半橋型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 題 目 學(xué) 院： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 董恒 職稱(chēng)/學(xué)位 助教專(zhuān) 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 完成時(shí)間： 2015.12.28 湖南工學(xué)院電力電子課程設(shè)計(jì)課題任務(wù)書(shū)學(xué)院： 電氣與信息工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè) 指導(dǎo)教師董恒學(xué)生姓名課題名稱(chēng)半橋型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)半橋型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，已知輸入電壓?jiǎn)蜗啵?70260V，輸入交流電頻率4565HZ，輸出直流電壓24V恒定，輸出直流電流10A，最大功率250W，穩(wěn)壓精度：小于直流輸出電壓整定值的1%。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、關(guān)于本課程學(xué)習(xí)情況簡(jiǎn)述；2、主

2、電路的設(shè)計(jì)、原理分析和器件的選擇；3、控制電路的設(shè)計(jì)；4、保護(hù)電路的設(shè)計(jì)；5、利用MATLAB軟件對(duì)自己的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真。主要參考資料1 王兆安,王俊編.電力電子技術(shù)(第5版).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20122 黃俊,秦祖蔭編.電力電子自關(guān)斷器件及電路.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19913 李序葆,趙永健編.電力電子器件及其應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996教研室意見(jiàn) 教研室主任：（簽字）年 月 日3目錄1、總體設(shè)計(jì)方案51.1輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)51.2逆變電路設(shè)計(jì)61.3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)71.4 整體電路設(shè)計(jì)81.5過(guò)流保護(hù)91.6過(guò)壓保護(hù)102、器件的選擇11 2.1輸入整流器件11 2.2輸出

3、整流器件11 2.3元件選擇11 2.4保護(hù)電路器件選擇133、MATLAB電路仿真14 3.1MATLAB簡(jiǎn)介14 3.2仿真電路圖14致謝16參考文獻(xiàn)17摘要隨著開(kāi)關(guān)電源在計(jì)算機(jī)、通信、航空航天、儀器儀表及家用電器等方面的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)其需求量日益增長(zhǎng)。開(kāi)關(guān)電源是現(xiàn)代電力電子設(shè)備不可或缺的組成部分，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響子設(shè)備性能，其體積的大小也直接影響到電子設(shè)備整體的體積。開(kāi)關(guān)電源以其效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢(shì)在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的線性電源。這次介紹一種半橋電路的開(kāi)關(guān)電源，是輸入為單相交流170260V，輸入頻率4565HZ，輸出直流電壓24v，輸出直流電流10A ，最

4、大功率250w。重點(diǎn)介紹該電源的構(gòu)思、理論、工作原理及特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源；整流電路；半橋1、總體設(shè)計(jì)方案 開(kāi)關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)器件，通過(guò)周期性間斷工作，控制開(kāi)關(guān)器件的占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓。整個(gè)課題的設(shè)計(jì)，分為三部分。1、主電路的設(shè)計(jì)，包括整流輸入濾波、半橋式逆變電路、輸出整流、輸出濾波。2、開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路。3、控制電路的設(shè)計(jì)，包括控制逆變電路開(kāi)關(guān)管工作的脈沖輸出、軟啟動(dòng)、調(diào)占空比以及保護(hù)電路。半橋型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案遵循開(kāi)關(guān)電源的變換框圖。如1.1圖所示：半橋逆變電路輸入濾波電路輸出整流濾波輸入整流電路 圖1.1開(kāi)關(guān)電源變換 先是由工頻交流經(jīng)橋式整流電路得到直流電流，

5、再由半橋開(kāi)開(kāi)關(guān)逆變得到高頻交流電，經(jīng)整流濾波后得到所需直流電。可供電子設(shè)備使用。然后，電源流入輸入整流濾波回路將交流電通過(guò)整流模塊變換成含有脈動(dòng)成分的直流電，然后通過(guò)輸入濾波電容將脈動(dòng)直流電變?yōu)檩^平滑的直流電。其次，功率開(kāi)關(guān)橋由控制電路提供觸發(fā)脈沖把濾波得到的直流電變換為高頻的方波電壓，通過(guò)高頻變壓器傳送到輸出側(cè)。最后，輸出整流濾波回路將高頻方波電壓濾波成為所需的直流電壓或電流。1.1輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)整流濾波回路是開(kāi)關(guān)電源的重要組成部分，它可以提高電壓、電流的穩(wěn)定度，減小干擾。按其所在的位置不同，分為輸入和輸出整流濾波回路。這次研究的電源額定工作狀態(tài)的技術(shù)要求為:輸出電壓24V,輸出電流1

