600W半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計..

1、1600W半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計600W半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計摘要本次設(shè)計主要是設(shè)計一個600W半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源，從而為負載供電。電源是各種電子設(shè)備不可或缺的組成部分， 其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子 設(shè)備的技術(shù)指標及能否安全可靠地工作。 由于開關(guān)電源本身消耗的能量 低，電源效率比普通線性穩(wěn)壓電源提高一倍，被廣泛用于電子計算機、 通訊、家電等各個行業(yè)。它的效率可達85以上，穩(wěn)壓范圍寬，除此之外，還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等特點，是一種較理想的 穩(wěn)壓電源。 本文介紹了一種采用半橋電路的開關(guān)電源， 其輸入電壓為單 相170 260V,輸出電壓為直流12V恒定，最大電流50A。從主電路 的原理與

2、主電路圖的設(shè)計、 控制電路器件的選取、 保護電路方案的確定 以及計算機仿真圖形的繪制與波形分析等方面的研究。關(guān)鍵詞：半橋變換器；功率MOS管；脈寬調(diào)制；穩(wěn)壓電源；第1章 緒論1.1電力電子技術(shù)概況電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。 通常所說的模擬 電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)屬于信息電子技術(shù)。 電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電 力領(lǐng)域的電子技術(shù)， 它是利用電力電子器件對電能進行變換和控制的新 興學(xué)科。 目前所用的電力電子器件2采用半導(dǎo)體制成， 故稱電力半導(dǎo)體器 件。信息電子技術(shù)主要用于信息處理， 而電力電子技術(shù)則主要用于電力 變換。電力電子技術(shù)的發(fā)展是以電力電子器件為核心， 伴隨變換技術(shù)和 控制

3、技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。電力電子技術(shù)可以理解為功率強大， 可供諸如電力系統(tǒng)那樣大電流、 高 電壓場合應(yīng)用的電子技術(shù)， 它與傳統(tǒng)的電子技術(shù)相比， 其特殊之處不僅 僅因為它能夠通過大電流和承受高電壓，而且要考慮在大功率情況下， 器件發(fā)熱、運行效率的問題。為了解決發(fā)熱和效率問題，對于大功率的 電子電路， 器件的運行都采用開關(guān)方式。 這種開關(guān)運行方式就是電力電 子器件運行的特點。電力電子學(xué)這一名詞是20世紀60年代出現(xiàn)的， “電力電子學(xué) ”和 “電力 電子技術(shù) ”在內(nèi)容上并沒有很大的不同，只是分別從學(xué)術(shù)和工程技術(shù)這2個不同角度來稱呼。電力電子學(xué)可以用圖1的倒三角形來描述，可以 認為電力電子學(xué)由電力學(xué)、電子

4、學(xué)和控制理論這3個學(xué)科交叉而形成 的。這一觀點被全世界普遍接受。電力電子技術(shù)與電子學(xué)的關(guān)系是顯而易見的。 電子學(xué)可分為電子器件和 電子電路兩大部分，它們分別與電力電子器件和電力電子電路相對應(yīng)。 從電子和電力電子的器件制造技術(shù)上進兩者同根同源， 從兩種電路的分 析方法上講也是一致的， 只是兩者應(yīng)用的目的不同， 前者用于電力變換，后者用于信息處理。 目前，開關(guān)電源以小型、 輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用于以電子計算 機為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、 通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備， 是當今電 子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。并對開關(guān)電源提出了小 型輕量要求，此外要求開關(guān)電源效率要更高、 性能更好、

5、可靠性更高等。 當前，各國正在努力開新器件、新材料以及改進裝連方法，進一步提高 效率，縮小體積，降低價格，以解決開關(guān)電源面臨的課題。隨著電力電 子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)會有更廣闊的發(fā)展前景。1.2本文研究內(nèi)容3開關(guān)電源在效率、 體積和重量等方面都遠遠優(yōu)于線性電源， 因此已經(jīng)基 本取代了線性電源， 成為電子熱備供電的主要電源形式， 受到人們的青 睞。采用先整流濾波、后經(jīng)高頻逆變得到高頻交流電壓，然后由高頻變 壓器降壓、 再整流濾波的方法。 這種采用高頻開關(guān)方式進行電能變換的 電源稱為開關(guān)電源。 隨著電子技術(shù)和應(yīng)用迅速地發(fā)展， 開關(guān)穩(wěn)壓電源的 品種和類型也越來越多。 按激勵方式分為他激式和自

