..摘要通信電源是電信網(wǎng)的能源,其供電質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到整個(gè)電信網(wǎng)的暢通,本課題首先分析了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外高頻通信開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展?fàn)顩r,在理論分析和電路實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)出了一種新型的高頻通信開(kāi)關(guān)電源〔交流配電模塊、直流配電模塊、4只高頻開(kāi)關(guān)整流模塊和監(jiān)控模塊置于同一機(jī)架內(nèi),該電源優(yōu)化了電路的主要參數(shù),設(shè)計(jì)了相移脈寬調(diào)制零電壓開(kāi)關(guān)諧振〔PS-ZVSPWM全橋變換器電路和以集成控制器UC3875芯片為核心的控制電路,實(shí)現(xiàn)了功率開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通和近似零電壓關(guān)斷,研制出高效率〔達(dá)93%、高穩(wěn)定度<±0.5%、高可靠性、低電磁干擾的高頻開(kāi)關(guān)整流模塊。同時(shí)文中還提到了以MCS-51單片機(jī)電路為核心的的電源監(jiān)控模塊與監(jiān)控設(shè)計(jì)思路。保證了整機(jī)能夠安全可靠工作。關(guān)鍵詞：高頻開(kāi)關(guān)電源；相移脈寬調(diào)制；零電壓開(kāi)關(guān)ABSTRACTThecorrespondencepowerswitchisthetelecommunicationnetworkenergy,itspowersupplyqualityqualityrelatesdirectlytotheentiretelecommunicationnetworkunimpededness,thistopichasfirstanalyzedtherecentyearsdomesticandforeigncommunicationsswitchingpowersupplydevelopmentcondition,testsinthetheoreticalanalysisandtheelectriccircuitinthefoundation,developedonekindofnewcommunicationswitchingpowersupply<alternating-currentdistributionmodule,directcurrentpowerdistributionmodule,4highfrequencyswitchesrectificationmoduleandmonitoringmoduleputsinidenticalrack>,thispowersourceoptimizedtheelectriccircuitmainparameter,hasdesignedthephase-shiftpulse-durationmodulationzeropotentialswitchresonance<PS-ZVSPWM>theentirebridgeconverterelectriccircuitandtakeintegratesthecontrollerUC3875chipasthecorecontrolcircuit,Realizedthepowerswitchingvalvezeropotentialtoclearwiththeapproximatezeropotentialshutsoff,developsthehighefficiency<toreach93%>,thehighstability<±0.5%>,redundantreliable,thelowelectronmageticinterferencehighfrequencyswitchrectificationmodule.AtthesametimeinthearticlealsoproposedbasedonMCS-51isthecorepowersourcemonitoringmoduleandmonitoringdesignmentality.Hasguaranteedentiremachinesafereliablework.Keywords:Highfrequencyswitchingpower;Phase-ShiftingPWMZVS；ZeroVoltageSwitching目錄1緒論········································································································11.1開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展及國(guó)外現(xiàn)狀·························································11.2國(guó)內(nèi)通信電源的發(fā)展及現(xiàn)狀····················································41.3研究?jī)?nèi)容····················································································52電路原理方案分析和選擇····································································72.1高頻開(kāi)關(guān)整流模塊·········································································72.2交流配電模塊···············································································122.3直流配電模塊···············································································132.4監(jiān)控模塊·······················································································143主要電路設(shè)計(jì)··················································································163.1高頻開(kāi)關(guān)整流模塊主電路設(shè)計(jì)···················································163.2高頻開(kāi)關(guān)整流模塊控制電路的設(shè)計(jì)···········································233.3監(jiān)控模塊的設(shè)計(jì)·····································································284零電壓開(kāi)關(guān)的理論分析和電路實(shí)驗(yàn)··················································314.1實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)的·······································································314.2左右兩支路電路轉(zhuǎn)換過(guò)程的區(qū)別··············································334.3占空比丟失現(xiàn)象·····································································334.4電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果·······································································355結(jié)論···························································································36參考文獻(xiàn)··································································································37致謝··········································································································391緒論1.1開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展及國(guó)外現(xiàn)狀通信電源是整個(gè)電信網(wǎng)的重要組成部分,電源設(shè)備質(zhì)量的優(yōu)劣,決定著整個(gè)電信網(wǎng)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行。通信設(shè)備發(fā)生故障時(shí),可能會(huì)影響部分用戶(hù)或使接通率下降。而電源發(fā)生故障時(shí),將會(huì)造成通信全部中斷,所以人們一直將電源視為整個(gè)通信系統(tǒng)的心臟,受到足夠的重視。通信電源分為一次電源和二次電源兩大類(lèi),一次電源將交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電接入通信設(shè)備,二次電源一般位于通信設(shè)備內(nèi)部,將一次電源的直流電轉(zhuǎn)換成多種電壓值的穩(wěn)定直流電以供通信設(shè)備內(nèi)部各部分使用。自1957年第一只可控硅<SCR>問(wèn)世后[1],[2],可控硅取代了笨重而且效率低下的硒或氧化亞銅整流器件,可控硅整流器就作為通信設(shè)備的一次電源使用。在隨后的20年內(nèi),由于半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步,可控硅的電壓、電流額定值及其它特性參數(shù)得到了不斷提高和改進(jìn),滿(mǎn)足了通信設(shè)備不斷發(fā)展的需要,因此,直到70年代,發(fā)達(dá)國(guó)家還一直將可控硅整流器作為大多數(shù)通信設(shè)備的一次電源使用。雖然可控硅整流器工作穩(wěn)定,能滿(mǎn)足通信設(shè)備的要求,但其是相控電源,工作于工頻,有龐大笨重的電源變壓器、電感線(xiàn)圈、濾波電容,噪聲大,效率低,功率因數(shù)低,穩(wěn)壓精度也較低。因此,自1947年肖克萊發(fā)明晶體管[3,4],并在隨后的幾年內(nèi)對(duì)晶體管的質(zhì)量和性能不斷完善提高后,人們就著力研究利用晶體管進(jìn)行高頻變換的方案。1955年美國(guó)羅耶〔GH·Roger發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器,是實(shí)現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)換電路的開(kāi)始[5],1957年美國(guó)查賽〔J.J.JenSen又發(fā)明了自激式推挽雙變壓器變換器電路。在此基礎(chǔ)上,1964年,美國(guó)科學(xué)家提出了取消工頻變壓器的串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)想,并在NEC雜志上發(fā)表了"脈寬調(diào)制應(yīng)用于電源小型化"等文章,為使電源實(shí)現(xiàn)體積和重量的大幅下降提供了一條根本途徑。