开关电源原理范文第1篇
1 开关电源的技术要求
输入电压:交流三相380±10%, 50Hz。
输出电压:额定直流220V, 调节范围160V~280V。
输出电流:最大10A。
输出纹波:纹波系数不大于0.5%。
工作温度:0~40℃。
2 主电路设计
2.1 主电路的选型
开关电源的电路结构众多, 有正激型、反激型、半桥型和全桥型, 一般来说 (1W~100W) 宜采用反激型电路, 100W以上应采用正激型, 500W以上采用半桥型和全桥型较为合理, 而成本要求较严采用半桥型, 功率很大则选择全桥型。该电源最大输出功率为10×280W=2800W, 属于功率较大的开关电源, 因此应选取全桥型电路;输出电压最高为280V, 考虑到二极管的耐压, 变压器二次侧应采用全桥型整流电路。
2.2 变压器的设计
变压器设计的核心参数有电压比, 铁心的选取、供组匝数, 以及导体的截面积。
(1) 电压比K T。电压比可按进行计算, Vimin为输入直流电压最小值, 一般情况下可取输入电压的1.2倍, 本例中为440V, 而Dmax为最大占空比, 这与控制电路有关, 此处我们暂选为0.9, Vomax为输出电原主的最大值280V。由此, KT≤1.4。
(2) 铁心的选取。铁心的选取可利用公式, PT为变压器的传输的功率, 取2800W, fs为开关频率取50kHz, △B为铁心材料所允许的最大磁通密谋的变化范围, 如果我们选用是铁氧体材料, △B应为0.2T, dc为绕组导体电流密度, 以铜制导线为4A/mm2, 即4×106A/m2, 代入以上参数得, AeAw≥1.4×10-7m4, 而式中, Ae为铁心磁路截面积, Aw为铁心窗口面积, 根据计算值, 我们选取EE65, 那么其对应铁心截面积为Ae=3.8×10-4m2。
(3) 绕组匝数。绕组匝数我们根据公式可以很方便的算出N2的匝数N2=37匝, 又由KT≤1.4可算出N1=52匝。
(4) 绕组导体截面。由AC2==2.5mm2, 同样可根据电压比可算出AC1=1.8mm2。
2.3 输出滤波电路的设计
(1) 滤波电感的设计。
对于滤波电感, 首先要计算其中感值, 公式为
其中:为电感电流最大纹波峰峰值, 一般取最大输出电流的20%, 此处为2 A。
故:L=7×10-4H=0.7m H。
得到电感值以后, 我们可以利用公式采取与变压器铁蕊计算相同的方法来计算电感的铁芯以及绕组匝数。
通过计算AeAw≥1.28×10-7m4, 可以
选择铁芯型号为EE55b, 其Ae=3.57×10-4m2, A w=3.69×10-4m 2。
再利用公式计算绕组匝数至于Bmax可以 (0.2-0.3) T, 由此可得NL=72匝。
(2) 滤波电容的确定。
滤波电容是比较容易确定, 首先耐压值可以直接确定为400V左右, 其容量与负载大于2有关, 可利用来确定。
2.4 开关器件及二极管的设计
(1) 变压器二次侧整流二极管的设计。二极管所承受的反向电压最大值均为422V, 考虑二极管关断时会有过电压, 以及浪涌等因素, 因此二极管的耐压不低于600V流过二级管的平均电流为5A, 但由于电容的存在, 考虑过冲击电流等因素, 二极管允许流过电流的峰值应大于10A, 而二级管的损耗功率 (即发热功率) 在1KW以上这个值可估算, 但可尽管大些, 这样大的功率必须装散热器, 并需要强制风冷, 可选择DSEI30-06A二级管。
(2) 开关器件的设计。开关器件选取电力MOSFET, 其耐压值应大于输入电压整流后的峰值590V, 同样考虑过电压以及浪涌开关器件耐压取800以上。其流过开关器件的峰值电流为, 因而可选择耐压为800 V, 电流为15 A的1XFH15N80的MOSFET, 同样需装散热器。
3 成型电路
如图1。
4 设计经验总结
(1) 主电路的选型的关键, 在文中我们已有详细的区分。
(2) 对于一些参数的取值是模糊的经验值。如文中△B取0.2T, △取最大输出电流的20%, 绕组在铁心窗口中的填充因数KC取0.5以及二极管和开关器的耐压值估值等, 在设计过程虽然可以大胆引用, 但在不同选型的主电路要根据需修改, 才能更合乎要求。
摘要：本文通过一个大功率开关电源主电路的设计诠释了开关电源的建模和元器件的参数计算和选择以及成型, 并对部分模糊参数的取值范围进行了设定, 降低了设计难度。
关键词：开关电源,主电源
参考文献
[1] 朱左甫.电子变压器[M].电子科大出版社, 1994.
[2] 叶治政.开关稳压电源[M].高等教育出版社, 1990.
[3] 张占松.开关电源的原理与设计[M].电子工业出版社, 1998.
