1绪论
随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。
1．1 直流稳压电源的发展
直流稳压电源是电子、电器、自动化设备中最基本的部分。传统的转换方法设计制作的电源，其效率低，损耗大，温升高。加上多路电压输出，而各个电压的等级、质量要求又不相同时，使之传统的串联稳压式电源越来越难于得到解决。如图1-1所示的串联式线性稳压电源，就属此类。
图1-1 晶体管串联式线性稳压电源
当今计算机及自动化设备上大多数控制电源都向低压大电流，高效率，重量轻、体积小的方向发展。在这种要求面前首先得到发展的是晶体管串联式开关稳压电源，如图1-2所示。
图1-2 晶体管串联式开关稳压电源
随着电力电子技术的发展，大功率开关晶体管、快恢复二极管及其它元器件的电压得到很大的提高，这为取消稳压电源中的工频变压器，发展高频开关电源创造了条件。由于它不需要工频变压器，故称无工频变压器开关式直流稳压电源。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。它使电源在小型化、轻量化、高效率等方面又迈进了一步。图1-3是无工频变压器的开关电源的方框图。
图1-3 无工频变压器的开关电源原理框图
无工频变压器开关稳压电源，有如下的优点：
1.效率高。一般在80～90%以上。
2.体积小、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。
3.稳压范围广，一般交流输入80～265V，负载作大幅度变化时，性能很好。
4.噪声低，声频在20kHz以上时，已是人耳听不到的超声波，而开关电源的工作频率一般都大于此频率；
5.性能灵活，通过输出隔离变压器，可得到低压大电流、高压小电流；一个开关控制的一路输入可得到多路输出以及同号、反号等输出；
6.电压维持时间长，为了适应交流停电时，计算机、现代自动化控制设备电源转换的需要，开关电源可在几十毫秒内保证仍有电压输出；
7.可靠性大，当开关损坏时，也不会有危及负载的高电压出现。
无工频变压器开关稳压电源的不足之处：
1.输出纹波较大，约有10～100mV的峰峰值；
2.脉冲宽度调制式的电路中，电压、电流变化率大；
3.控制电路比较复杂，对元器件要求高；
4.动态响应时间至少要大于一个开关周期，不如串联式晶体管线性稳压电源。1．2高频变压器的开关电源结构概述
这类电源的共同特点是具有高频变压器、直流稳压是从变压器次级绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。变压器原副方是隔离的，或是部分隔离的，而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。
图1-4 高频变压器开关电源基本功能框图
目前，用高频变压器的变换电路按其工作方式可分为五类，每类传输的功率也不相同，应用环境也稍有不同，如表 1-1所示：
表 1-1
1. 3 高频开关电源的组成与分类
开关电源具有体积小、效率高等一系列优点，在各类电子产品中得到广泛的应用。但由于开关电源的控制电路比较复杂、输出纹波电压较高，所以开关电源的应用也受到一定的限制。
电子装置小型轻量化的关键是供电电源的小型化，因此需要尽可能地降低电源电路中的损耗。开关电源中的调整管工作于开关状态，必然存在开关损耗，而且损耗的大小随开关频率的提高而增加。另一方面，开关电源中的变压器、电抗器等磁性元件及电容元件的损耗，也随频率的提高而增加。
目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十kHz；采用MOSFET的开关电源转换频率可达几百kHz。为提高开关频率必须采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，原理上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。
开关电源的集成化与小型化已成为现实。然而，把功率开关管与控制电路都集成在同一芯片上，必须解决电隔离和热绝缘的问题。
1.3.1 开关电源的基本构成
开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压。开关电源的基本构成如图1-3所示，其中DC/DC变换器进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有起动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路检测输出电压变化，与基准电压Ur比较，误差电压经过放大及脉宽调制（PWM）电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。
DC/DC变换器有多种电路形式，常用的有工作波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振型变换器。