隨著大功率硅晶體管的耐壓提高和二極管反向恢復(fù)時(shí)間的縮短等元器件性能的改善,1969年終于做成了25KHz的開(kāi)關(guān)電源。電源界把開(kāi)關(guān)電源的頻率提高到20KHz以上稱(chēng)為電源技術(shù)的"20KHz革命"。開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的這一新的發(fā)展,在世界上引起了強(qiáng)烈的反響和重視,開(kāi)關(guān)電源的研究成了國(guó)際會(huì)議的熱門(mén)話(huà)題。經(jīng)過(guò)幾年的努力,從開(kāi)關(guān)電源的電路拓?fù)湫褪降较嗯涮椎脑骷妊芯慷既〉昧讼喈?dāng)大的進(jìn)展。在電路拓?fù)湫褪缴祥_(kāi)發(fā)出了單端貯能式反激電路、雙反激電路、單端正激式電路、雙正激電路、推挽電路、半橋電路、全橋電路,以適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合、不同功率檔次的需要；在元器件方面,功率晶體管和整流二極管的性能也有了較大的提高。1976年美國(guó)硅通用公司第一個(gè)做出了SG1524的脈寬調(diào)制〔PWM,PulseWidthModulation控制芯片,極大地提高了開(kāi)關(guān)電源的可靠性,并進(jìn)一步減小了體積。盡管如此,由于功率器件的電壓、電流額定值的限制,直到上世紀(jì)70年代末開(kāi)關(guān)電源主要用于通信設(shè)備的二次電源,而通信設(shè)備的一次電源大多數(shù)仍采用可控硅整流器〔相控電源。在隨后的幾年中,大功率晶體管〔GTR和功率場(chǎng)效應(yīng)管〔MOSFET相繼被研制出來(lái)[6],其電壓、電流額定值大為提高,工作頻率也提高較多,可靠性也顯著增加。在電路拓?fù)洹⒐β势骷涂刂菩酒l(fā)展的基礎(chǔ)上,80年代初,英國(guó)研制出48V成套直流電源[5],作為通信設(shè)備的一次電源使用,一個(gè)機(jī)架包括多個(gè)整流模塊,交、直流配電模塊等,這是當(dāng)時(shí)利用高頻直流變換技術(shù)為主開(kāi)發(fā)的新成果。在1982年國(guó)際通信能源會(huì)議上,關(guān)于這一成果發(fā)表的論文受到了普遍重視。這一新技術(shù),在研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面得到了迅速的發(fā)展。到80年代中后期,絕緣柵雙極晶體管〔IGBT已研制出來(lái)并投入了市場(chǎng),各種通信設(shè)備所需的一次電源大多采取PWM集成控制芯片、雙極型晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、絕緣柵雙極晶體管；半橋或橋式變換電路；開(kāi)關(guān)頻率約為幾十KHz,效率約90%左右的高頻開(kāi)關(guān)電源。隨著微電子學(xué)的發(fā)展和元器件生產(chǎn)技術(shù)的提高,相繼開(kāi)發(fā)出了耐壓高<400-500V>的功率場(chǎng)效應(yīng)管〔VMOS管和高電壓、大電流的絕緣柵晶體管〔IGBT,具有軟恢復(fù)特性的大功率高頻整流管,各種用途的集成脈寬調(diào)制控制器和高性能的鐵氧體磁芯,高頻用的電解電容器,低功耗的聚丙烯電容等。主要元器件技術(shù)性能的提高,為高頻開(kāi)關(guān)電源向大功率、高效率、高可靠性方向發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。考慮到將交流電直接整流濾波后給開(kāi)關(guān)電源供電時(shí),由于PWM直流——直流變換將使交流電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化,對(duì)交流電網(wǎng)不利。人們經(jīng)過(guò)努力研制了功率因數(shù)校正電路〔PFC,PowerFactorCorrector,該種電路將交流電壓經(jīng)全波整流濾波得到的直流電壓進(jìn)行直流—直流變換,并使輸入電流平均值自動(dòng)跟隨全波整流直流電流基準(zhǔn),并且保持輸出電壓穩(wěn)定,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM直流變換器穩(wěn)壓輸出和接近單位輸入功率因數(shù)。當(dāng)高頻開(kāi)關(guān)整流模塊的功率容量較大時(shí),加上功率因數(shù)校正電路就避免了對(duì)交流電網(wǎng)的影響。為減少開(kāi)關(guān)損耗和提高工作頻率,在電路拓?fù)浞矫嬉踩〉昧溯^大進(jìn)展[5],在90年代設(shè)計(jì)并研制出準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)變換器〔QRC,QuasiResonantConvertor和多諧振變換器〔MRC,MultiResonantConvertor,在這方面日本九洲大學(xué)原田〔耕介研究室、美國(guó)佛吉尼亞理工學(xué)院等走在前面,研制出了功率密度為3W/cm3,開(kāi)關(guān)頻率從2.5-3.85MHz、效率達(dá)80-83%的多諧振變換器。這種變換器的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān),大大降低了開(kāi)關(guān)損耗,可以吸收電路的寄生參數(shù)〔不在乎電路寄生參數(shù)的存在,而且?guī)缀醪划a(chǎn)生電磁干擾。缺點(diǎn)是輸出同樣功率時(shí),比PWM方式的電壓、電流值大,對(duì)開(kāi)關(guān)器件要求較高,而且工作頻率隨輸入電壓和負(fù)載變化有一定的變化范圍,不便設(shè)計(jì)輸出濾波電路的參數(shù)。到90年代初,國(guó)外通信一次電源應(yīng)用最多的是采用PWM控制集成芯片、大功率高壓功率場(chǎng)效應(yīng)管或絕緣柵雙極晶體管的開(kāi)關(guān)整流器,德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、澳大利亞、加拿大、日本等國(guó)家的開(kāi)關(guān)整流器的開(kāi)關(guān)頻率為50-100KHz,功率因數(shù)接近1,效率高于90%,單模塊容量最大可達(dá)200A/48V。程控機(jī)房開(kāi)關(guān)電源設(shè)備供電系統(tǒng)外形圖如圖1.1所示。圖1.1開(kāi)關(guān)電源設(shè)備供電系統(tǒng)外形圖隨著通信用開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的廣泛應(yīng)用和不斷深入,實(shí)際工作中人們對(duì)開(kāi)關(guān)電源提出了更高的要求,提出了應(yīng)用技術(shù)的高頻化、硬件結(jié)構(gòu)的模塊化、軟件控制的數(shù)字化、產(chǎn)品性能的綠色化、新一代電源的技術(shù)含量大大提高,使之更加可靠、穩(wěn)定、高效、小型、安全。在高頻化方面,為提高開(kāi)關(guān)頻率并克服一般的PWM和準(zhǔn)諧振、多諧振變換器的缺點(diǎn),又開(kāi)發(fā)了相移脈寬調(diào)制零電壓開(kāi)關(guān)〔PSPWMZVS,PhaseShiftPulseWidthModulationZeroVoltageSwitch〔零電流諧振變換器,這種電路克服了PWM方式硬開(kāi)關(guān)造成的較大的開(kāi)關(guān)損耗的缺點(diǎn),又實(shí)現(xiàn)了恒頻工作,克服了準(zhǔn)諧振和多諧振變換器工作頻率變化及電壓、電流幅度大的缺點(diǎn)。采用這種工作原理,大大減小了開(kāi)關(guān)管的損耗,不但提高了效率也提高了工作頻率,減小了體積,更重要的是降低了變換電路對(duì)分布參數(shù)的敏感性,拓寬了開(kāi)關(guān)器件的安全工作區(qū),在一定程度上降低了對(duì)器件的要求,從而顯著提高了開(kāi)關(guān)電源的可靠性。目前,美國(guó)、挪威、新西蘭、英國(guó)、法國(guó)等不少?lài)?guó)家已經(jīng)采用VMOS,IGBT研制出工作頻率為1MHz,效率達(dá)93％,可靠性顯著提高的DC-DC變換器用于通信電源。在發(fā)達(dá)國(guó)家中,目前通信電源都實(shí)現(xiàn)了集中監(jiān)控。監(jiān)控由監(jiān)控模塊〔置于電源機(jī)架內(nèi)的RS232接口—PC計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的軟件完成。監(jiān)控模塊可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源各部分的電壓、電流等參數(shù),PC計(jì)算機(jī)可定時(shí)巡檢各臺(tái)電源的運(yùn)行參數(shù),并能執(zhí)行開(kāi)關(guān)和控制,實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)、遙控、遙信、遙調(diào)四遙功能,使程控機(jī)房實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守。1.2國(guó)內(nèi)通信電源的發(fā)展及現(xiàn)狀建國(guó)初期,我國(guó)郵電部門(mén)的科研技術(shù)人員開(kāi)發(fā)了以國(guó)產(chǎn)大功率電動(dòng)發(fā)電機(jī)組為主的成套設(shè)備作為通信電源。在引進(jìn)原民主德國(guó)FGD系列和前蘇聯(lián)BCC51系列自動(dòng)化硒整流器基礎(chǔ)上,借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù),與工廠共同研制成功國(guó)產(chǎn)XZL系列自動(dòng)化硒整流器,并在XX通信電源廠批量生產(chǎn),開(kāi)始用硒整流器裝備通信局〔站,替換原有的電動(dòng)發(fā)電機(jī)組,這標(biāo)志著我國(guó)國(guó)產(chǎn)通信電源設(shè)備躍到一個(gè)新的水平。但后來(lái),我國(guó)的通信電源發(fā)展相當(dāng)緩慢。1963年開(kāi)始研制和采用可控硅〔SCR整流器[5],1965年著手研制逆變器和晶體管直流——直流〔DC/DC變換器,當(dāng)時(shí)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比只落后五六年。通信設(shè)備作一次電源使用,并不斷得到改進(jìn),性能和質(zhì)量逐步提高外,其它方面進(jìn)展十分緩慢。一直到80年代才開(kāi)始生產(chǎn)20KHzDC/DC變換器,但由于受元器件性能的影響,質(zhì)量很不穩(wěn)定,無(wú)法作為通信設(shè)備的一次電源使用。只是作為通信設(shè)備的二次電源使用〔二次電源對(duì)元器件的耐壓及電流要求較低。直到上世紀(jì)90年代初,我國(guó)大多數(shù)通信設(shè)備所用的一次電源仍然是可控硅整流器。這種電源工作于工頻50Hz,有龐大的工頻變壓器、電感線(xiàn)圈、電解電容等,笨重龐大、效率低、噪聲大、性能指標(biāo)低,不易實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。由于通信事業(yè)發(fā)展的需要,八十年代后期,郵電部加強(qiáng)了通信電源技術(shù)發(fā)展的各項(xiàng)工作,制訂了"通信基礎(chǔ)電源系統(tǒng)設(shè)備系列暫行規(guī)定","通信局〔站電源系統(tǒng)總技術(shù)要求"和電源設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等文件[3],多次派代表參加國(guó)際電信能源會(huì)議,并在八十年代后期才第一批引進(jìn)了澳大利亞生產(chǎn)的48V/50A〔開(kāi)關(guān)頻率為40KHz和48V/100A〔開(kāi)關(guān)頻率為20KHz的高頻開(kāi)關(guān)電源,在吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,投入較大的力量,開(kāi)始研制自己的開(kāi)關(guān)電源。