开关电源原理范文第2篇
[摘要]音频功率放大器对电源的要求比较特殊,一般电源很难满足要求,而电源的好坏又很大程度上决定的功率放大器的音效好坏,本文根据教学实验需要，分析了一种专门用于音频功率放大器的高频开关电源的设计方法，从而得出结论,认为高频开关电源是可以用于高保真音频功率放大器的。这使高频开关电源的应用领域扩展到了高保真音频功率放大器中,为以后的研究提供基本的理论基础。
[关键词]高频开关电源 电磁兼容 音频功率放大器 负载特性
一、引言
音频功率放大器主要由前置级、音调级、功率放大级3部分组成。前置级要求输入阻抗高、输出阻抗小、频带宽、噪声小；音调级对输入信号主要起到提升、衰减作用；功率放大级是音频功率放大器的主要部分，它决定输出功率的大小，要求输出效率高，输出功率大的特点。对整机的要求是失真小、噪声低，有较好的扩音效果。
通用的整流电源必须使用大容量变压器,这样才能保证相对较高的电气性能。但是，可想而知，这样电源系统的体积就会很大，相对笨重，成本也很高。一般的高保真音频功率放大器都是使用这种整流电源来供电的。
为了得到质量轻，体积小，成本低，而且电气特性优良的电源系统，我们首先想到了高频开关电源，因为高频的存在，使得用于变换的变压器体积小，质量轻。而现代电力电子技术的成熟也能保证开关电源有很好的电气特性。
众所周知，因为音频功率放大器要求电流变化的范围等因素的存在，一般通用的开关电源在音频功率放大器中表现欠佳，因此它在高保真音频功率放大器中没有获得广泛应用。所以开发音频功率放大器专用开关电源就很必要了。
通过对一系列的实验数据的分析我们发现，音频功率放大器对电源供电系统的要求很特殊。所以我们又分析了开关电源的特点，综合考虑，设计专用的开关电源。实验和主观听音评价都表明，高频开关电源在音频功率放大器中表现得很优秀。它完全可取代一般笨重的整流电源，成为高保真音频功率放大器电源的主流。
二、电磁干扰问题
电磁干扰问题是在设计开关电源时一定要考虑的问题，而在音频功率放大器中使用的开关电源我们就要更加注意此问题，因为电磁干扰是影响功放音质表现的主要因素，开关电源电磁干扰的形成有很多种，其中典型的如以下几个方面：
1.工频信号的电磁干扰
顾名思义，工频信号的来源是工频电网中的电压电流信号，一方面，工频电压中的基波分量本身就是一种干扰，只是干扰的频段较低。所以在一般的开关电源中，工频电压的基波分量的影响几乎不能查觉。另一方面，电力电子设备的出现，使电力控制等领域又有了实质性的发展。但是同时也带来负面影响。就是它会给电网带来谐波污染，而这大量的谐波污染又会反过来影响电力电子设备的稳定性。
2.功率变换管开关电磁干扰
在应用了PWM技术的开关电源中，主功率开关管一般在高电压和大电流或者以高频开关方式下工作，开关电压及开关电流一般都会畸变，例如，如果在阻性负载时，开关电压和电流的波形会呈现出近似为方波的类型波，这样，其中就一定含有大量的高次谐波分量。因为电压差可以产生强电场、电流的流动可以产生强磁场，而且大量的谐波电压电流的高频部分在设备内部会产生杂乱的电磁场，从而干扰设备内部电路，使系统工作不稳定，性能降低。与此同时，由于电源变压器存在的漏电感及分布电容和主功率开关管都不是工作在理想状态，在开关管在用很高的频率运做时，就会产生高频高压的尖峰谐波振荡，这种谐波振荡会产生高次谐波，就会通过开关管与散热器间的分布电容传入内部电路。
3.整流回路产生的电磁干扰
一般开关电源中有两个整流回路：一次整流回路和二次整流回路，这两者都不同程度的产生电磁干扰，虽然要经过滤波处理，但是二次整流回路和一次整流回路都依然会有少量的谐波干扰，因为变换频率远高于工频电网频率50Hz。即，整流回路产生的电磁干扰也是一种高频干扰。
综合以上分析，我们可以看出，这些干扰有着共同的特性，那就是它们都是高频干扰源。开关电源电磁干扰的频率都高于开关电源的开关频率。很多移动通信设备由于开关电源的电磁兼容性不好都影响了他们的正常工作。假如我们将开关频率设计在100 kHz以上，即使对这些干扰不采取其他特别的措施，也不会影响到通频带相对比较窄的音频功率放大器的正常工作。事实上，人们对于开关电源存在各种各样的电磁干扰已经做了各种努力，在几十年的开关电源发展史中，人们也在降低其电磁干扰方面尝试了很多的方法并有了一定的突破。例如，吸收电路可以降低电路中电压和电流的变化率；用软开关技术来修正电路的变换波形；使用EMI滤波技术抑制开关电源的传导干扰；选择合适的驱动电路，选用优秀元器件(包括功率管、二极管、变压器等)；进行合理的PCB布局、布线及接地，减小 PCB的电磁辐射和PCB上电路之间的串扰；加强屏蔽等措施。
三、音频功率放大器对开关电源的基本要求
音频功率放大器是一种功率经常突变的负载,对电源要求是:功率储备量大、反应迅速。对电源的功率储备量大，是因为只有这样才能应付各种音乐巨大的动态；要求电源反应迅速，是因为音频功率放大器经常处于负载的迅速变化中，电源的反应速度必须非常快，才能还原那些猝发性的高频信号。大的功率储备量和高反应速度是设计音频功率放大器专用开关电源的两条基本原则。通常的开关电源没有在这两方面做出特别的考虑，这正是它们无法适应音频功率放大器的根本原因。事实表明依照这两条原则设计出来的开关电源，在音频功率放大器中的表现是优秀的。
开关电源的高频变换电路形式很多，常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。
推挽变换器功率开关管承受的电压应力高,只适用于低输入电压的场合,而且开关管关断时漏感能量在开关管上引起高的电压尖峰,给主功率变压器的绕制提出了很高的要求,同时变压器的偏磁问题给器件的一致性和驱动电路脉冲宽度的一致性提出了较高的要求。
在中大功率DC- DC变换器中一般采用全桥变换的电路结构,全桥变换器有两种典型的控制方式,即PWM控制和移相控制。PWM控制因为具有很多的优良性能而应用得十分普遍,但是由于PWM控制变换器中的开关器件一直工作在硬开关状态,每个周期都在高电压下开通,大电流下关断,使器件承受的开关应力大。另外,在高频PWM中会产生相当大的开关损耗,且开关损耗会随着开关频率的提高而增大,使得开关电源效率无法提高。而采用软开关技术的功率器件在零电压、零电流的条件下导通或关断,可以有效地降低开关管的损耗,因此理论上将开关管视为零损耗。采用移相控制软开关变换技术,实现超前相臂和滞后相臂的软开关方式有很多,也很复杂。