6、激式；按調(diào)制方式 分為脈寬調(diào)制型、 頻率調(diào)制型和混合調(diào)制型； 按開關(guān)管電流的工作方式分開關(guān)型和諧振型； 按開關(guān)晶體管的類型分為晶體管型和可控硅型； 按 儲能電感與負載的連接方式分為串聯(lián)型和并聯(lián)型； 按晶體管的連接方式 分為單端式、推挽式、半橋式、全橋式。本文設(shè)計了一種半橋型開關(guān)穩(wěn) 壓電源，它具有驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，開關(guān)頻率高 等優(yōu)點。具體設(shè)計技術(shù)參數(shù)如下：1.輸入電壓單相170260V；2.輸入交流電頻率4565HZ；3.輸出直流電壓12V恒定；4.輸出直流電流10A；5.最大功率：120W；6.穩(wěn)壓精度：直流輸出電壓整定值的1%；本文分別從以下幾個方面進行了設(shè)計：1.主電路

7、設(shè)計；42.控制電路設(shè)計；3.驅(qū)動電路設(shè)計；4.保護電路設(shè)計；5.整體電路設(shè)計；6.元器件型號的選擇；第2章 電路設(shè)計2.1穩(wěn)壓電源總體設(shè)計方案開關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)器件， 通過周期性間斷工作， 控制開關(guān)器件的占空比來調(diào)整輸出電壓。開關(guān)電源的基本構(gòu)成如下圖所示，其中DC/DC變換器進行功率轉(zhuǎn)換，它是開關(guān)電源的核心部分，此 外還有起動、過流與過壓保護、噪聲濾波等電路。輸出采樣電路（R1、R2） 檢測輸出電壓變化， 與基準電壓Ur比較， 誤差電壓經(jīng)過放大及脈 寬調(diào)制 （PWM）電路，再經(jīng)過驅(qū)動電路控制功率器件的占空比，從而 達到調(diào)整輸出電壓大小的目的。具有一定的抗不平衡能力，對電路對稱

8、 性要求不很嚴格；適應(yīng)的功率范圍較大， 從幾十瓦到千瓦都可以；開關(guān)管耐壓要求較低；電路成本比全橋電路低等。這種電路常常被用于各種穩(wěn)壓輸出的DC變換器5DC/DC變換器有多種電路形式，常用的有工作波形為方波的PWM變換器以及工作波形為準正弦波的諧振型變換器。圖2.1主體方框圖隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電源技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。對電源的要求也各有不同。本次設(shè)計的是一種功率較大，的開關(guān)電源。設(shè)計采用了ACDCACDC變換方案。一次整流后的直流電壓， 經(jīng)過有源功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)， 再經(jīng)半橋變換電路 逆變后，由高頻變壓器隔離降壓，最后整流輸出直流電壓。系統(tǒng)的主要 環(huán)節(jié)為有源功率因數(shù)校

9、正電路、DCDC電路、功率因數(shù)校正電路、PWM控制電路和保護電路等。采用UC3854AB控制芯片組成功率因 數(shù)校正電路來提高功率因數(shù)， 用新型的芯片UC3825作為控制芯片來代 替SG3525,不僅外圍電路簡單， 而且具有有容差過壓限流功能， 還采 用了新型IR2304作為驅(qū)動芯片，動態(tài)響應(yīng)快，且自帶死區(qū)，防止半橋 上下管直通。該電路用高速雙路PWM控制器UC3825為控制芯片，功率MOSFET為開關(guān)器件而構(gòu)成的推挽逆變器，逆變器輸出6經(jīng)高頻LC濾波后輸出1MHz/100W正弦波功率信號。 實驗證明電路產(chǎn) 生的波形質(zhì)量好，電路結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，并具有體積小，效率高的 特點。低頻小功率信號源往

10、往用線性功率放大電路， 其電路比較簡單， 波形質(zhì)量好，易于實現(xiàn)。而對于高頻、中大功率信號源用線性功率放大電路難 以實現(xiàn)，特別是 對于要求1MHz/100W正弦波功率信號源， 采用線性功率放大電路， 其 電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整困難，不易實現(xiàn)。而采用高速雙路PWM控制器UC3825為控制芯片，功率MOSFET為開關(guān)器件，經(jīng)LC高頻濾波，輸出1MHZ/100W正弦波功率信號源，其波形質(zhì)量好，電路結(jié)構(gòu)簡單,體積小，效率高2.2具體電路設(shè)計2.2.1主電路設(shè)計反激式電源一般用在100W以下的電路，而本電源設(shè)計最大功率達到500W，額定電流為10A左右。在功率較大的高頻開關(guān)電源中，常用的 主變換電路有推挽電路

