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開關電源的設計與實現范文第1篇

關鍵字： 開關電源； 模糊PID控制； DSP； 電源控制算法

中圖分類號： TN79?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）21?0149?03

Design and control algorithm of switching power supply with DSP digital control

ZHANG Guo?long， ZHENG Chen?yao

（Detachment 93， Unit 91388 of PLA， Zhanjiang 524022， China）

Abstract： A technology of DSP digital processing combined with fuzzy PID control is proposed in this paper， and ?an intelligent switching power with fast response and high efficiency was designed to make the switching power supply be small， intelligent， etc. Through the cooperation of the external EMI filtering circuit， optical isolation and protection circuit， the power grid pollution caused by switching power supply was solved， this switching power supply which may be damaged by temperature and other uncertain factors was protected. This control algorithm of switching power supply is advanced， its design is reasonable and it has strong reference value for engineering application.

Keywords： switching power supply； fuzzy PID control； DSP； power supply control algorithm

近年來，隨著電力電子技術高速發展，開關電源得到廣泛應用，普通模擬開關電源逐漸顯示出其不足之處：采用模擬器件會導致元器件比較多，分散性大，穩定性差；設計缺乏靈活性，不便于修改，調試不方便，控制不靈活，無法實現復雜的控制算法。為設計出更精確、響應速度更快、效率更高、體積更小的開關電源，開關電源設計人員采用數字化電路與開關電源相結合來設計數字化開關電源。以DSP系統為基礎的開關電源電路簡單，結構緊湊，性能卓越，功能齊全。DSP系統具有較高的計算與控制能力，利用DSP進行A/D轉換后進行運算，可以有效抑制或消除各個功能模塊間相互干擾，提高開關電源輸出電壓的穩定性和精度。本文將重點分析和討論利用DSP系統設計開關電源的實現方法和控制算法。

1 基于DSP控制的實現方法

DSP系統已廣泛應用于開關電源控制電路，是開關電源的控制核心電路，可以有效利用DSP系統的高速性、可編程性、可靠性等特點，結合相應算法實現特定功能，可為開關電源輸出質量好、頻率和幅值可以任意改變的控制信號。圖1為采用DSP系統的控制電路開關變頻電源基本控制硬件框圖。

圖1 開關變頻電源基本控制硬件框圖

開關電源采用高頻SPWM技術和普通電壓逆變電路，DSP系統與IGBT功率模塊構成全數字控制電路。輸出的電壓和電感電流經過網絡轉換成DSP所需要的電平，連接至DSP的A/D單元進行模數變換；控制輸入單元輸入需要的電壓值及頻率值，從而得到逆變電路的基準電壓。

DSP系統經過特點算法進行相關計算后會產生一定死區的控制信號。由于輸出的數字PWM控制信號不足以驅動IGBT開關管，需要經過驅動電路對開關管進行驅動。DSP芯片具有較高的采樣速度和運算速度，可以快速地進行各種復雜的運算對電源進行控制，可以實現較高的動態性能和穩壓精度。為了有效保護開關電源器件，防止出現過壓、欠壓、過載等情況，系統專門設計了保護電路，一旦出現故障，DSP控制系統封鎖PWM脈沖控制信號，切斷開關電源電壓輸出。

2 開關電源基本控制算法

2.1 PID控制

開關電源的數字化控制需要進行一定的控制算法來產生控制信號，實現控制規律。數字開關電源控制最初是借鑒模擬控制原理，通過數字化實現模擬控制信號。PID算法在數字控制中應用比較廣泛，它具有原理簡單、易于實現、適用面廣、控制參數相互獨立、參數的選定比較簡單等優點。

PID控制是應用最廣泛的控制規律。圖2為常規PID控制原理圖，系統由PID控制器與被控對象組成。PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值[r（t）]與實際輸出值[y（t）]構成的控制偏差[e（t）]來計算：

[e（t）=r（t）-y（t）] （1）

將偏差的比例[P、]積分[I]和微分[D]通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。其控制規律為：

[u（t）=KPe（t）+1TI0te（t）+TDde（t）dt] （2）

或寫成傳遞函數的形式：

[G（s）=U（s）E（s）=KP1+1TIS+TDS] （3）

式中：[Kp]為比例系數；[TI]為積分時間常數；[TD]為微分時間常數。

圖2 PID控制框圖

數字PID控制是一種采樣控制，它只能根據采用時刻的偏差值計算控制量。因此，連續域PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。數字PID控制算法又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，還有一些微分先行法和帶死區的PID控制算法等。

