一种新型开关电源的原理与研究.pdf

电 气开 关 M2 0 0 6 ． No ． 4 25 文章编号 1 0 0 4 --2 8 9 X 2 0 0 6 0 4 --0 0 2 5 --0 4 一 种新型开关电源的原理与研究 胡雪梅田林红 河南工业职业技 术学院 ， 河南 南阳4 7 3 0 0 9 摘要 介绍 了开 关 电源 的特性 、 工 作原理 ， 详述 了电源 的基本 电路 结构 和控 制策略 ， 分析 了电路 中可 能存 在的 问 题 并给 出 了解 决方 案 。 关键 词 电 力电子 ； 开 关电源技术 ； 开 关 电源 ； 原 理 ； 控 制 中图分类号 TN8 6 文献标识码 B Th e Pr i nc i p l e a n d St ud y On a Ne w Swi t c h i ng Po we r Su pp l y HU Xue me i TI AN Li n ho n g He na n Po l y t e c h ni c I ns t i t ue，Na n y a n g He na n 4 7 3 0 0 9， Ch i na Ab s t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e c h a r a c t e r i s t i c a n d wo r k i n g p r i n c i p l e o f t h e s wi t c h i n g p o we r s u p p l y，a l s o i t s b a s i c e l e c t r i c c i r c u i t c on s t r u c t i on a n d c o n t r ol i n g s t r a t e gy a r e a n a l y z e d de t a i l e dl y 。 I t a l s o g i ve s o ut a s e r i e s o f s o l ut i on s a nd me a s u r e s f or pr o bl e m i n c i r c ui t Ke y wo r d s P o we r e l e c t r o n i c s ；s wi t c h i n g p o we r s u p p l y t e c h n i q u e ； p r i n c i p l e ； c o n t r o l 1 前言 直流稳压电源通常分为线性直流稳压电源和开关 直流稳压 电源。线性稳压电源虽然具有优 良的纹波及 动态响应特性 ， 但 由于输入采用 5 O Hz 工频变压器造 成体积庞大， 其电压调整器件工作在线性放大区内， 造 成损耗大、 效率低， 同时其过载能力也很差。开关 电源 是利用现代 电力 电子技术、 控制开关管通断的时间比 率、 维持输出电压稳定的一种电源， 具有体积小 、 重量 轻、 纹波小、 噪音低、 智 能化程度 高、 易扩容等诸多优 点， 近年来被广泛应用于电子计算机、 家用电器 、 通信 办公设备 、 控制设备、 检测设备等投资类产品及 电视、 摄像机、 V C D、 电子游戏机等消费类产品中。 2 开关 电源的特性 相对于线性直流稳压电源 ， 开关稳压 电源具有如 下 的优 点 1 功耗小、效率高 。开关管中的开关 器件交替 工作在导通一截止一导通的开关状态， 转换速度快 ， 这 使得功率损耗小， 可以省去较大体积的散热器 ， 电源的 效率可以大幅度提高， 可达 9 O ～9 5 ％。 2 体积小、 重量轻。 采用高频变压器取代工频变 压器起隔离作用 ， 可大大减小体积 ， 降低重量 ； 因为开 关频率高 ， 输出滤波 电容的容量和体积也可大为减小。 3 稳压范围宽 。开关 电源的输出电压 由占空比 来调节 ， 输入电压的变化可以通过占空比的大小来补 偿 。 这样 ， 在工频 电网电压变化较大时 ， 它仍能保证有 较稳定的输出电压。 3 开 关稳 压电源的基 本工作原理 图 1 所示为由 I GB T控制的可以输出直流 电压为 2 2 0 V， 输 出电流为 I O A的开关 电源电路的原理图。其 中 a 为主电路， b 为控制 电路 。 图 2为其原理 图的基 本框图。 其主 电路的工作原理为 5 0 Hz 单相交流 2 2 0 V 电压或三相交流电压。