开关电源的设计与实现

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开关电源的设计与实现范文第1篇

关键字： 开关电源； 模糊PID控制； DSP； 电源控制算法

中图分类号： TN79?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）21?0149?03

Design and control algorithm of switching power supply with DSP digital control

ZHANG Guo?long， ZHENG Chen?yao

（Detachment 93， Unit 91388 of PLA， Zhanjiang 524022， China）

Abstract： A technology of DSP digital processing combined with fuzzy PID control is proposed in this paper， and ?an intelligent switching power with fast response and high efficiency was designed to make the switching power supply be small， intelligent， etc. Through the cooperation of the external EMI filtering circuit， optical isolation and protection circuit， the power grid pollution caused by switching power supply was solved， this switching power supply which may be damaged by temperature and other uncertain factors was protected. This control algorithm of switching power supply is advanced， its design is reasonable and it has strong reference value for engineering application.

Keywords： switching power supply； fuzzy PID control； DSP； power supply control algorithm

近年来，随着电力电子技术高速发展，开关电源得到广泛应用，普通模拟开关电源逐渐显示出其不足之处：采用模拟器件会导致元器件比较多，分散性大，稳定性差；设计缺乏灵活性，不便于修改，调试不方便，控制不灵活，无法实现复杂的控制算法。为设计出更精确、响应速度更快、效率更高、体积更小的开关电源，开关电源设计人员采用数字化电路与开关电源相结合来设计数字化开关电源。以DSP系统为基础的开关电源电路简单，结构紧凑，性能卓越，功能齐全。DSP系统具有较高的计算与控制能力，利用DSP进行A/D转换后进行运算，可以有效抑制或消除各个功能模块间相互干扰，提高开关电源输出电压的稳定性和精度。本文将重点分析和讨论利用DSP系统设计开关电源的实现方法和控制算法。

1 基于DSP控制的实现方法

DSP系统已广泛应用于开关电源控制电路，是开关电源的控制核心电路，可以有效利用DSP系统的高速性、可编程性、可靠性等特点，结合相应算法实现特定功能，可为开关电源输出质量好、频率和幅值可以任意改变的控制信号。图1为采用DSP系统的控制电路开关变频电源基本控制硬件框图。

图1 开关变频电源基本控制硬件框图

开关电源采用高频SPWM技术和普通电压逆变电路，DSP系统与IGBT功率模块构成全数字控制电路。输出的电压和电感电流经过网络转换成DSP所需要的电平，连接至DSP的A/D单元进行模数变换；控制输入单元输入需要的电压值及频率值，从而得到逆变电路的基准电压。

DSP系统经过特点算法进行相关计算后会产生一定死区的控制信号。由于输出的数字PWM控制信号不足以驱动IGBT开关管，需要经过驱动电路对开关管进行驱动。DSP芯片具有较高的采样速度和运算速度，可以快速地进行各种复杂的运算对电源进行控制，可以实现较高的动态性能和稳压精度。为了有效保护开关电源器件，防止出现过压、欠压、过载等情况，系统专门设计了保护电路，一旦出现故障，DSP控制系统封锁PWM脉冲控制信号，切断开关电源电压输出。

2 开关电源基本控制算法

2.1 PID控制

开关电源的数字化控制需要进行一定的控制算法来产生控制信号，实现控制规律。数字开关电源控制最初是借鉴模拟控制原理，通过数字化实现模拟控制信号。PID算法在数字控制中应用比较广泛，它具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立、参数的选定比较简单等优点。

PID控制是应用最广泛的控制规律。图2为常规PID控制原理图，系统由PID控制器与被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值[r（t）]与实际输出值[y（t）]构成的控制偏差[e（t）]来计算：

[e（t）=r（t）-y（t）] （1）

将偏差的比例[P、]积分[I]和微分[D]通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。其控制规律为：

[u（t）=KPe（t）+1TI0te（t）+TDde（t）dt] （2）

或写成传递函数的形式：

[G（s）=U（s）E（s）=KP1+1TIS+TDS] （3）

式中：[Kp]为比例系数；[TI]为积分时间常数；[TD]为微分时间常数。

图2 PID控制框图

数字PID控制是一种采样控制，它只能根据采用时刻的偏差值计算控制量。因此，连续域PID控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法。数字PID控制算法又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，还有一些微分先行法和带死区的PID控制算法等。