对于串联线性稳压电源，输出对输入的瞬态响应特性主要由调整管的频率特性决定。但对于开关型稳压电源，输入的瞬态变化比较多地表现在输出端。提高开关频率的同时，由于反馈放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应问题也能得到改善。负载变化瞬态响应主要由输出端LC滤波器特性决定，所以可以利用提高开关频率、降低输出滤波器LC乘积的方法来改善瞬态响应特性。
1.3.2 开关型稳压电源的分类
开关型稳压电源的电路结构有多种：
（1）按驱动方式分，有自励式和他励式。
（2）按DC/DC变换器的工作方式分：①单端正激式和反激式、推挽式、半桥式、全桥式等；②降压型、升压型和升降压型等。
（3）按电路组成分，有谐振型和非谐振型。
（4）按控制方式分：①脉冲宽度调制(PWM)式；②脉冲频率调制(PFM)式；③PWM 与PFM混合式。
（5）按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式、非隔离式和变压器耦合式、光电耦合式等。
以上这些方式的组合可构成多种方式的开关型稳压电源。
1．4 开关电源技术的发展动向
开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。
(1)高频化技术：开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，随着开关频率的提高，开关变换器的体积也随之减少，功率密度也得到大幅提升，动态响应得到改善。小功率DC-DC 变换器的开关频率将上升到MHz。但随着开关频率的不断提高，开关元件和无源元件损耗的增加、高频寄生参数以及高频EMI 等新的问题也将随之产生。
(2)软开关技术：为提高变换器的变换效率，各种软开关技术应用而生，具有代表性的是无源软开关技术和有源软开关技术，主要包括零电压开关/零电流开关(ZVS/ZCS)谐振、准谐振、零电压/零电流脉宽调制技术(ZVS/ZCS-PWM)以及零电压过渡/零电流过渡脉宽调制(ZVT/ZCT-PWM)技术等。采用软开关技术可以有效的降低开关损耗和开关应力，有助于变换器变换效率的提高。
(3)功率因数校正技术(PFC)：目前PFC 技术主要分为有源PFC 技术和无源PFC 技术两大类，采用PFC 技术可以提高AC-DC 变化器输入端功率因数，减少对电网的谐波污染。
(4)模块化技术：模块化是开关电源发展的总体趋势，采用模块化技术可以满足分布式电源系统的需要，提高系统的可靠性。
(5)低输出电压技术：随着半导体制造技术的不断发展，微处理器和便携式电子设备的工作越来越低，这就要求未来的DC-DC 变换器能够提供低输出电压以适应微处理器和便携式电子设备的供电要求。
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。要加快我国开
关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路。
1．5 本课题研究的内容和意义
1.5.1 研究内容
近几年来,为了进一步提高矿山作业安全系数,改善矿山工人的工作环境,国家有关部门规定,矿山井下架线电机车必须配备低压照明、喇叭、载波通讯、司控道岔、脉冲调速器、防追尾信号等成套设备。在此种环境下，多用输出直流电压为12V或24V，这一规定使得架线电机车必须配备低压直流稳压电源。
本课题主要是研究落差比较大的dc-dc变换器，所谓落差大是指输入和输出的落差比较大，输入约直流550-800V，而输出为直流24V．要求做到输入电压在一定范围内变化时输出基本不变，也就是说靠改变占空比调节输出的效果要好，适当改变负载也能使输出基本保持不变，具有过电流保护的功能并且能够设定电流保护阀值。因为输入为直流高电压为保护起鉴采用继电联锁结构启动并有装机的过程；因为要求落差大体积小所以采用高频隔离变压器，势必要解决谐波干扰所造成的各种损耗，尤其是开关管的开关损耗，变压器的铁耗铜耗，优化设计提高效率。
具体电路根据大电压落差DC/DC变换的要求及特点，本文采用SG3525电压控制模式控制器，设计了一种基于电压型脉宽调制控制技术的半桥式隔离开关电源。其输入电压为直流600V，输出电压为直流24V，最大输出电流10A，工作频率50kHz。
1.5.2 研究意义
落差比较大的dc-dc电源变换器，应用在比较特殊的场合，如煤矿下采煤车的照明，直接利用高压直流供电点电源转换为所需的24V直流电，省去矿下单独走线，减少投入，提高利用率降低危险。采用PWM方式作控制简单易行效果明显；采用高频可减小体积提高空间利用率。
本文针对具体问题提出了一种利用半桥式高频开关电源解决大电压落差的新型DC/DC变换方式，此种设计方法可以应用于工程实际中，并且其高稳定性、高效率、高可靠性、低干扰等特点使得此种方式的应用前景十分乐观。此种设计思想不仅可以应用于落差达到20至35倍情况下，而且可以被用于更高落差的变换电路中。
2 DC/DC变换器
DC/DC变换器广泛应用于便携装置（如笔记本计算机、蜂窝电话、寻呼机、PDA 等）中。它有两种类型，即线性变换器和开关变换器。开关变换器因具有效率高、灵活的正负极性和升降压方式的特点，而备受人们的青睐。
开关稳压器利用无源磁性元件和电容电路元件的能量存储特性，从输入电压源获取分离的能量，暂时地把能量以磁场形式存储在电感器中，或以电场形式存储在电容器中，然后将能量转换到负载，实现DC/DC变换。
