電力電子課程設(shè)計(jì)---通信高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

1、<p>　　電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)題目：通信高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué)院名稱： 信息科學(xué)與工程學(xué)院 </p><p>　　指導(dǎo)老師： xxxxxx </p><p>　　專業(yè)班級(jí)： xxxxxxx </p>

2、<p>　　學(xué)生姓名： xxxxxxxx </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)與性質(zhì)</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)選題</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)內(nèi)容&

3、lt;/b></p><p><b>　　概述</b></p><p><b>　　總方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　正激式變換器拓?fù)浞治?、高頻變壓器設(shè)計(jì)及主電路各參數(shù)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　反饋控制電路設(shè)計(jì)</b></p><p>

4、;　　保護(hù)電路及緩沖電路元件選擇</p><p><b>　　驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　電路仿真</b></p><p><b>　　PSIM簡介</b></p><p><b>　　仿真參數(shù)設(shè)定</b></p>&l

5、t;p>　　在額定電壓下的仿真結(jié)果</p><p>　　在電源波動(dòng)時(shí)的仿真結(jié)果</p><p><b>　　電源的啟動(dòng)問題</b></p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p><b>　　附錄參考資料</b></p><p>　　第

6、一章設(shè)計(jì)任務(wù)與性質(zhì)</p><p>　　本課程設(shè)計(jì)是在學(xué)習(xí)完《電力電子技術(shù)》課程之后進(jìn)行的一個(gè)重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是工程技術(shù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要組成部分。在教師指導(dǎo)下讓學(xué)生獨(dú)立完成，一方面鞏固課程知識(shí)，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，一方面訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)作所學(xué)的理論知識(shí)，掌握一定的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)思想，能初步解決一些實(shí)際問題；培養(yǎng)學(xué)生查閱資料，立即獲取新知識(shí)，新信息的能力。</p><p>　

7、　在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過分析任務(wù)書，查閱收集資料，充分發(fā)揮主動(dòng)性與創(chuàng)造性,在老師的指導(dǎo)下聯(lián)系實(shí)際，掌握正確的方法,理清思路，獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)，撰寫設(shè)計(jì)說明書，其格式和字?jǐn)?shù)應(yīng)符合規(guī)定。根據(jù)要求設(shè)計(jì)出實(shí)際可行的電路，并計(jì)算電路中所用元器件的參數(shù)，確定其規(guī)格型號(hào)；課程設(shè)計(jì)說明書要求整潔、完備、內(nèi)容正確、概念清楚、文字通暢、并繪制出相應(yīng)的電路圖，符合規(guī)范。</p><p><b>　　第二章設(shè)計(jì)選題</b&g

8、t;</p><p>　　通訊高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)：</p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求：</b></p><p><b>　　直流輸出電壓；</b></p><p><b>　　輸出電流；</b></p><p>　　輸出電壓紋波峰值不超過；</

9、p><p>　　輸出電流時(shí)副邊電感電流仍保持連續(xù)；</p><p>　　采用PWM控制方案，最大占空比。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)內(nèi)容：</b></p><p><b>　　總體方案設(shè)計(jì)；</b></p><p><b>　　高頻變壓器設(shè)計(jì)；</b>

10、</p><p>　　功率開關(guān)器件的選擇；</p><p>　　保護(hù)電路及緩沖電路元件選擇；</p><p><b>　　驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)；</b></p><p><b>　　諧振電感的設(shè)計(jì)；</b></p><p>　　副邊濾波電感、電容的設(shè)計(jì)與選擇。</p>

11、<p><b>　　第三章設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p><b>　　概述</b></p><p>　　開關(guān)電源的設(shè)計(jì)涉及到半導(dǎo)體物理、控制理論、磁學(xué)等眾多學(xué)科，初學(xué)完一本《電力電子技術(shù)》，遠(yuǎn)不能做好一個(gè)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)；在看了一些關(guān)于開關(guān)電源設(shè)計(jì)的書籍之后發(fā)現(xiàn)，先不管控制要求的引入，對(duì)于隔離式變壓器，很多設(shè)計(jì)者都會(huì)盡可能的自己繞變壓