郵電部XX電源廠、通信儀表廠等廠家開(kāi)發(fā)出了自己的以PWM方式工作的開(kāi)關(guān)電源[7],并推向電信行業(yè)應(yīng)用,取得了較好的效果。隨后郵電部對(duì)電源提出了更新?lián)Q代和實(shí)現(xiàn)監(jiān)控〔包括監(jiān)控的要求,眾多廠家都投入力量研制開(kāi)發(fā),推出了采用PWM技術(shù)的高頻開(kāi)關(guān)電源,有些廠家還推出了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的解決方案,短短幾年后,電信部門(mén)所用的一次通信電源幾乎都更換成了采用PWM集成控制芯片、大功率晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)管、絕緣柵雙極晶體管的半橋或全橋電路,其開(kāi)關(guān)頻率為幾十至100KHZ、效率高于90%、功率因數(shù)接近1、穩(wěn)壓精度優(yōu)于0.5%、模塊化組合的高頻開(kāi)關(guān)電源,電信行業(yè)成套電源技術(shù)提高到了一個(gè)嶄新的水平。最近幾年來(lái),為了提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性,進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率,提高工作頻率,減小體積,并降低電磁干擾,在吸收國(guó)外最新進(jìn)展的基礎(chǔ)上,開(kāi)始了準(zhǔn)諧振、多諧振開(kāi)關(guān)變換器和相移脈寬調(diào)制零電壓〔零電流諧振變換器的研究實(shí)驗(yàn)工作[8]。尤其是由于后者具有較多的優(yōu)點(diǎn),受到了大家的重視,投入了較多的研究力量,取得了一些進(jìn)展,提高了效率、可靠性,降低了電磁干擾,并已有少量應(yīng)用,但總的來(lái)說(shuō)仍處于研究探索階段。在遠(yuǎn)程集中監(jiān)控方面,有些地方已采取鄉(xiāng)支局電源監(jiān)控模塊〔含單片機(jī)—調(diào)制解調(diào)器〔Modem—線(xiàn)—調(diào)制解調(diào)器—縣電信局PC計(jì)算機(jī)的方案實(shí)現(xiàn)了支局電源的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控和鄉(xiāng)支局機(jī)房的無(wú)人值守。從整體性能看,我國(guó)通信電源設(shè)備與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比存在一定的差距。主要差距在工作的可靠性、穩(wěn)定性和技術(shù)性能等方面。因此,組織力量研制開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、技術(shù)含量高的新一代通信電源,對(duì)振興民族工業(yè),提高產(chǎn)品的質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,提高開(kāi)發(fā)隊(duì)伍的研究水平都具有重要意義,同時(shí),也會(huì)帶來(lái)顯著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。1.3研究?jī)?nèi)容80年代后期,隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,通信越來(lái)越不能適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,國(guó)家有關(guān)部門(mén)制訂了大力發(fā)展通信事業(yè)的計(jì)劃,要求幾年內(nèi)在農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)郵電局〔C5局逐步建立程控交換機(jī)房,在這種情況下,有關(guān)專(zhuān)家根據(jù)當(dāng)時(shí)的技術(shù)基礎(chǔ),研制出HE型程控交換機(jī)系列〔備用電源,該電源采用可控硅整流技術(shù),將交、直流屏組合到一個(gè)機(jī)架內(nèi)成為組合電源,主要在鄉(xiāng)鎮(zhèn)郵電局程控機(jī)房使用。后根據(jù)郵電部對(duì)通信電源更新?lián)Q代的要求,于1997年,HE－48型高頻開(kāi)關(guān)電源又研制成功,這種電源主要用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)程控交換機(jī)房。采用PWM脈寬調(diào)制高頻開(kāi)關(guān)變換技術(shù),開(kāi)關(guān)頻率為50KHz,取消了龐大的工頻電源變壓器,電感和電容的尺寸也大為減小,交直流屏、整流器和監(jiān)控部分都實(shí)現(xiàn)了模塊化,并置于同一機(jī)架內(nèi)〔圖1.2。監(jiān)控模塊以單片機(jī)為核心,可監(jiān)控交、直流屏及多個(gè)整流模塊的工作參數(shù),并可通過(guò)其RS232接口實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。但經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)行發(fā)現(xiàn),整流模塊的功率管發(fā)熱較嚴(yán)重,個(gè)別模塊出現(xiàn)故障時(shí),發(fā)現(xiàn)基本都是功率管擊穿燒毀。針對(duì)以上情況,本人分析原因后,個(gè)人認(rèn)為應(yīng)該從以下方面加以改善：將原來(lái)整流模塊所采用的脈寬調(diào)制〔PWM半橋式電路改為相移脈寬調(diào)制零電壓開(kāi)關(guān)<諧振>全橋變換器。該變換器同時(shí)具有PWM方式和準(zhǔn)諧振、多諧振開(kāi)關(guān)變換器的優(yōu)點(diǎn),只是在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)采用諧振方式,開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換后仍采用PWM工作方式,既實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān),大大降低了開(kāi)關(guān)損耗,又以恒頻方式工作,避免了準(zhǔn)諧振、多諧振開(kāi)關(guān)變換器工作頻率變化及正弦波電流峰值大的缺點(diǎn)。經(jīng)運(yùn)行表明,整流模塊的功率開(kāi)關(guān)管發(fā)熱情況顯著改善,整流模塊效率提高了3-4%,整機(jī)可靠性大為提高,在此基礎(chǔ)上研制了新型高頻開(kāi)關(guān)電源。圖1.2開(kāi)關(guān)電源整機(jī)框圖主要研究?jī)?nèi)容為：①確定48V/100A新型高頻開(kāi)關(guān)電源的整體方案和各部分的電路方案。整機(jī)由4個(gè)48V/25A高頻開(kāi)關(guān)整流模塊、交流配電模塊、直流配電模塊、監(jiān)控模塊組成,置于同一機(jī)柜內(nèi)。具有多路直流穩(wěn)壓輸出,可分別給程控交換機(jī)、光端機(jī)等通信設(shè)備供電。由于該電源全自動(dòng)化工作,又具有集中監(jiān)控功能,可實(shí)現(xiàn)機(jī)房的無(wú)人值守。②研制48V/25A相移脈寬調(diào)制零電壓〔零電流〔PSPWMZVS諧振全橋變換器電路和以集成相移脈寬調(diào)制控制器為核心的控制電路。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化主要電路參數(shù),使高頻開(kāi)關(guān)整流模塊穩(wěn)定可靠工作,轉(zhuǎn)換效率達(dá)93%,穩(wěn)壓精度達(dá)±0.5%。③設(shè)計(jì)以MCS-51單片機(jī)電路為核心的監(jiān)控模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)交、直流屏,多個(gè)高頻開(kāi)關(guān)整流模塊的監(jiān)控,并可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)縣郵電局對(duì)各個(gè)縣鎮(zhèn)郵局電源的集中監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)、遙控三遙功能。2電路原理方案分析和選擇程控交換機(jī)等通信設(shè)備一旦安裝開(kāi)通,就長(zhǎng)期連續(xù)工作,不能間斷,因此要求通信電源①應(yīng)具有高效率、高可靠性,并能長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定工作。②應(yīng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化,無(wú)需工作人員直接操作。③應(yīng)具有監(jiān)控和三遙〔遙測(cè)、遙信、遙控功能,可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)管理,以適應(yīng)現(xiàn)代通信發(fā)展的需要。為了減小整機(jī)體積和重量,并增加備份,方便擴(kuò)容,電表單元、交流配電模塊、高頻開(kāi)關(guān)整流模塊、直流配電模塊、監(jiān)控模塊等部分置于同一機(jī)框內(nèi)。根據(jù)電源容量需要,裝入適當(dāng)塊數(shù)的高頻開(kāi)關(guān)整流模塊,隨著交換機(jī)容量的擴(kuò)大,還可陸續(xù)增加整流模塊,以滿(mǎn)足通信設(shè)備的需要。2.1高頻開(kāi)關(guān)整流模塊由于該電源的高頻開(kāi)關(guān)整流模塊的輸出既對(duì)通信設(shè)備供電也同時(shí)給額定電壓為48V的蓄電池組充電,因此其最高輸出電壓可達(dá)56.4V〔在對(duì)蓄電池均充時(shí),額定輸出電流為25A,其輸出的最大功率為,屬于中等功率,鑒于此,可采用單相交流電對(duì)其供電。變換器電路開(kāi)關(guān)電源采用常規(guī)的PWM方式工作[9],在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間,功率器件上會(huì)同時(shí)承受高電壓和大電流,造成轉(zhuǎn)換時(shí)功率損耗較大,有時(shí)功率器件發(fā)熱嚴(yán)重,影響可靠性,而且隨著工作頻率的提高,這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重。為了減少開(kāi)關(guān)損耗,提高工作頻率并增加可靠性,人們?cè)赑WM硬開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)上提出幾種軟開(kāi)關(guān)電路拓?fù)?主要有準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)變換器〔QRC,多諧振開(kāi)關(guān)變換器〔MRC以及相移脈寬調(diào)制零電壓〔零電流諧振變換器。準(zhǔn)諧振變換器和多諧振變換器優(yōu)點(diǎn)是工作在諧振狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān),大大降低了開(kāi)關(guān)損耗,而且可以吸收電路的寄生參數(shù)〔不在乎電路的寄生參數(shù)存在,幾乎不產(chǎn)生電磁干擾。缺點(diǎn)是輸出同樣功率時(shí),與PWM方式相比,其正弦波電流峰值較大,對(duì)開(kāi)關(guān)器件要求較高,此外其正弦波較高的峰值電流引起的正向?qū)〒p耗增大,在一定程度上又抵消了一些降低開(kāi)關(guān)損耗的好處,而且工作頻率隨輸入電壓和負(fù)載變化有一定的變化范圍,不便設(shè)計(jì)輸出濾波電路的參數(shù)。