2.2 模糊PID控制算法

目前，开关电源的各种应用场合对电源的动态性能提出了越来越高的要求，其中电压超调与恢复时间是重要指标。负载的变化或者输入电压的变化引起输出电压变化，而输出电压值取决于滤波器和控制策略。由于开关变换器为一个时变、非线性系统，无法建立精确的数字模型。而模糊PID控制算法的优点在于不需要建立准确的变换器数字模型，非常适合DC?DC变换器的强非线性。自适应的模糊控制可以保证控制系统的信号稳定性。

模糊控制器是以误差量化因子[e]和误差变化率量化因子[ec]作为输入，利用模糊控制规律自整定找出PID控制器三参数[KP，][KI，][KD]与和之间的模糊关系。模糊PID控制原理框图如图3所示。

图3 模糊控制原理框图

取[e]和[ec]为输入语言变量，每个语言变量取“大、中、小”三个词汇来描述输入输出变量的状态。模糊推理的模糊规则一般形式为：

If [e=Ai]and [ec=Bj]then[Δu=Ci]

其中[Ai，][Bj，][Ci]为其理论上的语言值。

上述规则可以用一个模糊关系矩阵来描述：

[R=i，jAi×Bj×Ci]

根据各模糊子集的隶属度幅值表和各参数模糊控制规则，应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵得到[KP，][KI，][KD]参数调整算式如下：

[KP=K′P+ei，ecj×KuP]

[KI=K′I+ei，ecj×KuI] （4）

[KD=K′D+ei，ecj×KuD]

式中：[KP，][KI，][KD]是PID控制参数，[{e，ec}]是误差[e]和误差变化率[ec]对应控制表中的值，它需要查控制表得到。[KuP，][KuI，][KuD]作为修正系统，在控制过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成PID参数的在线自校正。

3 系统硬件及关键点设计

3.1 硬件主体

本文设计的开关电源主要是将开关电源优良特性和DSP系统精细化控制相结合。开关电源采用反激式拓扑结构，包括EMI滤波电路、整流/直流平波电路、控制器、信号采样、PWM驱动、键盘及显示部件组成，力求使开关电源具有高效低耗、便携化、负载输出稳定、电路保护可靠、电网宽电压输入、电网污染小等特点。图4为硬件系统主体设计示意图。

图4 系统主体设计示意图

3.2 输出电压检测隔离设计

开关电源输出电压检测过程中对控制电路的隔离保护是非常必要的，这样不仅可以实现控制电路的安全工作，而且避免了将输出电路的噪声引入控制电路中。电压检测电路与控制电路隔离保护采用光耦合器进行隔离，它由发光二极管LED、输出光电二极管PD组成。光耦合器在开关电源的主振回路与输出采样之间进行电气隔离，并为电源稳压控制电路提供信号通路。

3.3 EMI滤波器设计

开关电源在正常工作时会产生传导噪声和辐射噪声，毫无疑问噪声主要产生于电源开关过程。开关过程中包含了最大的功率以及最大的电压变化率dV/dt，同时也包括了最高频率成分。噪声的存在将污染电力线路，影响周围精密电子仪器的运行，比如设计滤波器。EMI滤波器是一种由电感、电容组成的低通滤波器，它允许直流或者工频信号通过，对频率较高的其他信号有较大的衰减作用。图5为EMI滤波模型，滤波器的基本结构就是一个分离的二阶LC滤波器，其取值原则就是在最小的体积下可以获得期望的抑制效果。在滤波器模型中还有一个额外的高频LC滤波器；高频滤波器当寄生参数使得前面的LC滤波器性能变差时，用来抑制这些高频噪声。

图5 EMI滤波器模型

3.4 高温保护电路

开关电源在设计中由于转换效率不同，将部分能量以热量辐射。温度升高将影响系统正常工作甚至产生人身危险，为了保证系统安全，开关电源工作时温度需要实时监控。图6为温度采集电路部分电路图。当系统检测到温度过高时，控制模块立即关断开关电源输出，待系统温度达到工作温度范围后开始继续工作。

图6 温度采集电路

4 开关电源性能分析

本文采用反激式开关电源和模糊PID控制算法进行仿真。反激式开关电源的等效模型传递函数为：

[U（S）d（s）=K1s+K2B1s2+B2s+B3] （5）

式中：[K1，][K2，][B1，][B2，][B3]为系统比例系数，由开关电源电器元件参数决定。

模糊PID控制器由系统误差[e]和误差变化率[ec]为输入，通过不同时刻的[e]和[ec]值，利用模糊控制规则在线对PID控制器参数[KP，][KI，][KD]参数进行修改。模糊PID控制系统组成如图7，图8所示，阶跃响应曲线如图9所示。