11、、半橋電路、全橋電路等。其中推挽電路用的開 關(guān)器件少，輸出功率大，但開關(guān)管承受電壓高（為電源電壓的2倍），且變壓器有6個抽頭，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；全橋電路開關(guān)管承受的電壓不高，輸出 功率大，但需要的開關(guān)器件多（4個），驅(qū)動電路復(fù)雜；半橋電路開關(guān)管 承受的電壓低，開關(guān)器件少，驅(qū)動簡單。根據(jù)對各種拓撲方案的電氣性能以及成本等指標的綜合比較，本電源選用半橋式DC/DC變換器作為主電路。如圖2.2即為主電路圖。7圖2.2主電路圖圖2.2中S1、S2、C1、C2和主變壓器T1構(gòu)成了半橋DCDC變換電路。MOSFET采用11NC380。電路的工作頻率為80 kHz。變壓器采用E55的鐵氧體磁芯，無須加氣隙。繞制時采

12、用三段式”繞法，以減小漏感。R1和R2用以保證電容分壓均勻，R3、C3和R4、C4為MOS管 兩端的吸收電路。C5為隔直電容，用來阻斷與不平衡伏秒值成正比的 直流分量， 平衡開關(guān)管每次不相等的伏秒值。C5采用優(yōu)質(zhì)CBB無感電 容。Ct是電流互感器，作為電流控制時取樣用。D3、D4采用快恢復(fù)二極管，經(jīng)過L1和C6、C7平波濾波后輸出OUT2給控制芯片供電，Rs、R6則是反饋電壓的采樣電阻。主變壓器的輸出OUT3為高頻低壓交流 電。如圖2所示，反饋電壓和輸出電壓同一繞組，樣，可以在負載變化 時最大限度地保證輸出電壓的穩(wěn)定。 后級可接一個或多個多路輸出的變 壓器，然后通過整流電路整流，這樣既能保證每

13、路輸出都是獨立的，又 可以得到任意大小的電壓。故可滿足DSP等需要多路不同電壓供電且 精度較高的要求。2.2.2控制電路設(shè)計8系統(tǒng)的控制電路采用高速雙路的PWM控制器UC3825，如圖2.3所示即為所選電路，其內(nèi)部電路主要由高頻振蕩器、PWM比較器、限流比 較器、過流比較器、 基準電壓源、 故障鎖存器、 軟啟動電路、 欠壓鎖定、PWM鎖存器、輸出驅(qū)動器等組成。它比SG3525具有以下優(yōu)點：1)改進了振蕩電路，提高了振蕩頻率的精度，并且具有更精確的死區(qū)控制；2)具有限流控制功能，且門檻電流有5的容差；3)低啟動電流(100MA)；4)UC3825關(guān)斷比較器是一個高速的過流比較器，它具有12v的門

14、檻值，保證芯片重新啟動前軟啟動電容完全放電，在超過門檻值時，輸出 為低電平狀態(tài)，防止上下橋臂同時導(dǎo)通而引起短路。 下圖為主電路的控 制電路前級的R808和R809與穩(wěn)壓管構(gòu)成一個啟動電路，觸發(fā)UC3825開始 工作后，由反饋輸出OUT1自供電。PWM的調(diào)制波由R1和CT振蕩 產(chǎn)生，RT、CT一般按式(1)及式(2)選取。RT=3V/(10mA)*(1-Dmax) (1)CT=(1.6*Dmax)/(Rt*f) (2)式中：仁80kHz，為所取的頻率9腳1(INV)、腳2(E/A)和腳3(HI)構(gòu)成一誤差放大器，做為電壓反饋用， 腳9(ILIM)為限流，腳8(SS)為軟啟動，腳11(0UTA)及

