基于PWM的高压可调大范围开关电源设计与实现

1 引言当今社会，时代在进步，人们的生活水平不断提高，越来越离不开电力电子产品电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，当然任何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 什么是开关电源电子电源是对公用电网或某种电能进行变换和控制，并向各种用电负载提供优质电能的供电设备。

它可分为线性电源和开关电源两种。

应用大功率半导体器件，在一个电路中运行于“开关状态”，按一定规律控制开关，对电能进行处理变换而构成的电源，被称为“开关电源”。

在实际应用中同时具备三个条件的电源可称之为开关电源，这三个条件就是:开关(电路中的电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态)、高频(电路中的电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频)和直流(电源输出是直流而不是交流)。

广义地说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成另一形态的主电路都叫做开关变换电路;转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节的则称开关电源。

1.2 开关电源基本工作原理开关电源以半导体开关器件的启闭为基本原理，即通过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）或者脉冲频率调制方式（PFM）控制IC和外部电路构成。

开关电源有PWM调制、FWM调制和混合调制，这里选用PWM调制。

PWM型开关电源的换能电路是将输入的直流电压转换成脉冲电压，再将脉冲电压转换成直流电压输出。

图1-1 PWM型开关电源原理框图2 EMI滤波滤波的方法有很多，此处采用在电源的输入端加入线路滤波器的方法图2-1 EMI滤波电路EMI滤波电路一方面滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰，另一方面还能避免本身设备向外部发出噪声干扰，以免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。

基于DSP控制的PWM型开关电源的研究与开发共3篇基于DSP控制的PWM型开关电源的研究与开发1随着现代电子技术的不断发展，各种电子设备已经成为了人们生活中必不可少的一部分。

而这些电子设备的电力供应往往都离不开一种被称作开关电源的技术。

在目前的众多开关电源技术中，一种基于数码信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）控制的脉宽调制（Pulse-Width Modulation，PWM）型开关电源备受关注。

