开关电源设计

时间:2022-07-03 06:45:00

开关电源设计

【摘要】随着便携式电子器件的应用日益广泛,多功能作为便携式的电子器件的一项特色也不断地遇到新的挑战。开关稳压电源具有集成度高、电路较为简单、电源转换效率高等优点,在各种电子产品中得到广泛的应用。本文对开关电源进行了设计。

【关键词】开关电源;主电路;控制电路

1.引言

开关电源是指通过控制开关晶体管开通和关断时间的比率,维持稳定输出电压的一种电源。开关电源被人们誉为十分高效节能的电源,它代表稳压电源发展的方向,现已经是稳压电源主流产品。开关电源的内部重要元器件均运行在高频开关的状态,本身消耗很低的能量,其电源的效率可以达到百分之八十到九十,是普通的线性稳压电源效率的将近两倍。开关电源也被叫做无工频的变压器电源,它利用体积很小高频的变压器以实现电压的转变和电网隔离,不仅可以去掉十分笨重的工频变压器,而且可使用体积很小的滤波元件以及散热器,这就为研究和开发的高效率、高可靠性、高精度、体积小、重量轻的开关电源打下了坚实的基础。

2.开关电源的实现方案研究

2.1 开关变换器的拓扑结构

现代直流稳压电源可分为直流稳压开关电源和交流稳压开关电源两大类,前者可输出质量相对较高的直流电压;后者可输出相对质量较高的交流电压。本研究课题的研究范围属于前者的,直流变换器按照输入与输出间是否含电气隔离,可以分成两类:无电气隔离的直流变换器称为不隔离的直流变换器,具有电气隔离的直流变换器称为隔离的直流变换器。

不隔离的直流变换器根据使用的有源功率器件的个数,可以分为单管、双管以及四管共三大类。采用单管的直流变换器共有六种,包括降压式(Buck)、升压式、Cuk、Zeta、升降压式和Sepic等。这六类单管式变换器当中,降压和升压式是最为基础的,另外四种则是衍生出来的。双管式直流的变换器中有双管式串接的变换器。全桥式直流的变换器是通常用的四管式直流的变换器。隔离直流的变换器同样可以根据所用开关的器件个量进行分类。单管的包括正激式和反激式两类。双管的有正激、推挽、反激和半桥四种。四管式直流即全桥式直流。隔离直流通常使用变压器来造成输入以及输出间的电气隔离,变压器其本身就具有变压功能,将有利于扩展变换器的使用范围以及利于完成多路不同的电压或者多路相同的电压输出。

2.2 开关变换器的软开关的技术

PWM技术已经在电力电子电路中得到了日益广泛的应用,一般说来是指在开关变换的过程中保持开关频率的恒定,但通过改变开关接通时间的长短,使负载变化时,负载上电压输出变化却不大的方法。但这种开关技术是一种“硬开关”,也就是开关管的通断控制与其上流过的电流以及器件两端所加的电压并无关系,功率开关管的开通、关断在器件上的电流或电压不等于零的状态下强迫进行,开关损耗很大。特别是现代电力电子技术正向频率更高的方向发展,PWM硬开关技术将使得开关损耗成为高频化发展的显著障碍。

高频软开关技术大致可以分为以下三大类:

(1)谐振式变换器(串联谐振,准谐振,并联谐振和多谐振);

(2)有源钳位的ZVS单端变换器;

(3)零开关--脉宽调制变换器(ZVS/ZCS-PWM、PSC FB ZVS-PWM、ZVT/ZCT-PWM变换器);根据本研究课题所探讨的电源功率大,开关频率高的特点,选用串联谐振变换器等这类谐振变换器和零开关PWM DC/DC全桥变换器以实现软开关,则较为适合。下面以这两类中较为典型的移相全桥ZVS-PWM变换器和串联的谐振式变换器为例,对这两类变化器的特点进行综合比较。

2.3 移相全桥ZVS-PWM变换器与串联式谐振变换器相互比较

谐振式变换器包括串联谐振式和并联式,在谐振的变换器中,谐振元件一直谐振工作,可参与能量变换的全过程。串联式谐振的变换器可实现开关管软开通或者软关断,改善开关管的工作条件;这类的基本控制方式是调频控制;变换器回路电流近似为正弦波,它的EMI小;但同时存在以下缺点:

(1)开关器件通态电流或断态电压的应力较大。对于在电压模式下的谐振开关,开关于零电压下所进行的开通与关断所承受的断态的峰值电压可为其输出电压值的两倍还要多,对于电流模式,则通态的电流峰值可达到输出电流值的两倍还多,通态损耗比较大。

(2)开关的器件工作频率并不为恒定。采用调频的方式控制,当电源或者负载变化,便只能依靠改变开关的器件的运行工作频率来调节相关的输出的电压值,使频率的变化范围很大,以致对功率变压器、输入、输出滤波器的设计以及优化均难以进行,且频率大范围变化并不利于与下级变换器的同步。