15、腳14(0UTB)為輸出驅(qū)動信號。從圖中可看出，UC3825功能比較全，外圍電路簡單，可有效減少PCB的布線與外圍元器件，提高了系統(tǒng)的可靠性。圖2.3高速雙路PWM控制器UC3825電路圖2.2.3驅(qū)動電路設(shè)計MOSFET的驅(qū)動可采用脈沖變壓器，它具有體積小，價格低的優(yōu)點，但直接驅(qū)動時，脈沖的前沿與后沿不夠陡，影響MOSFET的開關(guān)速度。 在此，采用了IR2304芯片，它是IR公司新推出的多功能600v高端及 低端驅(qū)動集成電路，它具有以下優(yōu)點。1)芯片體積小(DIP8)，集成度高(可同時驅(qū)動同一橋臂的上、 下兩只開關(guān) 器件) )。2)動態(tài)響應(yīng)快，通斷延遲時間220/220 ns典型值) )、內(nèi)

16、部死區(qū)時間ii1000ns匹配延遲時間50ns。3）驅(qū)動能力強，可驅(qū)動600v主電路系統(tǒng)，具有61 mA/130mA輸出驅(qū) 動能力，柵極驅(qū)動輸入電壓寬達1020V。4）工作頻率高，可支持100 kHz或以下的高頻開關(guān)。5）輸入輸出同相設(shè)計，提供高端和低端獨立控制驅(qū)動輸出，可通過兩個兼容3.3v、5v和15v輸入邏輯的獨立CMOS或LSTFL輸入來控制，為設(shè)計帶來了很大的靈活性。6）低功耗設(shè)計，堅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)計既降低成本和簡化電路，又降低設(shè)計風(fēng)險和節(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

17、高可靠性。7）具有電源欠壓保護和關(guān)斷邏輯，IR2304有兩個非倒相輸入及交叉?zhèn)鲗?dǎo)保護功能，整合了專為驅(qū)動電機的半橋MOSFET或IGBT電路而設(shè)的保護功能。當電源電壓降至4.7v以下時，欠壓鎖定（UVL0）功能會 立即關(guān)掉兩個輸出，以防止直通電流及器件故障。當電源電壓大于5v時則會釋放輸出（綜合滯后一般為0.3v）。過壓（HVIC）及防閉鎖CMOS技術(shù)使IR2304非常堅固耐用。另外，IR2304還配備有大脈沖電流緩沖 級，可將交叉?zhèn)鲗?dǎo)減至最低；同時采用具有下拉功能的施密特（Sohmill）觸發(fā)式輸入設(shè)計，可有效隔絕噪音，以防止器件意外開通。如下圖所示為IR2304的連線圖11圖2.4驅(qū)動電路

18、圖可以看出，IR2304具有連線簡單，外圍元器件少的優(yōu)點。其中VCC由主電路中OUT自供電，LIN和HIN分別接UC3825的兩個輸出端，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。2.2.4保護電路設(shè)計對于DC/DC電源產(chǎn)品都要求在出現(xiàn)異常情況( (如過流、過載)時，系統(tǒng)的保護電路工作，使變換器及時停止工作。UC3825的保護電路設(shè)計也比較簡單，如圖2.5所示。通過電流互感器得到的采樣電流，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后送到UC3825腳9(ILJIM)，當電流超過預(yù)定值時，UC3825自動封鎖輸出脈沖，起到保護作用vnLINHOVCCVSM IX)UNO

19、HlNa2n)i12圖2.5保護電路2.2.5整體電路設(shè)計為了提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，整流環(huán)節(jié)不能采用二極管整流，采用了UC3854A/B控制芯片組成功率因數(shù)校正電路。UC3854A/BUnitrode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，其特點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W%。圖2.6是由UC3854A/B控制的有源功率因數(shù)校正電路。13圖2.6整體電路圖該電路由兩部分組成。UC3854A/B及外圍元器件構(gòu)成控制部分， 實現(xiàn) 對網(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。開關(guān)管

20、S選擇西門康公司的SKM75GBI23D模塊， 其工作頻率選在35 kHz。升壓電感L2為2mH/20AC5采用兩個450V/470 uF的電解電容并聯(lián)。為了提高電路在功率較小時的效率，所設(shè)計的PFC電路在輕載時不進行功率因數(shù)校正，當負載較大時功率因數(shù)校 正電路自動投入使用。此部分控制由圖1中的比較器部分來實現(xiàn)。R10及R11是負載檢測電阻。當負載較輕時，R10及R11上檢測的信號輸入給比較器，使其輸出端為低電平，D5導(dǎo)通，給ENA（使能端）低電平使UC3854A/B封鎖。在負載較大時ENA為高電平才讓UC3854A/B工作。D6接到SS（軟啟動端），在負載輕時D6導(dǎo)通，使SS為低電平；HPi