图7 模糊控制PID控制系统组成

图8 误差[e]和误差变化率[ec]的隶属函数

本设计开关电源把DSP完美融入到开关电源设计中，充分利用了DSP系统快速运算能力，采用模糊控制算法使开关电源控制智能化，电源快速达到稳定输出，提高了抗负载扰动能力。

图9 系统阶跃响应

5 结 论

本系统将DSP作为开关电源控制单元，应用模糊PID控制算法，使开关电源和DSP系统完美配合工作。利用了DSP快速处理能力特点产生开关电源PWM控制信号，对开关电源输出进行精确控制，提高了开关电源输出精度和转换效率，使开关电源控制实现智能化；能够按照负载情况进行实时修正，使电源达到快速稳定输出；同时利用DSP资源设计完成开关电源显控单元及保护模块，提高了开关电源操作性和安全性。

参考文献

[1] LENK R.实用开关电源设计[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[2] 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，1998.

[3] 赵同贺，刘军.开关电源设计技术与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[4] 许邦建，唐涛.DSP处理器算法概论[M].北京：国防工业出版社，2012.

开关电源的设计与实现范文第2篇

基于小功率直流传动系统要求驱动电源输出稳定、抗干扰强的特点，设计了一种多路输出型的单端反激式开关电源。主电路采用多路输出单端反激式变换器结构，并采用软启动回路，防止负载电流或电源输入电流的大电流损坏开关电源，同时设计了过压、欠压等保护等辅助电路，完整地构建了开关电源的电路系统。

【关键词】开关电源 驱动系统 反激式

1 引言

工业应用中，经常需要对小功率的直流电机进行精确控制，为保证传动系统的精确定位和传送，提高产品质量或电动机车运行的平顺性。为满足此技术要求，一方面需要对电机实现一定的控制算法，另一方面要求电机驱动电源输出平稳、能耗低、抗干扰能力强。传统的开关电源由于效率低、损耗大、可靠性差而难以胜任。目前，国外的开关电源研制技术较为成熟，并主要应用于工业和军事上。德国西门子，美国GE和日本的一些公司都已经具备比较成熟的研制大功率开关电源的技术并已经实现产品化。开关电源在我国邮电通信部门以及其它领域，受到及其广泛的应用，其中几十到几百千瓦的大电流、高功率的开关电源成为现代工业，国防事业以及大型科研项目的宠儿。开关电源技术不断的发展，具体发展趋势为高频化、非隔离DC/DC技术、数字化、安全性能完善以及低噪声、绿色无污染和智能化。

2 开关电源组成与设计

开关电源由输入电路、有源调整、功率变换、输出电路、控制电路和频率振荡发生器六大部分组成：其中开关电源的核心部分是DC/DC变换器，用以进行功率转换，另外还有启动电路、过流与过压保护电路、噪声滤波电路等。

反激式开关电源广泛用于中小功率变换场合，且具有电路简单、成本低、输入输出电气隔离、稳压范围宽、易于多路输出等优点。反激式变换器有三种模式：一种是在电流断续模式下，导通期间储存在一次绕组的能量，在下个周期开始前从一次绕组传递到次级绕组和负载上；一种是在电流临界连续模式下，在下一个周期开始时，次级的电流归零，这是一种无死区时间的临界状态；另一种是在电流连续模式下，次级仍然有剩余的能量，次级电流没有回零。

2.1 输入回路设计

开关电源输入回路包括低通滤波和桥式整流滤波两大部分。低通滤波回路是开关电源输入的“大门”，它具有防止输入电源的噪声干扰，还抑制了浪涌电压、尖峰电压的进入；同时阻止、限制开关电源所产生的噪声。整流滤波电路主要由整流桥加电容来完成，整流二极管最好选用导通压降（VF）小的二极管，这样可以减少二极管上的损耗，提高电路效率，电容则是一大一小的两个电容，大的为工频滤波，小的电容则用来吸收高频纹波的干扰。

整流滤波回路：开关电源一般采用电容输入型整流滤波回路，整流的方式为全波桥式整流。结合两种输入回路的优缺点，输入回路电路如图1所示。

2.2 驱动回路设计

开关电源功率晶体管有两种驱动方式，一种是直接驱动，另一种是隔离驱动。直接驱动有单管基极驱动、推挽驱动和抗饱和驱动。单管基极驱动适用于对工作速度要求不高或电源功率不大的情况。抗饱和驱动则是在推挽驱动的基础上增加了钳位二极管和稳压二极管，提高了电路的工作速度，也为冲击峰值电压起到了分压保护的作用，如图2所示。

