一种单端反激式开关电源的改进
摘要
随着经济的发展和科学技术的进步，节约能源、保护环境已被社会各界所重视。高频开关电源技术发展所带来的“20kHz电源技术革命”，使其在许多工业电源领域得到了广泛的应用和迅速的发展。然而开关电源的大量使用，尤其是大功率开关电源的应用，给电网带来了电磁污染的问题，制造了大量的高次谐波和电磁干扰EMI，这一点是与近年来电力电子学界提出的“绿色电源”涵义相违背的。
本课题以逆变器辅助开关电源作为研究对象，分析了造成上述问题的主要原因，其一是开关电源的输入端采用二极管整流，后接较大的滤波电容，导致输入电流为一很窄的脉冲波，其中含有丰富的谐波分量；其二是由于电源采用了硬开关的开关工作模式，这使得在高频的开关速度下，电路中的di／dt和du／dt增大，从而导致了对周围环境的电磁干扰的增大。减少开关电源对环境的电磁污染，一是进行功率因数校正(PFC)；二是采用软开关的开关工作模式，软开关使电源在工作过程中的di／dt和du／dt较硬开关时大大降低，从而使EMI的问题得以解决。
本文正是在上述分析的基础上，着眼于原开关电源的EMI和主要损耗，在原有电路的基础上做了一些改进。主要包括：1、功率因数校正(PFC)方面，采用无源PFC技术中的一种——逐流技术，进一步减少了开关电源的对电网的谐波污染；2、开关模式方面，采用软开关中的有源钳位软开关代替原来的硬开关，很好地解决硬开关模式下的种种弊端。
本文对每个改进环节都进行了具体的仿真分析和实验，验证了改进思路的可行性及其对减少环境污染，提高电源效率的有效性。
Along with the development of economy and the progress of science and technology, saving the energy and protecting the environment have been pay more attention to by all circles of the society. "The technological revolution of 20kHz power supply" brought by the development of the high frequency switching power supply technology, makes it widespread application and rapid development in many industries power supply domain. However the massive use of switching power supply, especially the high power switching power supply, has brought the electromagnetism pollution to power system, has made a large amount higher harmonics and electronmagetic interference (EMI), this point violates the connotation of "the green power source" which was proposed by the power electronics circles recently.
The topic takes the auxiliary switching power supply of inverter as the research object, the main reason of making above problems is discussed, one is the nonlinear rectifier with a bulky capacitor in the input stage of switching power supply, which leads to a narrow pulse and rich harmonics; the other is the hard-switching work mode, this makes di/dt and du/dt in circuit increased under the high frequency switching-speed, accordingly makes the EMI to environment increase. To decrease the switching power supply electromagnetism pollution to environment, one way is carrying on the power factor correction (PFC); the other way is using the soft-switching work mode, the soft-switching compared with hard-switching makes di/dt and du/dt greatly reduce during the work progress, thus it enables EMI to be solved.
Basing on the above analysis and focusing on the EMI and main lose of switching power supply, the thesis has made some improvements based on the original electric circuit. Mainly includes: 1, the aspect of power factor correction (PFC), using one kind of the passive PFCtechnologies-chase-flows technology, it reduce "the pollution" to power system; 2, theaspect of switching mode, using the active clamp soft -switching in the soft-switching to replace the original hard-switching solves kinds of disadvantage under hard-switching mode well.
The thesis gives concrete simulation analysis and experiment to every improvement step, the conclusion verified the feasibility of the improved thoughts and the validity of reducing the environmental pollution and enhancing the power efficiency of it.