3.开关电源的主电路设计

3.1 高频变压器的设计

开关电源主电路主要是处理电能,也就是功率变换。主电路主要包括输入滤波电路、高频变压器、逆变电路、输出滤波电路等部分。主电路的设计一般在整个电源设计过程中具有最为重要的地位。

变压器是开关电源中的核心元器件,许多其他主电路的元器件参数设计均考虑了变压器参数,因此,应首先对变压器进行设计制造。高频的变压器在运行时电压、电流均不为正弦波,因此,工作的状况与工频并不一样,计算公式也不尽相同。需计算的参数包括铁心的尺寸、导体的截面积、各绕组的匝数及其结构等,它们的基础参数是工作电流、电压和频率等。

3.2 输入端整流式滤波电路设计

交流的输入一般使用包括单相输入和三相式输入(包括四线方式和无中线的方式)。对于中大功率的场合,考虑到单相整流电压相对三相整流电压要低得多,使DC-DC电路电流变大,功耗也增大,单相整流和三相整流比较而言直流脉动也比较大,因此,采纳三相输入,故本设计中输入部分使用三相的无中线的控制方式,经过功率控制的二极管形成三相的桥式的整流器以输出脉动的直流波形,并且在整流器的输出端接上LC滤波网络,使脉动电流变成平滑的直流。

输入滤波电容(C1)主要功能是起到滤波以及使得输出直流电压变得平滑,并减小脉动作用,故输入端滤波的电容的挑选是相当关键。一般情况下,输入滤波的电容值根据控制纹波来估算,也就是为了确保逆变电路供应稳定直流电压,滤波电路时间常数必须为纹波中基波周期的6倍以上,由此根据直流输入电压、电流推算出输入滤波电容值。

3.3 输出整流回路的结构设计

一般而言,输出整流回路包括两种,一种为四个二极管组成的单相式全桥整流,另一种是两个整流二极管组成的单相式全波整流。比较两者,全波式整流电路的二次绕组具有中心抽头,结构较为复杂;而全桥式整流相对于全波式整流多采用了两个二极管,成本较高,若输出的电流大,那么整流桥上的二极管总通态损耗也变大,影响了变换器的效率,但是对于波整流电路,二极管所经受最大的反向电压是全桥整流电路值的两倍。通过以上的考虑,当输出的电压较高,且输出的电流较小时,一般采取全桥整流的方式;而输出的电压比较低,且输出的电流较大时,一般使用全波整流的方式。结合本课题所研究的情况,输出整流电路选用单相的全桥整流电路。

3.4 功率开关器件的选型设计

目前,在高频开关电源中使用最为广泛的功率开关器件是MOSFET和IGBT,在功率转换的应用中,MOSFET的导通损耗与开关损耗之比约为3:1,而相比之下的IGBT的导通损耗与开关损耗之比约为1:4。MOSFET较高的导通损耗是由较高的RDS(on)引起,而IGBT较高的开关损耗是由关断时电流拖尾所导致的。相比较而言IGBT的开关速度是低于功率MOSFET的,目前开关速度最快的IGBT的开关频率可以达到150kHz(IR公司的开关频率可高达150kHz的WARP系列400~600V IGBT),而MOSFET的所能达到开关频率则比IGBT高出许多,且在开关频率很高的时候,IGBT的开关损耗比MOSFET要大,故本课题研究采用MOSFET作为逆变电路的功率开关器件。

通常,若主电路工作在硬开关条件下,功率开关管的额定电压常常要求大于直流母线电压两倍。而本电路工作在零电压开关的条件下,功率开关管额定电压可以适当降低一些,因此可选为600V。

3.5 附加谐振电感设计

通过研究移相全桥ZVS-PWM变换器可看出,开关的过程中,输出滤波电感是参与串联谐振的,它的能量很大,已可满足开关管的并联电容器进行充放电的需要,因此超前臂较易实现ZVS;但滞后臂于开关的过程中,变压器副边为短路,仅剩下变压器的原边漏感的能量可参与谐振,并不能快速完成其并联电容器充放电的过程,滞后桥臂达到ZVS相对较为困难。故为了促进滞后桥臂达到ZV S,我们可另外增设附加的电感量,从而为并联电容器充放电提供足够多的磁能。

4.开关电源控制电路设计

4.1 开关电源控制电路设计

开关电源的主电路主要任务是处理电能,而控制电路的主要任务是处理电信号,它控制着主电路中各个开关器件的工作,控制电路的设计质量对电源的性能甚为重要。一般由驱动电路,PWM控制电路,调节器电路及保护电路组成。

其中,PWM控制电路的作用是将于一定范围内不断变化的控制量模拟信号转换为PWM信号,通常集成的PWM控制器可将误差电压放大器(EA),振荡器,PWM比较器,基准源,驱动,保护电路等常用开关电源控制电路集成在同一个芯片中,组成功能完整的集成电路,成为控制电路的核心。