2.3 保护及软起动回路的设计

过流包括电源负载超出规定值和电源输出线路出现零负载，即短路。过压保护的主要的任务是保护负载，其次是保护开关功率管。一般采取的措施是振荡电路停振，关闭驱动脉冲。所以在过压保护动作后，要再次启动电源工作时，必须断开电源才能恢复正常工作。开关电源最简单的过压保护措施是在输入电路中并联压敏电阻。在过压保护中，采用的是稳压二极管，选用稳压二极管应性能稳定、电压漂移非常小的产品，以防止稳压二极管电流随着温度的变化而变化。开关电源的主要热源是开关功率晶体管、高频变压器、整流输出二极管以及滤波用的电解电容。为了防止开关电源过热而发生损坏，选择元器件时应该选用高温特性较好的器件，同时在开关电源设计过程中应有过热保护电路。

图3为保护电路，其中R7是电流取样电压，变压器原边电感电流流经该电阻产生的电压经滤波后送入UC3844的引脚3，再输入到电流比较器。引脚3和电流比较器构成了电流闭环控制。当开关管出现过流现象时，电阻R7上测得的过电流信号，输送到电流测定比较器的同相输入端，只要R7上的电压达到1V，电流测定比较器动作，通过PWM锁存器使得开关管关断，实现了过电流保护。

基于UC3844芯片设计的开关电源总体电路图，其中主电路采用单端反激式变换器结构，开关电源输入回路则采用整流滤波回路以得到直流电压，并利用软启动回路，防止负载电流或电源输入电流产生的大电流损坏开关电源。

3 总结

本文主要针对直流调速系统中，作为小功率控制电机，要求驱动电源输出稳定的特点，分析了开关电源的基本组成以及工作方式，结合设计的各项要求，综合考虑了开关电源控制电路、反馈电路以及保护电路等方面的设计。

参考文献

[1]赵同贺.新型开关电源典型电路设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2009（09）：1-3.

[2]沙占友，王彦朋，安国臣，孟志永.开关电源设计入门与实例解析[M].北京：中国电力出版社，2009（10）：10.

[3]岳鹏.大功率开关电源主电路研究[J].华南理工大学，2010，5：1-2.

[4]付保宗.“十二五”时期我国汽车业需求趋势分析及建议[J].宏观经济管理，2011（05）：28.

[5]吕萍.2009年中国电源市场现状与发展趋势[J].电子商务，2009（11）：10.

[6]杜承启.国内外电源变换器的新发展[J].电源技术，2004（04）：257.

[7]杨颖.一种电动汽车驱动系统开关电源设计[D].嘉兴学院学士学位论文，2012.

开关电源的设计与实现范文第3篇

关键词： 开关电源；数字控制；单片机

中图分类号：TM44 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0210075－01

0 引言

直流稳压电源已广泛地应用于许多工业领域中。在工业生产中（如电焊、电镀或直流电机的调速等），需要用到大量的电压可调的直流电源，他们一般都要求有可以方便的调节电压输出的直流供电电源。目前，由于开关电源效率高，小型化等优点，传统的线性稳压电源、晶闸管稳压电源逐步被直流开关稳压电源所取代。开关电源主要的控制方式是采用脉宽调制集成电路输出PWM脉冲，采用模拟PID调节器进行脉宽调制，这种控制方式，存在一定的误差，而且电路比较复杂。本文设计了一种以ST公司的高性能单片机μpsd3354为控制核心的输出电压大范围连续可调的功率开关电源，由单片机直接产生PWM波，对开关电源的主电路执行数字控制，电路简单，功能强大。

1 功率直流电源系统原理与整体设计

1.1 系统原理。本功率直流电源系统由开关电源的主电路和控制电路两部分组成，主电路主要处理电能，控制电路主要处理电信号，采用负反馈构成一个自动控制系统。开关电源采用PWM控制方式，通过给定量和反馈量的比较得到偏差，并通过数字PID调节器控制PWM输出，从而控制开关电源的输出。