相移脈寬調(diào)制零電壓開(kāi)關(guān)<諧振>變換器仍采用PWM工作方式,只在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)采用諧振方式,這樣既克服了PWM方式硬開(kāi)關(guān)造成的較大開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題,又實(shí)現(xiàn)了恒頻工作,避免了準(zhǔn)諧振和多諧振開(kāi)關(guān)變換器工作頻率變化及正弦波電流峰值大的缺點(diǎn)。圖2.1相移脈寬調(diào)制零電壓開(kāi)關(guān)〔諧振變換器原理框圖相移脈寬調(diào)制零電壓開(kāi)關(guān)<諧振>變換器必須用全橋電路實(shí)現(xiàn),其原理電路如圖2.1所示[10]。從電路形式上看,它與常規(guī)的PWM全橋變換器電路完全相同。PWM變換器采用兩個(gè)對(duì)角開(kāi)關(guān)器件同時(shí)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通,將輸入電壓交錯(cuò)加到高頻變壓器的初級(jí),并用改變占空比即導(dǎo)通時(shí)間的方法實(shí)現(xiàn)調(diào)整。而在相移PWM電路中,四個(gè)開(kāi)關(guān)管連續(xù)工作在約50%〔略小于50%的固定占空比上,然后控制左右兩個(gè)半橋支路之間的相位關(guān)系,通過(guò)改變輸出脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)整,當(dāng)對(duì)角開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)才輸出功率。當(dāng)接于電源正端的上部開(kāi)關(guān)管〔V1、V3或接于負(fù)端的下部開(kāi)關(guān)管〔V2、V4同時(shí)導(dǎo)通時(shí),變壓器初級(jí)實(shí)質(zhì)上被短路,并被鉗位于相應(yīng)的輸入電源母線(xiàn)端。由變壓器漏感維持電流,創(chuàng)造了實(shí)現(xiàn)諧振轉(zhuǎn)換的條件。因此,相移脈寬調(diào)制全橋電路同時(shí)具有脈寬調(diào)制電路和諧振電路的優(yōu)點(diǎn),選用此種電路,不但電路簡(jiǎn)單,而且容易獲得較高的技術(shù)性能,也可顯著提高開(kāi)關(guān)變換器的可靠性。功率器件和高頻變壓器功率器件主要有雙極型晶體管〔GTR,功率場(chǎng)效應(yīng)管〔MOSFET和絕緣柵雙極型晶體管〔IGBT等[11,12]。作為開(kāi)關(guān)功率器件,雙極型晶體管因出現(xiàn)的早,過(guò)去用的較多,價(jià)格較低,飽和壓降較小,但這種管子的輸入是電流驅(qū)動(dòng),基極驅(qū)動(dòng)功率較大,驅(qū)動(dòng)電路也較復(fù)雜,而且這種器件由飽和狀態(tài)到關(guān)斷狀態(tài)時(shí),由于要將過(guò)量的少數(shù)載流子從基區(qū)除去,所以有一個(gè)過(guò)渡的存儲(chǔ)時(shí)間〔一般常達(dá)幾個(gè)μs,只有經(jīng)過(guò)此段存儲(chǔ)時(shí)間以后,器件才開(kāi)始關(guān)斷,集電極上才可以承受電壓。因此限制了該種器件的工作頻率不可能很高,如果要提高工作頻率,就要采用抗飽和電路,則增加了電路的復(fù)雜性,而且工作頻率提高也很有限,另外,在器件的額定工作范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生二次擊穿現(xiàn)象,安全工作區(qū)窄,器件并聯(lián)使用時(shí),均流比較麻煩。場(chǎng)效應(yīng)管是電壓驅(qū)動(dòng)器件,輸入阻抗很高,幾乎不需要驅(qū)動(dòng)功率,大大減化了驅(qū)動(dòng)電路,有時(shí)可由CMOS電路和集成電路直接驅(qū)動(dòng),該種器件不象雙極型晶體管有少數(shù)載流子儲(chǔ)存在基區(qū)電荷中,而是多數(shù)載流子器件,它不存在存儲(chǔ)效應(yīng),沒(méi)有存儲(chǔ)時(shí)間,高的開(kāi)關(guān)速度使器件在高頻下可有效工作,提高了開(kāi)關(guān)電源的工作頻率。這種器件不存在二次擊穿現(xiàn)象,它的安全工作區(qū)范圍寬,由電壓、電流的額定值和功率負(fù)荷所決定。場(chǎng)效應(yīng)功率管和雙極型功率管安全工作區(qū)的比較如圖2.2所示[13],從圖中可看出,在額定電壓電流相同情況下,場(chǎng)效應(yīng)管的安全工作區(qū)明顯較大。由于該種器件的漏源導(dǎo)通電阻RDS〔ON具有正溫度系數(shù),當(dāng)溫度升高時(shí),RDS〔ON增大,當(dāng)器件并聯(lián)應(yīng)用時(shí),有自動(dòng)均流作用,均流電路可以非常簡(jiǎn)單。該種器件的缺點(diǎn)是導(dǎo)通壓降較大,而且對(duì)靜電感應(yīng)敏感,需要適當(dāng)?shù)撵o電放電保護(hù)措施。絕緣柵雙極型晶體管〔IGBT是新出現(xiàn)的一種器件,是由場(chǎng)效應(yīng)管和雙極型晶體管組合而成,其輸入電路如同場(chǎng)效應(yīng)管,輸出電路如同雙極型晶體管,因此其輸入阻抗高、輸出阻抗低、飽和壓降小,具有雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管所具有的一些優(yōu)點(diǎn),而且耐壓高,額定電流大,但其開(kāi)關(guān)輸出脈沖的后沿有一個(gè)1μs長(zhǎng)的拖尾電流,工作頻率不能做的太高,而且價(jià)格較貴,通常認(rèn)為,在中、小功率范圍內(nèi),采用場(chǎng)效應(yīng)管是適宜的,其開(kāi)關(guān)頻率很高,可以減少整個(gè)電源的體積、重量和成本,驅(qū)動(dòng)可以采用簡(jiǎn)單的脈沖變壓器,通過(guò)管子并聯(lián)的方案可解決其容量不足問(wèn)題,其耐壓值較低適合單相輸入的情況。絕緣柵晶體管輸出容量大、耐壓高、飽和壓降小,是大功率開(kāi)關(guān)電源的首選器件。綜上所述,考慮到屬于中小功率范圍,采用單相交流電供電,全橋變換電路,對(duì)功率器件耐壓和額定電流要求較低,并且應(yīng)盡量使電路簡(jiǎn)化,工作可靠,盡可能提高工作頻率,使體積縮小,重量減輕,我們選擇了VMOS場(chǎng)效應(yīng)管。圖2.2IRF306功率MOSFET和2N6545雙極型功率管安全工作區(qū)的比較由于功率轉(zhuǎn)換電路工作在較高頻率,接在高頻變壓器后的整流二極管也工作在較高頻率,整流二極管也需用高頻大功率管。大功率高頻整流二極管工作在高頻狀態(tài),應(yīng)使用具有低的正向壓降,小的反向電流,低的反向恢復(fù)時(shí)間和軟恢復(fù)特性,同時(shí)具有足夠的耐壓,較高的浪涌能力的整流二極管。肖特基二極管的正向壓降很低,其它方面的性能也比較好,但其耐壓較低〔50V,在本電源中無(wú)法使用,因此選用具有軟恢復(fù)特性的快恢復(fù)二極管,以減小電源所產(chǎn)生的噪聲[14]。高頻變壓器是變換器電路的關(guān)鍵部件之一[14,15],由于功率器件性能的改善以及軟開(kāi)關(guān)技術(shù)等的采用使得開(kāi)關(guān)器件損耗大為降低,因此,降低高頻變壓器的損耗已成為提高開(kāi)關(guān)電源效率的重要因素。硅〔硒鋼片磁感應(yīng)強(qiáng)度雖然很高,但在高頻下?lián)p耗大不能使用。鐵氧體磁性材料電阻率高、高頻損耗小,但它的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度太低,所以使用時(shí),需要較大的磁芯面積,且具有易碎性,制造大型磁芯有一定難度。非晶態(tài)合金是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新材料,其磁感應(yīng)強(qiáng)度高,電阻率大,對(duì)渦流阻力大,矯頑力小,損耗低,但以U型供貨的磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度大大降低,而以環(huán)形供貨的磁芯繞制線(xiàn)圈比較困難,并且尺寸不夠大,要滿(mǎn)足較大容量的開(kāi)關(guān)電源需求還有待進(jìn)一步解決。鑒于以上分析,我們選用E型鐵氧體磁芯繞制高頻變壓器,考慮到工作頻率較高,為減小趨膚效應(yīng)的影響,采用銅箔繞制。控制電路控制電路的主要功能為：給全橋變換電路的四個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件提供固定占空比的驅(qū)動(dòng)脈沖,并控制左右兩個(gè)半橋支路之間的相位關(guān)系,通過(guò)改變輸出脈沖寬度對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)整。對(duì)整流模塊電路的檢測(cè)、保護(hù)和告警,主要包括：輸出直流電壓過(guò)壓、電流過(guò)流的保護(hù)及告警,電路過(guò)熱保護(hù),限流調(diào)節(jié)、交流電壓過(guò)壓、欠壓保護(hù)、軟啟動(dòng)及模塊并聯(lián)均流等功能。為監(jiān)控模塊提供電壓、電流及控制信號(hào)的接口。移相全橋變換電路需要專(zhuān)門(mén)控制芯片驅(qū)動(dòng)。美國(guó)Unitrode公司推出的UC3875是專(zhuān)供移相全橋控制方案使用的PWM控制芯片[16],[17],可驅(qū)動(dòng)全橋變換器中的四個(gè)開(kāi)關(guān)管。UC3875主要由以下幾個(gè)部分組成：基準(zhǔn)電源、振蕩器、鋸齒波發(fā)生器、誤差放大器、軟啟動(dòng)、移相控制信號(hào)發(fā)生電路、過(guò)流保護(hù)、死區(qū)時(shí)間設(shè)置、輸出級(jí)。這是一種電壓控制型和電流控制型相兼容的芯片,占空比可調(diào)范圍為0-100%,開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)1MHz,輸入電壓欠壓鎖定,低的軟啟動(dòng)上升電流,四個(gè)輸出均為2A圖騰柱輸出,可以直接驅(qū)動(dòng)MOSFET或經(jīng)過(guò)放大驅(qū)動(dòng)大功率MOSFET或IGBT,因此由該芯片構(gòu)成的電路簡(jiǎn)單,所需外圍器件少。在UC3875的基礎(chǔ)上,采用其它集成電路芯片及相關(guān)電路進(jìn)行檢測(cè),并實(shí)現(xiàn)整流模塊輸出電壓過(guò)壓,輸出電流過(guò)流保護(hù)及告警,電路過(guò)熱保護(hù),交流電壓過(guò)壓,欠壓保護(hù),限流調(diào)節(jié)等項(xiàng)功能。高頻開(kāi)關(guān)整流模塊工作原理框圖如圖2.3所示。電路輸入端接單相交流220V電壓,輸入濾波電路起低通濾波器作用,濾除市電電源所附帶的干擾,并避免功率變換電路產(chǎn)生的電壓、電流尖峰進(jìn)入市電電源。經(jīng)濾波后的單相電被整流濾波成直流電供給全橋式功率變換器,變換器在PWM控制電路的控制下將直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流方波,經(jīng)高頻變壓器隔離并傳輸?shù)酱渭?jí),高頻整流濾波電路將交流方波轉(zhuǎn)換成直流,再經(jīng)輸出濾波電路濾波后輸出電壓穩(wěn)定的直流電。控制電路根據(jù)檢測(cè)到的輸出電壓的高低,調(diào)整控制兩個(gè)半橋支路的相位關(guān)系,改變輸出脈沖的寬度,從而調(diào)整了輸出電壓,使輸出電壓穩(wěn)定。若檢測(cè)到輸出電壓出現(xiàn)過(guò)壓,負(fù)載變重出現(xiàn)過(guò)流,功率器件出現(xiàn)過(guò)熱等現(xiàn)象,保護(hù)及告警電路立即切斷控制脈沖,使電路停止工作,并發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào),從而避免了事故發(fā)生,保證了電路的安全。