实现能量从源到负载的变换需要复杂的控制技术。现在，大多数采用PWM（脉冲宽度调制）技术。从输入电源提取的能量随脉宽变化，在一固定周期内保持平均能量转换。PWM的占空因数（δ）是“T on”时间（Ton，从电源提取能量的时间）与总开关周期（T）之比。对于开关稳压器，其稳定的输出电压正比于PWM占空因数，而且控制环路利用“大信号”占空因数做为对电源开关的控制信号。
2．1开关频率和储能元件
DC/DC变换器中，功率开关和储能元件的物理尺寸直接受工作频率影响。磁性元件所耦合的功率是：P（L）=1/2（LI2f）。随着频率的提高，为保持恒定的功率所要求的电感相应地减小。由于电感与磁性材料的面积和线匝数有关，所以可以减小电感器的物理尺寸。
电容元件所耦合的功率是：P(c)=1/2(CV2f)，所以储能电容器可实现类似的尺寸减小。元件尺寸的减小对于电源设计人员和系统设计人员来说都是非常重要的，可使得开关电源占用较小的体积和印刷电路板面积。
2．2开关变换器拓扑结构
开关变换器的拓扑结构系指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关元件和储能元件的不同配置。很多不同的开关稳压器拓扑结构可分为两种基本类型：非隔离型（在工作期间输入源和输出负载共用一个共同的电流通路）和隔离型（能量转换是用一个相互耦合磁性元件（变压器）来实现的，而且从源到负载的耦合是借助于磁通而不是共同的电器）。变换器拓扑结构是根据系统造价、性能指标和输入线/输出负载特性诸因素选定的。
2.2.1非隔离开关变换器
对于输入与输出电压不需隔离，只用一个工作开关和L、D、C组成的变换器电路
最基本非隔离开关稳压器拓扑结构的为如下三种： （1）降压变换器（buck converter ）；（2）升压变换器（boost converter ）；（3）降、升压变换器（buck-boost converter ）。其原理电路如图2-1所示。
图2-1 无隔离的DC →DC 变换电路
（1） 降压变换器（buck converter ）
降压变换器将一输入电压变换成一较低的稳定输出电压。输出电压（Vout ）和输入电压（Vin ）的关系为：
Vout/Vin=δ（占空因数）Vin>Vout 1) 在开关VT 导通期间
2）在开关VT 截止期间
3)电感电流的平均值计算
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a ） 电路拓扑
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4）输出电压纹波值的计算
（2）升压变换器（boost converter ）
升压变换器将一输入电压变换成一较高的稳定输出电压。输出电压和输入电压的关系为：
Vout/Vin=1/（1-δ）Vin 1)在ton 期间
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4)输入电流的平均值I 1
5)输出电压 U 0的纹波计算
（3）降、升压变换器（buck-boost converter ）
降、升压变换器将一输入电压变换成一较低反相输出电压。输出电压与输入电压的关系为： Vout/Vin=-δ/（1-δ），其中Vin>|Vout|。
图2-4 Buck —Boost converter
图2-5 Buck-Boost converter 工作波形图
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2.2.2隔离开关变换器
有很多隔离开关变换器拓扑结构，但其中四种比较通用，它们是：单端反激式变换器、单端正激式变换器、半桥式变换器、全桥式变换器。在这些电路中，从输入电源到负载的能量转换是通过一个变压器或其他磁通耦合磁性元件实现的。 1. 单端反激式变换器
单端反激式变换器将一输入电压变换成一稳定的取决于变压器匝数比的较低值或较高值输出电压。输出电压与输入电压的关系式为：
Vout/Vin=（1/N ）（δ/（1-δ））Vin>Vout 或Vin 式中N 为变压器匝数比。 （一）工作原理分析
1）在开关VT 导通期间：
图2-6 单端反激式变换器
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2）在开关VT 截止期间
（二）单端反激式变换器也有三种工作状态 1) 磁通临界连续的工作情况：
2) 磁通临界不连续的工作情况
3) 磁通连续的工作情况
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（三）U in 与导通比αt 的对应关系
即是输入电压最高时，相应的导通比是最小，输入电压最低时，相应的导通比是最大。因此，输入电压与导通比是一一对应，相互制约的。运行中由于闭环调节，这种相互适应是自动的。但必须指出的是，由控制电路振荡器和PWM 门闩电路本身固有的最大最小导通比，一定要与运行条件所需的最大最小导通比不矛盾，否则就会失调。 （四）磁通复位问题