反激式开关电源的电路中存在一些电压剧变的节点。和电路中其他电势相对稳定的节点不同,这些节点的电压包含高强度的高频成分。这些电压变化十分活跃的节点称为噪声活跃节点。噪声活跃节点是开关电源电路中的共模传导干扰源,它作用于电路中的对地杂散电容就产生共模噪声电流。因此，反激式开关电源产生的电磁干扰相对较大。
单端正激型开关电源的结构比较简单，已广泛用于中小功率输出场合。但是由于这种拓扑结构的特点是功率变压器工作在B-H曲线的第一象限，因此必须采用适当的去磁方法，以消除磁心单向磁化饱和的潜在隐患。
四、音频功率放大器开关电源设计方法框图
基于以上分析，我们能够得出图1所示的适合音频功率放大器的开关电源基本工作框图。
其中，PWM控制驱动电路是整个电路的控制核心，可以由单片机或DSP实现；直流输出通过取样电路、放大电路进入控制核心，与基准电压比较，形成闭环。
五、结论
本设计方法既能用于直流电功率测量，又能用于低频交流电功率测量，从直流到音频范围内都能正常工作。由于采用有效值乘积的计算方式，不论对正弦单频信号，还是复杂波形的音乐、语音信号，本设计方法直接给出的都是负载实际消耗的有功功率，满度误差一般不超过±3％，基本能够满足教学实验的要求。且本设计方法的突出优点是电路简单可靠，工作频率范围宽，低成本，以有效值方式实现了有功功率的测量。既可单独使用，也可直接内嵌到相关设备中实现直流和低频电功率的测量及数字显示，非常适合教学实验及科研使用，值得推广。
参考文献:
[1]徐垦.新型的真有效值数字测量表A New Digital Measurement Meter for True Effective Value [J].电测与仪表,2005,42(6).
[2]蔡菲娜.基于C8051F单片机的非正弦波功率表的研制Study of non-sinusoidal waveforms Watt-meter based on C8051F-SCM[J].电测与仪表,2004,41(3).
[3]王学伟,周海波,张礼勇.电功率采样测量技术及其发展概况The survey and development of power sampling measurement technology [J].电测与仪表,2002,39．
[4]陈霞.利用AD7755实现电能有功功率的测量Using AD7755 to realize active power measurement [J].山东理工大学学报(自然科学版),2004，18(5)．
[5]张平柯．高频开关电源在高保真音频功放中的应用研究[J].器件与电路，2007,(6)．
(作者单位：浙江理工大学信息与电子学院）
开关电源原理范文第3篇
摘 要：电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。论述了开关电源的基本原理以及开关电源技术的发展和未来趋势。
关键词：开关电源；原理；发展趋势
Basic Principle, Development and Trend of Switch Power Supply
LI Jing1， WEI Lin2
（1.Zhengzhou Xingtongpu Cogeneration Power Plant，Henan Zhengzhou 450000；2.Zhengzhou Bureau for 2001 Project，Henan Zhengzhou 450000)
Key words: switch power supply；basic principle；development；trend
1 开关电源的控制结构
一般地，开关电源大致由输入电路、变换器、控制电路、输出电路四个主体组成。如果细致划分，它包括：输入滤波、输入整流、开关电路、采样、基准电源、比较放大、震荡器、V/F转换、基极驱动、输出整流、输出滤波电路等。实际的开关电源还要有保护电路、功率因数校正电路、同步整流驱动电路及其它一些辅助电路等。
2 开关电源的构成原理
（1）输入电路：线性滤波电路、浪涌电流抑制电路、整流电路。作用：把输入电网交流电源转化为符合要求的开关电源直流输入电源。
（2）变换电路：含开关电路、输出隔离（变压器）电路等，是开关电源电源变换的主通道，完成对带有功率的电源波形进行斩波调制和输出。
（3）控制电路：向驱动电路提供调制后的矩形脉冲，达到调节输出电压的目的。基准电路、采样电路、比较放大、V/F变换、振荡器。基极驱动电路：把调制后的振荡信号转换成合适的控制信号，驱动开关管的基极。
（4）输出电路：整流、滤波。把输出电压整流成脉动直流，并平滑成低纹波直流电压。输出整流技术现在又有半波、全波、恒功率、倍流、同步等整流方式。
3 国际开关电源发展的一个侧面
70年代起，我国在黑白电视机，中小型计算机中开始应用5V，20-200A，20kHZ AC－ DC开关电源。80年代进入大规模生产和广泛应用阶段，并开发研究0.5～5MHz准谐振型软开关电源。80年代中，我国通信电源在AC－DC及DC－DC开关电源应用领域中所占比重还比较低。90年代，中小型（500W以下）AC－DC和DC-DC开关电源的特点是：高频化（开关频率达300－400kHZ）以达到高功率密度，体小量轻；力求高效和高可靠；低成本；低输出电压（≤3V；AC输入端高功率同数等。在今后几年内仍然将沿这些方向发展。
从主要技术标志上看，几十年来推动开关电源性能和技术水平不断提高的本要标志是：
（1）新型高频功率半导体器件的开发使实现开关电源高频化有了可能。
如功率MOSFET和IGBT已完全可代替功率晶体管和晶闸管，从而使中小型开关电源下作频率可达到400kHZ（AC－DC）和1MHZ（DC-DC）的水平。
（2）软开关技术使高效率高频开关变换器的实现有了可能。
PWM开关电源按硬开关模式工作，因而开关损耗大。开关电源高频化可以缩小体积重量，但开关损耗却更大了。为此必须研究开关电比／电流波形个交更的技术。
（3）控制技术研究的进展。
如电流型控制及多环控制，电荷控制，一周期控制，功率因数控制，DSP控制；及相应专用集成控制芯片的研制成功等，使开关电源动态性能有很大提高，电路也大幅度简化。
