT6、VT2。它们可构成 电源系统对负载供电的 6 条整流回路,各整流同路的交流电源电压为两元件所在的两 相的线电压。习惯上希望晶闸管按从 VT1 至 VT6 的顺序导通。 负 载 VT1 VT3 VT5 VT2 VT6 VT4 a b c 图3.1 三相全控整流电路原理图 三相桥式全控整流电路电阻负载 a=0时晶闸管工作情况 时段123456 共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5 共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6 整流输出电压UdUabUacUbcUbcUcaUcb 3.1.1 三相桥
21、式全控整流电路的特点 (1)每个时刻均需 2 个晶闸管同时导通,形成向负载供电的回路,其中 1 个晶闸管 第 8 页 共 51 页 是共阴极组的,一个是共阳极组的,且不能为同一相的晶闸管。 (2)对触发脉冲的要求:6 个晶闸管的脉冲按 VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6 的顺序, 相位依次差 60;共阴极组 VT1,VT3,VT5 的脉冲依次差 120,共阳极组 VT4,VT6,VT2 也依次差 120;同一相的上下两个桥臂,即 VT1 与 VT4,VT3 和 VT6,VT5 和 VT2,脉冲相差 180。 (3)整流输出电压 Ud 一周期脉动 6 次,每次波动的波形都一样,故该电
22、路为 6 脉 冲整流电路。 (4)在整流电路合闸启动过程中或电流断续时,为确保电路的正常工作,需保证同 时导通的 2 个晶闸管均有触发脉冲。可采用两种方法:一种是使脉冲宽度大于 60 (取 80-100),称为宽脉冲触发。另一种方法是,在触发某个晶闸管的同时,给 序号紧前的一个晶闸管补发脉冲。即用两个窄脉冲代替宽脉冲,两个窄脉冲的前沿相 差 60,脉宽一般为 20-100,称为双脉冲触发。双脉冲电路比较复杂,但要求的 触发电路输出功率小。宽脉冲触发电路虽然可以少输出一半脉冲,但为了不使脉冲变 压器饱和,须将铁芯体积做得较大。绕组匝数较多,导致漏感增大,脉冲前沿不够陡, 对于晶闸管串联使用不利。
23、所以常采用双脉冲触发。 3.2 保护电路 3.2.1 过电压产生的原因 (1)操作过电压。由分闸、合闸等开关操作引起的过电压,电网侧的操作过电压会 由供电变压器电磁感应耦合,或由变压器绕组之间存在的分布电容静电感应耦合过来。 (2)雷击过电压。由雷击引起的过电压。 (3)换相过电压。由于晶闸管或者与全控器件反并联的续流二极管在换相结束后不 能立刻恢复阻断能力,因而有较大的反向电流流过,使残存的载流子恢复,而当其恢 复了阻断能力时,反向电流急剧减小,这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳 极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。 (4)关断过电压。全控型器件在较高频率下工作,当器
24、件关断时,因正向电流的迅速 降低而由线路电感在器件两端感应出过电压。 3.2.2 过压保护 (1)避雷器保护。可以在变压器网侧设置避雷器来抑制由雷击引起的过电压。 (2)抑制电路保护。在变压器阀侧配置浪涌过电压抑制用 RCD 电路。 (3)压敏电阻保护。在整流桥交流侧采用压敏电阻保护回路。如图 3.2 所示。采用 压敏元件作为过电压保护,其主要优点在于:压敏电阻具有正反向相同的陡峭的伏安 第 9 页 共 51 页 特性,在正常工作时只有很微弱的电流通过元件,而一旦出现过电压时,压敏电阻可 通过高达数千伏的放电电流,将电压抑制在允许的范围内,并具有损耗低、体积小, 对电压反应快等优点。因此,是一
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