高频开关电路（共7篇）
高频开关电路 篇1
随着信息化、自动化技术的发展, 作为整个大系统的能量提供中心的电源, 其稳定性、可靠性、可控性、可检测性越来越重要。而数字化的电源可以实现快速、灵活的控制设计, 使D C/D C变换器的性能更好, 改善电路的瞬态响应, 使之速度更快, 更精确, 并提高了可靠性。
1 开关电源的工作原理
开关电源就是电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源, 它必须同时具备这样三个条件:开关 (电路中的电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态) 、高频 (电路中的电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频) 和直流 (电源输出是直流而不是交流) 。开关电源电路中的整流电路是把交流电源直接经过二极管整流电路和电容C1滤波后得到直流电压ui, 再由逆变器逆变成高频交流方波脉冲电压。逆变器输出经高频变压器T隔离并变换成适当的交流电压, 再经过整流和滤波变成所需要的直流输出电压uo。
2 开关电源的软开关技术
开关电源的寿命由模块内部工作温升所决定, 温升的高低主要由模块的效率高低所决定。现在市场上大量使用的开关电源, 主要采用的是脉宽调制技术 (P W M) 。硬P W M控制型开关电源主要缺陷是提高工作频率的同时难以减小元器件的几何尺寸及重量。在较高的频率下, 开关损耗增大, 因此通常工作频率限制在几百赫兹以下, PWM型开关电源的损耗主要是开、关及导通状态下的功耗, 而开通损耗主要是由存储在新载体开关的寄生电容内的能量突变所引起的。开关管关断时加在漏感上的电压随di/dt将产生一个尖峰值。为了限制开关器件的应力又必须采用缓冲电路, 这一缓冲电路也将耗能。
3 高频开关电路小信号模型的建立
目前在D C/D C或A C/D C变换器的建模方法应用比较广泛的是状态空间平均法。所谓状态空间平均法是从变换器的不同拓扑下的状态空间方程出发, 经过平均——小信号扰动——线性化处理, 得到表征变换器稳态和动态小信号特性的数学模型, 最后获得一个统一的电路模型。移相全桥变换器可由BUCK变换器变化而来, 所以首先根据BUCK型变换器电路结构建立BUCK小信号模型[3], 如图1、图2所示。
由等效电路很容易得B U C K变换器的控制一输出开环传递函数。
移相全桥ZVS变换器与BUCK变换器的不同之处在于移相全桥变换器的占空比为有效占空比Deff, 记移相全桥变换器主变压器原副边匝比为1:n。有效占空比:
其中, Lr为谐振电感。由上式可知, 有效占空比Deff是原边占空比D、输入电压Vm、负载电流人的函数。这样, 在移相全桥变换器中存在三种不同扰动使有效占空比Deff产生相应的三种扰动。移相全桥变换器的小信号等效电路模型如图3。
由等效电路可得移相全桥变换器的控制-输出传递函数:
其中, Rd=4n2Lrf, Rd的意义是负载甩流引起的原边电压损失与负载电流的比值, 与负载电流的乘积再除以原边电压就是负载电流引起的占空比丢失。从上式可以看到, 由于负载电流对有效占空比的影响, 降低了Gvd (s) 的低频增益。在主电路参数设计中, 必须控制最大占空比丢失。
将实际参数代入上式, Vm=3 9 0 V, n=3, Lf=1 1 1.3 u H, C=4 0 u F, VO=4 8 V, Lr=9.8 u H, f=1 0 0 K H z, R=Uo2/P o=4 8 2/2 4 0 0=0.9 6, 得:Gvd (s) =1170/ (4.45×10-9S2+0.776S+36.8)
4 数字控制系统软件流程
系统软件主要有主程序和中断程序两大部分。
主程序主要是完成系统初始化, 开关机检测, 开关机初始化, 然后进入主程序循环等待中断。硬件初始化作包括偏置看门狗电路;禁止中断 (取T M=1) ;设置符号扩展模式 (S X M=1) ;清零所有的C P U级中断标志寄存器 (IFR) ;设置CPU级中断屏蔽寄存器 (I M R) 等。
当C P U接受中断请示时, 它并不知道是哪一个外设事件引起的中断请求。因此, 为了让C P U能够区别这些引起中断的外设事件, 在每个外设中断请求有效时都会产生一个唯一的外设中断向量, 这个外设中断向量被装载入外设中断向量寄存器 (PIVR) 里面。中断程序包括Tl周期中断子程序、Tl下溢中断子程序和N M I中断子程序 (N M I中断由NMI屏蔽寄存器管理) 。在周期中断程序中完成读取电压采样值, 数字滤波, 实施控制算法, 启动电流AD转换等工作, 周期中断中完成稳压控制。