（4）有源功率团数校正技术（APFC）的开发，提高了AC－DC开关电源功率因数。
由于输入端有整流一电容元件，AC－DC开关电源及一大类整流电源供电的电子设备（如逆变器，UPS）等的电网测功率团数仅为0.65，80年代用APFC技术后可提高到0.95 ～0.99，既治理了电网的谐波\"污染\"，又提高了开关电源的整体效率。单相APFC是DC －DC开关变换器拓扑和功率因数控制技术的具体应用，而三相APFC则是三相PWM整流开关拓扑和控制技术的结合。
（5）磁性元件新型磁材料和新型变压器的开发。
如集成磁路，平面型磁心，超薄型（Low profile）变压器；及新型变压器如压电式，无磁心印制电路（PCB）变压器等，使开关电源的尺寸重量都可减少许多。
（6）新型电容器和EMI滤波器技术的进步，使开关电源小型化并提高了EMC性能。
（7）微处理器监控和开关电源系统内部通信技术的应用，提高了电源系统的可靠性。
目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式；并对开关电源提出了小型轻量要求，此外要求开关电源效率要更高、性能更好、可靠性更高等。
开关电源原理范文第4篇
【摘 要】不断发展的电子技术对电子专业教学提出了很大的挑战，很多职业技工学校的教师都对自己提出了更高的要求。电子技术教学成效如何，重点在于是否让学生真正参与到了教学中去。因此，在电子技术教学中培养学生的参与意识非常重要。本文对如何在电子技术教学中培养学生的参与意识进行了研究与探讨。
【关键词】电子技术教学 参与意识 培养
传统的电子技术教学主要是以教师讲课为主，重视教师在学堂上对于理论知识的系统讲解，很少关心学生的参与性。在现代社会，电子技术行业非常注重学生的动手能力与参与意识。因此，技工学校和中等职业学校的学生想要在毕业以后更好地适应工作，在电子技术教学中要不断培养自身的参与意识。
一、电子技术在实际教学中的现状
电子技术是现代社会中应用比较广泛的专业。广西电子高级技工学校和玉林市第一职业中等专业学校，是广西壮族自治区以电子技术为主要教学科目的两所学校。以玉林市第一职业中等专业学校和广西电子高级技工学校为例，现在两所学校的电子技术专业都是以传统的教学模式为主，而且大都是教师将电子技术相关的知识和内容一一讲给学生听。传统的教学中，教师将教学内容讲得越细证明教师越负责，很多学生都在忙着记教师讲的重点，在这种情况下，学生根本没有办法参与到电子技术教学实践中，无法理解在实际运行中的操作内容，使得教学效果不理想。所以对电子技术教学方式进行改革，增强学生的课堂参与意识，是這两所学校的重点教学内容[1]。
二、电子技术教学中参与意识的重要性
电子技术是一门学生参与度很高的学科。学生学习电子技术的主要目的是在未来工作中能很好地应用。如果对理论知识倒背如流，而对实际操作一窍不通的话，那是“书呆子”的行为，属于“死读书”。只有将书本上的理论知识运用到实际操作中，才能够实现电子技术的价值。比如电路工作原理的内容，在笔试当中学生奋笔疾书或许会拿100分，但是如果让这位学生在现实工作中抢修电路，他就可能分不清哪根是零线，哪根是火线，很有可能发生安全事故。电子技术教学中，学生真正意义上了解所学内容，不仅能够提高知识水平，而且能够规避风险，保障安全。所以，应让学生了解电子技术的常识，认真学习与电子技术相关的知识。在电子技术教学中培养学生的参与意识是很有必要的。学生只有积极地参与到教学活动中，才能在实际的操作中独立解决所遇到的电子技术问题[2]。
三、如何在电子技术教学中培养学生的参与意识
（一）营造轻松的课堂环境，激发学生的参与热情
玉林市第一职业中等专业学校和广西电子高级技工学校的课堂氛围过于严谨和沉闷，使学生的学习激情不高。一位名人曾说过：教学的成功不在于强制学生学习，而是在于激发学生的欲望。教师只有营造一种轻松活跃的课堂气氛，才能激发学生学习的热情。传统的千篇一律的教学方式只会让学生对教学活动产生厌倦感，所以教师应该创新教学方式，引导学生积极地参与到电子技术教学活动中来。电子技术是一门很复杂的学科，学生很难通过想象理解教师所讲内容。教师要多讲一些现实中的例子或工程中的实际问题，通过对实例的分析，让学生可以更形象地理解重点知识。
如在讲“电路控制和电压变化”时，教师可以生活中电源开关为实例，制作一个类似电源开关的电路组合让学生进行实际操作。通过这种方式，学生能够很具体地理解教师所讲的内容，与纯理论的讲解相比，这种实际的参与可以让学生更真实地领会教师所讲的内容。
（二）培养学生的学习兴趣，激发学生的参与欲望
传统的“填鸭式”电子技术教学中，教师在讲台上讲解知识，而学生被动地接受，缺乏学习的自主性、参与性和独立性。电子技术是一门实践性很强的学科，教师应该增加课堂上的实践环节，注重培养学生的实际操作能力，激发学生的学习兴趣和参与欲望。总之，教师应该创造多种形式的实践活动，让学生参与到电子技术教学中来。
如在课堂上，教师可以提出问题：“同学们仔细思考一下，在生活中有哪些电子产品运用了电子放大电路原理？”这种提问的方式促使学生积极地思考，在思考的过程中将所学的知识再回忆一遍，还可以巩固已学知识[3]。学生有了学习兴趣，才会积极地参与到电子技术教学中来。
（三）加强直观演示，激发学生的参与意识
直观演示教学在电子技术教学中非常重要。通过演示实验操作过程，可以增强学生的记忆力，提高学生的实际操作能力。在观看演示的过程中，学生可以对自己不理解的部分向教师提问，在提出问题、解决问题的过程中，学生可以掌握更多的内容。
如在讲“二极管的单向导电”时，教师可以利用多媒体等设备播放实验过程，或者在讲台上亲自做实验，让学生通过观察提出问题或自行研究。加强直观演示，可以将知识点直观地展现在学生面前，增强学生的参与性。
四、结束语
随着科学技术的发展，电子技术教学对教师和学生提出了新的要求。电子技术是一门对动手能力要求很高的学科，在教学中，教师应该注重培养学生的参与意识，体现学生的主体地位，发挥自身的引导作用，从而培养出高质量的电子技术人才。
【参考文献】
[1]金呈先.“好奇心”是搞好《电工与电子技术》课堂教学的关键[J].小作家选刊（教学交流），2014（06）：56.
