500W推挽变换器
目 录
1 引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 开关电源的发展现状和趋势 2
1.3常见的开关电源拓扑与其特点 2
1.4 PWM技术的发展与软开关技术 5
1.5 本章小结 6
2 推挽电路的工作原理6
2.1 电路结构 7
2.2 输入、输出关系分析 10
3 500W推挽电路的设计 10
3.1 主电路设计11
3.2 控制电路设计11
3.3 隔离采样电路14
3.4 保护电路18
4 实验研究 21
4.1 实验波形 22
5 展望 23
总结 25
致谢 26
参考文献27
附录 29
图1 29
图2 30
图2 31
1 引言
1.1 研究背景
二十一世纪是信息技术时代，信息技术的飞速发展使人们依赖于电子设备，产品，而这些电子设备，产品离不开电源。由于开关电源在效率、大小、重量等方面有着一般的线性电源难以比拟的长处，其越来越多地应用在电子、通信、家电等各个领域中。开关电源有两个组成部分。其一是功率级，其二是控制级。功率级主要职能是按照应用场合的差别，确定不同的网络拓扑，与此同时还要兼顾半导体元器件的成本；开关电源的控制级主要是用作根据电路的信号选择适合的控制方式，当前PWM控制的开关电源占多数。
上世纪中期美国将开关电源用在火箭上，是开关电源最早的使用记录。开关电源 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
发展到今天，凭借着轻小、高效、节能、性能稳定等优势，正逐渐淘汰掉连续工作的电源，并广泛地应用在各类电子电器设备中，对改善这些电子电器设备起到了很好的促进作用。
到了八十年代，开关电源开始应用在计算机领域。到九十年代，开关电源进入高速发展时期，越来越多的应用于电子元器件、电气设备、家用电器等领域。开关电源在之后数十年逐步实现技术突破。在AC/DC电路中，新的功率器件MOSFET使开关电源的频率高达400千赫兹。同时IGBT使开关电源达到1MHz（DC/DC）。软交换技术的发展使得电源更加轻巧和高效，这是高频开关电源的重要技术支持。电气控制技术的快速发展和专用控制芯片的大批量生产，使得电源的可靠性与简洁性更高。随着APFC技术的发展，促使开关电源的功率因数大幅增大，电网的谐波问题得到治理，同时整个电源的效率都得到了很大提升。
目前，因为开关电源轻小高效的特点，以计算机终端和通信设施为主的电子设备中已经广泛使用了开关电源，开关电源已经成为电子信息业发展不可或缺的动力因素。高频化是开关电源发展过程中的一次技术革新，高频化简化了网络拓扑，减少了电子器件的使用，是电力电子装置更加轻量化，这些优点使之应用更为广泛，特别是在高新技术领域。除此之外，开关电源也越来越多地在其他领域崭露头角，像资源、交通、环保等领域[1]。
同时，集成化也是开关电源的一个重要趋向。对工艺技术水平的要求也随着功率密度的增高而增高。在半导体技术没有突破之前，开关电源很难实现技术突破。效率和重量是开关电源技术革新的两个重要方向。所以，工艺水平的提高在开关电源的发展中的地位逐步升高。
1.2 开关电源的发展现状与趋势
到了二十一世纪，高速开关器件的应用是提高开关频率的有效途径。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。这种谐振开关方式将开关损耗降到零，并且能够极大提高运行速率。目前，开关电源已广泛应用于这一模式。
二十一世纪开关电源未来的发展趋向主要归纳为如下点[2]。
1、小型化、薄型化、轻量化、高频化。电源的大小取决于元器件的大小，尽量减小元器件的大小，是使开关电源小型化的关键所在。在一定程度上，开关频率越高，元器件的尺寸越小，同时，还可以减少干扰，改善系统的性能。故而，开关电源高频化是其发展的一个必然走向。
2、高可靠性。相对于连续工作的电源，开关电源使用的元器件的数量要少很多，因此可靠性更为显著。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。因此，在设计开关电源时，要尽量减少电子元器件的使用，这样既改善了电路拓扑，又提高了电源运行的稳定性，减少了电源故障的发生。
3、低噪声。在追求高频化这一性能的同时，就带来了噪声这一问题。可以考虑采用部分谐振转换回路技术，这样不仅实现了高频化，又解决了噪声问题。因此，作为开关电源工艺性能的一个方面，低噪声是其发展的必然趋势。
