关键词：单端反激式高频变压器 AT89S52 PWM集成控制器 稳压 保护电路
电是工业的动力，是人类生活的源泉。电源是产生电的装置，表示电源特性的参数有 功率、电压、电流、频率；在同一参数要求下，又有重量、体积、效率和可靠性等指标。 我们用的电，一般都需经过转换才能合适使用的需要，例如交流转换成直流，高电压变成 低电压，大功率变换小功率等。 按照电子理论，所谓 AC/DC 就是交流转换为直流；AC/AC 称为交流变交流，即为改变 频率；DC/AC 称为逆变；DC/DC 为直流变交流后再变为直流。为了达到转换的目的，电流 变换的方法是多样的。自 20 世纪 60 年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后， 就用 半导体器件进行转换。所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换 成另一种形态的电路，叫开关变换电路。在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环 节的电路，称为开关电源（Switching Power Supply） 人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相 互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、 抗干扰的方向发展。开关电源可分为 AC/DC 和 DC/DC 两大类，也有 AC/AC DC/AC 如逆变器 DC/DC 变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已 得到用户的认可，但 AC/DC 的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为 复杂的技术和工艺制造问题。
增加变压器的二次绕组数就能增加输出的电压组数。最后这些交流波形经过整流滤 波后就得到直流输出电压。如图 1.1 所示。
控制器的最大的目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也 就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的 不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲 宽度转换单元。 开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置 差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。 1.2.2 开关电源的应用 随着电力电子技术的发展, 特别是大功率MOS 管技术的迅速发展, 将开关电源的工 作频率提高到150～200 kHz, 这使得功率损耗更小, 电源的效率可达90%～95%。用高频变 压器取代低频变压器可大大减小体积, 降低重量; 同时输出电压纹波降低到0.05%以内, 稳定度可达0.5%～1%, 抗干扰能力强而且智能化程度高, 因为这些优良的特性, 高功率 开关电源主要使用在于工业和军事上。如粒子加速器、电磁发射、电磁推进、微波武器等脉 冲功率技术应用领域中, 电源设备的平均功率通常在几百千瓦甚至几兆瓦以上, 体积和 重量只有线性电源的几十分之一。而小功率开关电源主要使用在于家电、IT 等领域, 如计 算机、彩色电视机、程控交换机、摄像机、机顶盒、VCD、电子游戏机等电子设备上。 ① 通信电源 通信业的快速地发展极大地推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已 成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流- 直 流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源是把单相或三相交流电网变换成标称值为48V
开关电源的高频化电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空 前地小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高 新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约世界资源及保护自然环境方面都 具有深远的意义。 为此本论文以反激式高频开关电源为设计方向而展开，对高频变压器的认知及所注意 的问题，这中间还包括磁芯损耗、绕组损耗、温升以及磁芯要求。单端反激式高频变压器是本 文的中心内容，其核心参数设计许多，详细的细节内容正文中有详细介绍。其次是控制电路的设 计，首先我们要对 PWM 集成控制器原理的有所了解，在此基础上保护两种控制模式分别是 电压模式和电路模式。开关电源的质量指标应该是以安全性、可靠性为第一原则，所以， 在同一开关电源电路中，设计多种保护电路的相互关联和应注意的问题也要引起足够的重 视。 通过相关文献及实现数据的带入做验证，最终确定出此设计的具体方案是可行的，设计达 到最初的效果。
开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为 直 流 高 压 。 在 电 阻 负载 条 件 下 , 输 出 直 流电 压 达 到 55kV, 电 流达 到 15mA, 工 作 频 率为 25.6kHz。 ④ 电力操作电源 在上个世纪90 年代之前, 电力操作电源几乎全部选用相控电源, 即采用可控硅整流 充电设备, 由于可控硅整流在纹波、效率、体积等方面不尽人意, 监控系统也不够完善, 尤其现在变电所逐步采用微机保护和监控, 对直流系统的性能和可靠性要求更高, 因此 90 年代之后更新换代为开关电源。 变电所中的电力操作电源是保证可靠供电必不可少的,它的主要任务是为继电保护、 开关分合闸及控制等提供较为可靠的直流操作电源。它的性能优劣必然的联系到变电所的正常安 全供电, 进而关系到生产设备的正常运行。采用高频开关后,输出电压精度高, 其输出纹 波系数从2%提高到0.1%, 电源稳压、稳流精度从2%减小到0.5%, 能确保对蓄电池的平稳 充放电, 延长了电池常规使用的寿命。由于采用模块化结构和N1 备份方式, 可结合实际负载容 量的大小, 选择正真适合的整流模块数量。当1 台电源故障时, 只需将该模块退出检修, 而其 它模块仍可继续运行, 在保证系统充电容量的前提下, 为负载的正常供电提供了更加可 靠的保障。以往的可控硅整流相控电源系统, 其备件需要1 个同样大小的硅整流模块, 而 改用高频开关后, 只需备1～2 个高频开关单元就可以了, 减少了备件储备成本。由于高 频开关电源的功率因数大于0.9, 而常规整流功率因数仅为0.7 左右, 对同样的负载, 采 用高频开关模块可节省输入功率30%。
1.2.1 开关电源的基本工作原理 开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式， 与线性电源不同的是，PWM 开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种 状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时， 电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。 与线性电源相比，PWM 开关电源更有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直 流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制 器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就能够最终靠变压器来升高或降低。通过
的直流电源。如在程控交换机用的一次电源中, 传统的相控式稳压电源早已被高频开关电 源取代,它通过MOSFET 或IGBT 的高频工作,开关频率一般控制在50～100kHz 范围内,实 现了高效率和小型化。近几年, 一次电源的功率容量逐步扩大, 单机容量已从48V/12.5A 扩大到48V/200A、48V/400A。 通信设施计算速度的逐步的提升, 使得时钟频率逐步的提升, 所用集成电路的种类非常之多, 其电源电压要求也各不相同,通常超过10 种, 在通信供电系统中采用高功率密度的高频 DC- DC 隔离电源模块,从中间母线V 直流)变换成所需的各种直流电压,这 样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加十分便捷。一般都可直接装在标准控制板上, 对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的持续不断的增加,通信电源容量也将持续不断的增加。 ②高频逆变式整流焊机电源 高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊 机电源的发展趋势。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。 逆变焊机电源大都采用交流- 直流- 交流- 直流(AC- DCAC-DC)变换的方法。50Hz 交 流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz 的高频矩 形波,经高频变压器耦合,整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。 由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁地处于短路、燃弧、开路交替变化之中, 因此高 频逆变式整流焊机电源的工作可靠性成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微 处理器作为脉冲宽度调制( PWM) 的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达 到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理, 解决了目前大功率 IGBT 逆变电源可靠性。国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电 压60～75V,电流调节范围5～300A,重量29kg。 ③大功率开关型高压直流开关电源 大功率开关型高压直流电源大范围的应用于静电除尘、水质改良、医用X 光机和CT 机等 大型设备。电压高达50～l59kV,电流达到0.5A 以上,功率可达100kW。 自从上个世纪70 年代开始, 日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变 为3kHz 左右的中频,然后升压。进入80 年代,高频开关电源技术快速地发展。德国西门子公 司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz 以上, 并将干式变压器 技术成功地应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减 小。 国内对静电除尘高压直流电源进行了研制, 市电经整流变为直流, 采用全桥零电流
