開題報告

電氣工程及自動化

大功率開關電源的設計

一、綜述本課題國內外研究動態(tài)，說明選題的依據和意義

開關電源的前身是線性穩(wěn)壓電源。在開關電源出現之前，各種電子裝置、電氣控制設備的工作電源都采用線性穩(wěn)壓電源。隨著電子技術的迅猛發(fā)展，集成度的不斷增加，計算機等各種電子設備體積越來越小而功能卻越來越強大，因此，迫切需要重量輕、體積小、效率高的新型電源，這就為開關電源技術的發(fā)展提供了強大的動力。

可以說，開關電源技術的發(fā)展是隨著電力電子器件的發(fā)展而發(fā)展的。新型電力電子器件的發(fā)展為開關電源的發(fā)展提供了物質條件。20世紀60年代末，耐高壓、大電流的雙極型電力晶體管（亦稱巨型晶體管，BJT、GTR）的問世使得采用高工作頻率的開關電源的出現稱為可能。

早期的開關電源開關頻率僅為幾千赫茲，隨著磁性材料及大功率硅晶體管的耐壓提高，二極管反向恢復時間的縮短，開關電源工作頻率逐步提高。到了1969年，終于做成了25千赫茲的開關電源。由于它突破了人耳聽覺極限的20千赫茲，這一變化甚至被稱為“20千赫茲革命”。

在20世紀80年代以前，開關電源作為線性穩(wěn)壓電源的更新換代產品，主要應用于小功率場合。而中大功率直流電源則以晶閘管相控整流電源為主。但是，這一格局從20世紀80年代起，由于絕緣柵極雙極型晶體管（簡稱IGBT）的出現而被打破。IGBT屬于電壓驅動型器件，與GTR相比前者易于驅動，工作頻率更高，有突出的優(yōu)點而沒有明顯的缺點。因而，IGBT迅速取代了GTR，成為中等功率范圍的主流器件，并且不斷向大功率方向拓展。

開關電源開關頻率的提高可以使電源重量減輕、體積減小，但使開關損耗增大，電源效率降低，電磁干擾問題變得突出起來。為了解決因提高開關電源工作頻率而帶來的負面影響，同樣在20世紀80年代，出現了軟開關技術。軟開關技術采用準諧振技術的零電壓開關（ZVS）電路和零電流開關(ZCS)電路。在理想情況下，采用軟開關技術，可使開關損耗降為零。正是軟開關技術的應用，使開關電源進一步向效率高、重量輕、體積小、功率密度大的方向發(fā)展。經過近30年的發(fā)展，對軟開關技術的研究可謂方興未艾，它已成為各種電力電子電路的一項基礎性技術。迄今為止，軟開關技術應用最為成功的領域非開關電源莫屬。

最近幾年，“綠色電源”這一名詞開始進入人們的視野。所謂“綠色”是指，對環(huán)境不產生噪聲、不產生電磁干擾，對電網不產生諧波污染。為了提高開關電源的功率因數，降低開關電源對電網的諧波污染，在20世紀90年代，出現了功率因數校正（Power

Factor

Correction——PFC）技術。目前，單相PFC技術已比較成熟，相關的控制芯片已在各種開關電源中廣泛應用，相比之下三相PFC技術則還處在起步階段。

高頻化是開關電源輕、薄、小的關鍵技術，國外各大開關電源制造商都在功率鐵氧體材料上加大科技創(chuàng)新，并致力于開發(fā)新型高智能化的元器件，尤其是改善整流器件的損耗，以提高在高頻率和較大磁通密度下獲得高的磁性能。另外，電容器的小型化和表面粘著（SMT）技術的應用為開關電源向輕、薄、小型化發(fā)展奠定了良好的技術支持。目前市場上出售的采用雙極性晶體管制成的100千赫茲開關電源和用場效應管制成的500千赫茲開關電源雖已使用化，但其工作頻率還有待進一步的提高。

模塊化是開關電源發(fā)展的總體趨勢，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，實現并聯方式的容量擴展。

選擇本課題可以使我掌握開關電源的工作原理，進一步加深對開關電源的理解。并把所學的專業(yè)知識（包括單片機原理與應用技術、電力電子技術、大學物理、計算機輔助設計等）應用到具體實例中，有效地鞏固所學的基礎理論知識，真正做到學有所用。

二、研究的基本內容，擬解決的主要問題：

1、研究的基本內容包括：開關電源的工作原理，大功率開關電源中普遍采用的全橋型電路及其驅動電路以及高頻變壓器的設計與制作等。

2、計劃將此系統(tǒng)分成四部分——功率因數校正（PFC）電路、輔助電源模塊、主電路以及控制電路。

3、功率因數校正電路用來提高整流電路的功率因數，防止大量的諧波分量涌入電網，造成對電網的諧波污染，干擾其它用電設備的正常運行。

4、輔助電源模塊用來為控制電路提供電能。擬用單片集成開關電源芯片（TOP204）來實現。

5、控制電路用場效應管集成驅動芯片IR2155,驅動全橋電路。

6、主電路的設計主要包括高頻變壓器的設計和全橋型電路中功率管的選型。

三、研究步驟、方法及措施：

步驟：

（1）查閱相關的技術資料，制定初步的方案；

（2）利用適當的計算機輔助設計軟件（如Proteus、PI

Expert

6.5、Multism等）對設計方案進行模擬仿真；

（3）四個模塊設計的先后順序為功率因數校正電路、輔助電源模塊、控制電路和主電路。

方法：化繁為簡，將整個系統(tǒng)分解成四個部分，方便設計、調試。對局部電路預先進行仿真，對結果有所預期。

措施：查閱于畢業(yè)設計有關資料和文獻（圖書館、超星電子圖書閱覽室等）。經常與指導老師取得聯系，一起探討有關電路的設計方案等問題。

四、參考文獻

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