4、采用计算机辅助设计和控制。在开关电源的电路中添加计算机检测与控制技术，可以及时检测出电源的故障，并发出信号，实施报警。开关电源的发展一直是半导体器件和磁性元件的发展是结合在一起的一个常见原因。推动开关电源小型化的因素有很多，如加大滤波电容、改进元器件结构等。总之，研究低损耗回路技术和新设备的发展相互促进的[3]。
1.3 常见的开关电源的拓扑与其特点
常见的开关电源的拓扑有正激、反激、推挽、半桥、全桥、双管正激、升压、降压等，下面简要的介绍一下常见的开关电源的电路拓扑特点及电路拓扑的发展状况。
1.3.1 正激电路
正激变换器电路拓扑比较简单，可以看作是在buck变换器内直接嵌入一个变压器获得的。正激转换器电路简单，铜耗低，输出电压纹波小，常用于中小功率场合。同时，它的变压器单边磁化，利用率低；开关管峰值电流较低；变压器是个纯粹的变压器；变压器的铁心没有气隙，但一些铁心为了减少BR，需要添加一个小的空气间隙。
图1-1 正激电路拓扑图
1.3.2 反激电路
反激变换器与正激变换器相似，也可以看作是的Buck/Boost 变换器中直接插入一个变压器。不同的是，其变压器不光起到电压转换的作用，还能起到变压器副边电感的作用。设计反激变换器在选择变压器铁芯材料时注意要留有一定的气隙，用来防止铁芯的饱和。在原边的开关管导通时，变压器储存一定的能量，负载电流由输出端的滤波电容提供；关断时，能量由变压器流出，通过滤波电容消耗。同时，反激变换器不需要滤波电感。该变换器适用于高电压、小功率场合。
图1-2 反激电路拓扑图
1.3.3 半桥电路
半桥变换器实际上等效于两个正激变换器，铁芯利用率高，并且不存在偏磁问题。推挽电路中，一个开关管关断后，其承受的电压为2倍的输入电压，半桥电路则与之不同，其与输入电压大小等同。故而输入网压为220V或者以上的场合适合使用。
图1-3 半桥电路拓扑图
1.3.4 全桥电路
全桥变换器的优势在于一次侧只有一个线圈，但是磁化确是原、副边都有的，这样的电路结构使变压器利用率高。并且该变压器原边的工作电压即为输入端的电源电压。同时直流偏磁现象是全桥变换器一个弊端全桥变换器比较适合大功率场合。
图1-4 全桥电路拓扑图
1.3.5推挽电路
图3-3 基于UC3846的双闭环控制电路图
1 引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 开关电源的发展现状和趋势 2
1.3常见的开关电源拓扑与其特点 2
1.4 PWM技术的发展与软开关技术 5
1.5 本章小结 6
2 推挽电路的工作原理6
2.1 电路结构 7
2.2 输入、输出关系分析 10
3 500W推挽电路的设计 10
3.1 主电路设计11
3.2 控制电路设计11
3.3 隔离采样电路14
3.4 保护电路18
4 实验研究 21
4.1 实验波形 22
5 展望 23
总结 25
致谢 26
参考文献27
附录 29
图1 29
图2 30
图2 31
1 引言
1.1 研究背景
二十一世纪是信息技术时代，信息技术的飞速发展使人们依赖于电子设备，产品，而这些电子设备，产品离不开电源。由于开关电源在效率、大小、重量等方面有着一般的线性电源难以比拟的长处，其越来越多地应用在电子、通信、家电等各个领域中。开关电源有两个组成部分。其一是功率级，其二是控制级。功率级主要职能是按照应用场合的差别，确定不同的网络拓扑，与此同时还要兼顾半导体元器件的成本；开关电源的控制级主要是用作根据电路的信号选择适合的控制方式，当前PWM控制的开关电源占多数。
上世纪中期美国将开关电源用在火箭上，是开关电源最早的使用记录。开关电源 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
发展到今天，凭借着轻小、高效、节能、性能稳定等优势，正逐渐淘汰掉连续工作的电源，并广泛地应用在各类电子电器设备中，对改善这些电子电器设备起到了很好的促进作用。
到了八十年代，开关电源开始应用在计算机领域。到九十年代，开关电源进入高速发展时期，越来越多的应用于电子元器件、电气设备、家用电器等领域。开关电源在之后数十年逐步实现技术突破。在AC/DC电路中，新的功率器件MOSFET使开关电源的频率高达400千赫兹。同时IGBT使开关电源达到1MHz（DC/DC）。软交换技术的发展使得电源更加轻巧和高效，这是高频开关电源的重要技术支持。电气控制技术的快速发展和专用控制芯片的大批量生产，使得电源的可靠性与简洁性更高。随着APFC技术的发展，促使开关电源的功率因数大幅增大，电网的谐波问题得到治理，同时整个电源的效率都得到了很大提升。