本文将立足于DSP控制的PWM型开关电源的研究与开发，从理论分析、电路设计以及实验测试等方面进行探讨。

一、理论分析在开展研究之前，我们需要先了解PWM型开关电源的基本原理。

PWM型开关电源是一种电源调节技术，它将输入电压转换为短脉冲信号，并通过改变信号的占空比来实现电压的调节。

在PWM型开关电源中，DSP作为核心控制器，通过对电源电路的控制实现对电压、电流等信号的输出控制。

因此，DSP控制技术具有快速、高效、精准等特点，是PWM型开关电源的重要控制手段。

二、电路设计在PWM型开关电源的电路设计中，首先要考虑的是所选用的数字信号处理器（DSP）。

在选择DSP时，需要考虑其性能、成本、可扩展性等因素。

其次，需要在选用的DSP的控制下设计整个PWM型开关电源的电路图。

其中，包括输入电源、滤波电路、开关管、功率变换电路、负载电路等部分，旨在将输入电压转化为输出大于或等于期望值的恒定电压。

另外，在电路设计过程中，还需要注意各部分之间的电气特性和电路参数，以便实现电源稳定、高效、低噪音的输出要求。

三、实验测试完成电路设计之后，需要进行实验测试以验证PWM型开关电源的控制效果和电气性能。

在实验过程中，我们可以通过测定输出的电压、电流大小、占空比等参数来评估所设计的PWM型开关电源的实际性能。

在实验过程中，还需要考虑到温度、负载变化等因素对PWM型开关电源的影响，以保证得到准确的实验结果。

基于PWM技术的高压变频电源现代电子技术2001正基于PWM技术的高压变频电源邓恒王玮殷波陈允平(武汉大学电气工程学院武汉430072)摘要介绍了一种新型的高压变频电源的设计方法.在研究气体放电中,气体放电的特性同其放电电压的有效值,上升速率和频率有着密切的关系关键词电源高压变频1简述利用气体放电是台成大量臭氧的最有效途径.为了高效的产生出臭氧,必须研究电源电压,效率,电压上升速率对气体放电的影响,因此设计一种电压,频率,占空比均可调的高压变频电源就十分必要了为了更好的研究气体放电的性质,要求电源达到以下要求:(1)输出频率:1～5OkHz,可调.(2)脉宽:1～100Os,可调(3)输入电压:220V,50Hz.输出电压:5～15kV,可调(4)可靠,稳定而现在市场上所能提供的电源多为低压,中压变频电源,其输出电压为24~48V左右,多为两键控制(增加,减少两键控制)调节不够灵活,远远不能达到我们所需,因此设计一种输出高电压,调节方便的电源十分必要的.本方案设计的电源完全可以达到上述要求.2方案概述系统主电路主要由滤波整流电路,脉冲生成电路和控制电路组成.系统主电路采用交一直一交电压型大功率全控型电力电子器件绝缘门极双极性晶体管(IGBT)桥式逆变电路.控制电路采用脉宽调制(PWM)技术和单片微机(80196KB)控制技术80196KB的HSO (高速输出口)产生一频率,脉宽均可调的PWM脉冲.即可有效控制逆变器输出交流电压的频率和有效值2.1滤波整流电路该电路由调压器,高压整流桥和滤波电容组成.其电路图如图1所示一一.lD1=—____●D.D.图1滤渡整流电路其输入电压为工频市电,经调压器升压至500V至1100V然后经高压整流桥进行垒波整流后再经一积分电路后形成电压稍有波动的直流电压其输出波形如图2,其中乩,为纹波值,【,为输,出电压平均值U一Un28u=,其中R为负荷电阻,,=50Hz.因为后级负载在IGBT导通时为电晕放电通道的电阻值,其数量级为Mg,在IGBT关断时趋于无穷太,故8【,很小.图2辅出波形图第6期邓恒等:基于PWM技术的高压变频电源其输出电压幅值可由调压器调节,也可将整流桥中的不可控元件二极管换为半可控元件晶闸管, 通过改变晶闸管的导通角来改变本方案为降低成本未考虑后者.2.2脉冲生成电路该电路由绝缘栅极双极性晶体管(1GBT)实现.其原理图如图3所示.IGKI"———一图3脉冲生成电路示意图其主要原理如下:IGBT为全可控型晶体管,既可控制其导通又可控制其关断,就相当于一个可控的开关,由控制回路发出一个脉宽和频率均可调的脉冲即可使其按我们的要求开台,从而使得直流电压被斩波从而生成脉冲.由于IGBT集功率GTR和MOSFET的优点为一体,故可用电平信号直接驱动控制,并具有输入阻抗高;开关速度快,损耗小,极限工作温度高,电流容量大,耐压等级高,工作稳定性强,噪声低等特点,正日益广泛应用于变频电源,斩波器及交, 直流调速系统中.IGBT是压控器件,门极输入阻抗高,所需驱动功率小,较GTO及大功率晶体管的门极驱动容易驱动电路如图4所示.采用了EXB841专用集成电路,它的最高运行频率为40kHz.输入信号经内部光电隔离,光隔驱动电流,最大延迟时间为1微秒.驱动电路外加电源+20V单电源供电,由内部电阻和稳压管分成+15V和一5V分别作为正,负栅极电源.根据IGBT管压降随漏极电流增加而增加的特性,EXB843的内部采用漏极电压识别法进行过流保护为防止栅极积累电荷,接一放电电阻风,阻值取4.7kfZ,同时并接两个反向串联稳压管Dz,Ds,以防止栅源电压尖峰电压损坏元件.图4IGBT驱动电路门极电阻R的大小,对通态电压,开关时间,开关损耗,承受短路能力等有不同影响.当门极电阻Rc增大时,IGBT的开通和关断时间增加,从而使开通和关断损耗增加但门极电阻&减小时, IGBT的电流上升率di/dt增加,从而引起IGBT的误导通.Rc的选用原则是:在开通损耗不太大的情况下,选用较大的门极电阻.