10kw直流开关电源设计(编辑修改稿)

10kw直流开关电源设计(编辑修改稿)内容摘要：

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、 本科生毕业设计（论文） 7 电压反馈控制电路、软启动电路、保护电路、辅助电源电路等，具体控制电路如图 所示。 从图 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。 图 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 本科生毕业设计（论文） 8 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。 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。 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。 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。 本科生毕业设计（论文） 9 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。 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 : 380V 20% 2. 电网频率 : 50Hz 10% 3. 功率因数 : 4. 输入过压告警 : 437V 5V 5. 输入欠压告警 : 320V 5V 6. 输出标称电压 : 220VDC 7. 输出电压范围 : 176286VDC 8. 输出纹波电压 : OV 10mV 9. 输出额定电流 : 50A 10. 输出过压保护 : 325V 5V 11. 输出欠压保护 : 195V 5V 12. 便于生产和维护 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、 DCDC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。 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 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 本科生毕业设计（论文） 10 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。 图 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。 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容，两个串联后并联使用，满足三相整流后的高压要求。 电阻 1R 、 2R 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 即为输入整流滤波电路。 图 输入整流滤波电路 交流输入 整流滤波 高频逆变 整流滤波 直流输出 辅助电源 控制和保护单元 反馈 监控单元 本科生毕业设计（论文） 11 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： = inU （ 1+20%） =380=456V 整流二极管的峰值电压为： 2 = 2 456=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= nP =22050/=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 : = 3min. innU P = 330413750 = 取整流桥的额定电流为 100A。 输入电容器 mC 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， aE 为交流输入线电压 : E= 23 aE (31) 即： E= 380(1－ 20%)= 410V 通过直流输入电路的平均电流 aveI 为： aveI =EPn = 41013750 = 计算单相全波整流电路滤波电容的经验公式为 : mC =400～ 600 aveI (32) 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 : 本科生毕业设计（论文） 12 mC =133～ 200 aveI (33) 所以： mC = 200= 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aveI =。 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 毫米，电感量为 18mH 的工频电感。 电感量的确定较难精确计算，可通过实验确定。 移相式 全桥 变 换电路 如图 所示。 图 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 ( 7C 、 8C )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 rL ，隔直电容 15C 、 本科生毕业设计（论文） 13 16C 、 17C 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 MX0200 铁氧体材料。 选取工作磁通密度 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 mm D 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 : cSN1 = BtVON21  100 （ 34） 式中， ONtV1 应取最大值。 电路工作频率为 30kHz， T=， ONt 为导通时间，根据计算的占空比，我们暂取 11uS， 1V 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%)2 =640V。 cS 为磁芯截面积 : cS =  2022 dDhdD 600 2mm =6cm2 所以，计算所得高频变压器 副 边绕组匝数为 :   9 0 062 1 0 0116 4 01N 1N 取整数为 65T。 (3) 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 )，因此，该电源的最高输出电压为 : maxoV =325+= 输出整流二极管的压降取 2V； 滤波电感的压降取 ； 我们暂取开关桥的最大占空比 maxD =； 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 : min2V = (+2+)/ = 因 为 : 本科生毕业设计（论文） 14 1min1min22 NVVN  (35) 其中 min1V = 380(120%)=410V 得到 原 边绕组匝数 : 2N =  = 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 maxD min1V = 380(120%)=410V min2V = min12 VN  / 1N = 79410/65= 498V maxD = 4 9 8 2 5m i n2m a x V VVV o rLODo = 在输入电压最高，输出电压最低的时候有最小占空比 minD max2V = 2N max1V / 1N = 79640/65= 777V 设此时 orLOD IV  = 1V minD = 7 7 7 11 9 5m a x2m in V IVV orLODo = 相应的导通脉宽 : maxONt maxD T/2=minONt minD T/2= (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。