参考文献
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高频开关电源系统的运行维护 篇2
1 高频开关电源系统的组成
一个完整的高频开关电源系统由5个部分组成:交流配电单元、整流模块、直流配电单元、蓄电池组、监控系统。
交流配电单元也称交流屏, 为高频开关电源系统提供交流电源。
整流模块将交流电转换成稳定的直流电。它能够自主工作, 且可以并联运行, 以实现高频开关电源系统的平滑扩容。直流电的标称电压有220V、110V和48V等。
直流配电单元也称直流屏, 是高频开关电源系统的直流输出接口部分。
蓄电池组是高频开关电源系统的储能装置, 在交流失压的情况下, 为负载供电。
监控系统是高频开关电源系统的“大脑”, 监测和控制整个高频开关电源系统的运行。主要功能有实时监测整流模块和蓄电池组的电压、电流、整流模块运行状态、三相交流供电状态等, 通过RS232、RS485等接口与监控中心实现四遥 (遥信、遥测、遥控、遥调) 通信。
2 高频开关电源系统的运行管理
2.1 实施集中监控
通过对运行的高频开关电源系统进行集中的实时监控, 用准确、快速、真实的数据全面表征电源设备运行状况, 完成值班人员日常的巡视和设备测试工作, 方便监督检查维护人员作业情况, 实现设备的集中管理。
2.2 定期分析数据
除日常观察高频开关电源系统运行参数外, 要定期分析运行历史数据, 及早发现故障隐患, 防范和杜绝设备故障的发生, 缩短平均故障修复时间, 如有必要时还可以及时进行数据修改。
2.3 蓄电池的管理
(1) 强调蓄电池在投运前、运行后的浮充和人工放电。蓄电池在使用过程中, 电解液的液面、比重、内阻、单体电压等会出现不均衡现象, 为了使单节电池之间尽量达到均衡, 经过一段时间 (1～3月) 后, 要提高蓄电池的充电电压, 对其进行均衡充电。
(2) 蓄电池组容量测试。新安装或大修后的蓄电池组, 应进行核对性放电试验。对于阀控式蓄电池组, 每隔2～3年进行1次核对性放电试验;运行了6年的阀控式蓄电池, 每年进行1次核对性放电试验。若经过3次核对性放充电, 蓄电池容量均达不到额定容量的80%以上, 可判断此组蓄电池寿命终止, 应予以更换。
(3) 蓄电池应平放于室内干净、平整、干燥及通风的地方, 应远离热源和易产生火花的地方, 安全距离为0.5m以上;环境温度应保持在15～20℃;单节电池之间应保持至少10mm的间距, 以利于电池运行过程中的散热;蓄电池并联时, 组数最多不超过3组。
(4) 实用的技术参数: (1) 充电机稳压精度。当负载在正常范围内变化时, 充电设备应达到±2%的稳压精度。 (2) 放电深度。当蓄电池组放电到额定容量的55%时, 应及时进行补充充电。 (3) 环境温度补偿。蓄电池的浮充电压标准值一般是指环境温度为25℃, 不同环境温度的浮充电压应按一定温度补偿系数进行调整, 在0～50℃范围内可进行线性补偿。对于单体2V阀控蓄电池, 可以按0.003V/℃/节 (范围0.003～0.005V/℃/节) 计算, 调节公式为:U浮=U标+ (25-t) ×0.003V, 其中U浮为单体2V蓄电池浮充电压设置值, U标为单体2V蓄电池浮充电压标准值, t为环境温度。 (4) 放电次数。随着充放电循环次数的增加, 蓄电池的使用寿命也将减少, 因此, 要尽量避免蓄电池的频繁充放电。
3 高频开关电源系统的维护
3.1 加强蓄电池维护
现在高频开关电源系统一般均釆用阀控式铅酸蓄电池, 也被称为免维护电池。生产厂家又承诺该电池的使用寿命为10～20年, 这样就给技术人员和维护人员一种误解:似乎这种电池既耐用又完全不需要维护, 许多用户从装上电池后就基本没有进行过维护和管理。因而出现了很多问题, 例如, 蓄电池外壳变形、电解液渗漏、容量不足、蓄电池端电压不均匀等。实践证明, 蓄电池和蓄电池组的定期检测和在线监测是非常重要的。
3.2 影响蓄电池寿命的主要因素
环境温度过高对蓄电池使用寿命的影响很大。蓄电池在25℃的环境下可获得较长的寿命, 长期运行温度若升高10℃, 使用寿命约降低一半。另外过度充电、过度放电、过流或过压充电、充放电循环次数也会影响蓄电池的寿命。