一般来说,R可按照下列公式来计算:Re=5*625/.式中Jc为IGBT集电极电流.本文中Ic一60A,所以取RG一50n 在EXB841的输入端内部,对由PWM控制电路生成的PWM数字信号,进行光电隔离,可有效地将EXB843的输出端与输入端进行隔离,提高整8现代电子技术2001芷体抗干扰能力.2.3控制电路控制电路由单片机80196KB实现.与外界的接口由8279智能键盘控制芯片实现.由5个LED数码管显示.其中一个显示调整状态(O表示改变频率,1表示改变占空比),4个显示数据.其原理图如图5.8279是通用键盘/显示器接口芯片,其主要功能是接收来自键盘的输人数据,并作预处理以及数据显示的管理和数据显示器的控制.80196KB的AI正在正常工作时,以固定的振荡频率被触发,因P输出80196KB而被用作8279的外部时钟信号.8279的中断请求信号IRQ与80C196KB的INT0相连,当有键按下时,可将该键的送人8279的FIFORAM(先人先出存储器)中,同时向80196KB提出中断申请.8279的c/D(A.)端用于区别DB0--DB7所传数据性质, 片选信号cs与三八译码器的Y0相连.因此,单片机向8279传送命令的口地址为0081H,传递数据的口地址为0080H.80196KB将8279传送过来的数据进行处理后送置控制寄存器从改变PWM波脉宽和频率的数值.8279圈5控制电路框图80196KB产生一个脉冲需要设置3个事件,前两个事件用于形成脉冲的上升沿CE跳变)和下降沿(负跳变),第三个事件作为脉冲的周期.若要产生连续脉冲,必须不断的写入这三个事件的命令和时间.由于两次装载HSO命令之间应间隔8个状态周期,故实现一个脉冲最少需要l6个状态周期, 80196KB的机器周期在采用12MHz晶振时为为0.167s,所以其可实现的最小脉宽为16×0.167s=2.672s,.即最高频率为374.25kHz.其最大脉宽为2×FFFF×0.167s一21888.69s,最低频率为45.68Hz,完全满足要求.止跳娈事圈6HSO产生脉冲示意图LED显示键盘输入3软件设计软件主要实现PWM波的输出及控制功能,其流程图如图7.开机后初始化8279键盘控制芯片以及80196KB的参数,HSO(高速输出口)产生一占空比为5O,频率为1kHz的脉冲,并设定中断向量的人口,等待键盘中断输入.待输入频率和占空比后8279向80196KB发出中断信号转入中断服务程序.80196KB先通过设置的判断字判断输入值为占空比还是频率,然后将其写入相应的控制寄存器内以改变占空比或是频率然后通过8279驱动LED数码管显示该数字.然后打开中断等待下一次输入.其程序设计流程图如下.第6期邓恒等:基于PWM技术的高压变频电源主程序流程图中断服务程序流程图厂I...........................__J区\竺/0变占空比置状态位1.并将散据传到Axi塑置状态位0.并将数据传到BXcP【『处理数据后将控制字写入EX.从而实现变颇或变占空比的功能写入8279控制字.驱动显示开关断l主坚旦l图7程序流程图4结论用本方法实现的变频电源具有电压,频率,占空比均连续可调的特点,不仅适用于研究气体放电的特性,而且其控制部分还可以作为通讯用高频电源逆变电路的控制部分,具有较大实用价值.参考文献1戴育杭,钱照明.IGBT脉冲电源系统的设计与研究.电力电子技术,19982徐德高.脉冲变压器型稳压电源.北京:科学出版社,19833华中工学院,上海交通大学合编.高电压试验技术.北京:水利电力出版社,l9824王家庆.智能型高频开关电源系统的原理使用与维护.北京:人民邮电出版社,20005StarrBG,JCFV anIoon.丁学文译.用于逆变器交流电动机调速系统的PWM大规模集成路.国外电力电子技术,l9866孙涵芳.1nte116位单片机.北京航空航天大学出版社,1998TheDevelopmentofHighV oltageSourceThatHaveFunctionof FrequencyConversionBasedOllPWM DengHengWangWeiYINBoChengYunping CollegeofElectricEngineeringtWuhanUniversity—Wuhaa?430072) AbstractIntheresearchofdischargeofgas,thecharacteristicofdischargeisrelatedtothevirtu alvalue.theslope,the~equencyofthedischargevohage.Sodesigningapowersourcethatit'spea kvalueandfrequencycaD.beregulatedsnecessary.Introduceamethodtodesignahighvohagepowe rsourcethathavethefunctionoffrequencyconversion.Keywordspowersource,highvoltagetfrequencyconvers{on作者简介邓恒男,硕士,主要研究方向为电力电子和FACTS应用王玮男.硕士,主要研究方向为高电压新技术的应用.。

