目录摘要 (2)第一章开关电源概述 (1)1.1 开关电源的定义与分类 (1)1.2 开关电源的基本工作原理与应用 (1)1.2.1 开关电源的基本工作原理 (1)1.2.2 开关电源的应用 (2)1.3 开关电源待解决的问题及发展趋势 (5)1.3.1 开关电源待解决的问题 (5)1.3.2 开关电源的发展趋势 (5)第二章设计方案比较与选择 (7)2.1 本课题选题意义 (7)2.2 方案的设计要求 (7)2.3 选取的设计方案 (8)第三章反激式高频开关电源系统的设计 (9)3.1 高频开关电源系统参数及主电路原理图 (9)3.2 单端反激式高频变压器的设计 (10)3.2.1 高频变压器设计考虑的问题 (10)3.2.2 单端反激式变压器设计 (11)3.3 高频开关电源控制电路的设计 (15)3.3.1 PWM 集成控制器的工作原理与比较 (15)3.3.2 UC3842工作原理 (17)3.3.3 UC3842的使用特点 (18)3.4 反馈电路及保护电路的设计 (19)3.4.1 过压、欠压保护电路及反馈 (19)3.4.2 过流保护电路及反馈 (19)3.5变压器设计中注意事项 (20)第四章总结 (21)参考文献 (23)致谢 ............................................................................................................................... 错误!未定义书签。
摘要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资源及保护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，其中包括磁芯损耗、绕组损耗、温升以及磁芯要求。
高频单端反激式变压器是本文的中心内容，其核心参数设计许多，具体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。
同时采用UC3842开关电源集成控制器，它是一种高性能的固定频率电流型集成控制器，能很好地应用在隔离式单端开关电源的设计，其最大优点是外接元件少，外电路装配简单等。
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进行验证，最终确定出此设计方案是可行的，设计达到最初的效果。
关键词：高频单端反激式变压器；PWM集成控制器；UC3842集成控制器；保护电路第一章开关电源概述1.1 开关电源的定义与分类电是工业的动力，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。
以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。
1.2 开关电源的基本工作原理与应用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开关电源更为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，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。
通过增加变压器的二次绕组数就可以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。
图1.1开关电源的基本组成图控制器的主要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%。
用高频变压器取代工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应用于工业和军事上。
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应用于家电、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通信电源通信业的迅速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 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不断扩大, 单机容量已从48V/12.5A 扩大到48V/200A、48V/400A。
通信设备计算速度的不断提高, 使得时钟频率不断提高, 所用集成电路的种类繁多,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,从中间母线电压(一般为48V 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、增加非常方便。
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。
因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。
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方向。
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广泛应用于静电除尘、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,高频开关电源技术迅速发展。
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可靠的直流操作电源。
它的性能优劣直接关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%, 能够保证对蓄电池的平稳充放电, 延长了电池使用寿命。
由于采用模块化结构和N+1 备份方式, 可根据实际负载容量的大小, 选择合适的整流模块数量。