W半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計（論文）題目： 240W半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計院（系）： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： （簽字） 課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室： 電氣學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)班級課程設(shè)計（論文）題目240W半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計課程設(shè)計（論文）任務(wù)課題完成的設(shè)計任務(wù)及功能、要求、技術(shù)參數(shù)實現(xiàn)功能為實驗室電子設(shè)備提供24V穩(wěn)壓范圍寬、大功率直流電源，以取代低效率的線性穩(wěn)壓電源。設(shè)計任務(wù)1、方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)論證。2、整流電路設(shè)計。3、逆變電路設(shè)計。4、通過計算選擇器件的具體型號。5、驅(qū)動電路設(shè)計或選擇。6、繪制相關(guān)電路圖。

2、要求1、文字在4000字左右。2、文中的理論分析與計算要正確。3、文中的圖表工整、規(guī)范。4、元器件的選擇符合要求。技術(shù)參數(shù)1、輸入電壓單相170 260V。2、輸入交流電頻率4565HZ。3、輸出直流電壓24V恒定。4、輸出直流電流10A。5最大功率：250W。6、穩(wěn)壓精度：直流輸出電壓整定值的1進(jìn)度計劃第1天：集中學(xué)習(xí)；第2天：收集資料；第3天：方案論證；第4天：主電路設(shè)計；第5天：選擇器件；第6天：確定變壓器變比及容量；第7天：確定平波電抗器；第8天：觸發(fā)電路設(shè)計；第9天：總結(jié)并撰寫說明書；第10天：答辯指導(dǎo)教師評語及成績平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：

3、成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要應(yīng)用即社會需求，社會需求是技術(shù)發(fā)展的原動力，開關(guān)電源的發(fā)展過程清楚地辨明了這一點。目前，計算機(jī)的發(fā)展十分迅速，以其為代表的小功率電子產(chǎn)品是開關(guān)電源的主要應(yīng)用領(lǐng)域，而且正是由于在小功率領(lǐng)域的成功應(yīng)用，似的軟開關(guān)技術(shù)在小功率領(lǐng)域發(fā)展得最為成熟。本設(shè)計即為為實驗室提供的大功率開關(guān)電源，主電路采用半橋型整流電路，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，該電源在開環(huán)時，它的負(fù)載特性較差，只有加入反饋，構(gòu)成閉環(huán)控制后，當(dāng)外加電源電壓或負(fù)載變化時，均能自動控制PWM輸出信號的占空比，故控制電路以SG35

4、25為核心構(gòu)成，SG3525為美國Silicon General公司生產(chǎn)的專用PWM控制集成電路。它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案，它適用于各開關(guān)電源、斬波器的控制。用SG3525很好的解決了負(fù)載特性差的缺點，得到了想要的輸出電壓。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；PWM控制；整流電路；目 錄 TOC o 1-3 f h z HYPERLINK l _Toc17642 第1章 緒論 PAGEREF _Toc17642 1 HYPERLINK l _Toc29002 1.1 開關(guān)電源概況 PAGEREF _Toc29002 1 HYPERLINK l _Toc14287 1.2 本文設(shè)計內(nèi)容 PAGEREF _Toc

5、14287 1 HYPERLINK l _Toc14467 第2章 240W半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計 PAGEREF _Toc14467 3 HYPERLINK l _Toc21515 2.1 240W半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源總體設(shè)計方案 PAGEREF _Toc21515 3 HYPERLINK l _Toc6456 2.2 具體電路設(shè)計 PAGEREF _Toc6456 3 HYPERLINK l _Toc28760 2.2.1 主電路設(shè)計 PAGEREF _Toc28760 3 HYPERLINK l _Toc27951 2.2.2 控制電路設(shè)計 PAGEREF _Toc27951 4 HYPE

6、RLINK l _Toc20489 2.2.3 保護(hù)電路設(shè)計 PAGEREF _Toc20489 5 HYPERLINK l _Toc10009 2.2.4 整體電路設(shè)計 PAGEREF _Toc10009 6 HYPERLINK l _Toc27282 2.3 元器件型號選擇 PAGEREF _Toc27282 7 HYPERLINK l _Toc22170 2.4 系統(tǒng)調(diào)試或仿真、數(shù)據(jù)分析 PAGEREF _Toc22170 11 HYPERLINK l _Toc32215 第3章 課程設(shè)計總結(jié) PAGEREF _Toc32215 12 HYPERLINK l _Toc23061 參考文獻(xiàn)