3.3 阀控式蓄电池的正确使用和维护
(1) 正确、合理地设置好蓄电池参数, 充分利用高频开关电源对蓄电池进行自动化监控管理。
(2) 蓄电池运行期间, 应进行月度维护。检查蓄电池外观, 若发现外壳不清洁时, 应立即进行清除, 以免产生端子之间短路或接地故障;若发现蓄电池的外壳破损、渗漏与变形 (指超出该蓄电池的允许范围) , 必须更换。检查端子是否弯曲或损坏, 极柱、安全阀周围是否有酸雾逸出, 发生上述现象的蓄电池必须更换掉。测量系统浮充充电电压及环境温度, 蓄电池充电电压在电池极柱根部测量并记录。
3.4 微机监控器的维护
微机监控器若在运行中控制不灵, 可重新修改程序和重新整定。若均达不到需要的运行方式, 就要启动手动操作, 调整到需要的运行方式, 并将微机监控器退出运行, 交给专业人员检查修复后再投入运行。
3.5 充电装置的维护
每天应进行以下检查:三相交流输入电压是否平衡或缺相, 运行噪声有无异常, 各保护信号是否正常, 交流输入电压值、直流输出电压值、直流输出电流值等表计显示是否正确, 直流母线的正对地和负对地的绝缘状态是否良好。大修后做绝缘或耐压试验前, 应将电子元件的控制板及硅整流元件断开或短接。
3.6 加强应急处理
平时应建立起对高频开关电源故障的应急措施, 在特定条件下, 能够实现对高频开关电源故障的应急处理, 保证可靠供电。如根据高频开关电源模块化结构设计的特点, 整流模块均可独立工作, 在电源全部损坏, 且无备份情况下, 可以利用其他模块进行临时替代, 这样该模块在无监控单元管理下, 直接对蓄电池和负载供电, 确保了供电, 又保证了蓄电池没有因过放电而损坏的现象。
3.7 高频开关电源系统的防雷
普遍采用的联合接地系统和进出线防雷系统以及各种保安器是目前行之有效的防雷办法。在电源系统中, 要求防雷接地线一定要与工作接地线和保护接地线分开。防雷接地装置的接地阻值应小于等于5Ω, 在土壤电阻率低的地方, 接地阻值应小于等于1Ω。施工后的接地及接地电阻的检查和测试工作就非常必要, 定期或不定期对接地电阻进行测试, 检查接地装置系统是一项应坚持的必要的制度。
高频开关电路 篇3
在高频开关电源的DC-DC变换电路中,功率开关管在控制信号强制控制下,有电压时被开通,有电流时被关断,这种工作方式称为硬开关。传统的PWM开关方式属于硬开关技术,它的缺点显而易见。
(1) 开关管无论在导通或截止时,电压和电流均不为零,功率器件承受的电压、电流应力大,开关管存在功耗,且开关频率越高,功耗愈大。
(2) 开关管关断时,电路中的感性元件和容性元件会产生幅值很高的尖峰电压和尖峰电流,对开关器件造成危害,且开关频率越高,损害越大。
(3) 随着工作频率的增高,会产生严重的电磁干扰,对自身电路及电网和周边电子设备造成影响。
理想的关断过程是电流先降到零,电压再缓慢上升到断态值,关断损耗近似为零。因为功率开关管关断之前,电流已下降到零,这就解决了感性关断尖峰电压问题,而理想的导通过程是电压已先降到零,电流再缓慢升到断态值,导通损耗近似为零。功率开关管结电容上的电压也为零,解决了容性导通尖峰电流问题。为了解决硬开关方式带来的各种不利因素,采用了多种措施。其中,准谐振型开关方式属于软开关方式,利用谐振技术,使功率开关管实现了零电压或零电流的导通和截止,基本消除开关损耗。谐振型开关方式可分为零电流开关型(ZCS)和零电压开关型(ZVS);按控制方式分为脉冲宽度调制(PWM)和脉冲相移控制(PS)。实际应用中,PWM软开关变换器多用于小功率DC-DC开关稳压电源,PS软开关变换器则用于中大功率DC-DC开关稳压电源中。
下面介绍几种常见的软开关变换器。
1 零电流开关准谐振变换器
图1是零电流开关准谐振变换器(ZCS-QRC)基本电路。谐振电容C与整流二极管D并联,谐振电感与有源开关(晶体管或MOS管)S串联。S在零电流时接通和关断,而D在零电压时接通和关断。由于L和C谐振,通过S的电流发生振荡并归零,这就导致了自然换向。该电路特点是减少了关断时的损耗,但存在电容在接通时的损耗,电容储存的能量在S管导通时消耗在S管内,且与S管开关频率成正比。
2 零电压开关准谐振变换器
图2是零电压开关准谐振变换器(ZVS-QRC)基本电路。谐振电容C与有源开关器件S并联,谐振电感L与D串联,S刚关断时,电容C上的电压逐渐上升,并与电感L产生谐振,因此S是在零电压时接通和关断,而整流二极管D是在零电流时接通和关断。该电路特点是开关器件的电压被整形成准正弦波,为开关接通创造零电压条件,减少了接通时的损耗。存在的问题是开关管还存在过剩的电压应力,这种应力与负载大小成正比,此外整流二极管结电容与谐振电感引起的谐振会产生电磁干扰。