圖2.3整流模塊原理框圖2.2交流配電模塊在農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn),大部分地方為單相配電。因此該部分一般是接入單相配電,單相交流電給高頻開(kāi)關(guān)整流模塊供電,以使供電平衡。該部分還將交流電轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的自流信號(hào)供監(jiān)控模塊檢測(cè)。2.3直流配電模塊該部分將4塊高頻開(kāi)關(guān)整流模塊的輸出匯合后分成兩路,一路直接給蓄電池充電,另一路經(jīng)電壓調(diào)整后輸出,給程控交換機(jī)等通信設(shè)備供電〔圖2.5。如果市電中斷,蓄電池能自動(dòng)對(duì)通信設(shè)備供電,若停電時(shí)間過(guò)長(zhǎng),蓄電池電壓降至44V時(shí),檢測(cè)控制電路立即將蓄電池的供電電路自動(dòng)切斷,防止蓄電池過(guò)放,以保護(hù)蓄電池。該部分還應(yīng)將充電電壓、總電流、輸出電壓、電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的直流信號(hào),供監(jiān)控模塊檢測(cè)。圖2.5直流配電模塊原理框圖2.4監(jiān)控模塊監(jiān)控模塊的功能應(yīng)為：檢測(cè)4只高頻開(kāi)關(guān)整流模塊,交流配電模塊以及直流配電模塊的電壓、電流等參數(shù)并顯示某些重要參數(shù)。通過(guò)對(duì)整流模塊工作狀態(tài)的檢測(cè),判斷其工作狀態(tài)是否正常,當(dāng)工作不正常,而整流模塊的本身控制保護(hù)電路又沒(méi)有動(dòng)作時(shí),監(jiān)控模塊可使其自動(dòng)停止工作,并產(chǎn)生聲光報(bào)警信號(hào),實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù),以保證電路安全；通過(guò)對(duì)交流電壓的測(cè)量,在其電壓過(guò)高或過(guò)低時(shí)也使整流模塊自動(dòng)停止工作,當(dāng)市電電壓恢復(fù)正常時(shí),又能使整流模塊自動(dòng)開(kāi)始工作。當(dāng)市電停電時(shí)間較長(zhǎng),蓄電池出現(xiàn)欠壓時(shí),可自動(dòng)切斷其供電,防止蓄電池過(guò)放,當(dāng)市電來(lái)電,蓄電池電壓上升后,又可自動(dòng)恢復(fù)供電。還應(yīng)具有本地監(jiān)控功能。本地監(jiān)控時(shí)通過(guò)其RS232串行接口和本地計(jì)算機(jī)相連實(shí)現(xiàn)；當(dāng)電源的某部分出現(xiàn)故障時(shí),監(jiān)控模塊的面板上會(huì)點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈,并主動(dòng)將故障情況報(bào)告給本地監(jiān)控計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)可以巡檢并顯示電源各部分的電壓值、電流值、運(yùn)行狀態(tài)和故障內(nèi)容,也可實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)、浮充/均充等工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換和異常情況告警。為完成上述功能,監(jiān)控模塊的電路以單片計(jì)算機(jī)80C31為核心[18],擴(kuò)展輸入、輸出I/O接口和A/D轉(zhuǎn)換,液晶顯示等外圍電路,由于要檢測(cè)的模擬量多達(dá)20多個(gè),因此采用具有多路輸入的ADC0809進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換[19]。由于農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)的工作環(huán)境惡劣,供電情況也差,為保證可靠工作,在硬件和軟件方面都應(yīng)采取措施,增強(qiáng)抗干擾能力。監(jiān)控模塊的電路方框圖如圖2.6所示。整機(jī)系統(tǒng)組成電原理框圖如圖2.7所示。單相交流電接入交流配電模塊,經(jīng)分配后,給4只高頻開(kāi)關(guān)整流模塊提供單相交流電,高頻開(kāi)關(guān)整流模塊將交流電轉(zhuǎn)換成電壓穩(wěn)定的直流電,接入直流配電模塊匯總后,給蓄電池充電,并時(shí)對(duì)程控交換機(jī)等通信設(shè)備供電。監(jiān)控模塊對(duì)整機(jī)各部分進(jìn)行檢測(cè),執(zhí)行控制、保護(hù)、告警及顯示等項(xiàng)功能。并可通過(guò)RS232接口與本地進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。圖2.6監(jiān)控模塊電路方框圖圖2.7整機(jī)組成原理框圖3主要電路設(shè)計(jì)由于采用VMOS場(chǎng)效應(yīng)功率管,其工作頻率可以很高,但隨著工作頻率的提高,雖然變壓器及濾波元器件尺寸將縮小,而磁芯損耗和開(kāi)關(guān)損耗卻都會(huì)增大。綜合考慮所使用的功率開(kāi)關(guān)管的性能、變壓器及濾波元件的尺寸大小,磁芯損耗和開(kāi)關(guān)損耗,確定開(kāi)關(guān)頻率為50KHz。3.1高頻開(kāi)關(guān)整流模塊主電路的設(shè)計(jì)根據(jù)開(kāi)關(guān)電源對(duì)高頻開(kāi)關(guān)整流模塊的技術(shù)要求及相應(yīng)的電路方案選擇,高頻開(kāi)關(guān)整流模塊采用如下的原理電路圖〔圖3.1[10],[20],[21]：圖3.1高頻開(kāi)關(guān)整流模塊主電路原理電路圖相移脈寬調(diào)制零電壓開(kāi)關(guān)<諧振>全橋變換器的工作原理如圖3.2的電路圖和波形圖所示。如前所述,雖然在形式上它與常規(guī)的PWM全橋變換器電路相同,但開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)和工作方法是完全不同的。實(shí)際上,每個(gè)半橋支路上的開(kāi)關(guān)管〔左支路V1、V2,或右支路V3、V4的驅(qū)動(dòng)波形的占空比略小于50%,存在一定的死區(qū)時(shí)間〔即延遲時(shí)間,設(shè)置延遲時(shí)間既是為了防止橋路直通造成電源短路,也是實(shí)施諧振的必要時(shí)間。圖3.2〔a中所示的開(kāi)關(guān)管都是由理想的MOSFET管、結(jié)電容、本體二極管組成,相移諧振工作是利用開(kāi)關(guān)管內(nèi)部的結(jié)電容和本體二極管來(lái)進(jìn)行工作的。圖3.2相移PWM全橋電路及其波形〔a電路；〔b波形；〔c右支路開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)的諧振機(jī)理在to時(shí)刻之前,假定開(kāi)關(guān)管V1、V4導(dǎo)通,流過(guò)變壓器初級(jí)的電流Ip將功率傳遞給負(fù)載。在to時(shí)刻,V4管關(guān)斷,由于輸出電感Lo的反射作用,Ip繼續(xù)流動(dòng),V4管已關(guān)斷,Ip流入V4管及V3管的結(jié)電容,使C4電荷增加,C3上電荷減小,節(jié)點(diǎn)B的電壓諧振上升,直到t1時(shí)刻,V3管的本體二極管VD3正向偏置,VD3導(dǎo)通并鉗位,直到V3導(dǎo)通,這樣就實(shí)現(xiàn)了V3管的零電壓導(dǎo)通。t2時(shí)刻為V4管、V3管之間轉(zhuǎn)換,右支路的死區(qū)時(shí)間的結(jié)束,此時(shí)電流繼續(xù)流過(guò)V1、V3,但沒(méi)有電壓加到變壓器初級(jí)繞組。右支路開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換的諧振機(jī)理如圖3.2〔C所示。隨后,V1管關(guān)斷,在橋路的左支路死區(qū)時(shí)間內(nèi),節(jié)點(diǎn)A的電壓諧振下降,直到V2管的本體二極管呈正向偏置,這樣V2管也能在零電壓下實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗開(kāi)通,其作用機(jī)理與右支路類(lèi)似。雖然轉(zhuǎn)換機(jī)理類(lèi)似,但二者區(qū)別較大,在右支路V3、V4管轉(zhuǎn)換前,變壓器中流動(dòng)著負(fù)載電流,輸出濾波電感折合到初級(jí),該電流使節(jié)點(diǎn)B的電壓迅速升高,而左支路V1、V2管轉(zhuǎn)換時(shí),只有變壓器的勵(lì)磁電流和漏感起作用,因此,左支路比右支路轉(zhuǎn)換需要較長(zhǎng)的死區(qū)時(shí)間。在設(shè)計(jì)和調(diào)整電路時(shí)應(yīng)充分注意這一問(wèn)題。交流輸入濾波器的選型研究交流輸入濾波器由C—L—CΠ型濾波器組成,外罩屏蔽盒,屏蔽盒良好接地,它能將電源內(nèi)部產(chǎn)生的干擾減弱,使其不對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響,同時(shí)又能抑制電網(wǎng)對(duì)電源的干擾。假定高頻開(kāi)關(guān)整流模塊的效率高于90%,則交流輸入功率應(yīng)為：〔3-1在交流電網(wǎng)降為90%電壓時(shí),模塊輸入的交流電流為：我們選用DL-10K1濾波器,其工作電壓為單相交流250V、50-60Hz,電流為10A,其工作電壓、電流及其它技術(shù)指標(biāo)均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。二極管整流橋D1-D4的選擇考慮到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的交流電電壓值變化較大,其上限值取220V×<1+20%=264V,其幅值電壓可達(dá)264×1.414≈373.3V。由于整流橋中的二極管在承受反向電壓時(shí)由兩只二極管串聯(lián)承擔(dān),因此,選取耐壓為400V、電流為20A的整流橋完全可保證安全工作。輸入濾波電容C1的選型研究當(dāng)交流50Hz電源停電或漏掉一個(gè)周期波形時(shí),一般希望整流輸出電壓能維持一般時(shí)間后再開(kāi)始下降,取電源的輸出時(shí)間td=10ms,整流輸出電壓從198V〔220V×0.9=198V下降到150V時(shí),輸出才開(kāi)始下降。根據(jù)能量守恒定律,在期間輸出的能量是由輸入濾波電容C1釋放的能量供給的[22],因此：〔3-2實(shí)際采用4只400V/400μf的電解電容作為輸入濾波電容。開(kāi)關(guān)功率管V1-V4的選擇在全橋脈寬調(diào)制型變換器中,開(kāi)關(guān)功率管承受的穩(wěn)態(tài)電壓為輸入直流電壓。但由于高頻變壓器的漏感和換向電感以及集電極電路中引線(xiàn)電感的影響,在開(kāi)關(guān)功率管關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生反峰尖刺,在采用零電壓開(kāi)關(guān)和其它措施后,一般可將反峰尖刺限制在穩(wěn)態(tài)值的20%以?xún)?nèi)。另外,還應(yīng)考慮交流電網(wǎng)波動(dòng)+20%的影響,所以開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)為220×120%×0.9×120%=285.1V。考慮到現(xiàn)有器件的情況,在實(shí)際應(yīng)用時(shí),只用到開(kāi)關(guān)管額定電壓的90%,這樣〔3-3則考慮到交流整流濾波電感可能造成的電壓尖峰,功率管的耐壓應(yīng)留有一定的余地,因此,開(kāi)關(guān)功率管的耐壓VDS應(yīng)不小于400V。