6、0A，輸出功率約240w，為了減小電源的輸入濾波電容等原因，用電源電路采用單相橋式整流。 對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，相對(duì)于全控橋而言少了一個(gè)控制器件，用二極管代替，有利于降低損耗！如果不加續(xù)流二極管，當(dāng)突然增大至180°或出發(fā)脈沖丟失時(shí)，由于電感儲(chǔ)能不經(jīng)變壓器二次繞組釋放，只是消耗在負(fù)載電阻上，會(huì)發(fā)生一個(gè)晶閘管導(dǎo)通而兩個(gè)二極管輪流導(dǎo)通的情況，這使Ud成為正弦半波，即半周期Ud為正弦，另外半周期為Ud為零，其平均值保持穩(wěn)定，相當(dāng)于單相半波不可控整流電路時(shí)的波形，即為失控。所以必須加續(xù)流二極管，以免發(fā)生失控現(xiàn)象。電路簡(jiǎn)圖如下：圖1 整流電路當(dāng)負(fù)載中電感很大，且電路已工作于穩(wěn)態(tài)。在U2正半周

7、，觸發(fā)角處給晶閘管D1加觸發(fā)脈沖，U2經(jīng)D1和D4向負(fù)載供電。U2過(guò)零變負(fù)時(shí)，因電感作用使電流連續(xù)，D1繼續(xù)導(dǎo)通。但因a點(diǎn)電位低于b點(diǎn)電位，使得電流從D4轉(zhuǎn)移至D2，D4關(guān)斷，電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由D1和D2續(xù)流。此階段,忽略器件的通態(tài)壓降，則Ud=0。1.2逆變電路設(shè)計(jì)半橋逆變電路原理如圖，它有兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由一個(gè)可控器件和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個(gè)電容的連接點(diǎn)便成為直流電源的中點(diǎn)。負(fù)載連接在直流電源中點(diǎn)和兩個(gè)橋臂連接點(diǎn)之間。當(dāng)可控器件不具有門(mén)極可關(guān)斷能力的晶閘管時(shí)，必須附加強(qiáng)迫換流電路才能正常工作。半橋逆變電路的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，適用器件少

8、。缺點(diǎn)是輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud的二分之一，且直流側(cè)需要兩個(gè)電容串聯(lián)，工作時(shí)還要控制兩個(gè)電容器電壓的均衡。因此半橋電路常用于幾千瓦以下的小功率逆變電源。, 圖2 逆變電路圖開(kāi)關(guān)器件V1和V2的柵極信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏,且二者互補(bǔ)。當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，輸出電壓為矩形波。當(dāng)V1或V2為通態(tài)時(shí)，負(fù)載電流和電壓同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；而當(dāng)VD1或VD2為通態(tài)時(shí)，負(fù)載電流和電壓反向，負(fù)載電感中儲(chǔ)存的能量向直流側(cè)反饋，即負(fù)載電感將其吸收的無(wú)功能量返回直流側(cè)。反饋回的能量暫時(shí)儲(chǔ)存在直流側(cè)電容器中，直流側(cè)電容器起著緩沖這種無(wú)功能量的作用。VD1、VD2稱(chēng)為反饋二極管，又叫續(xù)流二極管。

9、1.3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)MOSFET的驅(qū)動(dòng)可采用脈沖變壓器，它具有體積小，價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，但直接驅(qū)動(dòng)時(shí)，脈沖的前沿與后沿不夠陡，影響MOSFET的開(kāi)關(guān)速度。在此，采用了IR2304芯片，1) 芯片體積小(DIP8)，集成度高(可同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一橋臂的上、下兩只開(kāi)關(guān)器件)。 2)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，通斷延遲時(shí)間220220 ns(典型值)、內(nèi)部死區(qū)時(shí)間1000ns、匹配延遲時(shí)間50ns。 3)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可驅(qū)動(dòng)600v主電路系統(tǒng)，具有61 mA130mA輸出驅(qū)動(dòng)能力，柵極驅(qū)動(dòng)輸入電壓寬達(dá)1020V。 4)工作頻率高，可支持100 kHz或以下的高頻開(kāi)關(guān)。 5)輸入輸出同相設(shè)計(jì)，提供高端和低端獨(dú)立控制驅(qū)動(dòng)輸出，可通過(guò)