12、器線圈，以使電源達(dá)到最大的效率，但磁學(xué)的內(nèi)容在以往并沒深入學(xué)習(xí)，看書后很多新的名詞與設(shè)計(jì)理念讓人很頭疼，更何況還要根據(jù)要求選擇磁芯、計(jì)算變壓器骨架等的各種參數(shù)。</p><p>　　設(shè)計(jì)要求的通信用高頻開關(guān)電源，設(shè)計(jì)功率為，這樣的一個(gè)功率級(jí)別，使用普通的DC-DC拓?fù)潆y以達(dá)到要求，事實(shí)上如果采用反激式變換器拓?fù)洌F(xiàn)實(shí)中很難實(shí)現(xiàn)（但論壇上確實(shí)有人手工焊接了這樣的一個(gè)變換器，用了五個(gè)變壓器實(shí)現(xiàn)），沒有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，也沒有

13、多少接觸到的已有的設(shè)計(jì)方案，感到很迷茫。參考了一些網(wǎng)上的設(shè)計(jì)方案，一些動(dòng)則用到全橋變換器，一些馬上就是用了從未見過的半導(dǎo)體芯片（在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中確實(shí)很普遍）、根本不談變換器的拓?fù)涞鹊?，讓我感到更加迷茫了；?jīng)過簡單的仿真，索性采用正激式的拓?fù)洌刂品绞绞褂幂^為簡單的電壓模式的PWM控制方式，再參考控制理論中所學(xué)的PI控制方法。當(dāng)然很顯然，如果是簡單的單端正激式變換器，交流220V的輸入恐怕難以選擇器件，這樣可以使用雙端正激式拓?fù)?，緩解開關(guān)器

14、件所需承受的最大電壓。至于其他的設(shè)計(jì)要求，在之后的設(shè)計(jì)報(bào)告中將一一體現(xiàn)。</p><p><b>　　總方案設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　電源拓?fù)溥x擇</b></p><p>　　開關(guān)電源中常用的拓?fù)溆惺當(dāng)?shù)種，可分為隔離式、非隔離式兩類。</p><p>　　非隔離式變換器又可分為buc

15、k、boost和buck-boost變換器，這幾類DC-DC變換器多適用于低直流電壓輸入/低直流電壓輸出的應(yīng)用場合，所以輸出功率也不會(huì)做的太高；此外由于輸入回路與輸出回路共地，無法實(shí)現(xiàn)多路輸出。</p><p>　　另一類隔離式變換器，主要有Flyback（反激式）、Forward（正激式）、Push Pull（推挽式）、半橋變換器、全橋變換器等；反激式拓?fù)鋸V泛應(yīng)用于小功率電路中（典型的的應(yīng)用場合），正激式變換器

16、則廣泛應(yīng)用于大功率，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的高頻變壓器既有傳輸能量的作用，也提供必要的電網(wǎng)隔離。</p><p>　　介于反激式拓?fù)洳贿m合做大功率的電路（設(shè)計(jì)需求輸出功率），而半橋電路需要復(fù)雜的隔離驅(qū)動(dòng)電路，全橋電路有偏磁問題、控制方式更加復(fù)雜等等，不能在短時(shí)間內(nèi)一一理解并貫通，選用正激式拓?fù)渖心軡M足設(shè)計(jì)的要求且學(xué)習(xí)起來比較簡單。而單端正激變換器在輸入的情況下開關(guān)應(yīng)力很大（交流電網(wǎng)輸入可能會(huì)高達(dá)，則整流濾波后近），故選擇

17、雙端正激變換器，可以將開關(guān)應(yīng)力從減小到。</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)框圖</b></p><p>　　該通信高頻電源可接交流電，經(jīng)整流濾波，作為正激變換器的直流輸入，經(jīng)過開關(guān)電路，完成能量傳輸。在輸出端接采樣網(wǎng)絡(luò)，將輸出電壓型號(hào)衰減，作為反饋環(huán)路的輸入。反饋環(huán)路通過2型誤差放大器，通過參考電壓與輸入電壓的比較，調(diào)整輸出PWM波占空比，通過驅(qū)動(dòng)電路，完成對(duì)開關(guān)器件