基于MOSFET控制的PWM型直流可调电源的设计
与实现
摘要：由于仪器所用电源的体积和重量通常受到限制，为此提出一种由MOSFET控制，并且由高频变压器隔离的开关电源设计方法。

该电源具有体积小、重量轻、抗干扰性能强，输出电压稳定，调压范围广，电压动态响
应快，性价比高，使用方便等特点。

引言
功率场效应管MOSFET是一种单极型电压控制器件，它不但具有自
关断能力，而且具有驱动功率小，关断速度快等优点，是目前开关电源中常
用的开关器件。

采用MOSFET控制的开关电源具有体积小、重量轻、效率高、成本低的优势，因此，较适合作仪器电源。

本文给出了一种由MOSFET控制的大范围连续可调（0～45V）的小功率稳压电源设计实例。

一、总体结构与主电路
图1为该电源的总体结构框图。

工作原理如下：
图1　原理方框图。

一种大功率可调开关电源的设计方案设计方案：大功率可调开关电源一、引言在现代电子设备中，大功率可调开关电源被广泛应用于各种场合，如工业自动化设备、通信设备等。

本文旨在设计一种大功率可调开关电源，满足高效率、稳定性和可调性的需求。

二、电源拓扑结构选择在设计大功率可调开关电源时，选择合适的电源拓扑结构是关键。

常见的拓扑结构有单相桥式、全桥式、半桥式等。

鉴于本设计要求大功率输出，采用半桥式拓扑结构。

三、开关功率器件选取在选择开关功率器件时，需要考虑其导通电阻、开关速度以及工作温度等因素。

本设计选取高性能的MOSFET作为开关功率器件，具有低导通电阻、快速开关速度和良好的热耐受性。

四、控制电路设计为了实现大功率可调输出，需要设计合适的控制电路。

控制电路主要包括反馈信号采集、控制信号产生和保护电路等。

1.反馈信号采集：采用外部反馈电路监测输出电压和电流，并将反馈信号送至控制电路。

2.控制信号产生：采用PWM（脉宽调制）技术产生控制信号，通过对开关器件的开关时间比进行调节，实现输出电压的调节。

3.保护电路：为了确保开关电源的稳定性和可靠性，需要设计过压保护、过流保护以及温度保护等保护电路。

五、过渡过程优化设计由于大功率可调开关电源在输出电流和电压的调整过程中，容易出现过渡过程中的不稳定情况，需要进行优化设计。

1.输出滤波电路：采用适当设计的LC滤波电路，在输出端滤除高频噪声和谐波，确保输出电压和电流的稳定性。

2.脉宽调制优化：通过对控制信号的优化，减少输出电压和电流调节过程中的波动。

3.反馈控制算法：采用先进的控制算法，如PID控制算法，提高输出电压和电流的稳定性。

六、输出电路保护设计在大功率可调开关电源设计中，保护电路的设计尤为重要。

常见的保护功能包括过压保护、过流保护、过温保护等。

1.过压保护：通过监测输出电压，当输出电压超过预设范围时，立即切断开关器件，以防止输出负载受损。

2.过流保护：通过监测输出电流，当输出电流超过预设范围时，立即切断开关器件，以避免开关器件和输出负载过载。

一种基于PWM的开关功率放大器的设计一、前言振动测试系统是模拟某种产品的实际使用环境，在产品出厂前检验其结构特性和可靠性，这对于新产品开发起着重要作用，因此，被广泛应用于军事，自动化，半导体，汽车，航空航天等行业。

采用开关功率放大器的电动式振动测试系统是目前应用广泛的一种振动试验系统。

通常能提供正弦、随机和冲击试验环境，它的频率范围广，动态范围宽，易于实现自动或手动控制；加速度波形良好，适合产生随机波；可得到很大的加速度。

功率放大器是电动振动试验系统的重要组成部分，其性能和与振动台的匹配状况直接关系着系统的性能。

功率放大器发展到现在已经历了3代：电子管功率放大器、晶体管线性功率放大器及开关功率放大器。

目前电子管功率放大器已经很少使用，晶体管线性功率放大器效率通常只有50％左右，而其他的能量则转化为热能，不但效率低，而且散热是个很大问题。

开关功率放大器如果采用功率场效应管（PMOSFET），则损耗很小，效率可达到90％，发热少，冷却设备简单。

由于开关功率放大器输出电压容易调节，且电流的波峰系数较大，这样就可以直接与振动台耦合，而不需要输出变压器。

而且PMOSFET的开关频率高，因此放大器体积小，功率密度大，容易实现模块化。

本文应用PWM技术设计并实现了5kW的功率放大器模块。

由于采用PMOSFET，开关频率达到50 kHz,体积比较小，效率高。

输出电感铁芯采用钻基非晶合金，频率响应范围广。

2主电路设计2.1主电路结构开关式功率放大器主电路结构如图1所示。

三相交流电经过工频变压器隔离、降压送入三相全桥滤波器，然后通过电容滤波得到低纹波直流电源V in。

主电路由4只PMOSFET组．成一个全桥变换器。

输出的电压波经过常模和共模扼流线圈滤波后输出到振动台。

开关功率放大器输出正弦波（5Hz～5kHz）或随机波形。

采用提高开关频率的方法来抑制谐波虽然有效，但是会增加PMOSFET的开关损耗，从而导致变换器的效率下降。

应用PWM技术的开关式直流电源设计摘要：采用新型半导体IGBT，采用高频变压器，并采用PWM脉宽调制技术设计的高频开关电源具有体积小，转换效率高，动态响应好，输出电压稳定等优点。