2.2 模糊PID控制算法

目前，開關電源的各種應用場合對電源的動態性能提出了越來越高的要求，其中電壓超調與恢復時間是重要指標。負載的變化或者輸入電壓的變化引起輸出電壓變化，而輸出電壓值取決于濾波器和控制策略。由于開關變換器為一個時變、非線性系統，無法建立精確的數字模型。而模糊PID控制算法的優點在于不需要建立準確的變換器數字模型，非常適合DC?DC變換器的強非線性。自適應的模糊控制可以保證控制系統的信號穩定性。

模糊控制器是以誤差量化因子[e]和誤差變化率量化因子[ec]作為輸入，利用模糊控制規律自整定找出PID控制器三參數[KP，][KI，][KD]與和之間的模糊關系。模糊PID控制原理框圖如圖3所示。

圖3 模糊控制原理框圖

取[e]和[ec]為輸入語言變量，每個語言變量取“大、中、小”三個詞匯來描述輸入輸出變量的狀態。模糊推理的模糊規則一般形式為：

If [e=Ai]and [ec=Bj]then[Δu=Ci]

其中[Ai，][Bj，][Ci]為其理論上的語言值。

上述規則可以用一個模糊關系矩陣來描述：

[R=i，jAi×Bj×Ci]

根據各模糊子集的隸屬度幅值表和各參數模糊控制規則，應用模糊合成推理設計PID參數的模糊矩陣得到[KP，][KI，][KD]參數調整算式如下：

[KP=K′P+ei，ecj×KuP]

[KI=K′I+ei，ecj×KuI] （4）

[KD=K′D+ei，ecj×KuD]

式中：[KP，][KI，][KD]是PID控制參數，[{e，ec}]是誤差[e]和誤差變化率[ec]對應控制表中的值，它需要查控制表得到。[KuP，][KuI，][KuD]作為修正系統，在控制過程中，控制系統通過對模糊邏輯規則的結果處理、查表和運算，完成PID參數的在線自校正。

3 系統硬件及關鍵點設計

3.1 硬件主體

本文設計的開關電源主要是將開關電源優良特性和DSP系統精細化控制相結合。開關電源采用反激式拓撲結構，包括EMI濾波電路、整流/直流平波電路、控制器、信號采樣、PWM驅動、鍵盤及顯示部件組成，力求使開關電源具有高效低耗、便攜化、負載輸出穩定、電路保護可靠、電網寬電壓輸入、電網污染小等特點。圖4為硬件系統主體設計示意圖。

圖4 系統主體設計示意圖

3.2 輸出電壓檢測隔離設計

開關電源輸出電壓檢測過程中對控制電路的隔離保護是非常必要的，這樣不僅可以實現控制電路的安全工作，而且避免了將輸出電路的噪聲引入控制電路中。電壓檢測電路與控制電路隔離保護采用光耦合器進行隔離，它由發光二極管LED、輸出光電二極管PD組成。光耦合器在開關電源的主振回路與輸出采樣之間進行電氣隔離，并為電源穩壓控制電路提供信號通路。

3.3 EMI濾波器設計

開關電源在正常工作時會產生傳導噪聲和輻射噪聲，毫無疑問噪聲主要產生于電源開關過程。開關過程中包含了最大的功率以及最大的電壓變化率dV/dt，同時也包括了最高頻率成分。噪聲的存在將污染電力線路，影響周圍精密電子儀器的運行，比如設計濾波器。EMI濾波器是一種由電感、電容組成的低通濾波器，它允許直流或者工頻信號通過，對頻率較高的其他信號有較大的衰減作用。圖5為EMI濾波模型，濾波器的基本結構就是一個分離的二階LC濾波器，其取值原則就是在最小的體積下可以獲得期望的抑制效果。在濾波器模型中還有一個額外的高頻LC濾波器；高頻濾波器當寄生參數使得前面的LC濾波器性能變差時，用來抑制這些高頻噪聲。

圖5 EMI濾波器模型

3.4 高溫保護電路

開關電源在設計中由于轉換效率不同，將部分能量以熱量輻射。溫度升高將影響系統正常工作甚至產生人身危險，為了保證系統安全，開關電源工作時溫度需要實時監控。圖6為溫度采集電路部分電路圖。當系統檢測到溫度過高時，控制模塊立即關斷開關電源輸出，待系統溫度達到工作溫度范圍后開始繼續工作。

圖6 溫度采集電路

4 開關電源性能分析

本文采用反激式開關電源和模糊PID控制算法進行仿真。反激式開關電源的等效模型傳遞函數為：

[U（S）d（s）=K1s+K2B1s2+B2s+B3] （5）

式中：[K1，][K2，][B1，][B2，][B3]為系統比例系數，由開關電源電器元件參數決定。

模糊PID控制器由系統誤差[e]和誤差變化率[ec]為輸入，通過不同時刻的[e]和[ec]值，利用模糊控制規則在線對PID控制器參數[KP，][KI，][KD]參數進行修改。模糊PID控制系統組成如圖7，圖8所示，階躍響應曲線如圖9所示。