本课题以逆变器辅助开关电源作为研究对象，分析了造成上述问题的主要原因，其一是开关电源的输入端采用二极管整流，后接较大的滤波电容，导致输入电流为一很窄的脉冲波，其中含有丰富的谐波分量；其二是由于电源采用了硬开关的开关工作模式，这使得在高频的开关速度下，电路中的di／dt和du／dt增大，从而导致了对周围环境的电磁干扰的增大。减少开关电源对环境的电磁污染，一是进行功率因数校正(PFC)；二是采用软开关的开关工作模式，软开关使电源在工作过程中的di／dt和du／dt较硬开关时大大降低，从而使EMI的问题得以解决。
本文正是在上述分析的基础上，着眼于原开关电源的EMI和主要损耗，在原有电路的基础上做了一些改进。主要包括：1、功率因数校正(PFC)方面，采用无源PFC技术中的一种——逐流技术，进一步减少了开关电源的对电网的谐波污染；2、开关模式方面，采用软开关中的有源钳位软开关代替原来的硬开关，很好地解决硬开关模式下的种种弊端。
本文对每个改进环节都进行了具体的仿真分析和实验，验证了改进思路的可行性及其对减少环境污染，提高电源效率的有效性。
Along with the development of economy and the progress of science and technology, saving the energy and protecting the environment have been pay more attention to by all circles of the society. "The technological revolution of 20kHz power supply" brought by the development of the high frequency switching power supply technology, makes it widespread application and rapid development in many industries power supply domain. However the massive use of switching power supply, especially the high power switching power supply, has brought the electromagnetism pollution to power system, has made a large amount higher harmonics and electronmagetic interference (EMI), this point violates the connotation of "the green power source" which was proposed by the power electronics circles recently.
The topic takes the auxiliary switching power supply of inverter as the research object, the main reason of making above problems is discussed, one is the nonlinear rectifier with a bulky capacitor in the input stage of switching power supply, which leads to a narrow pulse and rich harmonics; the other is the hard-switching work mode, this makes di/dt and du/dt in circuit increased under the high frequency switching-speed, accordingly makes the EMI to environment increase. To decrease the switching power supply electromagnetism pollution to environment, one way is carrying on the power factor correction (PFC); the other way is using the soft-switching work mode, the soft-switching compared with hard-switching makes di/dt and du/dt greatly reduce during the work progress, thus it enables EMI to be solved.
Basing on the above analysis and focusing on the EMI and main lose of switching power supply, the thesis has made some improvements based on the original electric circuit. Mainly includes: 1, the aspect of power factor correction (PFC), using one kind of the passive PFCtechnologies-chase-flows technology, it reduce "the pollution" to power system; 2, theaspect of switching mode, using the active clamp soft -switching in the soft-switching to replace the original hard-switching solves kinds of disadvantage under hard-switching mode well.
The thesis gives concrete simulation analysis and experiment to every improvement step, the conclusion verified the feasibility of the improved thoughts and the validity of reducing the environmental pollution and enhancing the power efficiency of it.