18、的開通關(guān)斷控制，維持輸出電壓的穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：</p><p><b>　　原理圖</b></p><p>　　正激式變換器拓?fù)浞治觥⒏哳l變壓器設(shè)計(jì)及主電路各參數(shù)設(shè)計(jì)</p><p>　　輸入/輸出電壓與導(dǎo)通時(shí)間和匝數(shù)比的設(shè)計(jì)關(guān)系</p><p>　　正激變換器中變壓器工作在DCM模式下，但占空比由工作在CCM

19、模式下的輸出電感決定。即使是工作在DCM模式下的變壓器，其占空比也由CCM模式下的占空比控制（其中為變壓器次級(jí)電壓），由下式可推導(dǎo)出，不論輸入電壓如何變化，加在正激變換器變壓器的伏秒數(shù)是恒定的：</p><p><b>　　(3.3.1)</b></p><p>　　其中n為變壓器匝數(shù)比，f為開關(guān)電源開關(guān)頻率。</p><p>　　那么可知，高

20、的輸入電壓對(duì)應(yīng)于低的導(dǎo)通時(shí)間，在開關(guān)頻率一定時(shí)，占空比則小。因此，加上開關(guān)器件在工作時(shí)產(chǎn)生的壓降，則：</p><p><b>　　(3.3.2)</b></p><p>　　其中上劃線與下劃線分別表示最大值與最小值，為次級(jí)二極管導(dǎo)通壓降。</p><p>　　雙端正激變換器顯著的優(yōu)點(diǎn)是沒有漏感能量消耗，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，存儲(chǔ)于漏感中的所有能量不是消

21、耗于電阻元件或功率管內(nèi)，而是在開關(guān)關(guān)斷時(shí)通過初級(jí)回路中的二極管回饋到輸入端。故只要保證開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間比變壓器復(fù)位時(shí)間短，則變壓器磁芯總是能成功復(fù)位的。所以雙端正激變換器的占空比一般設(shè)計(jì)不超過為0.4。設(shè)定交流輸入電壓為，那么從（2.2）式，我們可以得到輸出電壓與匝數(shù)比的關(guān)系，即，</p><p><b>　?。?.3.3）</b></p><p>　　功率開關(guān)管最大關(guān)

22、斷電壓應(yīng)力</p><p>　　當(dāng)交流輸入為242V時(shí)，通過整流濾波得到的直流輸入電壓大概為342V。因此開關(guān)管的最大關(guān)斷電壓應(yīng)力為，</p><p><b>　　（3.3.4）</b></p><p>　　初級(jí)電流、輸出功率及輸入電壓的關(guān)系</p><p>　　設(shè)電源的工作效率為，以最小直流輸入電壓計(jì)算輸入功率，即與之

23、對(duì)應(yīng)的初級(jí)輸入電流平均值的成績。若將階梯斜坡電流波形等效為等脈寬的平頂電流，其幅值為階梯斜坡中點(diǎn)值，則電流平均值為。電流、功率、電壓的關(guān)系如下：</p><p><b>　　（3.3.5）</b></p><p><b>　　因，則。</b></p><p>　　對(duì)于MOSFET而言，制造廠商將MOSFET管的最大持續(xù)電流

24、定義為，在最大導(dǎo)通壓降和占空比為1時(shí)，產(chǎn)生的功率損耗使MOSFET管結(jié)點(diǎn)溫度上升到最大值（外殼溫度為）時(shí)的漏極電流。因此，，即</p><p><b>　　(3.3.6)</b></p><p>　　其中，是時(shí)的最大柵源極間導(dǎo)通電壓，為熱阻。</p><p>　　在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中通過給定的最大尖峰電源來選擇MOSFET管時(shí)，值不能作為參考值，因

