电力电子技术课程设计-240w半桥型开关稳压电源设计

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力电子技术电力电子技术课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：240W240W半桥型开关稳压电源设计半桥型开关稳压电源设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 电气电气102102 学学 号：号： 100303044 学生姓名：学生姓名： 邹伟龙邹伟龙 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间：202012-12-31至至2012-1-11 本科生课程设计（论文） I 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室： 电气教研室 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答

2、辩20% 以百分制计算 学 号100303044学生姓名邹伟龙专业班级电气102 课程设计 （论文） 题目 240W240W半桥型开关稳压电源设计半桥型开关稳压电源设计 课程设计（论文）任务 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能实现功能 为实验室电子设备提供 24V 稳压范围宽、大功率直流电源，以取代低效率 的线性稳压电源。 设计任务设计任务 1、方案的经济技术论证。2、整流电路设计。3、逆变电路设计。4、通过 计算选择器件的具体型号。5、驱动电路设计或选择。6、绘制相关电路图。 要求要求 1、1、文字在 4000 字左右。 2、2、文中的

3、理论分析与计算要正确。 3、3、文中的图表工整、规范。 4、元器件的选择符合要求。 技术参数技术参数 1、输入电压单相170 260V。2、输入交流电频率4565HZ。3、输出直流 电压24V恒定。4、输出直流电流10A。 。5最大功率：250W。6、稳压精度：直 流输出电压整定值的1。 进度计划 第 1 天：集中学习；第 2 天：收集资料；第 3 天：方案论证；第 4 天：输入整 流滤波电路设计；第 5 天：逆变电路设计；第 6 天：确定高频变压器变比及容 量；第 7 天：输出整流滤波电路设计；第 8 天：控制电路设计；第 9 天：总结 并撰写说明书；第 10 天：答辩 指导教师评语及成绩

4、平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日 本科生课程设计（论文） II 摘 要 开关电源在效率、体积和重量等方面都远远优于线性电源，因此已经基本取 代了线性电源，成为电子热备供电的主要形式, 受到人们的青睐.随着开关电源在 计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用，人们对其需 求量日益增长。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取 代了效率低、又笨又重的线性电源。开关电源技术的主要用途之一是为信息产业 服务，信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求，从而促进了开关电源技 术的发展。本次设计采用反激式开关电源，以 UC3842 作为控制

5、核心器件，运用 脉宽调制的基本原理。同时，电路中辅以过压过流保护电路，为系统的安全工作 提供保障。 关键词：整流电路；逆变电路；驱动电路 本科生课程设计（论文） III 目 录 第 1 章 绪论 .1 1.1 电力电子技术概况.1 1.2 本文设计内容.2 第 2 章 开关稳压电源电路设计 .3 2.1 半桥型开关稳压电源总体设计方案.3 2.2 具体电路设计.5 2.2.1主电路设计.5 2.2.2整流电路设计.6 2.2.3逆变电路设计.7 2.2.4驱动电路设计.8 2.2.5 整体电路设计.10 2.3 元器件型号选择.12 第 3 章 课程设计总结 .15 参考文献 .16 本科生课

6、程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 电力电子技术概况 目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为 主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞 速发展不可缺少的一种电源方式。并对开关电源提出了小型轻量要求，此外要求 开关电源效率要更高、性能更好、可靠性更高等。当前，各国正在努力开新器件、 新材料以及改进装连方法，进一步提高效率，缩小体积，降低价格，以解决开关 电源面临的课题。随着电力电子技术的不断创新，开关电源产业会有更广阔的发 展前景。 开关电源在效率、体积和重量等方面都远远优于线性电源，因此已经基本取 代了线性电源，成为电子热备供

7、电的主要电源形式，受到人们的青睐。采用先整 流滤波、后经高频逆变得到高频交流电压，然后由高频变压器降压、再整流滤波 的方法。这种采用高频开关方式进行电能变换的电源称为开关电源。随着电子技 术和应用迅速地发展，开关稳压电源的品种和类型也越来越多。按激励方式分为 他激式和自激式；按调制方式分为脉宽调制型、频率调制型和混合调制型；按开 关管电流的工作方式分开关型和谐振型；按开关晶体管的类型分为晶体管型和可 控硅型；按储能电感与负载的连接方式分为串联型和并联型；按晶体管的连接方 式分为单端式、推挽式、半桥式、全桥式。本文设计了一种半桥型开关稳压电源， 它具有驱动电路简单，驱动功率小，开关速度快，开关频