[2]卢友彩.电子技术专业学生自主创业意识树立与创业技能培养的探索及实践[J].教育观察，2014，3（18）：40-41.
[3]顾佳茗.中职学校电子技术课程如何提高学生动手能力[J].时代教育，2013（20）：99.
开关电源原理范文第5篇
【关键词】开关电源;主电路;控制电路
1.引言
开关电源是指通过控制开关晶体管开通和关断时间的比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源被人们誉为十分高效节能的电源，它代表稳压电源发展的方向，现已经是稳压电源主流产品。开关电源的内部重要元器件均运行在高频开关的状态，本身消耗很低的能量，其电源的效率可以达到百分之八十到九十，是普通的线性稳压电源效率的将近两倍。开关电源也被叫做无工频的变压器电源，它利用体积很小高频的变压器以实现电压的转变和电网隔离，不仅可以去掉十分笨重的工频变压器，而且可使用体积很小的滤波元件以及散热器，这就为研究和开发的高效率、高可靠性、高精度、体积小、重量轻的开关电源打下了坚实的基础。
2.开关电源的实现方案研究
2.1 开关变换器的拓扑结构
现代直流稳压电源可分为直流稳压开关电源和交流稳压开关电源两大类，前者可输出质量相对较高的直流电压;后者可输出相对质量较高的交流电压。本研究课题的研究范围属于前者的，直流变换器按照输入与输出间是否含电气隔离，可以分成两类：无电气隔离的直流变换器称为不隔离的直流变换器，具有电气隔离的直流变换器称为隔离的直流变换器。
不隔离的直流变换器根据使用的有源功率器件的个数，可以分为单管、双管以及四管共三大类。采用单管的直流变换器共有六种，包括降压式(Buck)、升压式、Cuk、Zeta、升降压式和Sepic等。这六类单管式变换器当中，降压和升压式是最为基础的，另外四种则是衍生出来的。双管式直流的变换器中有双管式串接的变换器。全桥式直流的变换器是通常用的四管式直流的变换器。隔离直流的变换器同样可以根据所用开关的器件个量进行分类。单管的包括正激式和反激式两类。双管的有正激、推挽、反激和半桥四种。四管式直流即全桥式直流。隔离直流通常使用变压器来造成输入以及输出间的电气隔离，变压器其本身就具有变压功能，将有利于扩展变换器的使用范围以及利于完成多路不同的电压或者多路相同的电压输出。
2.2 开关变换器的软开关的技术
PWM技术已经在电力电子电路中得到了日益广泛的应用，一般说来是指在开关变换的过程中保持开关频率的恒定，但通过改变开关接通时间的长短，使负载变化时，负载上电压输出变化却不大的方法。但这种开关技术是一种“硬开关”，也就是开关管的通断控制与其上流过的电流以及器件两端所加的电压并无关系，功率开关管的开通、关断在器件上的电流或电压不等于零的状态下强迫进行，开关损耗很大。特别是现代电力电子技术正向频率更高的方向发展，PWM硬开关技术将使得开关损耗成为高频化发展的显著障碍。
高频软开关技术大致可以分为以下三大类：
(1)谐振式变换器(串联谐振，准谐振，并联谐振和多谐振);
(2)有源钳位的ZVS单端变换器;
(3)零开关--脉宽调制变换器(ZVS/ZCS-PWM、PSC FB ZVS-PWM、ZVT/ZCT-PWM变换器);根据本研究课题所探讨的电源功率大，开关频率高的特点，选用串联谐振变换器等这类谐振变换器和零开关PWM DC/DC全桥变换器以实现软开关，则较为适合。下面以这两类中较为典型的移相全桥ZVS-PWM变换器和串联的谐振式变换器为例，对这两类变化器的特点进行综合比较。
2.3 移相全桥ZVS-PWM变换器与串联式谐振变换器相互比较
谐振式变换器包括串联谐振式和并联式，在谐振的变换器中，谐振元件一直谐振工作，可参与能量变换的全过程。串联式谐振的变换器可实现开关管软开通或者软关断，改善开关管的工作条件;这类的基本控制方式是调频控制;变换器回路电流近似为正弦波，它的EMI小;但同时存在以下缺点：
(1)开关器件通态电流或断态电压的应力较大。对于在电压模式下的谐振开关，开关于零电压下所进行的开通与关断所承受的断态的峰值电压可为其输出电压值的两倍还要多，对于电流模式，则通态的电流峰值可达到输出电流值的两倍还多，通态损耗比较大。
(2)开关的器件工作频率并不为恒定。采用调频的方式控制，当电源或者负载变化，便只能依靠改变开关的器件的运行工作频率来调节相关的输出的电压值，使频率的变化范围很大，以致对功率变压器、输入、输出滤波器的设计以及优化均难以进行，且频率大范围变化并不利于与下级变换器的同步。
3.开关电源的主电路设计
3.1 高频变压器的设计
开关电源主电路主要是处理电能，也就是功率变换。主电路主要包括输入滤波电路、高频变压器、逆变电路、输出滤波电路等部分。主电路的设计一般在整个电源设计过程中具有最为重要的地位。
变压器是开关电源中的核心元器件，许多其他主电路的元器件参数设计均考虑了变压器参数，因此，应首先对变压器进行设计制造。高频的变压器在运行时电压、电流均不为正弦波，因此，工作的状况与工频并不一样，计算公式也不尽相同。需计算的参数包括铁心的尺寸、导体的截面积、各绕组的匝数及其结构等，它们的基础参数是工作电流、电压和频率等。
3.2 输入端整流式滤波电路设计