25、為實(shí)際使用中占空比不會(huì)達(dá)到100%。出于可靠性的考慮，希望結(jié)點(diǎn)溫度的設(shè)計(jì)值為或。但值可以說明不同MOSFET關(guān)在占空比為1時(shí)工作情況下的相對(duì)載流能力。對(duì)于輸出功率確定時(shí)，根據(jù)輸出功率和最小直流輸入電壓，計(jì)算出的，從而得出的電流值可以計(jì)算出需要的MOSFET管的，使得值不超過最小直流輸入電壓的2%，那么</p><p>　　根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，而數(shù)據(jù)手冊上的值是在溫度條件為的條件下給出的。由于值受溫度等參數(shù)影響很大

26、，所以選擇MOSFET管要注意隨溫度和器件額定電壓變化的曲線。</p><p>　　假定開關(guān)器件結(jié)點(diǎn)到外殼的溫升為，則</p><p>　　假設(shè)交流開關(guān)損耗可以忽略，又有，</p><p>　　對(duì)于本設(shè)計(jì)的正激變換器，每個(gè)周期的最大導(dǎo)通時(shí)間是0.4T，有效電流是，選擇IXYS公司的MOSFET管IXFT30N50Q3則，可得到</p><p>

27、;　　現(xiàn)求得的為結(jié)點(diǎn)溫度時(shí)，轉(zhuǎn)換到結(jié)點(diǎn)溫度為時(shí)，有，而該MOSFET管，是滿足條件的。該MOSFET管的簡要數(shù)據(jù)如下，</p><p><b>　　磁芯氣隙分析</b></p><p>　　從磁滯回線上看，在0Oe處磁芯剩磁大約為1000G，要遠(yuǎn)離磁滯回線的拐點(diǎn)，避免磁芯進(jìn)入飽和，則值應(yīng)在1000G以內(nèi)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，計(jì)算初級(jí)匝數(shù)的公式為：</p>

28、;<p><b>　?。?.3.7）</b></p><p>　　其中為磁芯有效截面積。</p><p>　　由（2.5）式可見，如果減小dB，則，即當(dāng)線圈占用變壓器骨架的面積一定時(shí)，導(dǎo)線線徑將減小，使得流過電流最大值減小，從而使輸出功率減小。</p><p>　　磁芯加入氣隙后，使磁滯回線傾斜，0Oe處的剩磁減小，dB的范圍就增

29、大了。然而隨著氣隙的引入，使得勵(lì)磁電感減小，則因：</p><p><b>　?。?.3.8）</b></p><p>　　勵(lì)磁電流會(huì)隨著勵(lì)磁電感的減小而增加，勵(lì)磁電流對(duì)應(yīng)的能量不能傳遞到變壓器次級(jí)，使得電源的效率降低。</p><p><b>　　磁芯選擇</b></p><p>　　正激變換器的

30、變壓器磁芯有效功率與峰值密度、磁芯面積和窗口面積、頻率及繞組電流密度（圓密耳有效值安培）有關(guān)</p><p>　　假設(shè)忽略控制電路的損耗，電源功率為，窗口使用系數(shù)為0.4，則可以推導(dǎo)出拓?fù)漭敵龉β使饺缦拢?lt;/p><p><b>　?。?.3.9）</b></p><p>　　查表（《開關(guān)電源設(shè)計(jì)（第三版）》第195頁表7.2a 正激變換器拓

31、撲最大輸出功率），這里是假設(shè)當(dāng)、時(shí)的值，選取的磁芯數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　初級(jí)匝數(shù)與次級(jí)匝數(shù)的計(jì)算</p><p>　　磁芯確定之后，得到，但由于磁芯損耗隨頻率的升高而上升，在的頻率范圍內(nèi)，峰值密度可能不得不降至或者。我選取，可算出：</p><p>　　由（2.3）式可得出：</p><p>　　則從新修正匝數(shù)比為：</p&g

32、t;<p><b>　　（3.3.10）</b></p><p><b>　　輸出電感、電容設(shè)計(jì)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)中對(duì)輸出電流的要求為，當(dāng)輸出電流時(shí)副邊電感電流仍保持連續(xù)，因此在電流的臨界連續(xù)狀態(tài)下，有。根據(jù)伏秒數(shù)與電感和電流乘積的關(guān)系，這一點(diǎn)與buck拓?fù)浜芟嗨?，故有?lt;/p><p>&l