設(shè)高頻開(kāi)關(guān)整流模塊的效率≥90%,則輸入功率為：在電網(wǎng)電壓波動(dòng)－10%時(shí),輸入全橋變換器的直流電壓Vi為：設(shè)脈沖占空比最大為δ=0.8,則脈沖電流幅度為：考慮到高頻變壓器次級(jí)側(cè)整流二極管反向恢復(fù)時(shí)間的影響及容性負(fù)載引起的開(kāi)關(guān)管開(kāi)啟時(shí)產(chǎn)生的電流尖峰,應(yīng)取≥12A。除場(chǎng)效應(yīng)管的漏源額定電壓及額定脈沖電流ID兩個(gè)主要參數(shù)外,還應(yīng)考慮場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)具有較低的導(dǎo)通電阻,較大的安全工作區(qū)等。綜合考慮后選擇國(guó)際整流器公司的產(chǎn)品IRFP460[23],其耗散功率為300W,漏源極間耐壓500V,最大脈沖電流19A,完全能夠滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要。高頻變壓器B1的設(shè)計(jì)已知輸出功率選擇變壓器鐵芯時(shí),可根據(jù)下列數(shù)學(xué)公式[13,14,23]。變壓器的基本磁學(xué)關(guān)系式為：<3-4式中e為繞組上的瞬時(shí)電壓〔V,N1為該繞組的匝數(shù),Ae為鐵芯截面積〔cm2,dB/dt為磁通密度瞬時(shí)變化率〔高斯/秒。根據(jù)式〔3-4,在T/2時(shí)間內(nèi)鐵芯磁通密度變化△B為：〔3-5如圖3.1所示,在全橋變換器中,在V1和V4導(dǎo)通時(shí),具有一個(gè)正值伏秒面積,為正值增量。在下一個(gè)半周V2和V3通時(shí),則繞組的極性反向,為負(fù)值伏秒面積,為負(fù)值增量,與上一半周中的正值增量數(shù)值相等,方向相反。在全橋變換器中,當(dāng)VMOS場(chǎng)效應(yīng)管達(dá)到飽和時(shí),其壓降VDSS為2-3V,故繞組上的電壓約為Vi-2VDSS,因此,由式<3-6可得：式中Bmax為對(duì)零值磁通密度軸的磁通密度最大偏差值,因而,<3-6由式〔3-6可得：〔3-7式中：Ae為鐵芯截面積〔cm2,T為工作周期,f為工作頻率,N1為初級(jí)匝數(shù),Bmax為磁通密度振幅值〔GS,Vi為電源電壓〔V。設(shè)AC為給定鐵芯的窗口可繞總面積,為全部繞組占用窗口的面積,為繞組占空系數(shù)。通常應(yīng)使SF值盡可能接近1,以使繞組盡可能多的填滿(mǎn)窗口。一般占空系數(shù)SF值約為0.75。令為初級(jí)繞組所占窗口實(shí)際的面積,一般初次級(jí)各占相同的面積,即=0.5,因而=0.5=0.5×SF×=0.5×0.75×=0.375設(shè)At初級(jí)線(xiàn)圈每匝所占的窗口面積〔厘米,為初級(jí)電流〔峰值,安,d為初級(jí)繞組導(dǎo)線(xiàn)中的電流密度〔峰值·安/厘米2為,為初級(jí)線(xiàn)圈匝數(shù),那么〔3-8式〔3－6和〔3－8相乘得到：〔3-9式中,為輸入初級(jí)繞組的功率〔W,為工作頻率〔Hz,為工作磁通密度振幅值〔GS,為磁芯截面積〔,Ac為磁芯窗口面積〔,d為初級(jí)線(xiàn)圈的電流密度〔/。設(shè)變壓器、開(kāi)關(guān)管和整流濾波部分的效率為93%,則=輸出功率÷0.93=56.4×25÷0.93=1516W。工作頻率為50KHz,由于頻率較高,會(huì)引起較大磁損耗,將工作磁通密度振幅值選為較低值1000GS,這樣既能降低磁損,也可避免當(dāng)出現(xiàn)電流尖峰時(shí)造成磁芯飽和。考慮到高頻率引起的趨膚效應(yīng)的影響,將d選為1/。根據(jù)以上設(shè)定,由式〔3-9可得：〔3-10國(guó)產(chǎn)鐵氧體磁芯E20的=4,=6,Ac=24,因此E20磁芯可以滿(mǎn)足要求,但繞制線(xiàn)圈的余地不大。E28磁芯的Ae=7.3,Ac=8.1,其AeAc=59.1。由于工作頻率較高,趨附效應(yīng)顯著,批量生產(chǎn)時(shí)需用銅箔繞制,繞組占用窗口面積較大,而且電路中的位置也允許,因此選用E28磁芯[24]。在確定初級(jí)線(xiàn)圈匝數(shù)時(shí),為避免磁芯飽和,應(yīng)選輸入電壓的最大值。根據(jù)式〔3-10,初級(jí)線(xiàn)圈N1為：匝在確定次級(jí)繞組時(shí),應(yīng)考慮最大占空比δ和高頻整流管壓降Vd及濾波電感的壓降,并選取Vi的最小值,次級(jí)一半繞組輸出的脈沖電壓幅值應(yīng)為：〔3-11次級(jí)繞組一半的匝數(shù)由下式求出匝〔3-12變壓器繞制時(shí),為盡量減小漏感,將初級(jí)線(xiàn)圈放置于兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈的中間,為簡(jiǎn)化變壓器的繞制工藝,初級(jí)和次級(jí)線(xiàn)圈均采用厚度為0.1的銅箔繞制,絕緣紙采用厚度為0.05的變壓器紙和厚度為0.03的煙盒紙兩層襯紙絕緣,可保證安全性。經(jīng)核算,銅箔的截面積為0.1×60=6,電流密度小于2.5A/,銅損較小,高頻變壓器滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。濾波電感Lo的設(shè)計(jì)和濾波電容的選型研究為保持負(fù)載電流的連續(xù)性,應(yīng)按最小負(fù)載電流的大小考慮。假設(shè)輔助電源和固定負(fù)載所取的電流為0.75A,那么=0.75A,則濾波電感Lo上電流的變化量為：〔3-13設(shè)濾波電感Lo輸入端的瞬時(shí)電壓為,輸出端的瞬時(shí)電壓為UO,那么應(yīng)取取為90-100μH采用國(guó)產(chǎn)E20磁芯[24]和厚度為0.2銅箔繞制。由于電感上要承受直流偏壓,為避免磁芯飽和,在兩個(gè)E形磁芯之間應(yīng)加墊紙片,以形成空氣隙,紙片厚度通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)整確定。濾波電容按照500/A選擇,選取兩只100V4700電容并聯(lián)使用。為減小輸出端雜音,另外并聯(lián)容量分別為0.01、3.3、100三只小電容。高頻整流二極管的選型研究全波整流二極管的平均電流為輸出電流的一半〔12.5A,耐壓為變壓器次級(jí)最大輸出電壓V2mmax。〔3-14考慮到電路轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)的電壓尖峰和電流尖峰,為安全起見(jiàn),整流管耐壓應(yīng)不低于500V,電流不少于20A。選取型號(hào)為MUR3060PT雙管器件,其耐壓為600V,電流為30A,反向恢復(fù)性能也較好,可以滿(mǎn)足使用要求。其它元件的選擇和1能起到提高功率因數(shù)的作用,也可減小整流后直流電壓的紋波。初步選取電感量為5H,在實(shí)驗(yàn)中調(diào)整確定,并盡量采用較小的電感量。2為防止變壓器因偏磁而造成飽和的隔直電容,由于其上流過(guò)兩個(gè)方向的電流,應(yīng)使用無(wú)正負(fù)端的低損耗電容。選取耐壓400V容量4.7的丙綸電容。LC為換向電感有助于右支路無(wú)損耗轉(zhuǎn)換,同時(shí)還能減少整流二極管存儲(chǔ)電荷引起的折射到初級(jí)的反向峰值電流。LC初步選定為10μH,在實(shí)驗(yàn)中調(diào)整確定。整流二極管上并聯(lián)的緩沖網(wǎng)絡(luò)中的1、2、3、4通過(guò)實(shí)驗(yàn)最后確定。R1、R2初步選定為2W/3.9Ω的金屬膜電阻,3、4初步選定為耐壓1200V容量為2200pf的丙倫電容,在實(shí)驗(yàn)中調(diào)整確定。直流輸出濾波器的選擇由于整流器輸出為56.4V、25A,選用DL-30F型輸出濾波器,其額定電壓電流分別為250V、30A,能完全滿(mǎn)足使用要求。3.2高頻開(kāi)關(guān)整流模塊控制電路的設(shè)計(jì)由于高頻變換器采用相移零電壓軟開(kāi)關(guān)全橋變換器,控制電路采用移相集成控制器UC3875和其它集成電路組成,控制電路原理簡(jiǎn)圖如圖3.3所示。UC3875內(nèi)部時(shí)序波形及內(nèi)部原理框圖分別如圖3.4和圖3.5所示。`圖3.3高頻開(kāi)關(guān)整流模塊控制電路原理簡(jiǎn)圖UC3875芯片是控制電路的核心,由基準(zhǔn)電源、振蕩器、鋸齒波發(fā)生器、誤差放大器、軟起動(dòng)、PWM比較器和觸發(fā)器、輸出級(jí)、過(guò)流保護(hù)、死區(qū)時(shí)間設(shè)置、頻率設(shè)置等部分組成。基準(zhǔn)電源提供一個(gè)精密基準(zhǔn)電壓源,作為電壓給定信號(hào)與輸出電壓比較,在頻率設(shè)定端FREFSET與信號(hào)地之間接一個(gè)電阻和電容可設(shè)置輸出級(jí)的開(kāi)關(guān)頻率。振蕩器的振蕩頻率〔f=4/RC從而也設(shè)定了。在鋸齒波斜率設(shè)置SLOPE端與電源VIN之間接一電阻,為鋸齒波提供一個(gè)恒流源,鋸齒波引腳RAMP與信號(hào)地之間接一電容,就決定了鋸齒波的斜率,也就決定了鋸齒波的波形。輸出端OUTA、OUTB、OUTC、OUTD的輸出用于驅(qū)動(dòng)全橋變換器的四個(gè)開(kāi)關(guān)管。在DLYA/B和DLYC/D端與信號(hào)地之間分別并接電阻電容可確定輸出信號(hào)OUTA、OUTB和OUTC、OUTD的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間提供了同一支路中一個(gè)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷和另一個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通之間的延遲,引入供功率開(kāi)關(guān)發(fā)生諧振所需要的時(shí)間,對(duì)兩個(gè)死區(qū)時(shí)間的分別設(shè)置可對(duì)兩個(gè)半橋提供各自的延遲來(lái)適應(yīng)諧振電容充電電流的差別。軟起動(dòng)時(shí)間由接在SOFT-START端與信號(hào)地之間的電容大小決定。圖3.4UC3875內(nèi)部時(shí)序波形圖圖3.5UC3875內(nèi)部電路原理框圖5V基準(zhǔn)電壓從VREF端引出后經(jīng)電阻分壓為2.5V電壓接入誤差放大器的端作為輸出電壓給定信號(hào)。整流器的輸出電壓信號(hào)經(jīng)電阻分壓和簡(jiǎn)單濾波后接入誤差放大器的端,誤差放大器將兩信號(hào)比較放大后其輸出送給PWM比較器,PWM比較器將鋸齒波和誤差放大器的信號(hào)比較后,產(chǎn)生方波信號(hào),經(jīng)時(shí)延電路延時(shí)后,驅(qū)動(dòng)輸出級(jí),產(chǎn)生四個(gè)移相PWM輸出信號(hào)OUTA、B、C、D,OUTC、D分別領(lǐng)先OUTB、A一個(gè)移相角,移相角的大小決定于誤差放大器的輸出與鋸齒波的交點(diǎn)。這四個(gè)輸出信號(hào)經(jīng)隔離變壓器后驅(qū)動(dòng)全橋變換器的四個(gè)開(kāi)關(guān)功率管,進(jìn)行高頻變換,輸出矩形脈沖信號(hào),再經(jīng)高頻整流濾波后,輸出直流電壓。若輸出電壓值比設(shè)定值高,誤差放大器的輸出就會(huì)變低,因此,和鋸齒波的交點(diǎn)就會(huì)下降,移相角就減小,全橋變換器輸出的矩形脈沖信號(hào)寬度就跟著變窄,使輸出電壓降低。若輸出電壓值比設(shè)定值低,移相角就增大,全橋變換器輸出的矩形脈沖寬度就變寬,使輸出電壓升高,從而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓。軟起動(dòng)SOFT-START端與信號(hào)地之間接一電容,芯片內(nèi)有一個(gè)9的恒流源對(duì)該電容充電,該端的電壓線(xiàn)性升高,最后達(dá)到4.8V。該端在芯片內(nèi)與誤差放大器的輸出端相連,當(dāng)誤差放大器的輸出電壓低于該端電壓值,誤差放大器的輸出電壓被鉗位于該端電壓值。