交流的输入一般使用包括单相输入和三相式输入(包括四线方式和无中线的方式)。对于中大功率的场合，考虑到单相整流电压相对三相整流电压要低得多，使DC-DC电路电流变大，功耗也增大，单相整流和三相整流比较而言直流脉动也比较大，因此，采纳三相输入，故本设计中输入部分使用三相的无中线的控制方式，经过功率控制的二极管形成三相的桥式的整流器以输出脉动的直流波形，并且在整流器的输出端接上LC滤波网络，使脉动电流变成平滑的直流。
输入滤波电容(C1)主要功能是起到滤波以及使得输出直流电压变得平滑，并减小脉动作用，故输入端滤波的电容的挑选是相当关键。一般情况下，输入滤波的电容值根据控制纹波来估算，也就是为了确保逆变电路供应稳定直流电压，滤波电路时间常数必须为纹波中基波周期的6倍以上，由此根据直流输入电压、电流推算出输入滤波电容值。
3.3 输出整流回路的结构设计
一般而言，输出整流回路包括两种，一种为四个二极管组成的单相式全桥整流，另一种是两个整流二极管组成的单相式全波整流。比较两者，全波式整流电路的二次绕组具有中心抽头，结构较为复杂;而全桥式整流相对于全波式整流多采用了两个二极管，成本较高，若输出的电流大，那么整流桥上的二极管总通态损耗也变大，影响了变换器的效率，但是对于波整流电路，二极管所经受最大的反向电压是全桥整流电路值的两倍。通过以上的考虑，当输出的电压较高，且输出的电流较小时，一般采取全桥整流的方式;而输出的电压比较低，且输出的电流较大时，一般使用全波整流的方式。结合本课题所研究的情况，输出整流电路选用单相的全桥整流电路。
3.4 功率开关器件的选型设计
目前，在高频开关电源中使用最为广泛的功率开关器件是MOSFET和IGBT，在功率转换的应用中，MOSFET的导通损耗与开关损耗之比约为3:1,而相比之下的IGBT的导通损耗与开关损耗之比约为1:4。MOSFET较高的导通损耗是由较高的RDS(on)引起，而IGBT较高的开关损耗是由关断时电流拖尾所导致的。相比较而言IGBT的开关速度是低于功率MOSFET的，目前开关速度最快的IGBT的开关频率可以达到150kHz(IR公司的开关频率可高达150kHz的WARP系列400～600V IGBT)，而MOSFET的所能达到开关频率则比IGBT高出许多，且在开关频率很高的时候，IGBT的开关损耗比MOSFET要大，故本课题研究采用MOSFET作为逆变电路的功率开关器件。
通常，若主电路工作在硬开关条件下，功率开关管的额定电压常常要求大于直流母线电压两倍。而本电路工作在零电压开关的条件下，功率开关管额定电压可以适当降低一些，因此可选为600V。
3.5 附加谐振电感设计
通过研究移相全桥ZVS-PWM变换器可看出，开关的过程中，输出滤波电感是参与串联谐振的，它的能量很大，已可满足开关管的并联电容器进行充放电的需要，因此超前臂较易实现ZVS;但滞后臂于开关的过程中，变压器副边为短路，仅剩下变压器的原边漏感的能量可参与谐振，并不能快速完成其并联电容器充放电的过程，滞后桥臂达到ZVS相对较为困难。故为了促进滞后桥臂达到ZV S，我们可另外增设附加的电感量，从而为并联电容器充放电提供足够多的磁能。
4.开关电源控制电路设计
4.1 开关电源控制电路设计
开关电源的主电路主要任务是处理电能，而控制电路的主要任务是处理电信号，它控制着主电路中各个开关器件的工作，控制电路的设计质量对电源的性能甚为重要。一般由驱动电路，PWM控制电路，调节器电路及保护电路组成。
其中，PWM控制电路的作用是将于一定范围内不断变化的控制量模拟信号转换为PWM信号，通常集成的PWM控制器可将误差电压放大器(EA)，振荡器，PWM比较器，基准源，驱动，保护电路等常用开关电源控制电路集成在同一个芯片中，组成功能完整的集成电路，成为控制电路的核心。
4.2 移相PWM控制芯片UC-3879特性
这里UC-3879的系列IC是指UC-3875的改进产品，它是一个含软开关的功能的PWM式驱动器，采用移相开关方式调节半桥电路的驱动式脉冲的电压，同时控制了全桥式变换器的功率管，使固定的频率的脉宽调制器和谐振零电压的开关结合以具有相对高性能。此芯片除了可在电压模式工作，同时可工作在电流模式，并且具有快速的过流保护功能。UC3879可以独立编程以控制时间延迟，在每只输出级开关管导通之前提供足够的死区时间，为每个谐振开关区间里实现ZVS留有余地。
4.3 驱动电路设计
驱动电路是主电路与控制电路的接口，同开关电源的可靠性，效率等性能关系密切。驱动电路对快速性有较高要求，能提供一定的驱动功率，并具有较高的抗干扰和隔离噪声的能力。通常MOSFET的驱动电路包括以下三类：
1)使用光耦合器作为电气隔离的驱动电路，它由电气隔离及放大电路两部分构成，可以获得很好的驱动波形，但由于受到光耦响应时间限制，当开关频率较高时，驱动延时显著(为微秒级)，并且需要独立的驱动电源。
2)使用集成驱动芯片(比如IR2110)的驱动电路，根据自举原理，驱动高压侧和低压侧的两元件时，并不需独立电源，驱动延时较小(纳秒级)，适用的开关频率高，驱动波形理想。但是当MOSFET并联时，该电路驱动能力显得不足，需要增加放大电路。