2 2 O V／ 3 8 O V首先经 E MI防电 磁干扰的电源滤波器滤波滤除电源的高次谐波 ， 再直 接 由 D- ～ 构成 的桥 式整流 电路进行 整流 ， 由 c - 、 c 。 进行滤波滤除整流后的低频脉动谐波， 获得一 直 流 电压； 然 后 再将 此 直 流 电压 经 由 。 、 。两 个 I G B T器件构成的半桥变换 电路变换为数十或数百千 赫的高频方波或准方波 电压， 通过高频变压器 T 隔离 并降压 或升压 后 ， 再经 D ～ D。 桥式 电路高频整 流 、 由 L、 C滤波 电路滤 波 ， 最后 输 出恒定 的直 流 电压 。 开关 电源的调节与稳压是通过调节变换电路的功 率开关管的占空比来实现的。控制电路的电压通过取 样 电路获得 ， 将此电压与基准电压做 比较获得的误差 维普资讯 26 电 气 开 关 } 2 0 0 6 ． No ． 4 a ⋯ 一 l堡 皇 堕 h J 1 L I 蕊 需 惦 蘩 H娶 霰 图 2开关 电源的基本框 图 值放大， 通过驱动电路去控制功率开关管的占空比， 就 可以使输出电压升高 或降低 ， 以获得一稳定的输 出 电压。设开关管的开关周期为 丁， 在一个周期内， 导通 时 间为 t ， 则 占空 比定义 为 Df ／ 丁。 在 开关 电源 中 ， 改变 占空 比的控 制 方 式 有 两 种， 即脉 冲宽 度 调 制 P WM 和脉冲频率调制 P WF 。脉冲宽度控制是保 持开关频率 开关周期 丁 不变 ， 通过改变 f 来改变 占 空 比 D， 从而达 到 改变 输 出 电压 的 目的 ， 即 D 越 大 ， 滤 波 后 输 出 电 压也 就 越 大 ； D 越 小 ， 滤 波后 输 出 电压 越 小，如图 3所示。频率控制方式是保持导通时间 f 不 变 ， 通过改变频率 即开关周期 丁 而达到改变 占空 比 的一种控制方式。由于频率控制方式的工作频率是变 化的 ， 造成后续电路滤波器的设计 比较 困难 ， 因此 ， 目 前绝大部分的开关 电源均采用 P WM 控制 。 f _ l l l 图 3 P WM 控制方式 4 开 关电源 的基本结 构 4 ． 1 交流进线 E MI 滤波器 开关 电源的缺点主要是存在开关噪声干扰。开关 电源作为交流 电网和负载 电子设备 的中间环节 ， 由 于其工作在开关状态 ， 能将 电网上的噪声传递给电子 设备 。 同时， 它本身产生的噪声亦可以通过传递和辐射 等形式直接影响用电设备和返 回电网。开关 电源中的 干扰源主要集中在电压、 电流变化大的元器件上， 尤其 是开关管、 二极管、 高频变压器等。开关 电源中的二极 管 及开关 管在工作过程 中产生 的跃变 电压和跃变 电 流 。通过高频变压器和储能电感线圈及导线等产生的 噪声经过传导和辐射方式污染 电网， 对通讯设备和 电 子 电器造成干扰。 如果处理不当， 开关电源就会成为一 个 噪声源。因此 ， 设计开关 电源时 ， 必须采取合理的措 施来抑制其本身产生的干扰。 电磁干扰滤波器就是为了抑制开关 电源的噪声而 在 交流 进线 端施 加 的 ， 有 时又 称为 电源滤 波 器 ， 可 以滤 除电源输入输出中的高频噪声 1 5 0 k Hz 3 0 MHz 。 图 4给 出了一种常用的高性能 E MI 滤波器 ， 该滤波器能 同时抑制共模和差模干扰信号 。 A N G l I 半 L k J n C l 一r上 ， 1一 L ‘ -r- L n 一 图 4 EMI滤 波 器 图中 A、 N 间为 电源的相 电压 ， G为 电源的接地 线 ， L 为磁芯 电感 ， 、 。 和 L c 构成的低通滤 波器用 来抑制共模干扰信号 ， 通过 电容 、 。 接入地消除干 扰 。由 、 L d 组成的低通滤波器用来抑制差模干扰信 号 。 4 ． 2 启动 浪涌 抑制 电路 开启电源时， 由于将对滤波电容 C 和 C 。 充电， 电 源接通瞬间电容相当于短路 ， 因而会产生很大 的浪涌 电流。 对于小功率 电源， 抑制启动浪涌电流最简单的办 法是在整流桥的直流侧和滤波 电容之间串联具有负温 度系数的热敏电阻。 启动时电阻处于冷态， 呈现较大的 电阻就可以对启动电流进行抑制。 启动后 ， 电阻温度升 高 ， 阻值降低 ， 但 电阻在工作的过程中会产生损耗降低 电源的效率 。 