因此SOFT-START正常工作時(shí),輸出級(jí)的移相角從0°逐漸增加,使全橋變換器的輸出脈寬從0°開(kāi)始慢慢增大,直到穩(wěn)定工作,從而實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng),減小了對(duì)功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)機(jī)沖擊。功率開(kāi)關(guān)管上散熱片上的溫度檢測(cè)信號(hào)和單相交流電的檢測(cè)信號(hào)以及輸出電壓過(guò)壓信號(hào)分別經(jīng)過(guò)熱及交流檢測(cè)電路和過(guò)壓檢測(cè)電路與一場(chǎng)效應(yīng)管柵極相接,其漏極與SOFT-START端相連。當(dāng)溫度、交流電壓、輸出電壓都正常時(shí),過(guò)熱及交流檢測(cè)電路和過(guò)壓檢測(cè)電路輸出低電平,場(chǎng)效應(yīng)管不導(dǎo)通,對(duì)軟起動(dòng)端無(wú)影響。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)熱或交流電過(guò)壓、欠壓時(shí),或輸出過(guò)壓時(shí),過(guò)熱及交流檢測(cè)電路或過(guò)壓檢測(cè)電路輸出高電壓,場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通,軟起動(dòng)端電壓降低,從而使UC3875輸出的移相角降為0°,并使全橋變換器停止工作,起到保護(hù)作用。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管溫度下降到正常值時(shí),交流電壓恢復(fù)到正常范圍時(shí),過(guò)熱及交流檢測(cè)電路輸出低電平,場(chǎng)效應(yīng)管截止,軟起動(dòng)端電壓線(xiàn)性升高,移相角從0°逐漸增加,全橋變換器的輸出脈寬從0°開(kāi)始慢慢增大,直到穩(wěn)定工作。為安全考慮,過(guò)壓檢測(cè)電路有所不同,一旦出現(xiàn)過(guò)壓,過(guò)壓檢測(cè)電路輸出高電位并一直保持著,因此使電路一直停止工作,必須關(guān)機(jī)后再次起動(dòng)才能重新工作。輸出電流信號(hào)經(jīng)電流放大電路放大后輸出兩路信號(hào),一路接過(guò)流檢測(cè)電路,另一路接限流檢測(cè)電路。限流檢測(cè)電路的輸出連接誤差放大器的輸出端E/AOUT。當(dāng)輸出電流正常時(shí),限流檢測(cè)電路輸出高電壓,由于二極管的使用,對(duì)移相角無(wú)影響,當(dāng)輸出電流超過(guò)限流設(shè)定值時(shí),限流檢測(cè)電路輸出由高電平變?yōu)檩^低電平,輸出電流超過(guò)設(shè)定值越多,該輸出電平越低,此電平將影響誤差放大器的輸出與鋸齒波的交點(diǎn),減小了移相角,使全橋變換器的輸出脈寬減小,從而降低了整流器的輸出電壓,實(shí)現(xiàn)了降壓限流。輸出電流信號(hào)經(jīng)電流放大器放大后輸出的另一路信號(hào)和從檢測(cè)電流用的小變壓器B2取出的高頻變壓器初級(jí)電流信號(hào)接入過(guò)流檢測(cè)電路,過(guò)流檢測(cè)電路的輸出接芯片的電流檢測(cè)端。當(dāng)輸出電流或高頻變壓器的初級(jí)電流超過(guò)過(guò)流設(shè)定值時(shí),過(guò)流檢測(cè)電路的輸出由低電平變?yōu)楦唠娖?的電平高于其反相端在內(nèi)部接的2.5V,電流比較器輸出高電平,使芯片的輸出級(jí)全部為低電平,從而使全橋變換器的輸出關(guān)閉,避免了事故的產(chǎn)生。為保證安全,過(guò)流檢測(cè)電路的輸出有保持作用,一旦產(chǎn)生過(guò)流后,全橋變換器就停止輸出,必須關(guān)機(jī)再起動(dòng)才能恢復(fù)正常工作。另外,該芯片具有欠壓鎖定功能,當(dāng)電源電壓VIN低于上部的門(mén)限電壓10.75V時(shí),基準(zhǔn)電壓發(fā)生器將關(guān)斷,軟起動(dòng)端被放電,其它的輸出端都保持低電位,全橋變換器停止工作。當(dāng)VIN超過(guò)上門(mén)限電壓時(shí),基準(zhǔn)發(fā)生器導(dǎo)通,其余部分仍維持在關(guān)斷型,直到基準(zhǔn)輸出VREF超過(guò)4.75V時(shí)。這樣,當(dāng)電源電壓出現(xiàn)欠壓時(shí),電路就立刻停止工作,當(dāng)電源電壓恢復(fù)正常時(shí),稍微延遲后電路才恢復(fù)工作。在控制電路中,UC3875作為電壓控制方式工作[26]。在誤差放大器的輸出端E/AOUT和負(fù)輸入端之間跨接一個(gè)RC反饋網(wǎng)絡(luò),可以提高電壓調(diào)整速度并改善電路的穩(wěn)定性,調(diào)整RC網(wǎng)絡(luò)的參數(shù),可兼顧電路的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。3.3監(jiān)控模塊的設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心的監(jiān)控模塊對(duì)電源各部分的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和顯示,根據(jù)檢測(cè)結(jié)果及時(shí)執(zhí)行控制、保護(hù)功能,并具有RS-232串行接口實(shí)現(xiàn)與PC計(jì)算機(jī)的通信,進(jìn)行集中監(jiān)控,以滿(mǎn)足機(jī)房無(wú)人值守的需要。監(jiān)控模塊的主電路設(shè)計(jì)[27],[28],[29],[30],[31],[32]由于檢測(cè)和控制的參量較多,其中需檢測(cè)的模擬量為22個(gè),開(kāi)關(guān)量為2個(gè),要控制的開(kāi)關(guān)輸出量為48個(gè),因此,在電路設(shè)計(jì)上,以單片機(jī)80C31為核心,使用部分P2口線(xiàn)和譯碼器擴(kuò)展了數(shù)量較多的模擬輸入接口和數(shù)字輸入/輸出接口以及鍵盤(pán)輸入接口、液晶顯示接口等。電路原理框圖如圖3.6所示,只讀存儲(chǔ)器27256〔32K×8存儲(chǔ)程序,靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)芯片62256存儲(chǔ)檢測(cè)的數(shù)據(jù),3只8通道、8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809對(duì)4個(gè)整流模塊的輸出電壓、電流、蓄電池充電電壓、電流、整機(jī)輸出電壓、電流、輸放電壓等22個(gè)模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量由P0口輸入。80C31接收到檢測(cè)數(shù)據(jù)后,一方面驅(qū)動(dòng)LCD分屏幕進(jìn)行顯示,另一方面與額定值進(jìn)行比較,判斷整流模塊的輸出電壓是否正常,蓄電池是否欠壓,交流輸入電壓是否過(guò)壓、欠壓、缺相,若出現(xiàn)異常,立即發(fā)命令關(guān)斷相關(guān)整流模塊,或讓蓄電池停止供電,并點(diǎn)亮〔送出5V信號(hào)相應(yīng)告警發(fā)光管,驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲告警。若情況恢復(fù)正常,稍微延遲后,80C31將〔去掉5V信號(hào)取消聲光告警,并開(kāi)通相應(yīng)的整流模塊。均充/浮充轉(zhuǎn)換由鍵盤(pán)輸入命令,80C31先將整流模塊關(guān)斷,再進(jìn)行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后再將整流模塊開(kāi)通。圖3.6監(jiān)控模塊電路框圖液晶顯示選用大屏幕高分辨率的漢字液晶顯示模塊PDA240×160[33],該模塊采用先進(jìn)的SED1335控制器,字符和漢字顯示清楚,可分屏幕實(shí)時(shí)顯示電源各部分的工作參數(shù)。鍵盤(pán)采用小型3×3觸摸鍵盤(pán),操作人員可輸入命令進(jìn)行開(kāi)、關(guān)整流模塊,均充/浮充轉(zhuǎn)換,并可進(jìn)行翻屏顯示。圖3.7主程序流程圖為增強(qiáng)抗干擾能力在電路和軟件設(shè)計(jì)時(shí)采取了以下措施：在80C31的RESET端加上自動(dòng)復(fù)位電路〔看門(mén)狗,當(dāng)由于強(qiáng)干擾出現(xiàn)死機(jī)或程序飛時(shí)可自動(dòng)復(fù)位、重新啟動(dòng)工作。在印刷板設(shè)計(jì)時(shí),采用數(shù)字、模擬地線(xiàn)分別與電源端地線(xiàn)相連,并在印刷電路的各個(gè)關(guān)鍵部位配置去耦電路。在軟件設(shè)計(jì)上,采取對(duì)一點(diǎn)數(shù)據(jù)連續(xù)多次采樣求平均值和平滑濾波技術(shù)。監(jiān)控模塊的檢測(cè)、控制主程序用匯編語(yǔ)言編寫(xiě),采用了模塊化設(shè)計(jì)方法,各功能模塊互相獨(dú)立。主程序流程圖如圖3.7所示。另外,監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)了RS232串行通信接口,可實(shí)現(xiàn)本地計(jì)算機(jī)監(jiān)控,加以改善同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)、遙控三遙功能。4零電壓開(kāi)關(guān)的理論分析和電路實(shí)驗(yàn)由于高頻開(kāi)關(guān)電源工作在較高頻率,元器件的分布參數(shù)對(duì)電路的工作影響較大,而元器件的分布參數(shù)又難以測(cè)量和控制,因此在電路完成設(shè)計(jì)后,應(yīng)進(jìn)行電路調(diào)整和實(shí)驗(yàn),對(duì)元器件及電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,以達(dá)到較高的性能指標(biāo)。4.1實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)的條件如前所述,零電壓開(kāi)通是依靠在延遲時(shí)間內(nèi)的電感儲(chǔ)能使諧振電容的電壓能夠諧振擺動(dòng),回到相應(yīng)的電源輸入端。因此,要實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通必須同時(shí)滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：①在輕載時(shí),必須有足夠的電感儲(chǔ)能,使諧振電容的電壓能諧振擺動(dòng)到相應(yīng)的電源輸入端。②這種轉(zhuǎn)換必須在規(guī)定的轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)完成。對(duì)電感中儲(chǔ)存的能量要求與諧振頻率和最大轉(zhuǎn)換時(shí)間有關(guān)。假定在諧振槽路中的諧振元件為諧振電感Lr和諧振電容Cr。Lr包括高頻變壓器的漏感LL和外加的換向電感Lc,Cr包括兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的輸出電容和外加并聯(lián)電容以及變壓器的初級(jí)分布電容。諧振槽路的諧振頻率〔4-1考慮到場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)管在高電壓下輸出電容COSS會(huì)增大,應(yīng)乘上一個(gè)系數(shù)4/3,兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的輸出電容應(yīng)為8/3COSS,再加上變壓器的初級(jí)電容Cxf,那么諧振電容：完成轉(zhuǎn)換所需的諧振能量：〔4-2儲(chǔ)存在諧振電感中的能量應(yīng)大于左支路轉(zhuǎn)換〔滯后橋時(shí)最大轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)管輸出電容和變壓器初級(jí)電容充、放電所需的能量。