3)使用脉冲变压器的驱动电路，它的电路结构简单而可靠，并不需独立驱动电源，延时小(为纳秒级)，适用的开关频率很高。本设计依据自身的特点，采用脉冲变压器来组成驱动电路，电路的结构简单，延时较小(经实验测定本电源驱动电路延时小于50ns),可靠性较高。
4.4 电源容量扩充的途径
自八十年代，伴随高频电源技术及新型功率器件的快速发展，大容量高频开关电源的研究和开发逐渐成为当今电力电子学的主要研究方向，并且派生了多个新研究方向。我们从电路的角度来考虑开关电源的容量扩充，将容量扩充技术分为二大类：
第一种，通过器件的串、并联增大电源工作电压或工作电流，以实现扩容的目的;
第二种，通过将多台单个电源并联，实现扩容和冗余设计的目标。
对于前者，器件的串、并联的方式中，需要特别处理串联式器件均压问题以及并联器件均流问题，考虑到器件的制造工艺以及参数离散性，限制器件相互之间的串并联的数目，同时串、并联的数量越多，那么装置可靠性将会越差。
对于后者，多台电源并联的技术是基于器件的并联技术进行大容量的可行方式，借助可靠电源并联技术，在单机的容量合适的情况下，可简单通过并联的运行方式得到非常大容量的装置，每台单机仅为装置的一个整理单元或一个相关的模块。大功率电源系统是由若干个较小的模块化电源形成的。在空间上，各个模块接近于负载，供电的质量高，采用调整并联模块数量以符合有差异的功率负载，设计较为灵活，每个模块可承受较小的电应力，开关频率将达兆赫级，从而提高系统的功率的密度。另外，模块化的电源系统突破了仅仅只有单个电源的功率限制，用户可如同搭建积木一般，按照电源功率进行最佳的组合，当某一个模块发生了故障，可热换掉此模块，这时其他的模块会均担此故障模块负载，并不影响整体系统工作，以提升系统安全，且方便维护，节省了投资。
4.5 开关电源电磁兼容的设计
随着电子电路不断向高密度高集成化的方向发展，我们对电源产品的要求越来越高。体积小、高效能、重量轻、高可靠性的“绿色电源”已不可避免地成为下一代电源产品的发展趋势。功率密度急剧增大将导致电源内部电磁环境日益复杂，由此产生的电磁干扰对电源及其周围的电子设备正常工作都产生威胁。同时随着国际电磁兼容法规变得日益严格，国内已经以新的3C认证取代了CCIB和CCEE认证，对开关电源在电磁兼容方面的要求更加详细、更加严格。目前，如何降低以致消除开关电源的EMI问题已成为全球开关电源设计师和电磁兼容设计师密切关注的问题。
电磁兼容(EMC)是说在十分有限的时间、空间和有限的频谱范围内不同的电气设备共同存在但却不会造成各个电气设备的性能下降，包括电磁敏感(EMS)和电磁干扰(EMI)这样两个方面。EMS是指电气设备抵御电磁的干扰方面的能力，EMI则指的是电气设备向周围环境发出噪声。某一台具有十分良好的电磁兼容的性能设备，将会既不会遭到周围的电磁噪声的影响，同时对周围的环境也不会形成较大的电磁干扰。
参考文献
[l]刘军.开关电源的应用与发展[J].大众用电,2002(12):16-17.
[2]丁道宏.国内外开关电源发展展望[J].电气时代,2000(10):14-15.
作者简介：
方传伟(1976—)，男，河南潢川人，大学专科，助理工程师，现供职于中石化中原油田分公司天然气处理厂，研究方向：电子电气。
李占丽(1979—)，女，河南淇县人，大学本科，技术主办，现供职于中石化中原油田分公司天然气处理厂，研究方向：装置设备管理。
开关电源原理范文第6篇
摘 要：为了促进电力系统持续发展，根据大量控制、保护、自动装置等一系列的设备实现直流电源供电，所以直流电源的可靠性在电力系统稳定、安全的运行过程中具有重要的作用。变电站直流电源系统属于自动装置，继电保护、断路器等正常运行的拨正，能够避免系统破坏、设备损坏、事故扩大等问题。如何实时监控直流电源系统，是现代电力系统需要解决的主要问题。所以，变电站直流电源系统的设计尤为重要。
关键词：变电站；系统设计；直流电源
0 引 言
直流電源是变电站中的二次设备，它的主要优势就是具备高压开关、继电保护、操作电源及自动装置等特点，并且质量及性能对电网地稳定运行及设备安全具有重要的作用。目前，整流电源从传统分立元件向着微机控制方面发展，实现了直流电源的智能化，同时与变电站综合自动化地进行网络连接，以有效实现三遥功能。直流绝缘检测系统从传统电磁型检测装置朝着完全微机化绝缘监测装置方面发展，具有通信接口。基于此，本文设计了变电站直流电源系统，并将其投入使用。
1 变电站直流电源系统的结构
变电站直流电源系统在设计过程中是基于现代蓄电池、充电机等成熟核心技术的基础上，实现直流电源系统、通信电源系统、二次直流电源系统及UPS电源等的一体化设计及组屏生产全新模组形式。图1为变电站直流电源系统的结构，此系统取消了通信蓄电池，利用逆变器设置直流母线，通过同个厂家生产，使用一体化智能监控器集中组屏。此系统的主要特点就是能够实现电源系统的智能化管理；降低日常维护工作量，提高可靠性；降低一次性投资资金和长期维护的费用，使投资经济性得到提高[1]。
2 整流系统的设计
充电系统在现代智能化变电站中属于蓄电池，它具备浮充、强充及均充等优势，而且能够实现稳压及稳流。在交流输入电压较高或者较低过程中，实现软保的设置，以故障排除，保证直流电源的正常状态。微机监控接口能够连接变电站，将直流电源运行的情况向集控中心进行实时的传输，同时并且具备三遥功能。