对于大功率 电路 ， 可以把热敏电阻换成普通电阻 ， 同时在电阻的两端并接 晶闸管 ， 电源启动时晶闸管关 断 ， 由电阻限制启动浪涌电流。 滤波电容的充 电过程完 成后 ， 触发 晶闸管， 使之导通， 从而既达到 了短接 电阻 降低损耗又可限制启动浪涌 电流的 目的。 维普资讯 电气开关 2 0 0 6 ． N o ． 4 2 7 4 ． 3 调频变换滤波电路 在开关稳压 电源的主 电路中， 调频变换滤波 电路 是核心部分 ， 其电路形式多种多样 。 图 1 所示的为半桥 变换桥式整流滤波电路。由直流 电压 i 工频交流电 源 通 过 电源 滤 波 器 、 桥 式 整 流滤 后 转 换 成 、 I G B T 构 成的功率 开关管 、 。 ， 高频 变压器 TR， V D 、 V D 、 V D 、 V D。 桥式整流 电路、 L、 C滤波电路组成。 半桥变换 电路的工作原理 两个输入 电容 C 、 C 。 的容量相同， 其中 A点的电压 A 是输入电压 i 的一 半 ， 即有 Uc 一Uc 。 Ui ／ 2 。开关 管 和 。 的驱动信 号 “ g 1 和 “ g 2 分别为彼此隔离的 P WM 信号 ， 由控制电 路产生 ， 互为反相 ， 如图 5所示。当 “ 。 为高电平时 ， U 。 。 为低电平 ， 导通， 。 关断 。电容 C 两端的电压通过 V 施加在高频变压器 的原边 ， 此 时 U T U ／ 2 ， 在 和 。 共 同关 断期 间 ， 原 边绕 组上 的 电压为零 ， 即 “ t 一 0 。 当 “ 。 。 为高电平期间 ， z 导通 ， 关断 ， 电容 C 。 两端 的电压施加在高频变压器的原边， 此时 U t 一一U i ／ 2 。 当 “ T 一 t ／ 2时， 变压器副边所接二极管 V D 、 V D。 导 通 ， V D 、 VD 截 止， 整流输 出电压 的方 向为正 ； 当 “ T l 一一Ui ／ 2时， 二 极管 V D6 、 V D7 导通 ， VD5 、 V D8 截 止， 整流输 出 电压 的方 向也为正 ； 在二极管 VDs 、 V D。 或 V D 、 V D 导通期 间， 电感 L开始储能。 在开关 管 、 同时截止期间， 虽然变压器副边 电压为零， 但此 时 电感 L释 放能 量 ， 又 由于 电容 C 的作 用使 输 出 电压 “ 。 恒定不变 。 l 倡 ‘ ug L U J J 1 ] 厂 U o , 二二 二 二 二 二 图 5 变换 电路波形 半桥变换滤波电路适用于数百瓦至数千瓦的开关 电源。 除了上述隔离型高频变换 电路外 ， 常用的还有正 激变换、 全桥变换电路 、 反激型变换 电路、 推挽型变换 电路和双正激型变换 电路等。 4 ． 4 输出控制电路 控制 电路是开关 电源 的核心， 它决定开关电源的 动态稳定性。 该开关 电源采用双 闭环控制方式 ， 如图 6 所示。电压环为外环控制 ， 起着稳定输出电压的作用。 电流环为内环控制 ， 起稳定输 出电流的作用。 交流电源 经过电源滤波、 整流再次滤波后得到电压的给定信号 oG ，输出电压经过取样电路获得一反馈 电压 o 。 Uo F 耀 强 言源 l二 孽l 图 7 S G3 5 2 5内部结构框 图 1脚 误差放 大器 的反相 输入端； 2脚 误 差放大 器 的同相输入端 ； 3 脚 同步信号输入端 ， 同步脉冲 的 频率应 比振荡器频率 厂 s 要低一些 ； 4脚 振荡器输出 ； 5脚 振荡器外接定时 电阻 RT 端 ， R v 值为 2 “ - - 1 5 0 k g t ； 下转 第 3 0页 维普资讯 3 0 电气 开 关 1 2 0 0 6 ． No ． 4 流越小， 避雷器越容易熄弧 。额定 电压 u 按照不小于 系统工 频 过 电压 的原则 确 定 。对于 1 l O k V 线 路 ， 工 频 过 电压一般不超过 1 ． 3 p u ， u 大于 9 4 ． 6 k V， 通常取 9 6 k V 对于 2 2 0 k V线路 ， 工频过电压一般也不超过 1 ． 3 p u ， u 取 1 9 2 k V。 U 随系统实际情况调整。 uI m A 的 值应大于额定 电压 的峰值 ， 对于 1 l O k V避雷器 ， 建议 uI m A 的值大于 1 4 0 k V； 对 于 2 2 0 k V 避雷器 ， 建议 uIm A 的值大于 2 8 0 k V。 