1000W大功率开关电源设计(3)

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1.2.2 连接分类

电源以功率开关管的连接方式分类，可分为单端正激开关电源、单端反激开关电源、半桥开关电源和全桥开关电源；以功率开关管与供电电源、储能电感的连接方式以及电压输出方式分类，可分为串联开关电源和并联开关电源。

1.2.3 输出取样方式

取样电路是电源反馈电路的重要部分，取样方式对系统的稳定性有决定作用。

（1）直接取样电路。采用直接输出取样方式的开关电源安全性好，且具有便于空载检修、稳压反应速度快、瞬间响应时间短等优点。

（2）间接取样电路。该方式的缺点是响应慢。当输出电压因输入电压等原因发生突变时，输出电压的变化需经过开关变压器耦合才能反映到取样绕组两端，所以稳压的动态结果一般。

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第2章 系统分析和选择

本章从整体上对开关电源的各个模块进行了介绍，主要介绍了各模块的结构、功能以及相互之间的关系，并对当前开关电源常用的变换器进行了分析。并据此分析，选择相应的电路元器件。

2.1 开关电源系统概述

由第1章可知，开关电源由四个基本环节组成，分别是DC/DC变换器、驱动器、信号源、比较放大器。然而该系统设计中还应有辅助电路，主要为控制电路部分，其功能是产生电路所需的控制脉冲和提供各种保护。该系统结构框图如图2-1所示。

ACEMI滤波器整流滤波高频变换器高频变压器高频整流滤波输出DC辅助电源PWM调节器误差比较放大器电压电流取样电路控制电路基准电压保护电路 图2-1 开关电源结构框图

开关电源的主电路通过输入整流滤波、DC/DC变换、输出整流滤波将交流电压转换为所需的直流电压。由图2-1可知，开关电源主回路由以下三部分组成：

输入整流滤波电路。其作用是将交流电通过整流模块变成具有脉冲的直流电，然后通过滤波电容将其变为较平滑的直流电。

功率开关电路。其作用是将滤波得到较平滑的直流电变为高频的方波电压，再通过高频变压器送到输出端。

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输出滤波回路。其作用是将高频方波电压转变成为所需要的直流电压或者电流。

由于控制电路部分在整个电源中起到首脑的作用，控制整个系统工作并实现相应的保护功能。所以，开关电源主回路进行正常的功率变换所需的触发脉冲是由系统的控制电路部分提供的。一般情况下，控制电路都具有控制脉冲产生电路、驱动电路、电压反馈控制电路等功能。

2.2 DC/DC变换器的选择

将一种直流电压变换成另一种直流电压（可调或固定）的过程称为DC/DC变换，DC/DC变换是开关电源的主要功能之一，随着电子技术的发展，DC/DC变换专用电路成为设计者常用的器件，称之为DC/DC变换器。

因为DC/DC变换器的输入电压较大，对开关器件而言选择全桥式电路比较合适。全桥式电路可以使变压器磁芯和绕组得到最优利用；使效率等得到优化。

另外，当功率开关器件安全运行时，最大反向电压不会超过加在输入整流滤波电路两端的输出电压。但是，由于系统中的功率元器件比较多的缘故，功率损耗也会很大。

现在，全桥式变换器常用的有硬开关式、谐振式以及移相式。

2.2.1 硬开关式全桥变换器

硬开关式PWM电路（如图2-2）具有结构简单、控制方便的优点。在硬开关式PWM电路中，开关管工作在硬开关状态，为了保证不必要的损耗，同时使功率器件正常运行，经常加入缓冲电路，如RC吸收网络。但是系统总的损耗并没有减少，只是单纯地将开关损耗转移到了缓冲电路中。而且频率也会对开关损耗造成一定的影响。所以，当开关器件在高频下运行时，器件中的极间电容将占有不可忽略的地位。因为极间电容在进行电压转换时会产生较强的电磁干扰，影响开关电源系统的正常运行。

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图2-2硬开关式全桥变换电路

2.2.2 谐振式全桥变换器

硬开关式电路在频率较高时受到的影响较大，所以，我们可以考虑应用谐振式软开关电路。与硬开关式全桥电路相比，它主要增加了谐振电感和谐振电容两个元件。其主要作用是利用谐振作用控制开关器件的导通或关断。谐振变换电路的其基本结构是通过开关器件和谐振电感、谐振电容的串并联实现的。其基本电路结构如图2-3所示。

S LrLrSCrCr

（a）零电流开关

LrSLrSCrCr （b）零电压开关 图2-3谐振电路的基本结构图

由图2-3(a)可知为一ZCS开关，是通过谐振元件和开关器件的串联来实现的。当开关管导通时，谐振网络接通并产生谐振，此时电流按正弦规律变化，当电流谐振到零时，令开关管关断，使谐振停止。

由图2-3(b)可知为ZVS开关，是通过谐振元件和开关管的并联实现的。当

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开关管关断时，谐振元件串联并产生谐振，此时电压按正弦规律变化，当电压谐振过零时，将开关管S导通。

采用谐振式全桥变换电路，可以大大提高开关电源工作的安全性。因为负载对谐振变换电路的影响较大，所以为了保证输出直流电压稳压的方式，采用了脉冲频率调制(PFM)。

2.2.3 移相式全桥变换器

由于移相控制全桥变换电路具有移相控制实现方便、开关损耗小、可靠性高等优点，已经普遍的应用在大功率应用场合中。其功能是指保持每个开关管的导通时间不变，每个桥臂的功率管互补导通成180°，两个桥臂的导通角相差一个相位。因此它是通过调节移相角的大小来调节输出电压的。除此之外，它还利用谐作用振来实现零电压或零电流的开关换流。

由以上分析可知，采用移相式全桥变换电路较好。

2.3 控制电路的设计

由于DC/DC变换器的正常工作运行是需要控制电路提供适当的驱动脉冲的，所以控制电路在开关电源系统中是不可或缺的。如果控制电路输出的触发信号不稳定，或者误触发，则会导致短路，损坏开关器件。

由各电路的功能，我们可以将控制电路部分分为脉冲触发电路、反馈控制电路、保护电路等部分（如图2-4）。我们从图2-4中可以看出，脉冲产生电路是由保护电路和软启动电路控制产生脉冲信号，然后经过触发电路作用于电源的主电路。

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