1.2 系统整体设计。系统硬件部分由输入输出整流滤波电路、功率变换部分、驱动电路、单片机系统和辅助电路等几部分组成。

当50Hz、220V的交流电经电网滤波器消除来自电网的干扰，然后进入到输入整流滤波器进行整流滤波，变换成直流电压信号。该直流信号通过功率变换电路转化成高频交流信号，高频交流信号再经输出整流滤波电路转化成直流电压输出。控制电路采用PWM脉宽调制方式，由单片机产生的脉宽可调的PWM控制信号经驱动电路处理后，驱动功率变换电路工作。 利用单片机高速ADC转换通道定时采集输出电压，并与期望值比较，根据其误差进行PID调节。电压采集电路实现了直流电压V0的采集，并使其与A/D转换器的模拟输入电压范围匹配，在开关电源发生过压、过流和短路故障时，保护电路对电源和负载起保护作用。辅助电源为控制电路、驱动电路等提供直流电源。

2 开关电源主电路设计

开关电源主电路是用来完成DC-AC-DC的转换，系统主电路采用全桥型DC-DC变换器，本系统采用的功率开关器件是EUPEC公司的BSM 50GB120DN2系列的IGBT模块，每个模块是一个半桥结构，故在全桥系统中，需要两个模块。每个模块内嵌入一个快速续流二极管。

3 控制电路硬件设计

3.1 控制电路结构框图。功率直流电源的控制电路采用ST 公司的μpsd3354单片机为核心。控制电路主要完成如下功能：电压采集、A/D转换、闭环调节、PWM信号产生，IGBT驱动与保护、键盘输入和输出电压显示等功能。控制电路主要包括：单片机系统、电压采集电路、IGBT驱动电路和键盘、显示电路等。系统通过PWM输出控制功率转换开关的导通与关断时间，完成对输出电压的稳定控制，通过A/D转换完成对开关电源输出电压的采样，同时采用电压闭环控制，开关电源工作时，根据期望值与电压反馈值的偏差，由单片机实现对PWM占空比进行PID调节。

3.2 IGBT驱动电路设计。为了精确控制开关电路的电压输出，本系统采用脉宽调制方式调节开关管的工作状态。根据电压控制算法（可采用改进的PID控制算法）设置单片机产生不同占空比的方波信号，经过光电耦合器控制开关器件，调整电路输出设定的电压值。要使IGBT正常工作，合适的驱动是至关重要的。驱动电路的任务是将控制电路发出的信号转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间、可以使其开通或关断的信号。同时驱动电路通常还具有电气隔离及电力电子器件的保护等功能。

3.3 传感器输入通道与A/D转换。系统通过电压传感器采集电压信号，经过A/D转换被单片机接收。本系统采用CHV系列霍尔电压传感器采集电压，采用μpsd3354单片机内部的A/D转换器进行模数转换，线路连接简单，精度最大为5mV。基本能满足控制要求。

3.4 键盘和显示电路。功率直流电源的键盘和显示电路部分都装在操作面板上，由单片机控制。本系统采用自制4×4矩阵键盘，以单片机的PB4～PB7做输出线，PB0～PB3做输入线。显示部分采用动态数码显示，以专用的数码管显示驱动芯片MAX7219进行驱动。

4 系统软件设计

系统软件主要由主程序和中断服务程序组成，主要用来实现以下功能：键盘扫描、数码显示、A/D转换、数字PID调节和PWM波形产生等。键盘扫描和数码显示这里不作介绍，本设计主要是采用软件方式来实现功率直流电源的数字控制。

4.1 主程序设计。主流程在完成各种变量和I/O初始化后，可以输入期望电压值并存入寄存器，当按下启动按钮后，启动电源系统，这里设定启动时，使PWM输出占空比为最小值，即0.1％。启动后，调用A/D转换子程序并读入键值，将反馈电压值与给定电压值相比较后，调用PID调节运算，更新驱动波形的占空比，然后调用PWM产生子程序输出PWM信号，并通过显示子程序显示输出电压。

4.2 A/D转换部分子程序。直接利用单片机10位ADC口，A/D转换部分程序比较简单，程序只要完成如下功能：选择模拟输入通道，并预制分频数；配置控制寄存器ACON；读取A/D转换后的数值，返还ADTA0、ADTA1中的数据。

4.3 PID调节子程序。PID调节由单片机来实现，单片机对给定信号与反馈信号相减得到的误差来计算调整量，用以控制开关的占空比。算法中，做了一点修正，当偏差与积分符号相反时，积分清零。因为若符号相反，说明积分项起了反作用，故把积分项清零。

5 结束语

本系统将开关电源与单片机系统结合起来，设计了一种输出电压连续可调的功率开关电源。该电源精度高，电路简单，操作灵活，具有良好的应用前景。单片机控制直流电源符合电力电子新技术产品向“四化”方向发展的要求，即应用技术的高频化、硬件结构的模块化、软件控制的数字化、产品性能的绿色化。

参考文献：

[1]PressmanA，开关电源设计二版[M].王志强译，北京：电子工业出版社，2005.