33、t;b>　　（3.3.11）</b></p><p>　　其中的為輸出電感的電感值。那么易得，取。</p><p>　　對(duì)于輸出紋波的限制，輸出電壓紋波峰值不超過。輸出電壓紋波幾乎全由濾波電容的等效串聯(lián)電阻決定，紋波總幅值為</p><p>　　對(duì)于很寬耐壓和容值范圍的鋁電解電容，其，為一恒定值。于是有，</p><p>　

34、　取，另相應(yīng)的可算得濾波電容的等效串聯(lián)電阻為。</p><p><b>　　反饋控制電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　含2型誤差放大電路的正激變換器反饋環(huán)路設(shè)計(jì)方法</p><p>　　系統(tǒng)引入2型誤差放大電路，使輸出電壓穩(wěn)定。其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(3.4.1)</b>&l

35、t;/p><p>　　其零點(diǎn)、極點(diǎn)分別為，。</p><p>　　系統(tǒng)穩(wěn)定的準(zhǔn)則有：在穿越頻率處總開環(huán)相移小于，即相位裕度至少為；為防止-2的增益斜率電路相位快速變化，系統(tǒng)的總開環(huán)增益在穿越頻率處的斜率應(yīng)為-1。</p><p>　　開關(guān)電路中，若假設(shè)輸出電容不含有等效串聯(lián)電阻，則LC輸出濾波器增益特性曲線在轉(zhuǎn)折頻率（）后，以斜率-2下降；而一般輸出電容帶有等效串聯(lián)電阻

36、，則轉(zhuǎn)折頻率后，在處，LC輸出濾波器增益特性曲線的下降斜率為-1。</p><p>　　設(shè)計(jì)2型誤差放大器，需要確定原理圖中的、、、的值，另外由于設(shè)定參考電壓，則采樣網(wǎng)絡(luò)的電阻比為，即選取采樣電阻、串聯(lián)分壓。設(shè)計(jì)方法可以是先確定LC輸出濾波器的增益特性曲線，求出轉(zhuǎn)折頻率與電容等效串聯(lián)電阻引起零點(diǎn)頻率，計(jì)算濾波器的起始增益，再計(jì)算處的濾波器增益；假定系統(tǒng)穿越頻率為開關(guān)頻率的，計(jì)算得到系統(tǒng)穿越頻率處的濾波器增益，此頻

37、率下，誤差放大器的增益應(yīng)為相反數(shù)，以使系統(tǒng)該頻率下總增益為0，在這一點(diǎn)上的誤差放大器增益即等于電阻之比，設(shè)定，則可以確定；此時(shí)再根據(jù)相位裕度公式，</p><p><b>　　(3.4.2)</b></p><p>　　其中和分別為穿越頻率與濾波器零點(diǎn)頻率帶來的相位滯后，若設(shè)定相位裕度為，則比值可求得，從而得到，繼而求出、。</p><p>　

38、　使用PSIM的SmartCrtl工具生成反饋控制電路原理圖</p><p>　　第一步，選擇單回路DC-DC變換器模型，并選擇電壓控制型；</p><p>　　第二步，進(jìn)入到參數(shù)輸入界面；</p><p>　　第三步，設(shè)定主電路基本參數(shù)（輸入/輸出電壓、輸出功率、變壓器匝數(shù)比、開關(guān)頻率、輸出電感、輸出電容及其等效串聯(lián)電阻值等）；</p><p&

39、gt;　　第四步，選擇調(diào)整器類型，這里選擇type2，2型誤差放大器，并設(shè)定其參數(shù)；</p><p>　　第五步，選擇采樣方式，這里選擇Isolated V.sensor，設(shè)定其參數(shù)；</p><p>　　第六步，設(shè)定穿越頻率與相位裕度；</p><p>　　第七步，仿真測試，主要分為四塊區(qū)域，分別表示系統(tǒng)的增益曲線、相位曲線、幅相曲線和輸出電壓曲線，可以看出在穿越