8、率高等优点。 本科生课程设计（论文） 2 1.2 本文设计内容 开关电源在效率、体积和重量等方面都远远优于线性电源，因此已经基本取 代了线性电源，成为电子热备供电的主要电源形式，受到人们的青睐。采用先整 流滤波、后经高频逆变得到高频交流电压，然后由高频变压器降压、再整流滤波 的方法。这种采用高频开关方式进行电能变换的电源称为开关电源。 整流电路采用单相桥式半控整流电路，由四个晶闸管、一个变压器和一个续 流二极管组成。并带有阻感负载。 逆变电路采用半桥逆变电路，它有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一 个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的 连接点便成为直流电源的

9、中点。优点是简单，适用器件少。 驱动电路采用 IR2304 芯片。它具有芯片体积小、集成度高、动态响应快、 工作频率高、驱动能力强等显著特点。 整体电路由两部分构成。UC3854AB 及外围元器件构成控制部分，实现对 网侧输入电流和输出电压的控制。功率部分由 L2，Cs，S 等元器件构成 Boost 升 压电路。开关管 S 选择西门康公司的 SKM75GBl23D 模块，其工作频率选在 35 kHz。升压电感 L2 为 2mH20A。C5 采用两个 450V470F 的电解电容并联。 本科生课程设计（论文） 3 第 2 章 开关稳压电源电路设计 2.1 半桥型开关稳压电源总体设计方案 开关电源

10、采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开 关器件的占空比来调整输出电压。开关电源的基本构成如下图所示，其中 DC/DC 变换器进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有起动、过流与过压保 护、噪声滤波等电路。输出采样电路（R1、R2）检测输出电压变化，与基准电压 Ur 比较，误差电压经过放大及脉宽调制（PWM）电路，再经过驱动电路控制功率 器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。具有一定的抗不平衡能力， 对电路对称性要求不很严格；适应的功率范围较大，从几十瓦到千瓦都可以；开 关管耐压要求较低；电路成本比全桥电路低等。这种电路常常被用于各种稳压输 出的 DC 变换器

11、DC/DC 变换器有多种电路形式，常用的有工作波形为方波的 PWM 变换器以及 工作波形为准正弦波的谐振型变换器。 图 2.1 主体方框图 随着电力电子技术的发展，电源技术被广泛应用于各个行业。对电源的要求 也各有不同。本次设计的是一种功率较大，的开关电源。 设计采用了 ACDCACDC 变换方案。一次整流后的直流电压，经过有 源功率因数校正环节以提高系统的功率因数，再经半桥变换电路逆变后，由高频 变压器隔离降压，最后整流输出直流电压。系统的主要环节为有源功率因数校正 整流整流 逆变逆变 高频整流高频整流 直流直流 工作工作 电源电源 驱动驱动 电压反馈电压反馈 PSW 控制控制 本科生课程设

12、计（论文） 4 电路、DCDC 电路、功率因数校正电路、PWM 控制电路和保护电路等。采用 UC3854AB 控制芯片组成功率因数校正电路来提高功率因数，用新型的芯片 UC3825 作为控制芯片来代替 SG3525，不仅外围电路简单，而且具有有容差过压 限流功能，还采用了新型 IR2304 作为驱动芯片，动态响应快，且自带死区，防 止半桥上下管直通。 该电路用高速双路 PWM 控制器 UC3825 为控制芯片，功率 MOSFET 为开关器件 而构成的推挽逆变器，逆变器输出 经高频 LC 滤波后输出 1MHz/100W 正弦波功率信号。实验证明电路产生的波形质 量好，电路结构简单，控制方便，并具

13、有体积小，效率高的特点。 低频小功率信号源往往用线性功率放大电路，其电路比较简单，波形质量好，易 于实现。 而对于高频、中大功率信号源用线性功率放大电路难 以实现，特别是对于 要求 1MHz/100W 正弦波功率信号源，采用线性功率放大电路，其电路结构复杂， 调整困难，不易实现。而采用高速双路 PWM 控制器 UC3825 为控制芯片，功率 MOSFET 为开关器件，经 LC 高频滤波，输出 1MHz/100W 正弦波功率信号源，其波 形质量好，电路结构简单，体积小 ，效率高。 本科生课程设计（论文） 5 2.2 具体电路设计 2.2.1 主电路设计 反激式电源一般用在 100w 以下的电路，