开关电源的设计与实现范文第4篇

关键词: 电力电子技术; 高频开关电源; 功率半导体器件; 功率变换

中图分类号：F407.61 文献标识码：A 文章编号：

1 电力电子技术概述

电力电子技术以功率处理为对象，以实现高效率用电和高品质用电为目标，通过采用电力半导体器件，并综合自动控制计算机(微处理器)技术和电磁技术，实现电能的获取、传输、变换和利用。电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面。

电力电子技术起始于20世纪50年代末60年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO），电力双极型晶体管（BJT），电力场效应管（P-MOSFET）为代表的全控型器件全速发展，使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代末期和90年代初期发展起来的、以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通泰压降小，载流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。

2高频开关电源概述

高频开关电源是交流输入直流整流，然后经过功率开关器件（功率晶体管、MOS管、IGBT等）构成放入逆变电路，将高压直流（单相整流约300V，三相整流约500V）变换成方波（频率为20kHz）。高频方波经高频变压器降压得到低压的高频方波，再经整流滤波得到稳定电压的直流输出。

高频开关电源的特点[1]：

1、重量轻，体积小

由于采用高频技术，去掉了工频（50Hz）变压器，与相控整流器相比较，在输出同等功率的情况下，开关电源的体积只是相控整流器的1/10，重量也接近1/10。

2、功率因数高

相控整流器的功率因数随可控硅导通角的变化而变化，一般在全导通时，可接近0.7，以上，而小负裁时，但为0.3左右。经过校正的开关电源功率因数一般在0.93以上，并且基本不受负载变化的影响。

3、可闻噪声低

在相控整流设备中，工频变压器及滤波电感作时产生的可闻噪声大，一般大于60db，而开关电源在无风扇的情况下可闻噪声仅为45db左右。

4、效率高

开关电源采用的功率器件一般功耗较小，带功率因数补偿的开关电源其整机效率可达88%以上，较好的可以做到92%以上。

5、冲击电流小

开机冲击电流可限制在额定输入电流的水平。

6、模快式结构

由于体积小，重量轻，可设计为模块式结构。

3电力电子技术在大功率开关电源中的应用

3.1功率半导体器件

功率半导体器件的发展是高频开关电源技术的重要支撑。功率MOSFET和IGB的出现，使开关电源高频化的实现成为可能；超快恢复功率二极管和MOSFET同步整流技术的开发，为研制高效率或低电压输出的开关电源创造了条件；功率半导体器件的额定电压和额定电流不断增大，为实现单机电源模块的大电流和高率提供了保证。

（1）功率MOSFET

功率MOSFET是一种单极型（只有电子或空穴作但单一导电机构）电压控制半导体元件[8]，其特点是控制极（栅极）静态内阻极高，驱动功率很小，开关速度高，无二次击穿，安全区宽等。开关频率可高达500kHz,特别适合高频化的电力电子装置。

（2）绝缘栅双极晶体管IGBT

绝缘栅双极晶体管IGBT是一种双（导通）机制复合器件，它的输入控制部分为MOSFET，输出极为GTR，集中了MOSFET及GTR分别具有的优点[2]：高输入阻抗，可采用逻辑电平来直接驱动，实现电压控制，开关速度高，饱和压降低，电阻及损耗小，电流、电压容量大，抗浪涌电流能力强，没有二次击穿现象，安全区宽等。

3.2软开关技术

传统大功率开关电源逆变主电路结构多采用PWM硬开关控制的全桥电路结构，功率开关器件在开关瞬间承受很大的电流和电压应力，产生很大的开关损耗，且随着频率的提高而损耗增大。工作频率在20kHz，采用IGBT功率器件的PWM硬开关控制的电源，功率器件开关损耗占总损耗的60%~70%，甚至更大[3]。为了消除或抑制电路的电压尖峰和浪涌电流，一般增加缓冲电路，不仅使电路更加复杂，还将功率器件的开关损耗转移到缓冲电路，而且缓冲电路的损耗随着工作频率的提高而增大。