3 零电压开关多谐振变换器
图3是零电压开关多谐振变换器基本电路。谐振电容C同时与开关管和二极管并联,这样S和D都可以在零电压进行转换,这个电路的好处是多谐振电路把开关管输出电容、二极管结电容、变压器漏感等寄生参量吸收到谐振电路中,极大降低了开关损耗和噪声。该电路的缺点是开关管、整流二极管承受较大的电压和电流。
4 软开关脉冲宽度调制器
软开关脉冲宽度调制器是由软开关脉冲宽度调制器ZVS(或ZCS)-QRC与PWM控制的无隔离变压器式功率变换器组合而成的。图4中,当有源开关器件S与有源辅助开关器件S1同时接通时,C和L构成准谐振,当S接通,S1关断时,电感L续流。这样,在一个周期内,一段时间工作在准谐振状态,另一段时间工作在PWM状态。该电路特点是主开关S承受电流(或电压)应力小,所以使用性能较上述电路好。
5 PS软开关变换器
PS软开关变换器也称脉冲移相控制变换器,常用在大、中功率开关电源中,是实现高频化的理想拓扑之一。大功率移相控制桥式变换器由4个功率开关器件组成全桥电路的桥臂,每个开关管导通时间固定不变,同一桥臂的两只开关管相位相差180°,这样只有相对的2只开关管都导通,变换器才有功率输出。该电路利用功率开关管输出电容(C1～C4)和输出变压器的漏电感(L)作为谐振元件,使变换器的4个开关管依次在零电压下导通,实现软开关控制。
6 结 语
高频开关电源大量应用于各种用电设备,传统的功率变换器采用硬开关技术,其缺点显而易见。软开关变换器技术有多种设计方式,目的是最大程度地解决硬开关技术缺陷,它是一种行之有效的电路。
摘要：传统高频开关电源变换电路采用硬开关技术,电路功耗大,承受电压、电流应力高。为了克服硬开关技术中开关管在有电流通过的情况下被强制关断,有电压情况下被强制导通而带来的各种不利因素,采用准谐振型软开关技术,即零电流开关(ZCS)准谐振变换器、零电压开关(ZVS)准谐振变换器,由电感、电容组成谐振回路,利用电感、电容之间的能量交换,使主开关管在零电压下导通或零电流下截止,达到了减少开关损耗及电磁干扰的目的。软开关技术在新型开关电源中广泛采用。
关键词：硬开关,软开关,零电流,零电压,准谐振
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通信用高频开关电源技术发展 篇4
通信用高频开关电源技术的发展基本上可以体现在几个方面:变换器拓扑、建模与仿真、数字化控制及磁集成。
一、变换器拓扑
软开关技术、功率因数校正技术及多电平技术是近年来变换器拓扑方面的热点。采用软开关技术可以有效的降低开关损耗和开关应力, 有助于变换器效率的提高;采用PFC技术可以提高AC/DC变换器的输入功率因数, 减少对电网的谐波污染;而多电平技术主要应用在通信电源三相输入变换器中, 可以有效降低开关管的电压应力。为了降低变换器的体积, 需要提高开关频率而实现高的功率密度, 必须使用较小尺寸的磁性材料及被动元件, 但是提高频率将使MOSFET的开关损耗与驱动损耗大幅度增加, 而软开关技术的应用可以降低开关损耗。目前的通信电源工程应用最为广泛的是有源钳位ZVS技术、上世纪90年代初诞生的ZVS移相全桥技术及90年代后期提出的同步整流技术。有源箝位技术历经三代, 且都申报了专利。第一代为美国VICOR公司的有源箝位ZVS技术, 将DC/DC的工作频率提高到1 MHZ, 然而其转换效率未超过90%。为了降低第一代有源箝位技术的成本, IPD公司申报了第二代有源箝位技术专利, 其采用P沟道MOSFET, 并在变压器二次侧用于forward电路拓扑的有源箝位, 这使产品成本减低很多。但这种方法形成的MOSFET的零电压开关 (ZVS) 边界条件较窄, 而且PMOS工作频率也不理想。为了让磁能在磁芯复位时不白白消耗掉, 一位美籍华人工程师于2001年申请了第三代有源箝位技术专利, 其特点是在第二代有源箝位的基础上将磁芯复位时释放出的能量转送至负载, 所以实现了更高的转换效率。从20世纪90年代中期, ZVS移相全桥软开关技术已广泛地应用于中、大功率电源领域。该项技术在MOSFET的开关速度不太理想时, 对变换器效率的提升起了很大作用, 但其缺点也不少。第一个缺点是增加一个谐振电感, 其导致一定的体积与损耗, 并且谐振电感的电气参数需要保持一致性, 这在制造过程中是比较难控制的;第二个缺点是丢失了有效的占空比。同步整流包括自驱动与外部驱动。自驱动同步整流方法简单易行, 但是次级电压波形容易受到变压器漏感等诸多因素的影响, 造成批量生产时可靠性较低, 而较少应用于实际产品中。美国电力电子系统中心 (CPES) 研究了各种谐振驱动拓扑以降低驱动损耗, 并于1997年提出一种新型的同步整流电路, 称为准方波同步整流, 可以较大地降低同步整流管体二极管的导通损耗与反向恢复损耗, 并且容易实现初级主开关管的软开关。