7、 PAGEREF _Toc23061 13緒論開關(guān)電源概況開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比 率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān) 電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出電力端移動，這為開關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。 隨著開關(guān)電源在計算機(jī)、通信、家用電器等方面的廣泛應(yīng)用，人們對其需求量增長和效率、體積、重量及可靠性等方面要求更高。開關(guān)電源以其效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的線性電源。在半橋式變換器電路中,變壓器初級在整個周期中都流過電流,磁芯利用得更加充分。 它克服了推挽式電路的缺點,

8、所使用的功率晶體管耐壓要求較低；晶體管的飽和壓降減少到了最小;對輸入濾波電容使用電壓要求也較低，半橋式變換器在高頻開關(guān)電源設(shè)計中得到廣泛的應(yīng)用。電源是將各種能源轉(zhuǎn)換成為用電設(shè)備所需要的裝置， 是所有靠電能工作的裝 置的動力源泉。直流開關(guān)電源是一種由占空比控制的開關(guān)電路構(gòu)成的電能變換裝 置，用于交流直流或者直流直流電能變換，通常稱其為開關(guān)電源。 開關(guān)電源的核心為電力電子開關(guān)電路，根據(jù)負(fù)載對電源提出的輸出穩(wěn)壓或穩(wěn)流特性的要求， 利用反饋控制電路，采用占空比控制方法，對開關(guān)電路進(jìn)行控制。 開關(guān)電源的這一技術(shù)特點使得它具有，效率高、體積小、重量輕、頻率高、電感、電容等濾波元件和變壓器體積小。 本文設(shè)計

9、內(nèi)容開關(guān)電源在效率、體積和重量等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)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。本文設(shè)計的是為實驗室電子設(shè)備提供的24V穩(wěn)壓范圍寬、大功率直流電源，以取代低效率的線性穩(wěn)壓電源。其主要技術(shù)參數(shù)如下：1、輸入電壓單相170 260V。2、輸入交流電頻率4565HZ。3、輸出直流電壓24V恒定。4、輸出直流電流10A。5、最大功率：250W。6、穩(wěn)

10、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(jìn)行了設(shè)計：總體電路設(shè)計；主電路設(shè)計；控制電路設(shè)計；保護(hù)電路設(shè)計；元器件型號的選擇；240W半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計 240W半橋型開關(guān)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。交流輸入、直流輸出的開關(guān)電源將交流電轉(zhuǎn)化為直流電供負(fù)載使用。整流電路普遍采用二極管構(gòu)成的橋式電路，直流側(cè)采用大電容濾波，該電路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低，效率也比較高。首先，電源流入輸入整流濾波回路將交流電通過整流模塊變換成含有脈動成 分的直流電，然后通過輸入濾波電容將脈動直流電變?yōu)檩^平滑的直流

11、電。其次， 功率開關(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。主電路采用先整流濾波、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、在整流濾波的方法，該電源在開環(huán)時，它的負(fù)載特性較差，只有加入反饋，構(gòu)成閉環(huán)控制后，當(dāng)外加電源電壓或負(fù)載變化時，均能自動控 制 PWM 輸出信號的占空比， 以維持電源的輸出直流電壓在一定的范圍內(nèi)保持不變，達(dá)到了穩(wěn)壓的效果。其設(shè)計方案如圖2.1所示。 具體電路設(shè)計主電路設(shè)計半橋式開關(guān)電源主電路如圖所示。圖中開關(guān)管S1, S2選用MO SFET, 因

12、為它是電壓驅(qū)動全控型器件,具有驅(qū)動電路簡單、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快及安全工作區(qū)大等優(yōu)點。半橋式逆變電路一個橋臂由開關(guān)管S1,S2組成, 另一個橋臂由電容C1, C2組成。高頻變壓器初級一端接在C1, C2的中點, 另一端接在S1, S2的公共連接端，C1, C2中點的電壓等于整流后直流電壓的一半, 在半橋式逆變電路中，變壓器一次側(cè)的兩端分別連接在電容C1,C2的中點和 開關(guān)S1, S2中點。電容C1,C2的中點電壓為Ui 2 。S1與S2交替導(dǎo)通，使變壓 器一次側(cè)形成幅值為Ui 2的交流電壓，改變開關(guān)的占空比，就可以改變二次側(cè) 整流電壓Ud的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。逆變電路采用的電力電