圖7 模糊控制PID控制系統組成

圖8 誤差[e]和誤差變化率[ec]的隸屬函數

本設計開關電源把DSP完美融入到開關電源設計中，充分利用了DSP系統快速運算能力，采用模糊控制算法使開關電源控制智能化，電源快速達到穩定輸出，提高了抗負載擾動能力。

圖9 系統階躍響應

5 結 論

本系統將DSP作為開關電源控制單元，應用模糊PID控制算法，使開關電源和DSP系統完美配合工作。利用了DSP快速處理能力特點產生開關電源PWM控制信號，對開關電源輸出進行精確控制，提高了開關電源輸出精度和轉換效率，使開關電源控制實現智能化；能夠按照負載情況進行實時修正，使電源達到快速穩定輸出；同時利用DSP資源設計完成開關電源顯控單元及保護模塊，提高了開關電源操作性和安全性。

參考文獻

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[4] 許邦建，唐濤.DSP處理器算法概論[M].北京：國防工業出版社，2012.

開關電源的設計與實現范文第2篇

基于小功率直流傳動系統要求驅動電源輸出穩定、抗干擾強的特點，設計了一種多路輸出型的單端反激式開關電源。主電路采用多路輸出單端反激式變換器結構，并采用軟啟動回路，防止負載電流或電源輸入電流的大電流損壞開關電源，同時設計了過壓、欠壓等保護等輔助電路，完整地構建了開關電源的電路系統。

【關鍵詞】開關電源 驅動系統 反激式

1 引言

工業應用中，經常需要對小功率的直流電機進行精確控制，為保證傳動系統的精確定位和傳送，提高產品質量或電動機車運行的平順性。為滿足此技術要求，一方面需要對電機實現一定的控制算法，另一方面要求電機驅動電源輸出平穩、能耗低、抗干擾能力強。傳統的開關電源由于效率低、損耗大、可靠性差而難以勝任。目前，國外的開關電源研制技術較為成熟，并主要應用于工業和軍事上。德國西門子，美國GE和日本的一些公司都已經具備比較成熟的研制大功率開關電源的技術并已經實現產品化。開關電源在我國郵電通信部門以及其它領域，受到及其廣泛的應用，其中幾十到幾百千瓦的大電流、高功率的開關電源成為現代工業，國防事業以及大型科研項目的寵兒。開關電源技術不斷的發展，具體發展趨勢為高頻化、非隔離DC/DC技術、數字化、安全性能完善以及低噪聲、綠色無污染和智能化。

2 開關電源組成與設計

開關電源由輸入電路、有源調整、功率變換、輸出電路、控制電路和頻率振蕩發生器六大部分組成：其中開關電源的核心部分是DC/DC變換器，用以進行功率轉換，另外還有啟動電路、過流與過壓保護電路、噪聲濾波電路等。

反激式開關電源廣泛用于中小功率變換場合，且具有電路簡單、成本低、輸入輸出電氣隔離、穩壓范圍寬、易于多路輸出等優點。反激式變換器有三種模式：一種是在電流斷續模式下，導通期間儲存在一次繞組的能量，在下個周期開始前從一次繞組傳遞到次級繞組和負載上；一種是在電流臨界連續模式下，在下一個周期開始時，次級的電流歸零，這是一種無死區時間的臨界狀態；另一種是在電流連續模式下，次級仍然有剩余的能量，次級電流沒有回零。

2.1 輸入回路設計

開關電源輸入回路包括低通濾波和橋式整流濾波兩大部分。低通濾波回路是開關電源輸入的“大門”，它具有防止輸入電源的噪聲干擾，還抑制了浪涌電壓、尖峰電壓的進入；同時阻止、限制開關電源所產生的噪聲。整流濾波電路主要由整流橋加電容來完成，整流二極管最好選用導通壓降（VF）小的二極管，這樣可以減少二極管上的損耗，提高電路效率，電容則是一大一小的兩個電容，大的為工頻濾波，小的電容則用來吸收高頻紋波的干擾。

整流濾波回路：開關電源一般采用電容輸入型整流濾波回路，整流的方式為全波橋式整流。結合兩種輸入回路的優缺點，輸入回路電路如圖1所示。

2.2 驅動回路設計

開關電源功率晶體管有兩種驅動方式，一種是直接驅動，另一種是隔離驅動。直接驅動有單管基極驅動、推挽驅動和抗飽和驅動。單管基極驅動適用于對工作速度要求不高或電源功率不大的情況。抗飽和驅動則是在推挽驅動的基礎上增加了鉗位二極管和穩壓二極管，提高了電路的工作速度，也為沖擊峰值電壓起到了分壓保護的作用，如圖2所示。