二、建模与仿真
开关型变换器主要有小信号与大信号分析两种建模方法。
小信号分析法:主要是状态空间平均法, 由美国加里福尼亚理工学院的R.D.Middlebrook于1976年提出, 可以说这是电力电子学领域建模分析的第一个真正意义的重大突破。平均法的缺点是明显的, 对信号进行了平均处理而不能有效地进行纹波分析;不能准确地进行稳定性分析;对谐振类变换器可能不大适合;关键的一点是, 平均法所得出的模型与开关频率无关, 且适用条件是电路中的电感电容等产生的自然频率必须要远低于开关频率, 准确性才会较高。大信号分析法:有解析法, 相平面法, 大信号等效电路模型法, 开关信号流法, n次谐波三端口模型法, KBM法及通用平均法。还有一个是我国华南理工大学教授丘水生先生于1994年提出的等效小参量信号分析法, 不仅适用于PWM变换器, 也适用于谐振类变换器, 并且能够进行输出的纹波分析。
三、数字化控制
数字化的简单应用主要是保护与监控电路, 以及与系统的通信, 目前已大量地应用于通信电源系统中。其可以取代很多模拟电路, 完成电源的起动、输入与输出的过、欠压保护、输出的过流与短路保护, 及过热保护等, 通过特定的介面电路, 也能完成与系统间的通讯与显示。数字化的更先进应用包含不但实现完善的保护与监控功能, 也能输出PWM波, 通过驱动电路控制功率开关器件, 并实现闭环控制功能。
四、磁集成
随着开关频率的提高, 开关变换器的体积随之减少, 功率密度也得到大幅提升, 但开关损耗将随之增加, 并且将使用更多的磁性器件, 因而占据更多的空间。常规的磁性元件设计方法极其繁琐且需要从不同的角度来考虑, 如磁心的大小选择, 材质与绕组的确定, 及铁损和铜损的评估等。但是磁集成技术除此之外, 还必须考虑磁通不平衡的问题, 因为磁通分布在铁心的每一部分其等效总磁通量是不同的, 有些部分可能会提前饱和。因此, 磁性器件集成的分析与研究将会更加复杂与困难。但是, 其所带来的高功率密度的优势, 必是将来通信电源的一大发展趋势。
高频反激式开关电源设计 篇5
在5KW逆变电源的设计中, 驱动电路采用TLP250光耦进行驱动。需要设计一台三路输出且相互隔离的24V低压小功率电源为其提供电压。UC3843B是Unitrode公司开发的控制器件, 是国内应用比较广泛的一种电流控制型脉宽调制器。所谓电流型脉宽调制器是按反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈电流的信号与误差放大器输出信号进行比较, 从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压的变化而变化, 结构上有电压环、电流环双环系统, 因此, 无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高。
1 单端反激式开关电源电路原理分析
反激式开关电源的基本原理是基于能量守恒定律, 通过改变磁性转换器件同名端的设置, 实现能量在磁性元件内的存储和释放。
图1为3路单端反激式开关电源的电路原理图。设计输入15~30V的交流电, 经整流平滑后为电路提供直流工作电压。起动电路由电阻R11和R13构成, C16经电阻R11分压后充电。当C16的电压达到8.4V时, UC3843B开始工作, MOSFET开关管导通, 能量存贮在变压器T1中, 此时二次侧各路由于整流二极管反向偏置, 故能量不能传到T1的二次侧。T1的一次侧电流通过电阻R21, R21两端电压与UC3843B内部提供的1V基准电压进行比较, 当R21两端电压高于1V电位时, MOSTET管关断, 所有变压器的绕组极性反向, 输出整流二极管正向偏置, 存贮在T1中的能量通过变压器副边线圈传输到输出电路中。