13、子器件為美國IR公司生產(chǎn)的全控型電力MOSFET管，其型號為IRFP450,主要參數(shù)為：額定電流16A,額定耐壓500V，通態(tài)電阻0.4。兩只MOSFET管與 兩只電容C1、C2組成一個逆變橋，在兩路PWM信號的控制下實現(xiàn)了逆變，將直流電壓變換為脈寬可調(diào)的交流電壓，并在橋臂兩端輸出開關(guān)頻率約為26KHz、占空比可調(diào)的矩形脈沖電壓。然后通過降壓、整流、濾波后獲得可調(diào)的直流電源電壓輸出。該電源在開環(huán)時，它的負(fù)載特性較差，只有加入反饋，構(gòu)成閉環(huán)控制后，當(dāng)外加電源電壓或負(fù)載變化時，均能自動控制PWM輸出信號的占空比，以維持電源的輸出直流電壓在一定的范圍內(nèi)保持不變，達(dá)到了穩(wěn)壓的效果。圖 主電路控制電路設(shè)

14、計控制電路以 SG3525 為核心構(gòu)成，SG3525 為美國 Silicon General 公司生產(chǎn)的專用 PWM 控制集成電路。它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案，其內(nèi)部包含有精密基準(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、 分頻器和保護(hù)電路等。調(diào)節(jié) Ur 的大小，在 A、B 兩端可輸出兩個幅度相等、頻率相等、相位 相互錯開 180 度、占空比可調(diào)的矩形波（即 PWM 信號）。它適用于各開關(guān)電源、斬波器的控制。該芯片的輸入電壓工作范圍是835 V , 通?？扇? 15 V; 振蕩頻率是100 500 kHz, 芯片的腳5和腳7間串聯(lián)一個電阻Rd就可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)死區(qū)時間。另外, 它的軟啟動電路也

15、非常容易設(shè)計, 只需在管腳8接一個軟啟動電容即可。SG3525的振蕩頻率可表示為式中: Co , R o分別是與腳5、腳6相連的振蕩器的電容和電阻; R d是與腳7相連的放電端電阻值。該芯片外圍電路簡單, 11和14腳輸出采用圖騰柱, 電流驅(qū)動能力強, 可直接控制半橋逆變器的上下功率管S1, S2, 其外圍電路如圖所示。圖 控制電路保護(hù)電路設(shè)計在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適，驅(qū)動電路設(shè)計良好外，采用合適的過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、du/dt保護(hù)和di/dt保護(hù)也是必要的。 電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種

16、過電流保護(hù)措施。在選擇快熔時應(yīng)考慮：電壓等級根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路連接形式確定?？烊垡话闩c電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接，在小電容裝置中也可串接與閥側(cè)交流母線或直流母線中?？烊蹟嘀祽?yīng)小于被保護(hù)器件的允許值。為保證熔體在正常過載情況下不熔斷，應(yīng)考慮其時間-電流特性。本設(shè)計即采用快速熔斷器對主電路進(jìn)行過電流保護(hù)，對SG3525集成芯片的保護(hù)則采用如圖所示的電路。圖 保護(hù)電路整體電路設(shè)計整體電路由主電路、控制電路和保護(hù)電路組成，具體電路圖如圖所示。圖 整體電路圖元器件型號選擇半橋式變壓器開關(guān)電源的兩個控制開關(guān)K1、K2的占空比必須要小于0.5；故選取占

17、空比為0. 5進(jìn)行參數(shù)計算。1.輸入整流二極管的選擇設(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：IN40072.變壓器的設(shè)計1) 設(shè)定開關(guān)頻率開關(guān)頻率對電源的體積、重量等影響很大。開關(guān)頻率越高, 變壓器磁芯就會選得更小, 輸出濾波電感和電容體積也會減小, 但開關(guān)損耗增加, 效率下降, 散熱器體積加大。綜合考慮兩方面, 設(shè)定其工作頻率為。2) 選磁芯磁芯選用R2KB 軟磁鐵氧體材料, 其飽和磁感應(yīng)強度B s = 4700 Gs, 考慮到高溫時B s 會下降, 同時為防止合閘瞬間變壓器飽和, 設(shè)定最大工作磁密B m = B s

18、/3=1500 Gs。對半橋變換器, 當(dāng)脈沖波形近似為方波時, 可按式(1)來確定磁芯的大小。 （1）式中: A p 為磁芯的面積乘積, ; A e 為磁芯的截面積,; A w 為磁芯的窗口面積, ; P o 為輸出功率,W; 為變壓器效率, 一般可取80%; f s 為變換器工作頻率,Hz; B m 為磁芯最大工作磁密, Gs; J 為導(dǎo)線的電流密體, 一般取2 3;取K c= 1; K u 為窗口的銅填充系數(shù), 一般K u= 0.20.4。本設(shè)計選用PC40EI60-Z 型鐵氧體磁芯, 由手冊知其參數(shù)為: A e = 247, A w = 109 , 則A e A w = 26900,大于