40、頻率20kHz和相位裕度為45度時(shí)，輸出電壓是趨于穩(wěn)定的，且峰值不超過0.4V。</p><p>　　第八步，生成原理圖，并將原理圖合并于開關(guān)主電路中，完成仿真。介于PSIM沒有復(fù)雜的PWM芯片，該控制環(huán)路的輸出通過PSIM特殊元件：開關(guān)控制器（On-off switch controller）直接接開關(guān)器件的門級(jí)，完成電路。</p><p>　　保護(hù)電路及緩沖電路元件選擇</p&g

41、t;<p>　　保護(hù)電路的應(yīng)用不太清楚，我認(rèn)為可以在一次側(cè)電路上熔斷器，在超過額定電流時(shí)斷開電路起到保護(hù)作用。另外，在開關(guān)器件處，設(shè)置一熱敏電阻組成的回路，檢測到開關(guān)過熱時(shí)可以斷開開關(guān)兩端的連接，起到熱保護(hù)作用。</p><p><b>　　驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　柵極電流計(jì)算</b></p>

42、<p>　　MOSFET管的簡易模型如右圖所示：</p><p>　　柵漏極之間與柵源極之間各有一個(gè)等效寄生電容，分別為與。在柵極加電壓，從0V加至10V的過程中，會(huì)向充電，漏極電壓下降，使得放電，形成短暫的電流，分別設(shè)為和，那么柵極電流，</p><p>　　開關(guān)導(dǎo)通期間柵源極電壓的變化為10V，而漏源極電壓變化為，從選用的MOSFET管（IXFT30N50Q3）的數(shù)據(jù)可看出

43、，、，若設(shè)導(dǎo)通時(shí)間為50ns，則可求得相應(yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)電流為，</p><p>　　MOSFET管最大柵極電壓的計(jì)算</p><p>　　所選用的MOSFET管（IXFT30N50Q3）datasheet上說明持續(xù)的最高柵極電壓，瞬時(shí)電壓最高能承受，對(duì)于此MOSFET管，，，耦合回柵極電壓是。這個(gè)電壓遠(yuǎn)小于MOSFET管的最高柵極電壓電壓限制，但為以防電壓波動(dòng)使得柵極電壓過高，故應(yīng)在柵源極間

44、并聯(lián)一個(gè)18V齊納管。</p><p>　　MOSFET管柵極驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　選擇芯片ISL2110作為MOSFET管的驅(qū)動(dòng)芯片（芯片引腳圖如右圖所示）。該芯片的最大PWM波輸入頻率為2000kHz，典型的3.3VTTL輸入門限；兩個(gè)輸出端帶有1.6/1歐姆的上拉/下拉電阻，3/4A的上拉/下拉電流，具有足夠的柵極驅(qū)動(dòng)能力。</p><p>　　芯片d

45、atasheet給出的驅(qū)動(dòng)雙段正激變換器典型電路如下圖所示，</p><p>　　將控制回路的PWM電壓波形經(jīng)一定整形之后，作為isl2110的輸入，兩個(gè)輸出接HO、LO可直接驅(qū)動(dòng)MOSFET管柵極。</p><p><b>　　第四章電路仿真</b></p><p><b>　　PSIM簡介</b></p>

46、<p>　　PSIM是趨向于電力電子領(lǐng)域以及電機(jī)控制領(lǐng)域的仿真應(yīng)用包軟件。具有仿真高速、用戶界面友好、波形解析等功能，為電力電子電路的解析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)研究等有效提供強(qiáng)有力的仿真環(huán)境。</p><p><b>　　仿真參數(shù)設(shè)定</b></p><p>　　仿真時(shí)，需設(shè)定好仿真參數(shù)，其實(shí)也就是仿真的時(shí)間步長、總時(shí)間與仿真結(jié)果的起始時(shí)間等。如下圖所

47、示，</p><p>　　這里設(shè)置步長為50ns，時(shí)長為0.02s，打印時(shí)間從零時(shí)刻開始。</p><p>　　在額定電壓下的仿真結(jié)果</p><p>　　在220VAC輸入的情況下，分別調(diào)節(jié)負(fù)載電阻，得到不同的負(fù)荷情況下的電源輸出電壓、電流以及開關(guān)器件的電壓波形。</p><p><b>　　額定負(fù)荷的仿真結(jié)果</b>