4.2 移相PWM控制芯片UC-3879特性

这里UC-3879的系列IC是指UC-3875的改进产品,它是一个含软开关的功能的PWM式驱动器,采用移相开关方式调节半桥电路的驱动式脉冲的电压,同时控制了全桥式变换器的功率管,使固定的频率的脉宽调制器和谐振零电压的开关结合以具有相对高性能。此芯片除了可在电压模式工作,同时可工作在电流模式,并且具有快速的过流保护功能。UC3879可以独立编程以控制时间延迟,在每只输出级开关管导通之前提供足够的死区时间,为每个谐振开关区间里实现ZVS留有余地。

4.3 驱动电路设计

驱动电路是主电路与控制电路的接口,同开关电源的可靠性,效率等性能关系密切。驱动电路对快速性有较高要求,能提供一定的驱动功率,并具有较高的抗干扰和隔离噪声的能力。通常MOSFET的驱动电路包括以下三类:

1)使用光耦合器作为电气隔离的驱动电路,它由电气隔离及放大电路两部分构成,可以获得很好的驱动波形,但由于受到光耦响应时间限制,当开关频率较高时,驱动延时显著(为微秒级),并且需要独立的驱动电源。

2)使用集成驱动芯片(比如IR2110)的驱动电路,根据自举原理,驱动高压侧和低压侧的两元件时,并不需独立电源,驱动延时较小(纳秒级),适用的开关频率高,驱动波形理想。但是当MOSFET并联时,该电路驱动能力显得不足,需要增加放大电路。

3)使用脉冲变压器的驱动电路,它的电路结构简单而可靠,并不需独立驱动电源,延时小(为纳秒级),适用的开关频率很高。本设计依据自身的特点,采用脉冲变压器来组成驱动电路,电路的结构简单,延时较小(经实验测定本电源驱动电路延时小于50ns),可靠性较高。

4.4 电源容量扩充的途径

自八十年代,伴随高频电源技术及新型功率器件的快速发展,大容量高频开关电源的研究和开发逐渐成为当今电力电子学的主要研究方向,并且派生了多个新研究方向。我们从电路的角度来考虑开关电源的容量扩充,将容量扩充技术分为二大类:

第一种,通过器件的串、并联增大电源工作电压或工作电流,以实现扩容的目的;

第二种,通过将多台单个电源并联,实现扩容和冗余设计的目标。

对于前者,器件的串、并联的方式中,需要特别处理串联式器件均压问题以及并联器件均流问题,考虑到器件的制造工艺以及参数离散性,限制器件相互之间的串并联的数目,同时串、并联的数量越多,那么装置可靠性将会越差。

对于后者,多台电源并联的技术是基于器件的并联技术进行大容量的可行方式,借助可靠电源并联技术,在单机的容量合适的情况下,可简单通过并联的运行方式得到非常大容量的装置,每台单机仅为装置的一个整理单元或一个相关的模块。大功率电源系统是由若干个较小的模块化电源形成的。在空间上,各个模块接近于负载,供电的质量高,采用调整并联模块数量以符合有差异的功率负载,设计较为灵活,每个模块可承受较小的电应力,开关频率将达兆赫级,从而提高系统的功率的密度。另外,模块化的电源系统突破了仅仅只有单个电源的功率限制,用户可如同搭建积木一般,按照电源功率进行最佳的组合,当某一个模块发生了故障,可热换掉此模块,这时其他的模块会均担此故障模块负载,并不影响整体系统工作,以提升系统安全,且方便维护,节省了投资。

4.5 开关电源电磁兼容的设计

随着电子电路不断向高密度高集成化的方向发展,我们对电源产品的要求越来越高。体积小、高效能、重量轻、高可靠性的“绿色电源”已不可避免地成为下一代电源产品的发展趋势。功率密度急剧增大将导致电源内部电磁环境日益复杂,由此产生的电磁干扰对电源及其周围的电子设备正常工作都产生威胁。同时随着国际电磁兼容法规变得日益严格,国内已经以新的3C认证取代了CCIB和CCEE认证,对开关电源在电磁兼容方面的要求更加详细、更加严格。目前,如何降低以致消除开关电源的EMI问题已成为全球开关电源设计师和电磁兼容设计师密切关注的问题。

电磁兼容(EMC)是说在十分有限的时间、空间和有限的频谱范围内不同的电气设备共同存在但却不会造成各个电气设备的性能下降,包括电磁敏感(EMS)和电磁干扰(EMI)这样两个方面。EMS是指电气设备抵御电磁的干扰方面的能力,EMI则指的是电气设备向周围环境发出噪声。某一台具有十分良好的电磁兼容的性能设备,将会既不会遭到周围的电磁噪声的影响,同时对周围的环境也不会形成较大的电磁干扰。

参考文献

[l]刘军.开关电源的应用与发展[J].大众用电,2002(12):16-17.

[2]丁道宏.国内外开关电源发展展望[J].电气时代,2000(10):14-15.

作者简介:

方传伟(1976—),男,河南潢川人,大学专科,助理工程师,现供职于中石化中原油田分公司天然气处理厂,研究方向:电子电气。

李占丽(1979—),女,河南淇县人,大学本科,技术主办,现供职于中石化中原油田分公司天然气处理厂,研究方向:装置设备管理。

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