19、A p 的計算值。3) 計算原邊匝數(shù)按最低輸入電壓和滿載輸出的極端情況來計算。已知最小輸入交流電壓為170V , 減去20V 的直流紋波電壓和整流器的壓降, 最小直流電壓為=1701.4- 20= 218 V。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 = 109 V。則原邊繞組匝數(shù) (2)式中:U 1 為變壓器原邊電壓,V。由(2) 式計算得N 1= 28.6 匝, 經(jīng)實驗實際取值為34匝。4) 核算最大輸入交流電壓時的最大磁密B m利用計算出來的變壓器初級匝數(shù), 核算變壓器在最大輸入交流電壓時的B m , 看磁芯是否飽和。由于= 2601.4= 364 V。故半橋式電路變壓器

20、原邊繞組所加電壓 = 182 V , 由式(2) 變形可得計算可知, 在輸入交流電壓最大時B m B s/2, 所以, 原邊繞組匝數(shù)N 1= 34 匝的選擇是合適的。5) 計算副邊匝數(shù)副邊電路采用帶有中間抽頭的全波整流濾波電路,副邊匝數(shù)為6) 計算原邊最大工作電流在最低交流輸入電壓為170V 時, 變壓器原邊通過的電流一定是最大可能的工作電流, 由經(jīng)驗公式可得,原邊最大工作電流為7) 選擇導(dǎo)線由于變壓器的工作頻率為50 kHz, 在此頻率下銅導(dǎo)線的穿透深度= 0.2956 mm , 考慮到趨膚效應(yīng)的影響, 一般所選的導(dǎo)線銅芯直徑要小于2, 即導(dǎo)線直徑要小于0.5914mm。另外, 考慮銅線的電

21、流密度可取3 6, 由原、副邊最大工作電流就可確定出各自所需導(dǎo)線的截面積, 進(jìn)而選擇合適的導(dǎo)線。這里原邊采用銅芯直徑為0.53mm 的漆包線進(jìn)行2 股并繞, 副邊采用16股線徑為0.21 mm 的漆包線, 絞結(jié)成4 根并繞。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：I1=10+10*20%*0.5=11A4.輸出濾波電容的設(shè)計根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，輸出電壓的峰峰值Vopp200mV，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Vopp=50mV，U=2V，根據(jù)公式

22、根據(jù)具體情況可以選擇一個270F/25V鋁電解電容并聯(lián)使用。5.功率管的選擇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。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2*1.8A=3.6A。根據(jù)實際情況選擇IRFBE30，其參數(shù)為800V/4.1A。6.變壓器二次側(cè)整流二極管的設(shè)計（1）額定電壓變壓器副邊是雙半波整流電路，加在整流二極管上的反相

23、電壓為在整流管開關(guān)時，有一定的電壓震蕩，因此要考慮2倍余量，可以選用2*172V=344V的整流管。（2）額定電流在雙半波整流電路中，在一個開關(guān)周期內(nèi)，整流管的開關(guān)情況是：當(dāng)變壓器副邊有電壓時，只有一個整流管導(dǎo)通；當(dāng)變壓器副邊電壓為零時，兩個整流管同時導(dǎo)通，可近似認(rèn)為它們流過的電流相等，即為平均負(fù)載電流的一半，可近似計算整流管的電流為：整流管中流過的最大電流：元器件選擇一覽表名稱位號型號大小單位數(shù)量鐵氧體磁芯PC40EI60-Z1芯片SG35251電阻R1/R410K1電阻R230K1電阻R327K1電阻R52001電阻R64.7K1電阻R72.8K1電阻R8101電阻VD1-VD51N40074電阻V1-V2IRFBE302電解電容C1270f1電解電容C2/C3470f2電解電容C4220pf1電解電容C4300pf1電解電容C550pf1電解電容C61f 1電解電容C70.01f1電解電容C80.1f1電感L4.4H1熔斷器1表1系統(tǒng)調(diào)試或仿真、數(shù)據(jù)分析圖2.4 測量波形圖經(jīng)過以上分析和計算, 本文設(shè)計了一款半橋式開關(guān)電源,