启动结束后, UC3843B的供电电路转有T1的副边线圈经R5和D8向电容C16充电, 从而为UC3843B提供供电电压。由TL431组成的电压反馈回路, 选取输出回路滤波器电路中电感两端电压为参考电压, 通过R18与R17电阻分压, R17上的电压与TL431A参考电压2.5V比较得出误差值, 误差值经TL181GB和电阻R6, R8将误差电压分压传送给反向端 (脚2) , 该电压与UC3843B内部的基准电压比较。通过比较进行逻辑判断, 进而调整驱动PWM脉宽, 改变变压器存储能量的大小, 实现对输出电压的稳压控制。
2 反激变压器参数设计
根据设计需要, 输入电压为交流可调, 调压范围为15~30V。3路24V输出, 总输出功率为12W的反激式开关电源。根据TDK_Core_Book磁性元器件列表, 选择磁芯型号为EPC19, 材质为PC44的铁氧体作为反激式开关电源变压器磁芯。反激式开关电源采用DCM模式, 工作最大占空比设计为0.45。采用AP法判断得出磁芯EPC19选型合适。
2.1 估算输入功率, 输出电压, 输入电流, 峰值电流
根据参考资料[2]中公式, 可以计算出总的输出功率为12W, 输入功率则可计算得出为15W, 最大输出电压42V, 最小输出电压21V, 最大输入电流0.714A, 最小输入电流0.357A。估算峰值电流3.9A。
2.2 估算临界电流
本设计将输出电流最大电流的80%作为临界点来设计变压器, 则临界电流为0.133A。
2.3 计算变压器匝比
原副边匝比为0.698, 取匝比为2:3
2.4 计算DCM的临界电流值
2.5 计算次级电感LS及原边电感LP
2.6 计算DCM副边峰值电流
2.7 DCM时原边峰值电流
2.8 确定原副边绕组匝数Np, Ns
2.9 计算磁芯气隙
通过对变压器参数的计算, 确定反激式变压器的参数, 选定EPC19磁芯, 匝比为2:3, 原边匝数为15匝, 副边匝数为23匝, 副边供电绕组匝数为12匝, 磁芯气隙为0.02mm。
3 RCD钳位电路参数设计
设计RCD钳位电路主要目的是为了消耗在DCM模式下变压器原边在关断过程中产生的尖峰电流。RCD参数设计过程如下首先确定次级反射电压VOR。根据输入直流电压VDC, 通常以输入最高电压为准。然后确定RCD吸收电压VRCD。实际应用时, 需要选择VRCD的90%, 并且要满足VRCD叟1.3VOR。根据能量守恒, RCD箝位电容储能与箝位电阻消耗功率相同。箝位电容储能为为 箝位电压的5%~10%, 确定电容值的合适范围。
通过计算设计选取R2=100欧姆, C1=1u F。
4 结论
本文给出了一台12W三路相互隔离的24V的反激式开关电源的设计过程, 对重要环节的参数设定给出了详细分析。其中反激变压器的设计是反激式开关电源的设计核心, 参数确定过程, 计算值要与实际所用的变压器磁芯相符合, 实际调试时需要根据实际需要调整磁芯气隙的大小。
本文设计的开关电源在实际的应用中基本满足了电路的供电需求, 实现了设计目标。
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高频开关电源变压器的设计分析 篇6
高频变压器作为能量传送、升降压及电气隔离的磁性元件,在开关电源中非常重要。其性能好坏不仅关系到变压器本身的效率、发热等问题,而且将决定着整个逆变器的技术性能,甚至导致功率管的损坏和逆变失败。因此,研究变压器的设计方法还是十分必要的。
2 高频变压器的电磁分析
变压器一次绕组内流过电流i1时,就会产生一个交变磁动势N1i1,并建立交变磁通φ,如图1所示。那么根据电磁感应定律,磁通φ将在一次和二次绕组内感生电动势e1和e 2,且
其中,N1、N2是变压器原、副边的匝数,e1、e2的正方向与φ的正方向符合右手螺旋关系。
假设磁通φ是磁芯并与一次、二次绕组相交链的磁通,即主磁通。那么根据公式(1),有
空载时-e1≈u1,在高频开关电路中u1波形如图2,
从而可得u1的表达式(一个周期):
其中,U1为高频变压器的输入脉冲电压幅值(V),Ts为开关工作周期(s),ΔT=(1/2-Dmax)Ts;Dmax为驱动脉冲的最大占空比。
从而有
由公式(4)可以得到φ与时间的关系图为
于是,有
式中,ΔBm为磁通密度增量(T),Ae为磁芯有效面积(m 2)。
对于全桥变换器,其ΔBm应取一、三象限磁通密度的总增量,为ΔBm=2Bm,Bm为工作磁通密度(T)。
于是
式中,fs为开关工作频率(Hz);