目前，因为开关电源轻小高效的特点，以计算机终端和通信设施为主的电子设备中已经广泛使用了开关电源，开关电源已经成为电子信息业发展不可或缺的动力因素。高频化是开关电源发展过程中的一次技术革新，高频化简化了网络拓扑，减少了电子器件的使用，是电力电子装置更加轻量化，这些优点使之应用更为广泛，特别是在高新技术领域。除此之外，开关电源也越来越多地在其他领域崭露头角，像资源、交通、环保等领域[1]。
同时，集成化也是开关电源的一个重要趋向。对工艺技术水平的要求也随着功率密度的增高而增高。在半导体技术没有突破之前，开关电源很难实现技术突破。效率和重量是开关电源技术革新的两个重要方向。所以，工艺水平的提高在开关电源的发展中的地位逐步升高。
1.2 开关电源的发展现状与趋势
到了二十一世纪，高速开关器件的应用是提高开关频率的有效途径。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。这种谐振开关方式将开关损耗降到零，并且能够极大提高运行速率。目前，开关电源已广泛应用于这一模式。
二十一世纪开关电源未来的发展趋向主要归纳为如下点[2]。
1、小型化、薄型化、轻量化、高频化。电源的大小取决于元器件的大小，尽量减小元器件的大小，是使开关电源小型化的关键所在。在一定程度上，开关频率越高，元器件的尺寸越小，同时，还可以减少干扰，改善系统的性能。故而，开关电源高频化是其发展的一个必然走向。
2、高可靠性。相对于连续工作的电源，开关电源使用的元器件的数量要少很多，因此可靠性更为显著。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。因此，在设计开关电源时，要尽量减少电子元器件的使用，这样既改善了电路拓扑，又提高了电源运行的稳定性，减少了电源故障的发生。
3、低噪声。在追求高频化这一性能的同时，就带来了噪声这一问题。可以考虑采用部分谐振转换回路技术，这样不仅实现了高频化，又解决了噪声问题。因此，作为开关电源工艺性能的一个方面，低噪声是其发展的必然趋势。
4、采用计算机辅助设计和控制。在开关电源的电路中添加计算机检测与控制技术，可以及时检测出电源的故障，并发出信号，实施报警。开关电源的发展一直是半导体器件和磁性元件的发展是结合在一起的一个常见原因。推动开关电源小型化的因素有很多，如加大滤波电容、改进元器件结构等。总之，研究低损耗回路技术和新设备的发展相互促进的[3]。
1.3 常见的开关电源的拓扑与其特点
常见的开关电源的拓扑有正激、反激、推挽、半桥、全桥、双管正激、升压、降压等，下面简要的介绍一下常见的开关电源的电路拓扑特点及电路拓扑的发展状况。
1.3.1 正激电路
正激变换器电路拓扑比较简单，可以看作是在buck变换器内直接嵌入一个变压器获得的。正激转换器电路简单，铜耗低，输出电压纹波小，常用于中小功率场合。同时，它的变压器单边磁化，利用率低；开关管峰值电流较低；变压器是个纯粹的变压器；变压器的铁心没有气隙，但一些铁心为了减少BR，需要添加一个小的空气间隙。
图1-1 正激电路拓扑图
1.3.2 反激电路
反激变换器与正激变换器相似，也可以看作是的Buck/Boost 变换器中直接插入一个变压器。不同的是，其变压器不光起到电压转换的作用，还能起到变压器副边电感的作用。设计反激变换器在选择变压器铁芯材料时注意要留有一定的气隙，用来防止铁芯的饱和。在原边的开关管导通时，变压器储存一定的能量，负载电流由输出端的滤波电容提供；关断时，能量由变压器流出，通过滤波电容消耗。同时，反激变换器不需要滤波电感。该变换器适用于高电压、小功率场合。
图1-2 反激电路拓扑图
1.3.3 半桥电路
半桥变换器实际上等效于两个正激变换器，铁芯利用率高，并且不存在偏磁问题。推挽电路中，一个开关管关断后，其承受的电压为2倍的输入电压，半桥电路则与之不同，其与输入电压大小等同。故而输入网压为220V或者以上的场合适合使用。
图1-3 半桥电路拓扑图
1.3.4 全桥电路
全桥变换器的优势在于一次侧只有一个线圈，但是磁化确是原、副边都有的，这样的电路结构使变压器利用率高。并且该变压器原边的工作电压即为输入端的电源电压。同时直流偏磁现象是全桥变换器一个弊端全桥变换器比较适合大功率场合。
图1-4 全桥电路拓扑图
1.3.5推挽电路
图3-3 基于UC3846的双闭环控制电路图
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