10、兩個(gè)兼容33v、5v和15v輸入邏輯的獨(dú)立CMOS或LSTFL輸入來(lái)控制，為設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的靈活性。 6)低功耗設(shè)計(jì)，堅(jiān)固耐用且防噪效能高。IR2304采用高壓集成電路技術(shù)，整合設(shè)計(jì)既降低成本和簡(jiǎn)化電路，又降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和節(jié)省電路板的空間，相比于其它分立式、脈沖變壓器及光耦解決方案，IR2304更能節(jié)省組件數(shù)量和空間，并提高可靠性。 7)具有電源欠壓保護(hù)和關(guān)斷邏輯，IR2304有兩個(gè)非倒相輸入及交叉?zhèn)鲗?dǎo)保護(hù)功能，整合了專(zhuān)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的半橋MOSFET或IGBT電路而設(shè)的保護(hù)功能。當(dāng)電源電壓降至47v以下時(shí)，欠壓鎖定(UVL0)功能會(huì)立即關(guān)掉兩個(gè)輸出，以防止直通電流及器件故障。當(dāng)電源電壓大于5v時(shí)則

11、會(huì)釋放輸出(綜合滯后一般為0.3v)。過(guò)壓(HVIC)及防閉鎖CMOS技術(shù)使IR2304非常堅(jiān)固耐用。另外，IR2304還配備有大脈沖電流緩沖級(jí)，可將交叉?zhèn)鲗?dǎo)減至最低；同時(shí)采用具有下拉功能的施密特(Sohmill)觸發(fā)式輸入設(shè)計(jì)，可有效隔絕噪音，以防止器件意外開(kāi)通。如下圖所示為IR2304的連線圖圖3驅(qū)動(dòng)電路圖可以看出，IR2304具有連線簡(jiǎn)單，外圍元器件少的優(yōu)點(diǎn)。其中VCC由主電路中OUT自供電，LIN和HIN分別接UC3825的兩個(gè)輸出端，VD要采用快恢復(fù)二極管，C1為濾電容，C2為自舉電容，最好采用性能好的鉭電容，R1和R2為限流電阻。1.4 整體電路設(shè)計(jì)為了提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，整流環(huán)節(jié)

12、不能采用二極管整流，采用了UC3854AB控制芯片組成功率因數(shù)校正電路。UC3854ABUnitrode公司一種新的高功率因數(shù)校正器集成控制電路芯片，是在UC3854基礎(chǔ)上的改進(jìn)，其特點(diǎn)是采用平均電流控制，功率因數(shù)接近1，高帶寬，限制電網(wǎng)電流失真3。圖2.6是由UC3854AB控制的有源功率因數(shù)校正電路。圖4整體電路圖該電路由兩部分組成。UC3854AB及外圍元器件構(gòu)成控制部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)側(cè)輸入電流和輸出電壓的控制。功率部分由L2，Cs，S等元器件構(gòu)成Boost升壓電路。開(kāi)關(guān)管S選擇SKM75GBl23D模塊，其工作頻率選在35 kHz。升壓電感L2為2mH20A。C5采用兩個(gè)450V470F的

13、電解電容并聯(lián)。為了提高電路在功率較小時(shí)的效率，所設(shè)計(jì)的PFC電路在輕載時(shí)不進(jìn)行功率因數(shù)校正，當(dāng)負(fù)載較大時(shí)功率因數(shù)校正電路自動(dòng)投入使用。此部分控制由圖1中的比較器部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。R10及R11是負(fù)載檢測(cè)電阻。當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，R10及R11上檢測(cè)的信號(hào)輸入給比較器，使其輸出端為低電平，D5導(dǎo)通，給ENA(使能端)低電平使UC3854AB封鎖。在負(fù)載較大時(shí)ENA為高電平才讓UC3854AB工作。D6接到SS(軟啟動(dòng)端)，在負(fù)載輕時(shí)D6導(dǎo)通，使SS為低電平；當(dāng)負(fù)載增大要求UC3854AB工作時(shí)，SS端電位從零緩慢升高，控制輸出脈沖占空比慢慢增大實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。1.5過(guò)流保護(hù)當(dāng)電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)