48、</p><p>　　當(dāng)電源達(dá)到額定負(fù)載時(shí)，，輸出電壓、電流波形如下，</p><p>　　可以看出在2ms以內(nèi)的電壓峰值會(huì)達(dá)到50V，之后將穩(wěn)定在48V。因?yàn)樨?fù)載為電阻型負(fù)載，所以電流會(huì)隨電壓變化而變化，峰值不超過26A，隨之穩(wěn)定。</p><p>　　電壓紋波峰值略超過0.1V，如下圖所示，</p><p>　　電流紋波如下圖所示，<

49、;/p><p>　　開關(guān)器件的電壓波形，</p><p>　　這里尚有疑問，在設(shè)計(jì)時(shí)的開關(guān)器件最大電壓應(yīng)力應(yīng)該是最大輸入電壓，而這里只有最大輸入電壓的。</p><p>　　80%負(fù)荷的仿真結(jié)果</p><p>　　此時(shí)負(fù)荷下的電流電壓仿真結(jié)果如下圖所示，電流相應(yīng)下降，輸出電壓不變。</p><p>　　輸出電流最小時(shí)的仿

50、真結(jié)果</p><p>　　在最小輸出電流狀態(tài)下，即，輸出電壓電流波形如下圖所示，</p><p>　　輸出電感的電流波形如下，</p><p>　　此時(shí)的電感仍工作在連續(xù)狀態(tài)。</p><p>　　在電源波動(dòng)時(shí)的仿真結(jié)果</p><p>　　電源工作在最大輸入電壓的情況</p><p>　　設(shè)

51、定仿真參數(shù)為輸入電壓為220+10VAC的情況下，額定負(fù)載下。有輸出電壓、電流波形如下，</p><p>　　開關(guān)器件的電壓波形，</p><p>　　電源工作在最小輸入電壓的情況</p><p>　　設(shè)定仿真參數(shù)為輸入電壓為220-10VAC的情況下，額定負(fù)載下。有輸出電壓、電流波形如下，</p><p>　　輸出電感的電流波形，</

52、p><p><b>　　電源的啟動(dòng)問題</b></p><p>　　在仿真的過程中，會(huì)發(fā)現(xiàn)電源啟動(dòng)時(shí)，一次側(cè)電流、輸出電感電流會(huì)有一個(gè)很大的尖峰值。如一次側(cè)電流會(huì)在啟動(dòng)的前2ms內(nèi)，產(chǎn)生一個(gè)30A的電流峰值（如下圖所示）。而輸出電感的電流（如下圖所示）則更為嚴(yán)重，在最惡劣的電壓輸入情況下，可產(chǎn)生高達(dá)80A的電流峰值，這會(huì)嚴(yán)重的影響到電源各部件的穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致電源損壞無法

53、工作。</p><p>　　經(jīng)過簡單的分析，當(dāng)電源啟動(dòng)的時(shí)候，由于輸出電壓值太小，經(jīng)采樣網(wǎng)絡(luò)后的電壓與參考電壓相比相差很大，故2型誤差放大器的輸出很大，達(dá)到誤差放大器的最大輸出10V，這樣使得2型誤差放大器的輸出與三角波相比，導(dǎo)致輸出的PWM波占空比為1，則開關(guān)一直被導(dǎo)通，導(dǎo)致了很大的啟動(dòng)沖擊電流。為限制啟動(dòng)時(shí)2型誤差放大器的輸出，可以在啟動(dòng)時(shí)讓占空比較緩慢的增長。并且為了防止PWM波占空比超過0.4，則限制2型

54、誤差放大器的輸出范圍為，如圖所示在2型誤差放大器后增加非線性單元，</p><p>　　那么經(jīng)修改的電感電流、一次側(cè)電流、輸出電壓與電流的仿真結(jié)果如下，</p><p>　　增加了非線性單元，在最大輸入電壓的情況下可見系統(tǒng)還能保持輸出的穩(wěn)定，并且使電源啟動(dòng)時(shí)的電感電流、一次側(cè)電流的情況有所改良，峰值大概為原來的一半。</p><p><b>　　第五章總