14、而本电源设计最大功率达到 250w， 额定电流为 10A 左右。在功率较大的高频开关电源中，常用的主变换电路有推挽 电路、半桥电路、全桥电路等。其中推挽电路用的开关器件少，输出功率大，但 开关管承受电压高(为电源电压的 2 倍)，且变压器有 6 个抽头，结构复杂；全桥 电路开关管承受的电压不高，输出功率大，但需要的开关器件多(4 个)，驱动电路 复杂；半桥电路开关管承受的电压低，开关器件少，驱动简单。根据对各种拓扑 方案的电气性能以及成本等指标的综合比较，本电源选用半桥式 DCDC 变换器 作为主电路。如图 2.2 即为主电路图。 图 2.2 主电路图 图 2.2 中 C1、C2、Q1、Q2

15、和主变压器 T1 构成了半桥 ACDC 变换电路。 MOSFET 采用 11NC380。电路的工作频率为 80 kHz。变压器采用 E55 的铁氧体 磁芯，无须加气隙。绕制时采用“三段式”绕法，以减小漏感。C4 为隔直电容，用 来阻断与不平衡伏秒值成正比的直流分量，平衡开关管每次不相等的伏秒值。C3 采用优质 CBB 无感电容。Ct 是电流互感器，作为电流控制时取样用。D3、D4 采 用快恢复二极管，经过 L1 和 C3 平波滤波后输出 OUT2 给控制芯片供电， R1、R2 则是反馈电压的采样电阻。主变压器的输出 OUT 为高频低压交流电。如 图 2.2.1 所示，反馈电压和输出电压同一绕组

16、，样，可以在负载变化时最大限度 地保证输出电压的稳定。后级可接一个或多个多路输出的变压器，然后通过整流 电路整流，这样既能保证每路输出都是独立的，又可以得到任意大小的电压。故 可满足 DSP 等需要多路不同电压供电且精度较高的要求。 本科生课程设计（论文） 6 2.2.2 整流电路设计 对每个导电回路进行控制，相对于全控桥而言少了一个控制器件，用二极管 代替，有利于降低损耗！如果不加续流二极管，当突然增大至180或出发脉 冲丢失时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放，只是消耗在负载电阻上，会 发生一个晶闸管导通而两个二极管轮流导通的情况，这使Ud成为正弦半波，即半 周期Ud为正弦，另外半周期为

17、Ud为零，其平均值保持稳定，相当于单相半波不可 控整流电路时的波形，即为失控。所以必须加续流二极管，以免发生失控现象。 电路简图如下： 图 2.3 整流电路图 与全控桥时相似，当负载中电感很大，且电路已工作于稳态。在 U2 正半周， 触发角 处给晶闸管 D1 加触发脉冲，U2 经 D1 和 D4 向负载供电。U2 过零变 负时，因电感作用使电流连续，D1 继续导通。但因 a 点电位低于 b 点电位，使得 电流从 D4 转移至 D2，D4 关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是由 D1 和 D2 续流。此阶段,忽略器件的通态压降，则 Ud=0，不像全控桥电路那样出现 Ud 为负的情况。 在 U2

18、 负半周触发角 时刻触发 D3，D3 导通，则向 VT1 加反向电压使之关 断，U2 经 D3 和 D2 向负载供电。U2 过零变正时，D4 导通，D2 关断。D3 和 D4 续流，Ud 又为零。此后重复以上过程。 本科生课程设计（论文） 7 2.2.3 逆变电路设计 半桥逆变电路原理如图，它有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个反 并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的连接 点便成为直流电源的中点。负载连接在直流电源中点和两个桥臂连接点之间。 当可控器件不具有门极可关断能力的晶闸管时，必须附加强迫换流电路才能 正常工作。 半桥逆变电路的优点是简单，适用器件少。缺

19、点是输出交流电压的幅值 Um 仅为 Ud 的二分之一，且直流侧需要两个电容串联，工作时还要控制两个电容器 电压的均衡。因此半桥电路常用于几千瓦以下的小功率逆变电源。 , 图 2.4 逆变电路图 开关器件 V1 和 V2 的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏,且二 者互补。当负载为感性时，输出电压为矩形波。当 V1 或 V2 为通态时，负载电流 和电压同方向，直流侧向负载提供能量；而当 VD1 或 VD2 为通态时，负载电流和 电压反向，负载电感中储存的能量向直流侧反馈，即负载电感将其吸收的无功能 量返回直流侧。反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中，直流侧电容器起着缓 冲这种无功能量的作