关键词：开关电源，高频变压器，电感，IGBT，SG3525一. 技术要求1.1 AC/DC开关电源1．输出电压：直流，纹波电压（峰峰值）小于额定电压的0.5%2．输入电压：AC三相380V±10％3．输入电压频率： 50±5HZ4．负载短时过载倍数： 200％5．瞬态特性：较好6．技术指标要求：输出直流电压：23~25~27V输出电流：40A1.2 设计条件1）电路形式全桥全波整流2）工作频率25KHZ3）逆变器电路最高，最低电压DC591～440V4） 输出电压 max 27o V VDC = min 23o V VDC = 输出电流 40A5） 开关管最大导通时间 m a x 18o T s μ= 6） 开关管导通压降 1U ∆=3V 7） 整流二极管导通压降 2U ∆＝1V 8） 变压器允许温升 50C ︒二、主电路原理与设计2.1主电路工作原理该整流电路是把交流电源直接经过二极管整流电路和电容C 滤波后得到直流电压，再由逆变器逆变成高频交流方波脉冲电压，经高频变压器隔离并变换成适当的交流电压，再经过整流和滤波变成所需要的直流输出电压。

当交流输入电压、负载等变化时，直流输出电压也会发生变化。

这时可以调节逆变器输出的方波脉冲电压的宽度，使直流输出电压保持稳定。

2.2主电路结构该电源最大输出功率为40×27＝1080W ，属于功率较大的开关电源，因此选取全桥型主电路；输出电压最高为27V ，采用全波整流电路。

采用硬开关电路。

主电路原理如图1所示。

fU V W图1 主电路原理图 主电路主要包括以下几个部分： 1）不控整流部分：主要采用三相二极管不控整流，该电路结构简单，可靠性高。

2）DC 滤波部分：采用无源滤波电路来使电路中的有害谐波减少，提高供电的可靠性。

开关电源电路设计与实现目录1 绪论 (3)1.1 课题研究的背景 (3)1.2 研究的目的及意义 (5)1.2.1课题研究的目的 (5)1.2.2课题研究的意义 (5)1.3 高频开关电源的发展情况 (5)1.3.1开关电源的发展情况 (5)1.3.2高频开关电源的主要新技术标志 (6)1.4 隔离式高频开关电源简介 (8)2 高频开关电源的总体设计 (9)2.1 主电路的选择 (9)2.2 控制电路的选择 (10)2.2.1单片机控制电路分析 (10)2.2.2芯片控制电路分析 (10)2.3 电流工作模式的方案选择 (11)2.3.1电流连续模式分析 (11)2.3.2电流断续模式分析 (11)2.4 综合结构电路图 (12)3 开关电源输入电路设计 (13)3.1 电压倍压整流技术 (13)3.1.1 交流输入整流滤波电路原理 (13)3.1.2倍压整流技术 (14)3.2 输入保护器件保护 (15)3.2.1浪涌电流的抑制 (15)3.2.2热敏电阻技术分析 (16)4 开关电源主电路设计 (17)4.1 单端反激式变换器电路的工作原理 (17)4.2 开关晶体管的设计 (19)4.3 变压器绕组的设计 (21)4.4 输入整流器的选择 (23)整流器的额定电压应该为最高输入电压的效值的3倍以上，其原因是电网中存在瞬态过电压，通常输入电压220*（1±20%）V或是85——265V应该选择600V 以上电压的整流器和二极管， (24)5 开关电源控制电路设计 (24)5.1 芯片简介 (24)5.1.1芯片原理 (24)5.1.2 UC3842 内部工作原理简介 (24)5.2 工作描述 (26)5.3 UC3842常用的电压反馈电路 (29)6 结论 (32)6.1 成果与结论 (32)6.1.1开关变换器的设计 (32)6.1.2 PWM集成控制器的设计 (33)6.1.3电压电流反馈闭环电路的设计 (33)6.2 进一步工作设想 (33)1 绪论1.1 课题研究的背景随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。