软开关技术利用谐振原理，使开关器件两端的电压或流过的电流呈区间性正弦变化，而且电压、电流波形错开，使开关器件实现接近零损耗。谐振参数中吸收了高频变压器的漏抗、电路中寄生电感和功率器件的寄生电容，可以消除高频条件下的电压尖峰和浪涌电流，极大地降低器件的开关应力，从而大大提高开关电源的效率和可靠性。

3.3同步整流技术

对于输出低电压、大电流的开关电源来讲，进一步提高其效率的措施是在应用软开关技术的基础上，以功率MOS管反接作为整流用开关二极管，这种技术称为同步整流（SR），用SR管代替肖特基二极管（SBD）可以降低整流管压降，提高开关电源的效率。

现在的同步整流技术都在努力地实现ZVS及ZCS方式的同步整流。自从2002年美国银河公司发表了ZVS同步整流技术之后，现在已经得到了广泛应用[4]。这种方式的同步整流技术巧妙地将副边驱动同步整流的脉冲信号与原边PWM脉冲信号联动起来，其上升沿超前于原边PWM脉冲信号的上升沿，而降沿滞后的方法实现了同步整流MOSFET的ZVS方式工作。最新问世的双输出式P联M控制IC几乎都在控制逻辑内增加了对副边实现ZVS同步整流的控制端子。这些IC不仅解决好初级侧功率MOSFET的软开关, 而且重点解决好副边的ZVS方式的同步整流。用这几款IC制作的DC/DC变换器, 总的转换效率都达到了94%以上。

3.4控制技术

开关变换器具有强非线性、离散性、变结构的特点，负载性质也是多变的，因此主电路的性能必须满足负载大范围的变化，这使开关电源的控制方法和控制器的设计变得比较复杂。

电流型控制及多环控制在开关电源中得到了较广泛的应用；电荷控制、单周期控制等技术使开关电源的动态性能有了很大的提高。一些新的方法，如自适应控制、模糊控制、神经网络控制及各种调制方式在开关电源中的应用，已经引起关注。

随着微电子技术的发展，微控制器的处理速度越来越快，集成度越来越高，将微控制器或者DSP应用到大功率开关电源的数字控制模块已经成为现实。开关电源的高性能数字控制芯片的出现，推动了电源数字化的进程[5]。

数字控制可以实现精细的非线性算法，监控多部件的分布电源系统，减少产品测试的调整时间，使产品生产率更高。实时数字控制可以实现快速、灵活的控制设计，改善电路的瞬态响应性能，使之速度更快、精度更高、可靠性更强。

4 结束语

高频开关电源作为电子设备中不可或缺的组成部分也在不断地改进，高频化、模块、数字化、绿色化是其发展趋势。高频开关电源上述各技术的实现，将标志着开关电源技术的成熟。电力电子技术的不断创新，将使开关电源产业有着广阔的发展前景。

参考文献

[1] 莫慧芳. 高频开关电源发展概述. 电源世界, 2007（5）

[2] 贺益康, 潘再平. 电力电子技术. 科学出版社, 2010年第2版

[3]倪倩, 齐铂金, 赵晶等. 软开关全桥PWM主电路拓扑结构在逆变焊接电源中的应用. 自动化与仪表, 2002（1）

开关电源的设计与实现范文第5篇

1 引言

在发电厂和变电所中，为了给控制、信号、保护、自动装置、事故照明和交流不停电电源等装置供电，一般都要求有可靠的直流电源。为此，发电厂和110kV以上的变电所通常用蓄电池作为直流电源，但要求上述电源具有高度的可靠性和稳定性，并且其电源容量和电压能在最严重的事故情况下保证用电设备的可靠工作。

另外，目前由于半导体功率器件、磁性材料等方面的原因，单个开关电源模块的最大输出功率只有上千瓦，而实际应用中往往需用几十千瓦甚至几百千瓦以上的开关电源为系统供电，因此，要通过电源模块的并联运行来实现。大功率电源系统需要采用若干台开关电源并联的形式，以满足负载的功率要求。在并联系统中，每个变换器应处理较小的功率以降低应力，还应采用冗余技术来提高系统的可靠性。电源并联运行是电源产品模块化、大容量化的一个有效方法，同时也是实现组合大功率电源系统的关键。