20、用。VD1、VD2 称为反馈二极管，又叫续流二极管。 本科生课程设计（论文） 8 2.2.4 驱动电路设计 MOSFET 的驱动可采用脉冲变压器，它具有体积小，价格低的优点，但直接驱 动时，脉冲的前沿与后沿不够陡，影响 MOSFET 的开关速度。在此，采用了 IR2304 芯片，它是 IR 公司新推出的多功能 600v 高端及低端驱动集成电路，它具 有以下优点。 1)芯片体积小(DIP8)，集成度高(可同时驱动同一桥臂的上、下两只开关器 件)。 2)动态响应快，通断延迟时间 220220 ns(典型值)、内部死区时间 1000ns、匹配延迟时间 50ns。 3)驱动能力强，可驱动 600v 主

21、电路系统，具有 61 mA130mA 输出驱动能力， 栅极驱动输入电压宽达 1020V。 4)工作频率高，可支持 100 kHz 或以下的高频开关。 5)输入输出同相设计，提供高端和低端独立控制驱动输出，可通过两个兼容 33v、5v 和 15v 输入逻辑的独立 CMOS 或 LSTFL 输入来控制，为设计带来了很大 的灵活性。 6)低功耗设计，坚固耐用且防噪效能高。IR2304 采用高压集成电路技术，整 合设计既降低成本和简化电路，又降低设计风险和节省电路板的空间，相比于其 它分立式、脉冲变压器及光耦解决方案，IR2304 更能节省组件数量和空间，并提 高可靠性。 7)具有电源欠压保护和关断逻

22、辑，IR2304 有两个非倒相输入及交叉传导保护 功能，整合了专为驱动电机的半桥 MOSFET 或 IGBT 电路而设的保护功能。当电源 电压降至 47v 以下时，欠压锁定(UVL0)功能会立即关掉两个输出，以防止直通 电流及器件故障。当电源电压大于 5v 时则会释放输出(综合滞后一般为 0.3v)。 过压(HVIC)及防闭锁 CMOS 技术使 IR2304 非常坚固耐用。另外，IR2304 还配备有 大脉冲电流缓冲级，可将交叉传导减至最低；同时采用具有下拉功能的施密特 (Sohmill)触发式输入设计，可有效隔绝噪音，以防止器件意外开通。 本科生课程设计（论文） 9 如下图所示为 IR230

23、4 的连线图 图 2.5 驱动电路图 可以看出，IR2304 具有连线简单，外围元器件少的优点。其中 VCC 由主电路 中 OUT 自供电，LIN 和 HIN 分别接 UC3825 的两个输出端，VD 要采用快恢复二极 管，C1 为滤电容，C2 为自举电容，最好采用性能好的钽电容，R1 和 R2 为限流电 阻。 本科生课程设计（论文） 10 2.2.5 整体电路设计 为了提高系统的功率因数，整流环节不能采用二极管整流，采用了 UC3854AB 控制芯片组成功率因数校正电路。UC3854ABUnitrode 公司一种 新的高功率因数校正器集成控制电路芯片，是在 UC3854 基础上的改进，其特点

24、 是采用平均电流控制，功率因数接近 1，高带宽，限制电网电流失真3。图 2.6 是由 UC3854AB 控制的有源功率因数校正电路。 图 2.6 整体电路图 该电路由两部分组成。UC3854AB 及外围元器件构成控制部分，实现对网 侧输入电流和输出电压的控制。功率部分由 L2，Cs，S 等元器件构成 Boost 升压 电路。开关管 S 选择西门康公司的 SKM75GBl23D 模块，其工作频率选在 35 kHz。升压电感 L2 为 2mH20A。C5 采用两个 450V470F 的电解电容并联。 为了提高电路在功率较小时的效率，所设计的 PFC 电路在轻载时不进行功率因数 校正，当负载较大时功