2.3 保護及軟起動回路的設計

過流包括電源負載超出規定值和電源輸出線路出現零負載，即短路。過壓保護的主要的任務是保護負載，其次是保護開關功率管。一般采取的措施是振蕩電路停振，關閉驅動脈沖。所以在過壓保護動作后，要再次啟動電源工作時，必須斷開電源才能恢復正常工作。開關電源最簡單的過壓保護措施是在輸入電路中并聯壓敏電阻。在過壓保護中，采用的是穩壓二極管，選用穩壓二極管應性能穩定、電壓漂移非常小的產品，以防止穩壓二極管電流隨著溫度的變化而變化。開關電源的主要熱源是開關功率晶體管、高頻變壓器、整流輸出二極管以及濾波用的電解電容。為了防止開關電源過熱而發生損壞，選擇元器件時應該選用高溫特性較好的器件，同時在開關電源設計過程中應有過熱保護電路。

圖3為保護電路，其中R7是電流取樣電壓，變壓器原邊電感電流流經該電阻產生的電壓經濾波后送入UC3844的引腳3，再輸入到電流比較器。引腳3和電流比較器構成了電流閉環控制。當開關管出現過流現象時，電阻R7上測得的過電流信號，輸送到電流測定比較器的同相輸入端，只要R7上的電壓達到1V，電流測定比較器動作，通過PWM鎖存器使得開關管關斷，實現了過電流保護。

基于UC3844芯片設計的開關電源總體電路圖，其中主電路采用單端反激式變換器結構，開關電源輸入回路則采用整流濾波回路以得到直流電壓，并利用軟啟動回路，防止負載電流或電源輸入電流產生的大電流損壞開關電源。

3 總結

本文主要針對直流調速系統中，作為小功率控制電機，要求驅動電源輸出穩定的特點，分析了開關電源的基本組成以及工作方式，結合設計的各項要求，綜合考慮了開關電源控制電路、反饋電路以及保護電路等方面的設計。

參考文獻

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開關電源的設計與實現范文第3篇

關鍵詞： 開關電源；數字控制；單片機

中圖分類號：TM44 文獻標識碼：A 文章編號：1671－7597（2012）0210075－01

0 引言

直流穩壓電源已廣泛地應用于許多工業領域中。在工業生產中（如電焊、電鍍或直流電機的調速等），需要用到大量的電壓可調的直流電源，他們一般都要求有可以方便的調節電壓輸出的直流供電電源。目前，由于開關電源效率高，小型化等優點，傳統的線性穩壓電源、晶閘管穩壓電源逐步被直流開關穩壓電源所取代。開關電源主要的控制方式是采用脈寬調制集成電路輸出PWM脈沖，采用模擬PID調節器進行脈寬調制，這種控制方式，存在一定的誤差，而且電路比較復雜。本文設計了一種以ST公司的高性能單片機μpsd3354為控制核心的輸出電壓大范圍連續可調的功率開關電源，由單片機直接產生PWM波，對開關電源的主電路執行數字控制，電路簡單，功能強大。

1 功率直流電源系統原理與整體設計

1.1 系統原理。本功率直流電源系統由開關電源的主電路和控制電路兩部分組成，主電路主要處理電能，控制電路主要處理電信號，采用負反饋構成一個自動控制系統。開關電源采用PWM控制方式，通過給定量和反饋量的比較得到偏差，并通過數字PID調節器控制PWM輸出，從而控制開關電源的輸出。

1.2 系統整體設計。系統硬件部分由輸入輸出整流濾波電路、功率變換部分、驅動電路、單片機系統和輔助電路等幾部分組成。

當50Hz、220V的交流電經電網濾波器消除來自電網的干擾，然后進入到輸入整流濾波器進行整流濾波，變換成直流電壓信號。該直流信號通過功率變換電路轉化成高頻交流信號，高頻交流信號再經輸出整流濾波電路轉化成直流電壓輸出。控制電路采用PWM脈寬調制方式，由單片機產生的脈寬可調的PWM控制信號經驅動電路處理后，驅動功率變換電路工作。 利用單片機高速ADC轉換通道定時采集輸出電壓，并與期望值比較，根據其誤差進行PID調節。電壓采集電路實現了直流電壓V0的采集，并使其與A/D轉換器的模擬輸入電壓范圍匹配，在開關電源發生過壓、過流和短路故障時，保護電路對電源和負載起保護作用。輔助電源為控制電路、驅動電路等提供直流電源。

