现代超精密仪器装备需要高精度恒温循环冷却水来减少温度误差的影响,半导体制冷器可以为循环恒温冷却水系统提供优良的制冷性能。针对半导体制冷器驱动过程中大功率、大电流与系统中可编程控制的需求,开关电源是最佳选择。然而开关电源的开关工作原理使其输出耦合大量的噪声与谐波,将会影响半导体制冷功率控制精度,进而影响循环冷却水的温控精度。因此,针对半导体制冷的应用背景,对开关电源中的关键技术进行研究并改善开关电源输出性能十分必要。根据以上应用背景与问题,本文对开关电源进行原理分析,具体研究改良开关电源输出特性的关键技术,并完成了开关电源样机的整体设计与研制,进行了相关性能测试。本文主要内容如下:首先,针对半导体制冷用大功率开关电源的设计要求,对电源的电路结构、材料器件、工作方式等各个方面进行了调查和综述。经过对比分析后,确定了基于全桥变换器的开关电源基本架构;其次,从半导体制冷器的工作特性出发,结合高精度循环冷却水系统的实际使用需求,核算开关电源的设计指标,并完成基于全桥变换器架构的功率开关驱动脉冲调制方式、驱动电路结构、输出整流电路拓扑、电路稳压环路反馈控制方式等关键模块的选择设计,形成完整的开关电源电路原理方案;再次,结合开关电源的工作过程,探究知输出纹波的主要来源为功率开关驱动电路、功率开关工作过程与整流二极管的关断过程等工作电路开关过程中形成的振荡,继而分析振荡形成的电路机理,运用谐振分析方法,计算得到核心元器件的关键参数,并使用标准仿真软件进行仿真,经分析验证设计结果正确、参数合理;对开关电源高频变压器的磁芯结构参数选择方法进行理论分析,推导建立高频变压器磁芯选择公式,设计了低漏感的变压器,满足课题参数与功能需要;同时确定了电源输出端所需要的输出滤波结构及其核心参数,以满足课题需求;然后,根据控制理论,从电源稳压系统中提取出控制环路;运用开关电源环路控制的小信号模型,计算出各个模块传递函数并最终导出整体控制回路的传递函数;根据频域分析方法,对电源稳压控制系统进行了开环传递函数的特性分析与三极点-双零点补偿网络的设计,良好的补偿了输出滤波器中大容量电感与电容双极点,增强了系统的稳定性。为进一步提高系统的安全性与稳定性,为电源系统增加缓启动电路与两级过流保护电路,并设计完成了基于单片机的检测电路与数控系统等辅助工作环节;最后,对开关电源中核心环节的关键技术参数进行仿真验证和实验测试,证明了使用谐振分析方法确定器件参数并进行波形整形对于输出性能具有明显的改善效果;在此基础上,组装工程样机,对开关电源的主要性能指标包括控制线性度、频率响应、纹波与噪声进行了测试。结果表明,本文所设计开关电源在11.290V输出下,经过参数设计与波形整形,纹波从190m V降至88m V,电压控制线性度达到0.44%,调节带宽为1.2k Hz,最终测试最大功率可以达到933W,说明了本文中对于开关电源设计中所涉及的关键技术研究的正确性与合理性,为进一步研究提供基础。