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本科毕业设计说明书高压大功率开关电源的设计DESIGNOFHIGHPOWERSWITCH学院（部）：专业班级：学生姓名：指导教师：年月日安徽理工大学毕业设计I高压大功率开关电源的设计摘要电源是给电子设备提供所需要的能量的设备，任何电子设备都离不开电源，这就决定了电源在电子设备中的重要性。电子设备要获得好的工作可靠性必须有高质量的电源，所以电子设备对电源的要求日趋增高。高压大功率开关电源，广泛应用于能源、材料、冶金、化工、制造等诸多工业领域，并且随着经济技术的发展，要求电源具备更高的输出功率同时体积更小、效率更高、可靠性更强。软开关技术、高压高频变压器设计、结构与散热设计等己成为影响电源性能的关键技术。在本文章中，我们介绍了开关电源的发展现状。针对高压大功率开关电源的用途，也做了详细的介绍。在第二章，主要介绍支撑开关电源发展的关键技术。第三章则主要设计高压大功率开关电源的主电路。第四章主要介绍开关电源的驱动电路，控制电路和保护电路。关键词：高压，大功率，开关电源，谐振安徽理工大学毕业设计IIDESIGNOFHIGHPOWERSWITCHABSTRACTPowersupplyforelectronicequipmentprovidestherequiredenergyequipment.Anyelectronicdevicescannotworkwithoutpowersupply.Itdeterminestheimportanceofpowerinelectronicequipment.Electronicequipmenttoobtainagoodworkingreliabilitymustbeofhighqualitypowersupply,sothepowerrequirementsofelectronicdevicesbecomeincreasinglyhigher.Thehighvoltageandhighpowerswitchingpowersupply,iswidelyusedinmanyindustrialfieldsofenergy,materials,metallurgy,chemicalindustry,etc.Andwiththedevelopmentofeconomyandtechnology,requirementofpowersupplywithhigheroutputpoweratthesametime,smallervolume,higherefficiency,reliability.Thesoftswitchtechnology,highvoltagehighfrequencytransformerdesign,structureandthermaldesignhasbecomethekeytechnologyofpowerperformance.Inthispaper,weintroducedthedevelopmentofswitchpowersupply.Applicationforhighvoltagehighpowerswitchingpowersupply,isalsodescribedindetail.Inthesecondchapter,mainlyintroducesthekeytechnologyofsupportingthedevelopmentofswitchingpowersupply.Thethirdchaptermainlydesignofmaincircuitofhighvoltageandhighpowerswitchingpowersupply.Thefourthchaptermainlyintroducesthedrivingcircuitofswitchpowersupply,controlcircuitandprotectioncircuit.KEYWORDS:highvoltage,highpowerswitchingpowersupply,resonance安徽理工大学毕业设计11绪论1.1引言高压大功率开关电源在能源、材料、冶金、化工、制造等诸多工业领域有着广泛应用。在要求开关电源具有较高功率的同时，对体积、可靠性、效率也提出了更高要求。现在影响开关电源性能的主要技术有：软开关技术、高压高频变压器设计、结构与散热设计等。就高压大功率开关电源而言，发展也存在以下几个情况：首先是变压器。变压器的高变比与体积之间有着不可调和的矛盾，变压器的高输出要求绕组之间的距离不能太近，电源体积小，也就限制了变压器的体积。这对变压器中的绝缘材料提出了更高要求。其次是变压器高变比与非线性之间的矛盾，这对变压器磁芯材料要求更高。另外大功率开关电源特别是在高频工况下的损耗是非常大的，不能忽视。开关电源的损耗主要来自于以下几个方面：开关器件的开关损耗、二极管等半导体器件的损耗、变压器的铁耗和铜耗。为了减少损耗变压器需要优化结构并且改善变压器的制作工艺。同时可以适合大功率的软开关技术来减少开关损耗提高效率。随着电力电子技术的发展，人们的生活中出现了越来越多的电力电子设备。而电子设备都离不开可靠的电源。进入八十年代，计算机电源率先实现了开关电源化。九十年代，各种电子，电气设备领域都已经广泛的使用了开关电源。开关电源迅速发展起来。开关电源是利用现代电力电子技术控制开关晶体管导通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源主要由两部分组成，分别是脉冲宽度调制（PWM）控制集成芯片IC和绝缘场效应管MOSFET。开关电源体积小，损耗低，在电子设备领域已经几乎全面应用。开关电源高频化是其发展的方向，高频化是开关电源小型化，并使开关电源得到广泛应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展有助于节约能源、节约资源和环境保护。开关电源经历了三个重要发展时段。