2 開關電源主電路設計

開關電源主電路是用來完成DC-AC-DC的轉換，系統主電路采用全橋型DC-DC變換器，本系統采用的功率開關器件是EUPEC公司的BSM 50GB120DN2系列的IGBT模塊，每個模塊是一個半橋結構，故在全橋系統中，需要兩個模塊。每個模塊內嵌入一個快速續流二極管。

3 控制電路硬件設計

3.1 控制電路結構框圖。功率直流電源的控制電路采用ST 公司的μpsd3354單片機為核心。控制電路主要完成如下功能：電壓采集、A/D轉換、閉環調節、PWM信號產生，IGBT驅動與保護、鍵盤輸入和輸出電壓顯示等功能。控制電路主要包括：單片機系統、電壓采集電路、IGBT驅動電路和鍵盤、顯示電路等。系統通過PWM輸出控制功率轉換開關的導通與關斷時間，完成對輸出電壓的穩定控制，通過A/D轉換完成對開關電源輸出電壓的采樣，同時采用電壓閉環控制，開關電源工作時，根據期望值與電壓反饋值的偏差，由單片機實現對PWM占空比進行PID調節。

3.2 IGBT驅動電路設計。為了精確控制開關電路的電壓輸出，本系統采用脈寬調制方式調節開關管的工作狀態。根據電壓控制算法（可采用改進的PID控制算法）設置單片機產生不同占空比的方波信號，經過光電耦合器控制開關器件，調整電路輸出設定的電壓值。要使IGBT正常工作，合適的驅動是至關重要的。驅動電路的任務是將控制電路發出的信號轉換為加在電力電子器件控制端和公共端之間、可以使其開通或關斷的信號。同時驅動電路通常還具有電氣隔離及電力電子器件的保護等功能。

3.3 傳感器輸入通道與A/D轉換。系統通過電壓傳感器采集電壓信號，經過A/D轉換被單片機接收。本系統采用CHV系列霍爾電壓傳感器采集電壓，采用μpsd3354單片機內部的A/D轉換器進行模數轉換，線路連接簡單，精度最大為5mV。基本能滿足控制要求。

3.4 鍵盤和顯示電路。功率直流電源的鍵盤和顯示電路部分都裝在操作面板上，由單片機控制。本系統采用自制4×4矩陣鍵盤，以單片機的PB4～PB7做輸出線，PB0～PB3做輸入線。顯示部分采用動態數碼顯示，以專用的數碼管顯示驅動芯片MAX7219進行驅動。

4 系統軟件設計

系統軟件主要由主程序和中斷服務程序組成，主要用來實現以下功能：鍵盤掃描、數碼顯示、A/D轉換、數字PID調節和PWM波形產生等。鍵盤掃描和數碼顯示這里不作介紹，本設計主要是采用軟件方式來實現功率直流電源的數字控制。

4.1 主程序設計。主流程在完成各種變量和I/O初始化后，可以輸入期望電壓值并存入寄存器，當按下啟動按鈕后，啟動電源系統，這里設定啟動時，使PWM輸出占空比為最小值，即0.1％。啟動后，調用A/D轉換子程序并讀入鍵值，將反饋電壓值與給定電壓值相比較后，調用PID調節運算，更新驅動波形的占空比，然后調用PWM產生子程序輸出PWM信號，并通過顯示子程序顯示輸出電壓。

4.2 A/D轉換部分子程序。直接利用單片機10位ADC口，A/D轉換部分程序比較簡單，程序只要完成如下功能：選擇模擬輸入通道，并預制分頻數；配置控制寄存器ACON；讀取A/D轉換后的數值，返還ADTA0、ADTA1中的數據。

4.3 PID調節子程序。PID調節由單片機來實現，單片機對給定信號與反饋信號相減得到的誤差來計算調整量，用以控制開關的占空比。算法中，做了一點修正，當偏差與積分符號相反時，積分清零。因為若符號相反，說明積分項起了反作用，故把積分項清零。

5 結束語

本系統將開關電源與單片機系統結合起來，設計了一種輸出電壓連續可調的功率開關電源。該電源精度高，電路簡單，操作靈活，具有良好的應用前景。單片機控制直流電源符合電力電子新技術產品向“四化”方向發展的要求，即應用技術的高頻化、硬件結構的模塊化、軟件控制的數字化、產品性能的綠色化。

參考文獻：

[1]PressmanA，開關電源設計二版[M].王志強譯，北京：電子工業出版社，2005.