儲(chǔ)存在電感Lr中的能量為據(jù)此,可以推出所需的諧振電感值和最小初級(jí)電流。諧振槽路的頻率必須足夠高,但其諧振周期Tr必須至少為轉(zhuǎn)換時(shí)間的4倍,以使在輕載下,最大轉(zhuǎn)換時(shí)間tmax內(nèi)達(dá)到諧振。因此,〔4-3由式<4-1>可推出諧振電感為〔4-4將式〔4-2、〔4-3,代入式〔4-4可得〔4-5根據(jù)式〔4-5選取的諧振電感值能滿(mǎn)足零電壓開(kāi)通的要求。但諧振電感又與變壓器初級(jí)相串聯(lián),它影響變壓器初級(jí)電流的上升速率dIp/dt=Vi/Lr,因此,諧振電感值也不能太大,否則在變換周期內(nèi),要達(dá)到所需的電流值需要太長(zhǎng)的時(shí)間。所以在選擇電感值時(shí),既需考慮輕載時(shí)的諧振情況也應(yīng)考慮滿(mǎn)載時(shí)的工作情況。諧振電感中儲(chǔ)存的能量必須大于規(guī)定轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)電容上電壓擺動(dòng)所需要的能量,因此〔4-6根據(jù)式〔4-6可以推出,在相移PWM工作模式下所需的最小初級(jí)電流為〔4-7在實(shí)際應(yīng)用中,著重解決重負(fù)載時(shí)的無(wú)損耗轉(zhuǎn)換,在很輕負(fù)載時(shí),有一點(diǎn)損耗也是允許的。因此,可以將最小負(fù)載電流限制到合適的值以獲得所需的最小初級(jí)電流。也可根據(jù)需要調(diào)整換向電感值,以便得到所需的初級(jí)電流。功率開(kāi)關(guān)管漏源極的分布電容和外接并聯(lián)電容,在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)對(duì)諧振能量具有吸收作用,再加上漏源極并接的二極管的續(xù)流作用,使得開(kāi)關(guān)管的漏源極電壓上升很慢,若外接電容值調(diào)整合適,也可使開(kāi)關(guān)管基本實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。4.2左右兩支路電路轉(zhuǎn)換過(guò)程的區(qū)別在第3章已經(jīng)指出,雖然左支路〔滯后橋和右支路〔超前橋轉(zhuǎn)換的作用機(jī)理類(lèi)似,但兩者的轉(zhuǎn)換過(guò)程卻有較大差別。如圖3.2所示,對(duì)于右支路來(lái)說(shuō),在關(guān)斷后向開(kāi)通的轉(zhuǎn)換過(guò)程中,由于輸出電感的反射作用,變壓器初級(jí)電流繼續(xù)流動(dòng),流入、管的結(jié)電容,使上電壓升高,上電壓減小,節(jié)點(diǎn)B的電壓諧振上升,直至二極管正向?qū)?并鉗位,然后導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)了右支路的轉(zhuǎn)換,在此過(guò)程中,由于變壓器的初級(jí)電感很大,其電流維持原來(lái)值近似不變,類(lèi)似一個(gè)恒流源,因此容易實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。對(duì)于左支路來(lái)說(shuō),在關(guān)斷后向開(kāi)通的轉(zhuǎn)換過(guò)程中,變壓器次級(jí)側(cè)短路,負(fù)載電流由高頻整流管提供續(xù)流回路,負(fù)載側(cè)與變壓器初級(jí)側(cè)沒(méi)有關(guān)系,此時(shí)變壓器初級(jí)電流已經(jīng)減小,主要靠?jī)?chǔ)存在諧振電感中的能量使上的電壓上升,上的電壓減小,直至正向?qū)úQ位,從而實(shí)現(xiàn)的零電壓開(kāi)通。由于在右支路轉(zhuǎn)換時(shí),變壓器初級(jí)電流幾乎維持原來(lái)的較高值,而且此時(shí)的電感是變壓器的初級(jí)電感,數(shù)值也較大,而左支路轉(zhuǎn)換時(shí),初級(jí)電流已減小,此時(shí)的電感是諧振電感〔由變壓器漏感和換向電感組成,比變壓器初級(jí)電感小很多,因此,左支路實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通比右支路需要較長(zhǎng)的時(shí)間,而且比較困難,能滿(mǎn)足左支路零電壓開(kāi)通的條件,也必然能保證右支路實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。綜合前面所述,由式〔4-5和式〔4-7可得出實(shí)現(xiàn)左右兩支路都實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通的兩個(gè)條件為：〔4-8〔4-9式中n為高頻變壓器初次級(jí)匝比。4.3占空比丟失現(xiàn)象占空比丟失是相移零電壓開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制電路的一個(gè)特殊現(xiàn)象。此種現(xiàn)象發(fā)生在變壓器初級(jí)電流Ip從正向〔或負(fù)向變化到負(fù)向〔或正向的時(shí)間,如圖4.1所示。在此段時(shí)間內(nèi),雖然變壓器初級(jí)存在正電壓〔或負(fù)電壓方波,但次級(jí)的整流二極管都導(dǎo)通,負(fù)載處于續(xù)流狀態(tài),次級(jí)兩端電壓為零,這期間,初級(jí)不足以提供負(fù)載電流,這樣,次級(jí)就丟失了初級(jí)這部分的電壓方波,次級(jí)的占空比Ds就小于初級(jí)占空比,出現(xiàn)占空比丟失現(xiàn)象。當(dāng)初級(jí)電流反向并逐漸增大,當(dāng)增大至?xí)r,變壓器次級(jí)才退出續(xù)流狀態(tài),次級(jí)兩端的電壓才升高。丟失的占空比△D由下式確定〔4-10式中T為電路的開(kāi)關(guān)周期。從式〔4-10可知,諧振電感越大,負(fù)載電流越大,越小,△D越大,占空比丟失越嚴(yán)重。為了得到所要求的輸出電壓,必須減小變壓器初級(jí)與次級(jí)的匝比,但匝比的減小會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題：初級(jí)的電流增加,開(kāi)關(guān)管的電流峰值亦增加,導(dǎo)通損耗隨之增大,次級(jí)的電壓峰值升高,對(duì)整流二極管的耐壓要求提高。因此,在電路仿真和實(shí)驗(yàn)中,對(duì)換向電感調(diào)整時(shí),在滿(mǎn)足零電壓轉(zhuǎn)換的前提下,應(yīng)盡量減小值,以避免占空比丟失太多,并照顧到電路其它性能的需要。為了減小占空比丟失也可將換向電感改為飽和電感。這樣,在輕載下,電感量較大,重載下電感量很小,可實(shí)現(xiàn)輕載下的零電壓開(kāi)通,而重載時(shí)占空比丟失減小。圖4-1相移脈寬調(diào)制零電壓開(kāi)關(guān)全橋變換器的占空比丟失現(xiàn)象4.4電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果從式〔4-8,〔4-9,〔4-10與實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通以及與占空比丟失有關(guān)的電路參數(shù)是諧振電感電壓,諧振電容Cr,變壓器的初次級(jí)匝比n,電源電壓,電路開(kāi)關(guān)周期T等。其中起重要作用的諧振電感由變壓器初級(jí)漏感和換向電感Lc組成,諧振電容由場(chǎng)效應(yīng)管的輸出電容和變壓器的初級(jí)分布電容以及外接電容組成。而變壓器的初級(jí)漏感和分布電容與變壓器的制造上藝有關(guān),同一型號(hào)的每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的輸出電容也有差別,而且這些參數(shù)準(zhǔn)確測(cè)量和控制都不容易實(shí)現(xiàn)。因此,在電路完成詳細(xì)設(shè)計(jì)后,還需進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果調(diào)整某些電路參數(shù),以使整個(gè)電路達(dá)到較高的技術(shù)指標(biāo)和較好的性能。在整機(jī)電路設(shè)計(jì)、電路實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,研制出新型高頻開(kāi)關(guān)電源,實(shí)現(xiàn)了功率開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通和近似零電壓關(guān)斷。監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)了與計(jì)算機(jī)的連接。與原來(lái)的高頻開(kāi)關(guān)電源比較,轉(zhuǎn)換效率明顯提高<提高4%>,功率開(kāi)關(guān)管發(fā)熱顯著降低,可靠性提高,方便快捷,便于管理。完全滿(mǎn)足高頻開(kāi)關(guān)電源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),主要技術(shù)指標(biāo)均高于此標(biāo)準(zhǔn)。其主要技術(shù)指標(biāo)為:①整流模塊容量:48V/25A×4②輸出電壓:42-56.4V③轉(zhuǎn)換效率:≥93%<滿(mǎn)載>≥91%<半載>④穩(wěn)壓精度:≥±0.5%⑤開(kāi)關(guān)頻率:50KHz⑥衡量雜音:＜1mV5結(jié)論1、本文在理論分析和電路實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,優(yōu)化了電路主要參數(shù),設(shè)計(jì)了相移脈寬調(diào)制零電壓開(kāi)關(guān)諧振〔PSPWMZVS全橋變換器電路,實(shí)現(xiàn)了功率開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通和近似零電壓關(guān)斷,轉(zhuǎn)換效率提高了4%,并顯著提高了整機(jī)可靠性,有效降低了電磁干擾。2、本文以集成控制器UC3875芯片為核心,設(shè)計(jì)了相移脈寬調(diào)制控制電路,用于零電壓開(kāi)關(guān)全橋變換器,通過(guò)電路實(shí)驗(yàn)調(diào)整了穩(wěn)壓控制的RC網(wǎng)絡(luò),優(yōu)化了一些電路參數(shù),研制出高效率〔達(dá)93%、高穩(wěn)定度〔±0.5%、高可靠性的高頻開(kāi)關(guān)整流模塊〔48V/25A。3、本文研制了以MCS-51單片機(jī)電路為核心的電源監(jiān)控模塊,用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)監(jiān)控模塊的檢測(cè)、控制主程序,實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流、直流配電模塊和高頻開(kāi)關(guān)整流模塊電壓電流等電路參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)、顯示和控制,以及故障保護(hù)告警,保證了整機(jī)安全可靠工作。加以研究同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙信、遙測(cè)、遙控"三遙"功能,為今后發(fā)展圖像遠(yuǎn)程集中監(jiān)控提供了技術(shù)準(zhǔn)備。4、在前述工作的基礎(chǔ)上,本文研制了新型高頻開(kāi)關(guān)電源〔交流配電模塊、直流配電模塊,4只高頻開(kāi)關(guān)整流模塊和監(jiān)控模塊置于同一機(jī)架內(nèi),該高頻技術(shù)性能良好,工作穩(wěn)定,可靠性高,操作方便,可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。致謝到今天為止,畢業(yè)