第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件发展为MOS型器件，是的电力电子器件有可能实现高频化，导通损耗大幅度降低，简化了电路。第二个阶段是二十世纪八十年代开始，研究出了高频化和软开关技术，使得功率器件性能更好，尺寸更小。高频化和软开关技术是过去二十年国际电力电子界研究的热点。第三个阶段是二十世纪九十年代中期开始，电力电子系统集成和集成电力电子模块安徽理工大学毕业设计2技术开始发展，成为当今国际电力电子界急需要解决的问题之一。现代市场上使用的高压开关电源大多采用晶闸管驱动，有很多缺点，如开关速度低，损耗大，噪声大，并且限制了高压开关电源的频率。虽然国内已经有少数厂家生产高频高压开关电源，但是价格昂贵，因此研究价格低廉的高频高压开关电源是大势所趋，市场良好。1.2开关电源的发展方向自1969年以来成功研制25KHZ开关电源以来，专家，学者，工程师们一直在开关电源高频化、高可靠、高效率、低噪声、低耗抗干扰和模块化等方面探索着。但是往往照顾到这一面，另外一面往往不能符合要求。从八十年代末起，软开关技术成为工程师们研究的热点。虽然研究的成果很多，但是仅仅有两种符合工程实用。一项是有源箝位ZVS软开关技术；另一项是全桥移相ZVS软开关技术。近几十年来，随着电力电子技术的发展，高压开关电源在高频化发现进展十分迅速。如菲利普公司开发的30KW以下移动式X光机的X线发生装置频率达30KHZ以上。德国霍夫曼公司高压发生器频率高达40KHZ。自98年以来通用电气公司成功研制出高达100KhzX线机发生器。高频化和大功率是高压开关电源发展的主要趋势。而需要是开关电源发展的动力。开关电源能够满足各种用电需求，带来的经济效益非常大。我国在通信领域广泛使用开关电源代替相控电源，这一举措在后来看来是明智的。开关电源的使用为国家节省了大量的铜材，钢材和占地面积。总之灵活的功率变换方式，高性能，高功率密度，高效率，凭借这些明显的优势，开关电源将在21世纪得到大力发展。开关电源的发展离不开技术的支持。功率半导体器件仍然是开关电源发展的龙头。电力电子技术想要进步，就必须推出新型电力电子器件。功率场效应管（MOSFET）由于单极性多子导电，显著减小了开关时间，因而很容易的达到1MHZ的频率而备受瞩目，但是提高MOSFET器件的阻断电压就必须加快器件的漂移区，这样做会使器件内阻增大，增大了通态压降，所以只能用于中小功率场合。为了降低通态电阻，美国的IR公司采取了提高单位面积的原胞个数的方法。自1996年以来其通态电阻以每年50%的速度下降。对于肖特基二极管的发展，利用Trench结构，有望出现压降更小的肖特基二极管，则有可能在极低电源电压领域与同步整流的MOSFET展开竞争。变压器是电力电子产品或开关电源中必不可缺的部件。平面变压机是最近两年的新产品。平面变压器不需要铜导线，代之以单层或多层电路板，因而厚度远低于常规变压器，能够直接印刷在电路板上，因而体积大大缩小，相当于常规变压器的五分之一。近几年，具有各种控制功能的芯片也在迅猛发展，如为了功率因数校正电路用的控安徽理工大学毕业设计3制芯片，软开关控制用的ZVS和ZVC芯片，移相全桥用的控制芯片，并联均流控制芯片，电流反馈控制芯片等。电路集成的进一步发展方向是系统集成。美国电力电子系统中心已经提出系统集成的设想。信息传输，控制和功率半导体器件全部集成在一起。组成的元件之间不断通过导线连接增加可靠性，采用三维空间热耗散的方法改善散热。系统集成可以改善半自动化，半人工的组装工艺，并且能够降低成本，有利于普遍推广使用。1.3开关电源关键技术的发展现状1.3.1开关电源的高功率密度和高频化小型化是开关电源发展的方向之一。随着电源频率的不断增高，开关电源的功率密度也在不断增加，开关电源的体积随之减小，动态特性得到改善。但随着频率的增加也带来了新的问题，功率元器件增加，高频情况下电磁兼容的问题。目前一些新型器件和新型材料出现，如超级电容器、平面电容器的出现可以成倍地扩大电容容量，纳米晶磁性材料的问世以及平面变压器的出现可以成倍减少变压器、电感等磁性元件的体积。开关电源趋于高频化小型化的同时，人们也面临着提高电源系统的功率密度和工作效率的问题。提高效率从另外一方面说主要是减少各种开关损耗。总是高频化，高效化，高功率密度也是开关电源的发展方向。1.3.2软开关技术的发展所谓软开关技术是相对于硬开关而言的。硬开关指在开关过程中，各电参量均不为零，出现了电压和电流重叠的趋于。而软开关技术是指通过电感和电容的谐振开改变开关管关断和开通时电压和电流的轨迹，也就是利用各种控制技术在开关两段电压为零时开通，或者是流过开关的电流为零时开关关断。软开关技术较高的解决了硬开关PWM变换器的开关损耗问题。因此二十世纪七十年代开始，国内外电力电子界不断的研究软开关技术，到目前已经得到较快的发展。最早出现的软开关技术为全谐振变换器，实际上是一种负载型的谐振变换器。按照谐振元件的谐振方式，分为串联谐振变换器和并联谐振变换器。谐振元件在变换器工作过程中一直参与谐振工作。其调节是通过开关频率的调节来实现，且对负载关心大，对负载的非常敏感。八十年代中期，出现了准谐振变换器。在此类谐振变换器中。谐振元件工作的时间只占一个开关周期的一部分，并不参与全过程。准谐振变换器通过谐振时开关器件上的电流和电压按准正弦规律变化，从而创造出零电流开关条件（或零电压开关条件）。因此准谐振变换器又分为零电流准谐振变换器和零电压准谐振变换器。和全谐振变换器一样，准谐振变换器也是通过调节频率来调节电压输出。八十年代末期出现了零开关PWM变换器，它是将常规的PWM调制技术和谐振变换结安徽理工大学毕业设计4合而产生的软开关技术。零开关PWM变换器也分为零电压开关PWM变换器和零电流开关PWM变换器。这类变换器与谐振变换器的不同点是恒频控制，且谐振元件的谐振时间与开关周期相比起来很短，只有开关周期的1/10-1/5。九十年代出现的零转换PWM变换器，它是在零开关PWM变换器的基础上发展起来的。零转换PWM变换器分为零电压转换PWM变换器和零电流转转PWM变换器。特点