開關電源的設計與實現范文第4篇

關鍵詞: 電力電子技術; 高頻開關電源; 功率半導體器件; 功率變換

中圖分類號：F407.61 文獻標識碼：A 文章編號：

1 電力電子技術概述

電力電子技術以功率處理為對象，以實現高效率用電和高品質用電為目標，通過采用電力半導體器件，并綜合自動控制計算機(微處理器)技術和電磁技術，實現電能的獲取、傳輸、變換和利用。電力電子技術包括功率半導體器件與IC技術、功率變換技術及控制技術等幾個方面。

電力電子技術起始于20世紀50年代末60年代初的硅整流器件，其發展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。70年代后期以門極可關斷晶閘管（GTO），電力雙極型晶體管（BJT），電力場效應管（P-MOSFET）為代表的全控型器件全速發展，使電力電子技術的面貌煥然一新進入了新的發展階段。80年代末期和90年代初期發展起來的、以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復合型器件集驅動功率小，開關速度快，通泰壓降小，載流能力大于一身，性能優越使之成為現代電力電子技術的主導器件。

2高頻開關電源概述

高頻開關電源是交流輸入直流整流，然后經過功率開關器件（功率晶體管、MOS管、IGBT等）構成放入逆變電路，將高壓直流（單相整流約300V，三相整流約500V）變換成方波（頻率為20kHz）。高頻方波經高頻變壓器降壓得到低壓的高頻方波，再經整流濾波得到穩定電壓的直流輸出。

高頻開關電源的特點[1]：

1、重量輕，體積小

由于采用高頻技術，去掉了工頻（50Hz）變壓器，與相控整流器相比較，在輸出同等功率的情況下，開關電源的體積只是相控整流器的1/10，重量也接近1/10。

2、功率因數高

相控整流器的功率因數隨可控硅導通角的變化而變化，一般在全導通時，可接近0.7，以上，而小負裁時，但為0.3左右。經過校正的開關電源功率因數一般在0.93以上，并且基本不受負載變化的影響。

3、可聞噪聲低

在相控整流設備中，工頻變壓器及濾波電感作時產生的可聞噪聲大，一般大于60db，而開關電源在無風扇的情況下可聞噪聲僅為45db左右。

4、效率高

開關電源采用的功率器件一般功耗較小，帶功率因數補償的開關電源其整機效率可達88%以上，較好的可以做到92%以上。

5、沖擊電流小

開機沖擊電流可限制在額定輸入電流的水平。

6、模快式結構

由于體積小，重量輕，可設計為模塊式結構。

3電力電子技術在大功率開關電源中的應用

3.1功率半導體器件

功率半導體器件的發展是高頻開關電源技術的重要支撐。功率MOSFET和IGB的出現，使開關電源高頻化的實現成為可能；超快恢復功率二極管和MOSFET同步整流技術的開發，為研制高效率或低電壓輸出的開關電源創造了條件；功率半導體器件的額定電壓和額定電流不斷增大，為實現單機電源模塊的大電流和高率提供了保證。

（1）功率MOSFET

功率MOSFET是一種單極型（只有電子或空穴作但單一導電機構）電壓控制半導體元件[8]，其特點是控制極（柵極）靜態內阻極高，驅動功率很小，開關速度高，無二次擊穿，安全區寬等。開關頻率可高達500kHz,特別適合高頻化的電力電子裝置。

（2）絕緣柵雙極晶體管IGBT

絕緣柵雙極晶體管IGBT是一種雙（導通）機制復合器件，它的輸入控制部分為MOSFET，輸出極為GTR，集中了MOSFET及GTR分別具有的優點[2]：高輸入阻抗，可采用邏輯電平來直接驅動，實現電壓控制，開關速度高，飽和壓降低，電阻及損耗小，電流、電壓容量大，抗浪涌電流能力強，沒有二次擊穿現象，安全區寬等。

3.2軟開關技術

傳統大功率開關電源逆變主電路結構多采用PWM硬開關控制的全橋電路結構，功率開關器件在開關瞬間承受很大的電流和電壓應力，產生很大的開關損耗，且隨著頻率的提高而損耗增大。工作頻率在20kHz，采用IGBT功率器件的PWM硬開關控制的電源，功率器件開關損耗占總損耗的60%~70%，甚至更大[3]。為了消除或抑制電路的電壓尖峰和浪涌電流，一般增加緩沖電路，不僅使電路更加復雜，還將功率器件的開關損耗轉移到緩沖電路，而且緩沖電路的損耗隨著工作頻率的提高而增大。