3 高频变压器的参数计算
设变压器的输出视在功率PT2=U2I2(7)
式中,PT2、U2、I2分别是变压器副边输出的视在功率(W),电压(V),电流(A)。
由电磁感应定律知,次级绕组上感应电势幅值为:dt
取Dmax=0.5(Dmax的实际值永远小于0.5),那么
忽略次级绕组中的铜阻,则
式中,Aw2为次级绕组裸导线截面积(cm 2),Axs为次级裸线面积(cm 2);J是电流密度(A/cm 2)。
当次级绕组为多个时,次级总视在功率就是各次级绕组视在功率之和,即
同理,在忽略初级铜阻的情况下,
式中,PT1、U1、I1分别是变压器原边输出的视在功率(W),电压(V),电流(A);
Aw 1为初级绕组裸导线截面积(c m 2)。
磁芯窗口面积应同时容纳初级和次级绕组,或者说同时容纳初次级的视在功率,那么
式中,K0为窗口使用系数,主要与线径、绕组数有关一般典型值取0.4;Aw为窗口面积(cm2)。
整理得,
式中,AP为磁芯面积乘积(cm4);
PT为变压器的视在功率(W);
Bm为工作磁通密度(T);
fs为开关工作频率(Hz);
J为电流密度(A/cm2);
K0为窗口使用系数[1]。
对上述公式中,各参量的确定方式作一个介绍:
1)Bm的确定
工作磁感应强度的选取,既要考虑小型化和低损耗,又要保证在规定的环境温度、输出电压和输出负载范围内变压器不饱和。传递交替矩形的脉冲变压器在稳态工作时,磁感应B沿磁滞回线在+Bm至-Bm之间交替磁化,所以应选择Bm小于Bs,使磁芯不饱和。
工程上,一般选择工作磁感应强度Bm≤Bs/3。因为磁芯在合闸启动时,有可能第一个周期的磁感应幅值的最大值Bm a x将是2倍的Bm和剩磁感应Br之和,即Bmax=2Bm+Br。故只要满足2Bm≤Bs-Br,磁芯在合闸启动时便不会发生饱和。这样可减小励磁电流,降低损耗,从而降低了温升,但却将以体积的增大为代价[2]。
2)J的确定
电流密度是描述单位面积导线上流过电流大小的量。在一般的设计中,J是由人们选取的,J取得大,漆包线细,铜阻大,于温升和电压的调整率均不利,但用铜少;J取得小,情况相反。因此J的选取为:在保证电指标前提下取较大值,以降低成本。一般不超过600A/cm2。
3)PT的确定
视在功率PT随线路结构不同而不同[3]。
式中,P0、Pi分别为变压器原、幅边的输入及输出功率(w);η是变压器的工作效率。
磁芯确定以后,便可根据公式(6)、(11)、(13)等确定变压器的原副边匝数及绕组裸线面积,并最终核正其窗口面积是否合理。
4 2.5kW高频变压器的设计
采用全波整流输出的开关电源,其输入电压为交流2 2 0 V,变换器工作频率为fs=1 0 0 k H z,输出电压U0=50V,电流I0=50A。那么,假设变压器的效率为η=8 0%,工作磁场强度取Bm=0.1 2 T,电流密度取J=350A/cm2,K0=0.4,那么
考虑到磁芯的温升及工作频率,取EE型磁芯87×4 3×2 8(m m),则A P=6 3.5 8 c m 4,Ae=8 1 2 m m 2,Aw=7 8 3 m m 2;
因此,在220V±20%市电中,最低交流输入电压有效值是176V,经整流后其值为
为了防止共同导通,取占空比Dmax=0.45,从而,初级绕组匝数为:
故取Np=6匝，那么初级绕组电流
初级绕组裸线面积
次级绕组匝数
故取Ns=2匝,从而带中心抽头的次级绕组的匝数2 Ns=4匝。
由于次级绕组带中心抽头,故次级绕组电流
那么次级绕组裸线面积
考虑到趋附效应的影响,实际一般选用的导线为多股漆包线并绕,或者选用铜排。变压器的工作频率为1 0 0 k H z,在此频率下,铜导线的穿透深度为Δ=0.21mm,因此绕组应选用线径小于0.42mm的铜导线。这里原边采用一根7股线径为0.32mm的漆包线胶合而成的多股线6根并绕6匝,副边采用一根7股线径为0.32mm的漆包线胶合而成的多股线20根并绕2匝,原副边采用分层交叉绕法。
5 实验结果
如图5,图6所示。实验表明,上述方法简单易行,且变压器没有出现偏磁及饱和现象。
6 结束语
高频开关电源变压器的设计,是一个实践性很强的课题,因此只有在不断的实践中才能使设计趋于完美。本文设计的2.5 k W高频变压器在实际电路中得以验证,设计方案正确可行,且未出现偏磁及饱和的现象。
参考文献
[1]贝冠祺.小功率电源变压器实用设计制作和修理[M].北京:人们邮电出版社,1995