25、率因数校正电路自动投入使用。此部分控制由图 1 中的比 较器部分来实现。R10 及 R11 是负载检测电阻。当负载较轻时，R10 及 R11 上检 测的信号输入给比较器，使其输出端为低电平，D5 导通，给 ENA(使能端)低电 平使 UC3854AB 封锁。在负载较大时 ENA 为高电平才让 UC3854AB 工作。 D6 接到 SS(软启动端)，在负载轻时 D6 导通，使 SS 为低电平；当负载增大要求 本科生课程设计（论文） 11 UC3854AB 工作时，SS 端电位从零缓慢升高，控制输出脉冲占空比慢慢增大实 现软启动。如图 2.7 中各图所示即为各种元件在电路中的波形。 图 2.7 各

26、种元件的波形图 本科生课程设计（论文） 12 2 6 3000 5 . 0*10*4*2 . 0*100 120 mm kBdf P AA ccs T we 2.3 元器件型号选择 1.输入整流二极管的选择 设输入交流电压为： 则经过桥式整流后的平均电压为： 二极管两端承受的最大反相电压为： 所以根据实际情况即可选择整流二极 管：IN4005 600V/1A 2.变压器的选择 （1）变比 KT 选最大占空比为 0.85，电路中压降 U=2V，半桥式电路变压器原边绕组所 加电压等于输入电压的一半即 Ui（min）=98V 则根据公式: （2）铁心的选择 Ae为铁心磁路截面积；Aw为铁心窗口面积；

27、PT为变压器传输的功率；fs为开 关频率；B 为铁心材料所允许的最大磁通密度的变化范围；dc为变压器绕组导 体的电流密度；kc为绕组在铁心窗口中的填充因数。若铁心材料为铁氧体则 B=0.2T，dc=4A/mm，kc=0.5。根据 SG3525 的控制选择开关频率为 100HZ。根据 公式: wt ui sin2220 Vwtwtd ud 198 2440 )(sin2220 1 0 V54.1552220* 2 1 VVUN62.46608.31154.155*)32( 6 max0 max(min) UU DU K i T 本科生课程设计（论文） 13 根据具体情况可选择型号为 DE25 的

28、铁心则 Ae=40.00mm，Aw=78.2mm，Ae *Aw=3128可以满足要求。 4 mm （3）变压器的绕组结构：由于铁磁材料的相对磁导率 r很大，因此励磁电 感通常也较大。如果铁心未夹紧，磁路中有气隙，则励磁电感会急剧下降，励磁 电流成倍增加，导致变压器性能严重劣化。变压器的漏感同一次、二次绕组互相 耦合的紧密程度密切相关，耦合不够紧，则漏感会增加。漏感对电路工作带来的 影响主要是负面的，给开关器件造成过电压、形成较大的损耗，过大的漏感还会 造成占空比的损失。因此变压器的设计应尽量减小漏感。减小漏感的办法主要是 提高一次、二次绕组耦合的紧密程度，如采用间隔绕组等。 3.输出滤波电感的

29、选择 I 为允许的电感电流最大纹波峰峰值，取最大输出电流的 20%即 2A。根据 公式电感量为： 选定电感铁心：I1=10+10*20%*0.5=11A 4.输出滤波电容的选择 根据标准，输出电压的峰峰值 Vopp200mV，考虑到功率开关管开关和输出 整流二极管开关时造成的电压尖峰以及直流电压残留的 100HZ 纹波，可令输出电 压的交流纹波为 Vopp=50mV，U=2V，根据公式 H V IfK U L sT in 77 2*100000*6*4 368 4 (max) 4 6 6 max 1max 14000 10*4*5 . 0*3 . 0 11*10*10*77 mm dkB IL

30、I AA cc we F U k U U UfL U C T i o OPPsf o f 8 . 7 2 6 368 12 1 10*50*)10*200(*10*77*8 12 1 )2(8 3236 max min 2 min 本科生课程设计（论文） 14 根据具体情况可以选择两个 4.7F/25V 铝电解电容并联使用。 5.功率管的选择 额定电压 考虑到功率器件的开关速度和驱动电路的简洁，本电源拟选用 MOSFET 作为 功率开关管来构成半桥电路。 整流滤波后的最大电压值为 368V，功率开关管的额定电压一般要求高于直流 电压的两倍，则功率开关管的额定电压选为 800V。 额定电流 输出滤波电感电流的最大值为 11A，那么变压器原边电流最大值为 11A/6=1.8A，这也是功率开关管中流过的最大电流。考虑到 2 倍余量 2*1.8A=3.6A。 根据实际情况选择 IRFBE30，其参数为 800V/4.1A。 6.变压器