軟開關技術利用諧振原理，使開關器件兩端的電壓或流過的電流呈區間性正弦變化，而且電壓、電流波形錯開，使開關器件實現接近零損耗。諧振參數中吸收了高頻變壓器的漏抗、電路中寄生電感和功率器件的寄生電容，可以消除高頻條件下的電壓尖峰和浪涌電流，極大地降低器件的開關應力，從而大大提高開關電源的效率和可靠性。

3.3同步整流技術

對于輸出低電壓、大電流的開關電源來講，進一步提高其效率的措施是在應用軟開關技術的基礎上，以功率MOS管反接作為整流用開關二極管，這種技術稱為同步整流（SR），用SR管代替肖特基二極管（SBD）可以降低整流管壓降，提高開關電源的效率。

現在的同步整流技術都在努力地實現ZVS及ZCS方式的同步整流。自從2002年美國銀河公司發表了ZVS同步整流技術之后，現在已經得到了廣泛應用[4]。這種方式的同步整流技術巧妙地將副邊驅動同步整流的脈沖信號與原邊PWM脈沖信號聯動起來，其上升沿超前于原邊PWM脈沖信號的上升沿，而降沿滯后的方法實現了同步整流MOSFET的ZVS方式工作。最新問世的雙輸出式P聯M控制IC幾乎都在控制邏輯內增加了對副邊實現ZVS同步整流的控制端子。這些IC不僅解決好初級側功率MOSFET的軟開關, 而且重點解決好副邊的ZVS方式的同步整流。用這幾款IC制作的DC/DC變換器, 總的轉換效率都達到了94%以上。

3.4控制技術

開關變換器具有強非線性、離散性、變結構的特點，負載性質也是多變的，因此主電路的性能必須滿足負載大范圍的變化，這使開關電源的控制方法和控制器的設計變得比較復雜。

電流型控制及多環控制在開關電源中得到了較廣泛的應用；電荷控制、單周期控制等技術使開關電源的動態性能有了很大的提高。一些新的方法，如自適應控制、模糊控制、神經網絡控制及各種調制方式在開關電源中的應用，已經引起關注。

隨著微電子技術的發展，微控制器的處理速度越來越快，集成度越來越高，將微控制器或者DSP應用到大功率開關電源的數字控制模塊已經成為現實。開關電源的高性能數字控制芯片的出現，推動了電源數字化的進程[5]。

數字控制可以實現精細的非線性算法，監控多部件的分布電源系統，減少產品測試的調整時間，使產品生產率更高。實時數字控制可以實現快速、靈活的控制設計，改善電路的瞬態響應性能，使之速度更快、精度更高、可靠性更強。

4 結束語

高頻開關電源作為電子設備中不可或缺的組成部分也在不斷地改進，高頻化、模塊、數字化、綠色化是其發展趨勢。高頻開關電源上述各技術的實現，將標志著開關電源技術的成熟。電力電子技術的不斷創新，將使開關電源產業有著廣闊的發展前景。

參考文獻

[1] 莫慧芳. 高頻開關電源發展概述. 電源世界, 2007（5）

[2] 賀益康, 潘再平. 電力電子技術. 科學出版社, 2010年第2版

[3]倪倩, 齊鉑金, 趙晶等. 軟開關全橋PWM主電路拓撲結構在逆變焊接電源中的應用. 自動化與儀表, 2002（1）

開關電源的設計與實現范文第5篇

1 引言

在發電廠和變電所中，為了給控制、信號、保護、自動裝置、事故照明和交流不停電電源等裝置供電，一般都要求有可靠的直流電源。為此，發電廠和110kV以上的變電所通常用蓄電池作為直流電源，但要求上述電源具有高度的可靠性和穩定性，并且其電源容量和電壓能在最嚴重的事故情況下保證用電設備的可靠工作。

另外，目前由于半導體功率器件、磁性材料等方面的原因，單個開關電源模塊的最大輸出功率只有上千瓦，而實際應用中往往需用幾十千瓦甚至幾百千瓦以上的開關電源為系統供電，因此，要通過電源模塊的并聯運行來實現。大功率電源系統需要采用若干臺開關電源并聯的形式，以滿足負載的功率要求。在并聯系統中，每個變換器應處理較小的功率以降低應力，還應采用冗余技術來提高系統的可靠性。電源并聯運行是電源產品模塊化、大容量化的一個有效方法，同時也是實現組合大功率電源系統的關鍵。

2 常用的均流方法

由于大功率電源負載需求的增加以及分布式電源系統的發展，開關電源并聯技術的重要性也日益增加。但是并聯的開關變換器在模塊間通常需要采用均流（Current sharing）措施。它是實現大功率電源系統的關鍵，其目的在于保證模塊間電源應力和熱應力的均勻分配，防止一臺或多臺模塊運行在電流極限（限流）狀態。因為并聯運行的各個模塊特性并不一致，外特性好（電壓調整率小）的模塊可承擔更多的電流，甚至過載，從而使某些外特性較差的模塊運行于輕載狀態，甚至基本上是空載運行。其結果必然加大了分擔電流多的模塊的熱應力，從而降低了可靠性。