14、，可能會(huì)發(fā)生過(guò)電流。當(dāng)器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過(guò)載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過(guò)高或過(guò)低、缺相等，均可引起過(guò)流。由于電力電子器件的電流過(guò)載能力相對(duì)較差，必須對(duì)變換器進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)流保護(hù)。本文采用快速熔斷保險(xiǎn)絲在輸入端進(jìn)行保護(hù)。1.6過(guò)壓保護(hù) 過(guò)壓護(hù)要根據(jù)電路中過(guò)壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的保護(hù)電路，當(dāng)達(dá)到定電壓值時(shí)，自動(dòng)開(kāi)通保護(hù)電路，使過(guò)壓通過(guò)保護(hù)電路形成通路，消耗過(guò)壓儲(chǔ)存的電磁能量，從而使過(guò)壓的能量不會(huì)加到主開(kāi)關(guān)器件上，保護(hù)了電力電子器件。為了達(dá)到保護(hù)效果，可以使用阻容保護(hù)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時(shí)，電容

15、兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過(guò)壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過(guò)壓能量，同時(shí)抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，2、器件的選擇2.1輸入整流器件輸入為4565HZ交流電，電壓為170260V ,下面計(jì)算取電壓為170V。1. 二極管的耐壓: 整流二極管的峰值電壓可用公式計(jì)算如下。 U=170×1.414=240.38V 額定電壓： 2. 二極管的額定電流:因?yàn)殡娫吹妮斎牍β孰S效率變化，所以應(yīng)取電源效率最差時(shí)的值。在此，我們按一般開(kāi)關(guān)電源的效率取值，取=0.8電源的輸入功率可用(31)公式計(jì)算: Pin =p/min (21) W (22) 流過(guò)每個(gè)二極管的有效值 (23

16、) 額定電流： 2.2輸出整流器件電感選擇100 H；電容選擇1000F /50V；二極管選擇；二極管的峰值電壓，u=24*=33.9v額定電壓 ： 額定電流 ： 2.3元件選擇1開(kāi)關(guān)器件選擇。器件優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)GTR耐壓高，電流大，開(kāi)關(guān)特性好，通流能力強(qiáng)，飽和壓降低開(kāi)關(guān)速度低，為電流驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，存在二次擊穿問(wèn)題GTO電壓、電流容量大，適用于大功率場(chǎng)合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)電流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時(shí)門(mén)極負(fù)脈沖電流大，開(kāi)關(guān)速度低，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，開(kāi)關(guān)頻率低MOSFET開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高，不存在二次擊穿

17、問(wèn)題電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置IGBT開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小開(kāi)關(guān)速度低于電力MOSFET,電壓，電流容量不及GTO表1幾種功率器件的優(yōu)缺點(diǎn)比較表在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中用的功率器件種類(lèi)有IGBT和MOSFET，但是考慮到工作在高頻的IGBT成本較高，在本次設(shè)計(jì)選用MOSFET器件。主要參數(shù)選擇，額定電流16A，額定電壓500V，通態(tài)電阻0.4歐姆。在功率半導(dǎo)體器件中，MOSFET以高速、低開(kāi)關(guān)損耗、低驅(qū)動(dòng)損耗在各種功率變換，特別是高頻功率變換中起著重要作用。在低壓領(lǐng)域，MOSFET沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)

18、對(duì)手，但隨著MOS的耐壓提高，導(dǎo)通電阻隨之以2.4-2.6次方增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)速度使MOSFET制造者和應(yīng)用者不得不以數(shù)十倍的幅度降低額定電流，以折中額定電流、導(dǎo)通電阻和成本之間的矛盾。即便如此，高壓MOSFET在額定結(jié)溫下的導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的導(dǎo)通壓降仍居高不下，耐壓500V以上的MOSFET的額定結(jié)溫、額定電流條件下的導(dǎo)通電壓很高，耐壓800V以上的導(dǎo)通電壓高得驚人，導(dǎo)通損耗占MOSFET總損耗的2/3-4/5，使應(yīng)用受到極大限制。 2.4保護(hù)電路器件選擇1.過(guò)壓保護(hù)電路由3.1.1節(jié)可知輸入電流為1.176A，即流過(guò)MOS管的電流為1.176A。查表可得保護(hù)電路的電容為：0.04 F 電阻為：50

19、0歐姆2.過(guò)流保護(hù) >=(1.21.5) （3-4）則=/2=0.70560.7644A1）變壓器變比 (35)設(shè)占空比為 0.5則0.5k=24/170*1.2 K=0.235即變壓器的變比為0.2352）變壓器容量 =UI=14*10w=240W3、MATLAB電路仿真3.1MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C、Fort