4 结论 纛 1 Z n O避雷器起 始动作电压十分稳定 ， 几乎 无 续流， 且通流容量较大 ， 能对 内部过 电压实施保护 ， 应 用场合广泛 。 2 应用 Z n O避雷器防雷保护时 ， 当要求保护有 效性 超过 9 9 ． 9 9 时 ， UM s 。 应 低于 0 ． 8 5 U渤。 3 应以避雷器和绝缘子 串的伏秒特性进行研究 ， 并使两者相互配合 ， 以便全面反映避雷器的保护特性 。 避 雷器 在 工频 过 电压下 不应 动 作 ， 必 要 时对 其 可 能 吸 收的能量进行校核 ， 确保过电压通过避雷器后， 其串联 间隙能够可靠熄弧 ， 使避雷器能有效地发挥防雷作用 。 参考文献 [ 1 ] 中国国家标准 GB ／ T3 l 1 ． 1 ～3 l 1 ． 6 8 3 高压输 变电设备 的绝缘配合高电压试验技术E s ] ． 北京 中国 标 准 出版 社 ， 1 9 8 5 [ 2 ] 中国电力行业标准 D L ／ T6 2 O 一1 9 9 7 交流 电气 装置的过 电压保护和绝缘配合E s ] ． 北京 中国电力 出 版 社 ， 1 9 9 7 [ 3 ] 概率论与数理统计[ M] ． 高等教育出版社 ， 1 9 7 9 [ 4 ] 吴维韩， 何金 良． 金属氧化物 非线性电阻特性 和 应用[ M] ． 北京 清华大学 出版社 ， 1 9 9 8 [ 5 ] 邱毓昌等． 高电压工程[ M] ． 西安 西安交通大学 出版 社 ， 1 9 9 5 收稿 日期 ， 2 0 0 6 --0 1 1 6 作者简介 ， 马春华 ． 男 1 9 7 4 一 ， 山西省晋城市人 ， 太原理工大学电 气工 程及其自动化专业 ， 学士 ， 工程师． 内部 U f 的 5 O A恒流源充 电； 9脚 误差放大器 的输 出端 ； i 0脚 P WM 信号封锁端 ， 当该脚为高电平时， 输 出驱动脉冲信号被封锁， 该脚 主要用于故障保护 ； l 1 脚 A路驱动信号输 出； 1 2脚 接地 ； 1 3脚 输 出集 电 极电压 ； 1 4脚 B路驱动信号输 出； 1 5脚 电源 ， 其范围 为 8 ～ 3 5 V； 1 6 脚 内部 5 V 基准 电压 输 出。 4 ． 6 I GB T驱动电路 驱 动 电路采 用 日本 三菱 公 司 生产 的驱 动模 块 M5 7 9 6 2 L。该驱动模块为混合集成电路，将 I GB T的 驱动 和过 流保 护集 于一体 ， 能 驱动 电压为 6 0 0 V 和 1 2 0 0 V 系列 电流容量不大于 4 0 0 A的 I G B T。驱动 电 路的接线图如图 8所示 。 过渡 信 号 图 8 I GB T驱 动电路 5 结论 本文介绍了开关 电源 的基本原理及其电路结构， 在此基础上， 重点阐述了变换电路的实现原理 ， 并对应 用中出现的问题给出了相应的解决措施 。 开关 电源 已成为电源发展的方 向之一， 随着元器 件的更新、 工艺水平 的提高以及对开关 电源进 一步的 探讨和研究， 开关电源必将得到进一步的开发和应用。 参考文献 [ 1 ] 沙占友 ， 单片开关电源最新应用技术[ M] ， 北京， 机械工业出版社 ， 2 0 0 0 、 1 2 1 3 [ 2 ] 郑耀添 ， 控制技术在开关 电源中的应用研究[ J ] ， 科技资讯 ， 2 0 0 5 ， 2 3 [ 3 ] 郑国川 ， 李洪英编著 ， 实用开关 电源技术[ M] ， 福 州， 福建科学技术出版社， 2 0 0 4 [ 4 ] 黄俊 ， 王兆安 ， 电力电子变流技术 [ M] ， 北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 2 上接第 2 7 页 收稿日 期 2 0 0 5 一 l 2 2 6 6脚 振荡器外接电容 C T端 ， 振荡器频率 一i ／ C T O ． 作者简介湖雪梅 1 9 7 2 一 ． 汉， 河南南阳人． 河南工业职业技术学 7 RT 3 R。 ， R。 为 5脚与 7脚之间跨接的电阻 ， 用来调 院讲师t 精密机械教研宣主任t 研究方向为机电一体化． 节死 区时间， 定时 电容范围为 0 ． 0 0 1 tO ． 1 F； 7脚 振 荡器放电端 ， 用外接电阻来控制死区时间， 电阻范围为 0 5 0 0 Q； 8脚 软启动端 ， 外接软启动电容 ， 该电容 由 维普资讯