    開關電源并聯系統常用的均流方法有：

（1）輸出阻抗法

（2）主從設置法

（3）按平均電流值自動均流法

（4）最大電流自動均流法（又叫自主均流法）。

直流模塊并聯的方案很多，但用于電力操作電源，都存在著這樣或者那樣的缺陷，其主要表現在：輸出阻抗法的均流精度太低；主從設置法和平均電流法都無法實現冗余技術，因而并聯電源模塊系統的可靠性得不到很好的保證；外加均流控制器法使系統變得過于復雜，不利于把這一技術轉化成實際的產品。而自主均流法以其均流精度高，動態響應好，可以實現冗余技術等特點，越來越受到產品開發人員的青睞。

所謂自主均流技術，就是在n個并聯模塊中，以輸出電流最大的模塊為主模塊，而以其余的模塊為從模塊。由于n個并聯模塊中，一般都沒有事先人為設定哪個模塊為主模塊，而是通過電流的大小自動排序，電流大的自然成為主模塊，“自主均流法”因此而得名。

3 220/10A整流模塊

筆者設計了一個220V/40A高頻開關電源，可用于發電廠、變電所、變電站等電力控制的直流屏系統。該設計方案采用4個220V/10A模塊并聯來實現模塊間的自主均流，從而為電力系統提供了一種重量更輕、體積更小、效率更高、安全性更好的整流模塊實現方案。由于篇幅所限，本文只介紹220V/10A整流模塊的實現方法。

高頻開關電源性能優于相控整流電源，它能否得到廣泛工業應用的關鍵是其可靠性，特別是當輸出直流電壓較高時應能可靠工作。除元器件及生產工藝等因素外，開關電源的可靠性主要取決于其主電路拓撲結構及控制方法。在設計該電源模塊時，筆者選用了可靠性很高的三相電流型PWM整流器來完成三相功率因數校正及移相全橋諧振拓撲，從而實現DC/DC轉換；PWM控制則采用電流型控制方法來實現。

3.1 三相PWM整流器

圖1所示是一種三相PWM整流器的主電路，該電路的每個橋臂均由2只IGBT和2只二極管組成。其中IGBT的驅動脈沖采用正弦PWM調制脈沖，這樣，輸入電流和輸出調制電壓Vd中就只含下式所示的諧波：

式中：Id為輸出電感中的電流；Vl為輸入線電壓有效值：P為0～60°區間內的脈沖數；M為調制系數，M=Uo/Um。

PWM整流器具有輸入功率因數高，輸入電流的低次諧波電流含量少，PWM調制脈沖易實現以及成本低等優點。

3.2 全橋DC/DC變換器

a.主電路拓撲

根據該高頻開關電源的輸出功率較大(220V、10A)且工作頻率較高(100kHz)等實際情況，筆者選用了全橋隔離式PWM變換器，圖2是其電路圖。

這種線路的優點有二：一是主變換器只需一個原邊繞組，通過正、反向電壓即可得到正、反向磁通，副邊繞組采用全橋全波整流輸出。因此變壓器鐵芯和繞組可得到最佳利用，從而使效率密度得到提高。二是功率開關可在非常安全的情況下運行。

b.控制與保護

DC/DC變換器采用峰值電流型PWM控制，并采用自主均流法實現多個模塊并聯運行時的均流控制。這種均流控制方法與電源模塊數目無關，且任意1個模塊發生故障或退出運行時，均不影響其它模塊的均流功能，從而真正實現了N+1冗余運行。

PWM脈沖寬度調制開關變換器的控制芯片采用UC3875移相專業控制芯片，該芯片主要應用于全橋變換器電路。它有電壓型和電流型控制模式可供選擇。UC3875具有限流、輸入過壓、輸出過壓、輸入欠壓等保護功能。自動均流電路采用以最大電流自動均流法為原理的集成均流芯片UC3907，應用UC3907可以調節電源模塊的電壓并實現并聯模塊間的均流。

    用于電力系統中的高頻開關電源可滿足的技術指標如下：

輸入交流電壓：380V；

紋波系數：≤0.5%；

電網頻率：50Hz；

功率因數：≥0.9；

輸出直流電壓：220V；

穩壓精度：≤0.5%；

模塊輸出電流：10A；

穩流精度：≤0.5%；

整機輸出電流：40A

均流不平衡度：≤0.5%。