大功率开关电源设计

来源：雷火亚洲电竞平台    发布时间：2025-01-24 08:38:55

  在国外,从70年代开始,日本的一些公司开始采用开关电源技术,将市电整流后逆变为3kHZ左右的中频,然后升压,美国GE公司生产的AMX-2一移动式X线机把蓄电池供给的直流电逆变成500Hz的中频方波送入高压发生器,从而减小体积和重量。进入80年代,高压开关电源技术快速地发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关组件,将电源的开关频率提高到20kHZ以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。近十年来,随着电力电子技术的进步和开关器件的发展,高压开关电源技术持续不断的发展。突出的表现是频率在逐步的提升:如Philips公司30kW以下移动式X光机的X线kHZ以上,德国的霍夫曼公司高压发生器频率高达40kHZ。98年以后通用电气公司和瓦瑞安公司都研制成功100kHZ X线机发生器。另外,高压开关电源的功率也在不断地提高,10-30kW的大功率高压开关电源在产品上己很成熟,更高功率的高压开关电源也有很快的发展,如:用于雷达发射机的140kW高压开关电源(俄罗斯);用于脉冲功率技术中的300kW大功率恒流充电电源(美国EEV公司)等等。

  采用开关电源技术的高压直流电源具有体积小,重量轻,控制精度高,稳定度高,纹波系数低,保护速度快等优点,因此它必然在高压直流电源中有更广泛的应用。

  在要求高效率、小型、轻量的背景下开关电源得到大量的普及。在高压电源方面，工作频率为20KHZ～80KHZ的晶体管逆变器也已取代老式的市电频率方式的电源，成为电源的主流。在高压设备方面，作为负载的设备是多方面的，各种负载对电源的性能和功能的要求也有相当的差异。高压开关电源的阶段状况和发展前途决定输出电压有几KV～几百KV，输出功率有几W～几百w等各种各样。

  应用电力电子器件产生高压直流的结构框图见图1.3,交流电源经整流单元整流、滤波后,变成低压直流,逆变单元由控制单元控制,使低压直流电压逆变成高频方波电压,经高频变压器形成高频高压的方波电压,然后经高压整流输出变成直流高压,电压反馈单元将输出的高压信号反馈到控制单元，只要调整控制单元的设定电压,就可调节直流高压的输出电压。其中整流单元一般会用不可控桥式整流,结合电感和电容加以滤波逆变单元根据所含开关管数量,可大致分为单管、双管(半桥式和推挽式)和四管(桥式）,根据开关频率和电流电压参数不同,开关组件多用IGBT和MOSFERT；和高频变压器最重要的参数是频率,通常频率在几KHZ至几十KHZ之间。

  随着电力电子器件和相关应用技术的发展,作为用电设备心脏的电源系统发生了很大的变化。以开关方式工作的直流稳压电源以其体积小、重量轻、效率高、稳压效果好的特点,正逐步取代传统电源的位置,成为电源行业的主流形式。高压直流电源领域也同样深受开关电源技术影响,并已广泛地应用于系统之中。

  答辩前三天，每一个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。

  设计方案比较选择的正确合理性，设计理念、设计方法、设计思路方面的独到性和创新性。

  这类整流电路优点是接线简单,缺点是所用设备、组件的电压较高,体积、重量和占地面积大,一般只能作为试验室内使用。

  电路工作过程是这样的,在正弦波负半周电源通过V2对C1充电,在正弦波的正半周,电源C2和同时对C1充电,C2上获得的电压约为电源电压的峰值和C1上电压的和,因此,经过几个周期后,C2上的电压约为变压器输出电压峰值的2倍。若要更高的直流电压,可以把几级倍压电路串接在一起,每一级都能获得约2倍峰值电压的直流电压。若有n级串联,则可得到2n倍的直流电压,但级数越多,内阻抗越大,实际输出电压比预期值小得越多,同时脉动系数也越大。因此,级数不宜太多,一般不超过5级。

  1）张占松，蔡宣三．开关电源的原理与设计[M]，北京：电子工业出版社，2004．

  2）周志敏，周纪海，纪爱华．开关电源实用电路[M]，北京：中国电力出版社，2006．

  3）黄继昌．电源专用集成电路及其应用[M]，北京：人民邮电出版社，2006．

  4）王增福，李昶，魏永明．新编常用稳压电源电路[M]，北京：电子工业出版社，2006．

  本课题是设计多路输出单端反激式开关稳压电源。主电路采取多路输出单端反激变换器结构，采用控制芯片UC3844实现电压电流双闭环控制，系统工作频率在50kHZ，输出/-5V/0.5A（共4路），/-12V/1A,，24V/1A 共7路隔离的电压。2、设计内容与要求：

  在本文中，主要对大功率开关电源的结构组成、技术参数、控制电路工作原理等进行重点讲述，指出其常特点并详细分析结构。

  高压直流是指大小（电压高低）和方向（正负极）都不随时间（相对范围内）而变化，比如干电池。脉动直流电是指方向（正负极）不变，但大小随时间变化，比如：我们把50Hz的交流电经过二极管整流后得到的就是典型脉动直流电，半波整流得到的是50Hz的脉动直流电，如果是全波或桥式整流得到的就是100Hz的脉动直流电，它们只有经过滤波（用电感或电容）以后才变成平滑直流电，当然其中仍存在脉动成分（称纹波系数），大小视滤波电路得滤波效果。

  选题的应用性、工艺性、综合性、先进性、和经济性。查阅文献资料、参考书、使用工具书的能力。

  5）黄俊，王兆安．电力电子变流技术[M]，北京：机械工业出版社，2006．

  5、正文（设计的具体方案比较与选择，设计的具体方案原理、分析、论证，设计结果的说明及特点）

  图纸要求:按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释一定要使用工程字书写。

  曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。

  大功率开关电源在日常的生产、生活中存在广泛的应用,尤其在军事、医疗和绝缘测试等领域应用更为频繁。传统的大功率开关电源采用线性电源技术的较多,这种结构及形式造成电源整体效率较低,性能一般,体积大,重量沉。随开关电源技术的进步和发展,各类用途的直流电源都倾向于采用开关电源技术。开关电源以其线性电源不能够比拟的特点和优点己经成为电源行业的主流形式。开关电源技术应用于大功率电源领域,使大功率电源变得体积小,重量轻,效率高,性能更好。

  学生答辩时，自述部分内容有课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。

  答辩小组质询课题的核心问题，质询与课题紧密关联的基本理论、知识、设计方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作上的能力、创新能力。

  文字要求:说明书要求打印(除图纸外)，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。

  传统的高压直流电源通常用工频交流电源经升压变压器升压、整流滤波而得。如图1-1所示,其中T为升压变压器,C为滤波电容,R1、R2为电阻主要起限流保护的作用。对于电压不是很高的场合,可用半波整流电路,全波或桥式整流电路得到直流电压。

  在实际应用中升压变压器之前要加自藕调压器,通过调整自藕调压器实现调整高压直流输出的目的。

  3、在负载放电时，由于平滑滤波电容是小型的，以及逆变器保护电路高速动作产生的对通过逆变部能量的压制效果，把流向负载侧的剩余能量限制在最低限度，以保护负载。因此噪声产生量也少。

  开关电源是经过控制开关晶体管开通和关断时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展趋势，现在已经成为稳压电源的主流产品。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达80%一90%，比普通线性稳压电源效率提高近一倍。