在实现直流电流配置的过程中，要求直流电源通过交流站之后通过电平提供，直流电源屏实现两回交流进线的提供，能够利用直流电源屏实现自动切换。并且在配置相控整流过程的整流系统有两套，分别为备用及工作，两者还能够进行自动的切换。其中高频开关电源利用N+1模块冗余实现设置，其中的某个模块故障，不会影响到整组的充电设备工作。其中的高频开关整理模块能够带电插拔，在更换故障的过程中不受到时间限制。由于现代新投产的变电站断路器都是利用液压弹簧构成的，在合闸电流较小的时候，利用阀控式铅酸免维护蓄电池，结合控制及合闸母线，不设置降压装置，在放电的时候缩小电压变化范围，以此能够简单布置、接线；另外还能够使直流系统供电过程中的可靠性进一步提高。目前，现代的直流配电系统大多数的负荷开关加绒段器方式都已经被直流专用断路器替代，并且利用正面开启式结构实现直流配电开关的布置，使空间及屏位得到有效的节约，提高防护的等级，同时还能够方便更换及维护。目前，我国现代的小型直流断路器分段能力比较高，能够使控制符合馈电得到有效的控制，提高了大容量直流断路器直流分段的能力，大容量直流断路器的直流分段能力也比较高，得到馈电能够满足动力符合使用。并且此直流断路器便于加装辅助触点及故障报警触点，使直流供电可靠性得到了保证[2]。
3 直流供电网的网络设计
在变电站直流电源系统正常运行的过程中，对负载到两段的直流母线中的直流进行分配，支路的供电回路的供电方式主要包括环形和辐射。某个供电局变电站利用环形方式实现供电，其网络中的干线及小母线二回直流电源能够利用直流断路器和两段的直流母线进行连接，其在正常运行过程中为开环。环形供电网络干线和负荷支路相互连接，能够设置直流断路器。另外，此种方式还是直流动力符合及控制符合的供电网络，在变电站中实现动力及控制两种小分母的设置，从而能够在不同直流负荷中形成环形供电网络，每个环中电流连接两端母线。
辐射供电方式一般应用到接口屏直流控制电源中，例如PT并列回路直流控制电源利用电源实现供电，以实现PT并列回路直流供电电源的双重化配置，并且还要在不同时间段中进行直流母线的配置。
在回路直流供电电源装置保护过程中，要满足以下需求：
（1）冗余配置的主保护、安全性、跳闸回路都是利用辐射供电的方式实现，直流供电电源利用不同段直流母线；
（2）各个间隔单元中的保护装置及控制电源都处于直流馈线屏的位置中；
（3）断路器的跳闸线圈对系统实施双重化保护中，保护装置直流单元和控制回路直流电源分别来源于同个直流母线。
4 蓄电池组的设计
蓄电池组是直流电源系统中的主要构成部分，本文使用阀控式密封铅酸蓄电池。为了能够有效满足冗余供电保护及控制的需求，变电站直流电源系统要设置两组蓄电池和充电装置，在蓄电池组安装主要包括集中及分散两种方式。集中安装一般都是使用组屏安装，之后和其他的充馈电柜相互安装。分散安装要设置独立的电池室，在电池架中安装电池。用户要以现场实际情况为基础，选择合适安装方式，在变电站具有继电保护的装置小室的时候，使用分散安装。
两组蓄电池直流系统要使用两端单母线接线，蓄电池组分别和不同母线段相互连接，两段母线之间要设置联络电器，主要包括两个类型：在两组蓄电池实现两套充电装置的配置，两者和不同母线段接入。两组蓄电池要实现三套充电装置的配置，蓄电池和配电装置要实现不同母线段的连接。充电装置通过切换电气实现蓄电池的充电。
另外，还要实现两段母线的切换操作，切换的过程中蓄电池组无法脱离直流母线中。在实现并联操作过程中，两組蓄电池压差要满足比系统额定电压小5%的需求。
5 系统的使用效果
变电站直流系统属于较为庞大的多分支供电系统，其在应用过程中存在一点接地故障，一般不会对直流系统的运行造成影响。但是假如无法快速寻找故障点并且对其进行恢复，在发生另外接地故障的时候，就会导致误操作。针对上述问题，本文设计的直流电源系统中存在一定的监视装置，能够对直流系统的绝缘电阻及母线电压进行在线检测，在母线电压较高或者较低的时候就会告警。另外，系统还能够实现馈线支路绝缘电阻的检测，使供电的过程更加的安全、可靠[3]。
6 结 论
变电站直流电源系统将直流电源、蓄电池组、整流系统、直流供电网相互结合，利用统一的智能网络平台，有效实现变电站直流控制电源的集中供电及监控管理，以此有效实现在线状态的实时检测。变电站直流电源的设计是对母线变电站电源设计及管理全新模式的研究，其满足技术先进、结构合理及运行简便的需求，利用不断的改进及优化，将成为未来变电站直流电源发展的主要方向。
参考文献：
[1] 李华伟.浅谈变电站直流电源系统设计 [J].工程技术：全文版，2016（11）：00222.
[2] 李顺昕，霍菲阳，刘丽，等.超级电容在智能变电站直流供电系统中的应用 [J].电子设计工程，2017，25（14）：73-77.
[3] 李莉美，赵丽君，菅晓清，等.变电站直流电源系统存在问题分析及改进措施 [J].内蒙古电力技术，2016，34（2）：97-100.
作者简介：符振成（1980-），男，汉族，海南儋州人，电气二次主管，工程师，学士。研究方向：变电电气二次。