55、結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過這次課程設(shè)計(jì)，對(duì)開關(guān)電源的相關(guān)知識(shí)有所了解，大致的學(xué)習(xí)了各種開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的知識(shí)和設(shè)計(jì)方法。但總體來看，學(xué)習(xí)的時(shí)間還短，對(duì)于開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方面還只是懂了冰山一角，不能全面的掌握解決設(shè)計(jì)中的各種問題的方法，對(duì)于變壓器的設(shè)計(jì)、電感的設(shè)計(jì)、EMI的設(shè)計(jì)等等知識(shí)也只是粗略的看了看，沒有深入的了解，仿真軟件也是現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用，尚不能做到融會(huì)貫通，做到更為準(zhǔn)確的仿真。</p&

56、gt;<p>　　開始選擇電源拓?fù)涞臅r(shí)候就很糾結(jié)了，找的資料到?jīng)]有說明這些電路到底適合于怎樣的一個(gè)功率級(jí)別，到底能不能適合做一個(gè)1200W的電源。在開關(guān)電源的論壇上問了很多人，有人能用反激式拓?fù)渥?200W的電源，他用萬能板焊接的電源上掛著5個(gè)變壓器，倒是做出來了，而且輸出的結(jié)果也能被大家所接受。大家都會(huì)說在小功率電源上，buck、boost、boost-buck和反激式變換器都很成熟了，例子很多，稍微看一看筆記本電腦的電

57、源，也不過就是一個(gè)65W，12V/5A的電源，說起來開關(guān)的應(yīng)力應(yīng)該是很小的，并且電源的效率也很高。對(duì)于大功率電源來說，設(shè)計(jì)起來要考慮的問題就太多了，看輸入電壓與輸出電壓相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，就知道要使用到電氣的隔離，變壓器的設(shè)計(jì)就很麻煩了，不管是匝數(shù)的問題，還要牽扯到磁芯、骨架、如何布線等等，很繁瑣，也很難找到例子去模仿一下?？傊?，選擇雙端正激變換器這個(gè)拓?fù)?，我想是自己去折中了一下，因?yàn)榘霕蚝腿珮虬ㄖC振變換器等等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不光是控制，驅(qū)動(dòng)電路

58、都是更加的復(fù)雜。</p><p>　　還有設(shè)計(jì)中比較迷茫的方面，一是關(guān)于開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，看了一些開關(guān)電源成品的介紹書籍，其中很多用到的都是集成IC控制器，并且將PWM波控制器也集成于其中，免去自己設(shè)計(jì)反饋回路，并且也可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。另一部分的驅(qū)動(dòng)芯片則是輸入PWM波，輸出電路帶有圖騰柱電路，則可以輸出能驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件的充電、回收電流，還帶有上拉下拉的電阻，功能都集成于其中，而面對(duì)芯片資料里錯(cuò)綜復(fù)雜

59、的數(shù)據(jù)，顯得很無力，不知道這樣的芯片到底能不能所選用的驅(qū)動(dòng)MOSFET管呢？更難以捉摸的是那些芯片里的關(guān)鍵數(shù)據(jù)為TBD，尚未確定的值，給選擇MOSFET管帶來了難度。其二，保護(hù)電路與緩沖電路的設(shè)計(jì)，在書上的實(shí)例中有一些介紹，對(duì)于開關(guān)器件，封裝中并聯(lián)有方向的二極管，而對(duì)于雙端正激變換器倒沒有很好的說明，主電路中的兩個(gè)二極管已經(jīng)起到了回饋電能的作用，那到底還需不需要所謂的RCD、LCD呢？只能之后再去更深入的理解它們了，像是所學(xué)到的知識(shí)并沒

60、有融在一起，自然面對(duì)這些電路會(huì)沒有什么感覺。</p><p>　　所以之后的學(xué)習(xí)，更應(yīng)該掌握一些對(duì)一些典型電路的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)對(duì)控制理論的理解，從更廣的角度去看待開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　[1]開關(guān)電源