[2]张卫平.绿色电源——现代电能变换技术及应用[M].北京:科学出版社,2001
高频开关电路 篇7
一、高频开关电源系统概述
高频开关电源系统由监控系统、蓄电池组、直流屏、整流模块和交流屏组成[1]。监控系统主要是实时监测三相交流供电状态、蓄电池组和整流模块的整流、电流、电压模块运行状态等, 并且通过RS485、RS232等接口实现遥调、遥控、遥测和遥信;蓄电池组是重要的储能设备, 即使在失压状态下, 也可保障负载供电;直流屏也称为直流配电单元, 主要包括直流输出接口;整流模块主要是实现交流电和直流电的转换, 其能够并联运行、自主工作, 实现电源系统平滑扩容;交流屏也称为交流配电单元, 主要是提供交流电源。
二、高频开关电源系统的运行维护措施
2.1充电装置的运行维护
工作人员每天都要仔细检查充电装置的状态, 主要包括直流母线正负对地的绝缘性能是否达标, 直流输出电流值和电压值、交流输入电压值等显示是否正常, 运行噪声和保护信号是否有异常, 三相交流输入电流是否缺相或者平衡等[2]。一旦发现问题, 及时采取有效措施进行处理。充电装置完成检修后, 要进行耐压或者绝缘性试验, 注意将充电装置电子元器件的硅整流元件和控制板短接或者断开。
2.2微机监控器的运行维护
微机监控器在运行过程中, 如果出现控制不灵的问题, 工作人员可重新整定或者重新修改程序, 合理设置微机监控器的运行方式, 通过手动操作, 将微机监控器调整到标准运行方式, 在退出运行后, 由专业的检修人员对微机监控器进行运行维护, 然后再投入运行。
2.3蓄电池的运行维护
(1) 加强管理。高频开关电源系统蓄电池组在投运之前, 要进行人工和浮充放电, 在长期使用过程中, 蓄电池组电解液的单体电压、内阻、比重、液面等会发生变化, 为了保持蓄电池组的均衡性, 在使用3个月后, 要及时对蓄电池均衡充电, 适当提高蓄电池充电电压。
(2) 蓄电池组容量试验。对检修后或者新安装的蓄电池组节进行容量试验。当前, 高频开关电源系统多采用阀控式蓄电池组, 对于长时间运行的阀控式蓄电池组, 每年定期对蓄电池徐进行核对性放电试验。如果蓄电池组进行3次核对性充电后, 容量不足额定容量的80%, 说明该蓄电池组已经不适合使用, 应立即进行更换。
(3) 做好月度维护。高频开关电源系统应合理、正确设置蓄电池参数, 充分发挥高频开关电源系统对蓄电池组状态的自动化监控作用。在蓄电池组运行过程中, 工作人员要注意检查蓄电池组的外观, 及时清除蓄电池组外观上杂物, 避免产生接地故障或者端子短路, 如果蓄电池外壳出现变形、渗漏或者破损, 要及时更换。同时, 注意检查蓄电池端子是否发生损害或者弯曲, 安全阀和极柱周围是否出现酸雾, 一旦发生一些现象, 要立即更换蓄电池组。并且仔细测量环境温度和浮充充电电压, 做好记录。另外, 保持蓄电池组周围环境的通风、干燥、平整和干净, 远离易产生火花和热源位置, 保持0.5m以上的安全距离, 各个单节电池应保持10mm间距[3], 保持15~22摄氏度的环境温度, 便于蓄电池组的散热。
2.4做好应急处理
结合高频开关电源系统的常见故障, 做好应急处理, 保障正常供电。结合高频开关电源系统的结构设计要求, 各个整流模块可独立运行, 当电源全部损坏, 可由其他模块代替运行, 在无监控单元作用下, 整流模块可直接对负载和蓄电池供电, 避免蓄电池由于过电发生损坏。
2.5定期进行数据分析
在日常工作中, 除了注意观察高频开关电源系统的运行参数外, 要定期进行数据分析, 及时发现电源系统的故障隐患, 做好故障预防措施, 提高高频开关电源系统的运行维护水平。
三、结束语
为了保障高频开关电源系统的安全、可靠运行, 必须要重视电源系统的运行维护, 采取有效措施, 使高频开关电源系统的运行维护制度化和专业化, 不断提高运行维护水平。
摘要：高频开关电源系统是电力系统中重要的设备, 其运行状态对于整个电网供电的连续性和稳定性有着直接的影响, 因此必须做好高频开关电源系统的运行维护, 积极采取有效措施, 提高高频开关电源系统的使用寿命和可靠性, 确保电网安全、稳定运行。本文简要介绍了高频开关电源系统, 分析了高频开关电源系统的运行维护措施。
关键词：高频开关,电源系统,运行维护,措施
参考文献
[1]李冠军.高频开关电源系统的运行维护[J].大众用电, 2012, 08:23-24.
[2]徐生昶.高频开关电源系统的双母线运行方式[J].电力系统通信, 2010, 07:1-3+15.