为了不致于出现磁路饱和每个开关周期工作磁通都能复位，因此： 1）单端反激式变换器开关变压器的铁芯都带有气隙 。 2）原方绕组电流实现脉冲限流控制。
2. 单端正激式变换器
正向隔离变换器将一输入电压变换成一稳定的取决于变压器匝数比的较低值或较高值输出电压。输出电压和输入电压关系为：
Vout/Vin=（1/N ）δVin>Vout 或Vin
图2-7 正激式变换器的原理电路图
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图2-8 正激式变压器等效电路
3. 半桥式变换器 (一) 工作原理
图2-9 半桥式变换器原理电路
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图2-10 半桥式变换器的工作波形
图2-11 串联电容半桥式变换器原理电路
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（a ）串联电容前交流电压，斜格面积表示A 1、A 2的伏秒值不平衡波形
（b ）串联电容、变压器原边的伏秒值得到了平衡图
图2-12 变压器原边串联电容后的工作波形
(二) 串联耦合电容C 3的选择
4 全桥式变换器
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图2-13 全桥式变换器主电路
图2-14 全桥式变换器的工作波形
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3 DC/DC变换器的控制
如果DC/DC开关变换电路的输入电压是一个平直的直流电压，在开关接通的占空比为常数的情况下，输出电压除了直流分量外，仅包括开关频率及其倍数次的谐波。在应用中，必须将这些谐波用无源滤波器滤除。因为谐波频率越高，滤波越简单，无源滤波器越小，因此，在DC/DC开关变换电路中，开关频率往往较高。如果DC/DC开关变换电路的输入电压不是一个平直的直流电压，例如，可以是工频整流后的直流电压（包含100Hz或300Hz的谐波），在开关接通的占空比为常数的情况下，输出电压除了直流分量外和开关频率及其倍数次的谐波外，还包括100Hz或300Hz的谐波。因为这些谐波频率较低，很难用无源滤波器滤除。
在应用中，可用脉冲宽度调制（PWM）或脉冲频率调制（PFM）的方法将这些谐波滤除。所谓脉冲宽度调制的方法是一种在整个工作过程中开关频率不变而开关接通的时间按照要求变化的方法。所谓脉冲频率调制的方法是一种在整个工作过程中开关接通的时间不变而开关频率按照要求变化的方法。用这两种方法，都可以改变开关接通的占空比，从而改变输入和输出之间的关系。因为在脉冲频率调制（PFM）的方法中，输出电压中的谐波频率随开关接通的占空比的变化而变化，所以输出滤波较难；而用脉冲宽度调制（PWM）方法时，输出电压中的谐波频率恒定，输出滤波较容易。因此，在DC/DC开关变换电路常用的控制方法是脉冲宽度调制（PWM）方法。
3．1 PWM变换器
脉冲宽度调制（PWM）变换器就是通过重复通/断开关工作方式把一种直流电压（电流）变换为高频方波电压（电流），再经过整流平波后变为另一种直流电压输出。PWM 变换器有功率开关管、整流二极管及滤波电路等元器件组成。输入输出间需要进行电气隔离时，可采用变压器进行隔离和升降压。由于开关工作频率的提高，滤波电感L，变压器T等磁性元件以及滤波电容C等都可以小型化。
对于PWM变换器，加在开关管S两端的电压us及通过S的电流Is的波形近似为方波。占空比δ的定义式为：
δ＝Ton／Ts；或δ＝１－Toff／Ts。
式中Ts——开关工作周期；
Ton——一个开关周期内导通时间；
Toff——一个开关周期内断开时间；
对于这种变换器，有两种工作方式。一种是保持开关工作周期Ts不变，控制开关导通时间ton的脉冲宽度调制（PWM）方式，另一种是保持导通时间ton不变，改变开关工作周期Ts的脉冲频率调制（PFM）方式。
3．2 PWM控制技术
典型的脉宽调制型方框图如图3-1所示。
说明：A 市电，B 输出，C 控制回路，
1市电直接整流滤波，2高频变换，
3二次整流滤波， 4脉宽调制，
5比较， 6基准。
图3-1 脉宽调制型方框图
50Hz工频的市电经初始整流滤波后转换成直流电送入高频变换器中,高频变换器将此不稳定的直流电逆变成高频矩形脉冲电压送入二次整流滤波器中,而后得到平滑的直流电压供给负载。该电路中高频变换器是开关稳压电源的中心。其稳压原理为:当负载变化或输入电网电压升高而引起输出电压轻微上升时,控制回路可以使高频变换器输出矩形波宽度变窄,从而使开关稳压电源的输入电压下降,直至恢复到设定值。反之,当电网电压降低等原因引起输出电压下降时,控制回路可以使高频变换器输出矩形波展宽,使输出电压上升,直至恢复到额定值,达到稳压的目的。高频变换器输出波形变化如图3-2所示。
控制开关DC/DC变换器的反馈回路和稳压特性有两种方法：电压模式控制和电流模式控制。在电压模式控制中，变换器的占空因数正比于实际输出电压与理想输出电压之间的误差差值；在电流模式控制中，占空因数正比于额定输出电压与变换器控制电流函数之间的误差差值。控制电流可以是非隔离拓扑结构中的开关电流或隔离拓扑