2 常用的均流方法

由于大功率电源负载需求的增加以及分布式电源系统的发展，开关电源并联技术的重要性也日益增加。但是并联的开关变换器在模块间通常需要采用均流（Current sharing）措施。它是实现大功率电源系统的关键，其目的在于保证模块间电源应力和热应力的均匀分配，防止一台或多台模块运行在电流极限（限流）状态。因为并联运行的各个模块特性并不一致，外特性好（电压调整率小）的模块可承担更多的电流，甚至过载，从而使某些外特性较差的模块运行于轻载状态，甚至基本上是空载运行。其结果必然加大了分担电流多的模块的热应力，从而降低了可靠性。

    开关电源并联系统常用的均流方法有：

（1）输出阻抗法

（2）主从设置法

（3）按平均电流值自动均流法

（4）最大电流自动均流法（又叫自主均流法）。

直流模块并联的方案很多，但用于电力操作电源，都存在着这样或者那样的缺陷，其主要表现在：输出阻抗法的均流精度太低；主从设置法和平均电流法都无法实现冗余技术，因而并联电源模块系统的可靠性得不到很好的保证；外加均流控制器法使系统变得过于复杂，不利于把这一技术转化成实际的产品。而自主均流法以其均流精度高，动态响应好，可以实现冗余技术等特点，越来越受到产品开发人员的青睐。

所谓自主均流技术，就是在n个并联模块中，以输出电流最大的模块为主模块，而以其余的模块为从模块。由于n个并联模块中，一般都没有事先人为设定哪个模块为主模块，而是通过电流的大小自动排序，电流大的自然成为主模块，“自主均流法”因此而得名。

3 220/10A整流模块

笔者设计了一个220V/40A高频开关电源，可用于发电厂、变电所、变电站等电力控制的直流屏系统。该设计方案采用4个220V/10A模块并联来实现模块间的自主均流，从而为电力系统提供了一种重量更轻、体积更小、效率更高、安全性更好的整流模块实现方案。由于篇幅所限，本文只介绍220V/10A整流模块的实现方法。

高频开关电源性能优于相控整流电源，它能否得到广泛工业应用的关键是其可靠性，特别是当输出直流电压较高时应能可靠工作。除元器件及生产工艺等因素外，开关电源的可靠性主要取决于其主电路拓扑结构及控制方法。在设计该电源模块时，笔者选用了可靠性很高的三相电流型PWM整流器来完成三相功率因数校正及移相全桥谐振拓扑，从而实现DC/DC转换；PWM控制则采用电流型控制方法来实现。

3.1 三相PWM整流器

图1所示是一种三相PWM整流器的主电路，该电路的每个桥臂均由2只IGBT和2只二极管组成。其中IGBT的驱动脉冲采用正弦PWM调制脉冲，这样，输入电流和输出调制电压Vd中就只含下式所示的谐波：

式中：Id为输出电感中的电流；Vl为输入线电压有效值：P为0～60°区间内的脉冲数；M为调制系数，M=Uo/Um。

PWM整流器具有输入功率因数高，输入电流的低次谐波电流含量少，PWM调制脉冲易实现以及成本低等优点。

3.2 全桥DC/DC变换器

a.主电路拓扑

根据该高频开关电源的输出功率较大(220V、10A)且工作频率较高(100kHz)等实际情况，笔者选用了全桥隔离式PWM变换器，图2是其电路图。

这种线路的优点有二：一是主变换器只需一个原边绕组，通过正、反向电压即可得到正、反向磁通，副边绕组采用全桥全波整流输出。因此变压器铁芯和绕组可得到最佳利用，从而使效率密度得到提高。二是功率开关可在非常安全的情况下运行。

b.控制与保护

DC/DC变换器采用峰值电流型PWM控制，并采用自主均流法实现多个模块并联运行时的均流控制。这种均流控制方法与电源模块数目无关，且任意1个模块发生故障或退出运行时，均不影响其它模块的均流功能，从而真正实现了N+1冗余运行。

PWM脉冲宽度调制开关变换器的控制芯片采用UC3875移相专业控制芯片，该芯片主要应用于全桥变换器电路。它有电压型和电流型控制模式可供选择。UC3875具有限流、输入过压、输出过压、输入欠压等保护功能。自动均流电路采用以最大电流自动均流法为原理的集成均流芯片UC3907，应用UC3907可以调节电源模块的电压并实现并联模块间的均流。

    用于电力系统中的高频开关电源可满足的技术指标如下：

输入交流电压：380V；

纹波系数：≤0.5%；

电网频率：50Hz；

功率因数：≥0.9；

输出直流电压：220V；

稳压精度：≤0.5%；

模块输出电流：10A；

稳流精度：≤0.5%；

整机输出电流：40A

均流不平衡度：≤0.5%。