21、t博l.i LX7U5114當負載增大要求UC3854A/B工作時，SS端電位從零緩慢升高，控制輸出脈沖占空比慢慢增大實現(xiàn)軟啟動。如圖2.7中各圖所示即為各種元件在電路中的波形。劃常聲的幅圖滾冊工壓甘廉述Jt附Q輕M I?。簩Φ投咨缋藴鐣Af1-V-V0- 1- 1嵐重吋PFC一-匸杵冶15圖2.7各種元件的波形圖.2.3兀器件JJ.= 220V2 sin wz1( . j?.440 -/2廠 “220 VTsm叔(wi)=二1987型號選擇產(chǎn)20屁廠(2士)忙巧4 = 311卿66-62卩.:.：1輸入整流二極管的選擇Kr一-= b設(shè)輸入交流電壓為：則經(jīng)過橋式整流后的平均電壓為：二極管兩端承受

22、的最大反相電壓為：所以根據(jù)實際情況即可選擇整流二極管：IN4005 600V/1A2變壓器的設(shè)計(1)變比KT選最大占空比為0.85,電路中壓降U=2V,半橋式電路變壓器原邊繞組所加電壓等于輸入電壓的一半即Ui(min)=98V則根據(jù)公式：(2)鐵心的選擇44 X-_ 12016_ 100*0,2*4*10s*0 5Ae為鐵心磁路截面積；Aw為鐵心窗口面積；PT為變壓器傳輸?shù)?功率；fs為開關(guān)頻率；AB為鐵心材料所允許的最大磁通密度的變化范 圍；de為變壓器繞組導(dǎo)體的電流密度；kc為繞組在鐵心窗口中的填充因 數(shù)。若鐵心材料為鐵氧體則 B=0 2T, dc=4A/mm2, ke=0 5。根據(jù)SG

23、3525的控制選擇開關(guān)頻率為100HZ。根據(jù)公式：,根據(jù)具體情況可選擇型號為DE25的鐵心則Ae=40 00mm24心加Aw=78 2mm2, Ae*Aw=312可以滿足要求。 4*6*100000*2小曲(3)變壓器的繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計：由于鐵磁材料的相對磁導(dǎo)率比很大，因此勵磁電感通常也較大。如果鐵心未夾緊，磁路中有氣隙，則勵磁電感會急劇下降，勵磁電流成倍增加，導(dǎo)致變壓器性能嚴重劣化。變壓器 的漏感同一次、二次繞組互相耦合的緊密程度密切相關(guān)，耦合不夠緊， 則漏感會增加。漏感對電路工作帶來的影響主要是負面的，給開關(guān)器件造成過電壓、形成較大的損耗，過大的漏感還會造成占空比的損失。因 此變壓器的設(shè)計應(yīng)盡

24、量減小漏感。減小漏感的辦法主要是提高一次、二次繞組耦合的緊密程度，如采用間隔繞組等。3輸出濾波電感的設(shè)計I為允許的電感電流最大紋波峰峰值，取最大輸出電流的20%即2A根據(jù)公式電感量為選定電感鐵心：4=10+10*20%* 0 5=11A17根據(jù)標準，輸出電壓的峰峰值Vpp200mV,考慮到功率開關(guān)管開關(guān)和輸出整流二極管開關(guān)時造成的電壓尖峰以及直流電壓殘留的100HZ紋波，可令輸出電壓的交流紋波為Vpp=50mV, U=2V根據(jù)公式根據(jù)具體情況可以選擇兩個4.7口F/25V鋁電解電容并聯(lián)使用5功率管的選擇額定電壓考慮到功率器件的開關(guān)速度和驅(qū)動電路的簡潔，本電源擬選用MOSFET作為功率開關(guān)管來構(gòu)成半橋電路。整流濾波后的最大電壓值為368V，功率開關(guān)管的額定電壓一般要求高 于直流電壓的兩倍，則功率開關(guān)管的額定電壓選為800V。額定電流輸出濾波電感電流的最大值為11A，那么變壓器原邊電流最大值為11A/6=1 8A，這也是功率開關(guān)管中流過的最大電流?？紤]到2倍余量c/ =r-i44. A=_ I -亠8*77 *10 *(200 *103)2*50*W