引文
[1] 张卫平等编著．绿色电源——现代电能变换技术及应用．北京：科学出版社．2001，11
[2] 张占松，蔡宣三．开关电源的原理与设计(修订版)．北京：电子工业出版社，2005
[3] 谷红兵，吴燕萍．开关电源噪声的产生及抑制方法．科技情报开发与经济．2005(6)：135-137
[4] 朱文立．开关电源的电磁骚扰抑制技术．电子质量．2002(9)：91-93
[5] 朱文立．开关电源的电磁骚扰抑制技术(下)．电子质量．2002(10)：88-91
[6] 陈鉴富，陈太洪，杨银忠．浅谈开关电源的新技术与发展趋势．常州技术师范学院学报．2000(12)：48-51
[7] 周志敏，周纪海编著．开关电源实用技术-设计与应用．北京：人民邮电出版社，2004
[8] 沙占友等编著．新型单片开关电源的设计与应用．电子工业出版社，2001
[9] 沙占友等编著．新型单片开关电源设计与应用技术．北京：电子工业出版社，2004
[10] 周志敏，周纪海，纪爱华编著．逆变电源实用技术-设计与应用．中国电力出版社，2005
[11] 沙占友，王彦朋，周万珍等编著．单片开关电源最新应用技术．北京：机械工业出版社，2006
[12] 赵效敏．开关电源的设计与应用．上海科学普及出版社，1995
[13] 高学民主编．电力电子与变流技术．济南：山东科学技术出版社，2005
[14] 浣喜明，姚为正编著．电力电子技术．北京：高等教育出版社，2004，8
[15] 堀孝正(日)编著．电力电子学．北京：科学出版社，2001，8
[16] 王兆安，黄俊主编．电力电子技术(第四版)．北京：机械工业出版社，2003
[17] 黄俊，王兆安编．电力电子变流技术(第3版)．北京：机械工业出版社，1997，10
[18] 路秋生编著．功率因数校正技术与应用．北京：机械工业出版社，2006，3
[19] 任凌，李思扬，王志强．有源功率因数校正技术综述．通信电源技术．2005(4)：23．25
[20] 熊敏．高海生．基于DSP的数字控制功率因数校正．通信电源技术．2005(2)：41-43
[21] 俞阿龙．浅谈开关电源的谐波及抑制．电工技术杂志．2001(7)：15-17
[22] 王会涛，任开春，强生泽等．一种单相开关电源功率因数的仿真分析及优化．电工技术．2005(11)：67-68
[23] 王婷婷，谢运祥．一种带隔离的单相三电平功率因数校正电路．电力电子技术．2004(6)：25-27
[24] 慕丕勋，冯桂林编著．开关稳压电源原理与实用技术．北京：科学出版社，2005
[25] 刘胜利编著．现代高频开关电源实用技术．北京：电子工业出版社，2001，9
[26] 刘胜利编著．高频开关电源实用新技术．北京：机械工业出版社，2006
[27] 陈东编著．OrCAD电路设计．北京：国防工业出版社，2004
[28] 李永平，董欣主编．PSpice电路优化程序设计．北京：国防工业出版社，2004
[29] 李永平，董欣主编．PSpice电路原理与实现．北京：国防工业出版社，2004
[30] 苏宏宇主编．PSpice电路编辑程序设计．北京：国防工业出版社，2004
[31] 刘湲编著．PSpice电路设计与实现．北京：国防工业出版社，2005
[32] 王辅春主编．电子电路CAD与OrCAD教程．北京：机械工业出版社，2005
[33] 黄渝陵，肖荣．基于电流补偿思想的高功率因数电子镇流器．电力电子技术．2003(8)：37-38
[34] 张卫平编著．开关变换器的建模与控制．北京：中国电力出版社，2006
[35] 徐德鸿编著．电力电子系统建模及控制．北京：机械工业出版社，2006
[36] 周志敏，周纪海，纪爱华编著．现代开关电源控制电路设计及应用．北京：人民邮电出版社，2005
[37] 王增福，李昶，魏永明编著．软开关电源原理与应用．北京：电子工业出版社，2006
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[39] 侯振义．直流开关电源技术及应用．北京：电子工业出版社，2006
[40] 张建生主编．现代仪器电源．北京：科学出版社，2005
[41] Abraham I Pressman(美)著．开关电源设计．北京：电子工业出版社，2005
[42] 户川治朗(日)著．实用电源电路设计．北京：科学出版社，2006
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[45] Ron Lenk(美)著．实用开关电源设计．北京：人民邮电出版社，2006
[46] 何希才编著．稳压电源电路的设计与应用．北京：中国电力出版社，2006
[47] 曲学基，王增福，曲敬铠编著．新编高频开关稳压电源．北京：电子工业出版社，2005
[48] Asifsyed, Ershad Ahmed and Dragan Maksimovie "Digital pulse width Modulator Architectures"in 35 Annual IEEE Power Electronics specialists conference. 2004, pp:4689-4695
[49] 龚希宾，刘星桥，凌俊杰．一种新型的单端反激式开关电源的设计．广西工学院学报，2004(6)：50-53
[50] 余新颜，段善旭，康勇，零电压零电流移相全桥DC／DC变换器关键技术研究．通信电源技术．2005(2)：1-3
[51] 邵志和，陈特放．车载单端正激式3U开关电源．电力机车与城轨车辆．2005(3)：23-26
[52] 胡学芝，南光群．UC3875及在全桥软开关DC／DC变换器中的应用．机床电器．2004(6)：53-55
[53] 李金海，崔海龙，张云飞．恒频软开关PWM技术的设计与实现方案．信息技术．2004(6)：23-24
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[55] 阮绵辉，张依群．开关电源在直流系统中的应用．云南电力技术．2002(5)：50-51
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[58] 蔡晓，任立环，陶俊卫．ZVZCS-PWM全桥变换器中谐振元件参数的选择．电力电子技术．2002(4)：46-49
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[60] 肖文勋，王志强．基于PWM变换器的新型无源无损软开关．通信电源技术．2005(4)：18-21