电力电子技术课程设计-半桥型开关稳压电源设计

1、电力电子技术课程设计（论文）题目：240w半桥型开关稳压电路设计摘要本次设计的是240w半桥型开关稳压电源，为负载供电。电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。由于开关电源本身消耗的能量低，电源效率 比普通线性稳压电源提高一倍，被广泛用于电子计算机、通讯、家电等各个行业。 它的效率可达85%以上，稳压范围宽，除此之外，还具有稳压精度高、不使用电 源变压器等特点，是一种较理想的稳压电源。本文介绍了一种采用半桥电路的开 关电源，其输入电压为单相170260v,输出电压为直流24v恒定，最大电流10a。 设计内容包括主电路的原理与主电路图的设

2、计、控制电路器件的选取、保护电路 方案的确定以及计算机仿真与波形分析等方面。关键词：半桥变换器；功率m0s管；脉宽调制；稳压电源。目录第1章绪论11.1电力电子技术概况11.2本文设计内容2第2章电路设计32.1稳压电源总体设计方案32. 2具体电路设计42.2. 1 主电路设计42.2.2控制电路设计52. 2. 3驱动电路设计62. 2. 4保护电路设计72.2.5整体电路设计82.3元器件型号选择9第3章课程设计总结13参考文献14第1章绪论1.1电力电子技术概况电子技术包括信总电子技术和电力电子技术两人分支。通常所说的模拟电子 技术和数字电子技术属于信息电子技术。电力电子技术是应用于电

3、力领域的电子 技术，它是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的新兴学科。0前所用的电 力电子器件采用半导体制成，故称电力半导体器件。信息电子技术主要用于信息 处理，而电力电子技术则主要用于电力变换。电力电子技术的发展是以电力电子 器件为核心，伴随变换技术和控制技术的发展而发展的。电力电子技术可以理解为功率强大，可供诸如电力系统那样大电流、高电压 场合应用的电子技术，它与传统的电子技术相比，其特殊之处不仅仅因为它能够 通过人电流和承受高电压，而ii要考虑在人功率情况下，器件发热、运行效率的 问题。为了解决发热和效率问题，对于大功率的电子电路，器件的运行都采用开 关方式。这种开关运行方式就是电力电

4、子器件运行的特点。电力电子学这一名词是20世纪60年代出现的，“电力电子学”和“电力电子 技术”在内容上并没冇很大的不同，只是分别从学术和工程技术这2个不同角度 来称呼。电力电子学可以用图1的倒三角形来描述，可以认为电力电子学由电力 学、电子学和控制理论这3个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。 电力电子技术与电子学的关系是显而易见的。电子学可分为电子器件和电子电路 两大部分，它们分别与电力电子器件和电力电子电路相对应。从电子和电力电子 的器件制造技术上进两者同根同源，从两种电路的分析方法上讲也是一致的，只 是两者应用的0的不同，前者用于电力变换，后者用于信息处理。0前，开关电源以小型

5、、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、通信设备等几乎所冇的电子设备，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，开关电源产业会冇更广阔的发 展前景。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

6、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, 它具冇驱动电路简单，驱动功率小，开关速度快，开关频率高等优点。具体设计 技术参数如下：1. 输入电压单相170260v

7、;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10八；5. 最大功率:250w；6. 稳压精度： 直流输出电压整定值的1%;本文分别从以下几个方面进行了设计：1. 主电路设计；2. 控制电路设计；3. 驱动电路设计；4. 保护电路设计；5. 整体电路设计；6. 元器件型号的选择；第2章电路设计2.1稳压电源总体设计方案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 也各冇不同。本次设计的是一种功率较大，的开关电源。如图2. 1为本次设计的主体方框图。设计采用了 ac / dc / ac / dc变换方 案。一次整流后的直流电压，经过冇源

8、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 统的主要环节为冇源功率因数校正电路、dc / dc电路、功率因数校正电路、pwm 控制电路和保护电路等。开关电源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，此外还冇起动、过流与过压保护、 噪卢滤波等电路。输出采样电路检测输出电压变化，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

9、电压大小的0的。具冇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dc/dc变换器冇多种电路形式，常用的冇工作波形为方波的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主体方框图采用uc3854a/b控制芯片组成功率因数校正电路来提高功率因数，用芯片 uc3825作为控制芯片来代替sg3525,不仅外围电路简单，而ii具冇冇容差过压 限流功能，还采用了 ir2304作为驱动芯片，动态响应快，ii自带死区，防止半桥上下管直通。该电路用高速双路pwm控制

10、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imhz/loow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，并具冇体 积小，效率高的特点。低频小功率信号源往往用线性功率放人电路，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imhz/loow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imhz/loow正弦波 功

11、率信号源，其波形质量好，电路结构简单，体积小，效率高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，而本电源设计最人功率达到250w， 额定电流为10a左右。在功率较大的高频开关电源中，常用的主变换电路冇推挽 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），且变压器冇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dc / d

12、c变换器 作为主电路。如图2.2即为主电路图。图2.2中si、s2、cl、c2和主变压器t1构成了半桥dc/dc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。r1和r2用以保证 电容分压均匀，r3、c3和r4、c4为mos管两端的吸收电路。c5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。 c5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c6、c7平波滤波后输出out2给控制芯片供 电，rs

13、、r6则是反馈电压的采样电阻。主变压器的输出out3为高频低压交流 电。如图2所示，反馈电压和输出电压同一绕组，样，可以在负载变化吋最人限 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，又可以得到任意人小的电压。 故可满足dsp等需要多路不同电压供电且精度较高的要求。2.2.2控制电路设计系统的控制电路采用高速双路的pwm控制器uc3825,如图2.3所示即为所 选电路，其内部电路主要由高频振荡器、pwm比较器、限流比较器、过流比较 器、基准电压源、故障锁存器、软启动电路、欠压锁定、pwm锁存器、输出驱 动器等组成。它比sg

14、3525具有以下优点：1) 改进了振荡电路，提高了振荡频率的精度，并ii具冇更精确的死区控制；2) 具冇限流控制功能，且门槛电流冇5%的容差；3) 低启动电流(100ma);4) uc3825关断比较器是一个高速的过流比较器，它具有1. 2v的门槛值，保证芯 片重新启动前软启动电容完全放电，在超过门槛值时，输出为低电平状态，防止 上下桥臂同时导通而引起短路。下图为主电路的控制电路前级的r808和r809与稳压管构成一个启动电路，触发uc3825开始工作后， 由反馈输出out1自供电。pwm的调制波由r1和ct振荡产生，rt、ct 一般 按式(1)及式(2)选取。rt=3v/ (10ma) *(

15、1-dmax) (1)ct=(1.6*dmax)/(rt*f) (2)式中：f=80khz,为所取的频率脚l(inv)、脚2(e/a)和脚3(hi)构成一误差放大器,做为电压反馈用，脚 9(ilim)为限流，脚8(ss)为软启动，脚ll(outa)及脚14(0utb)为输出驱动信号。从图中可看出，uc3825功能比较全，外围电路简单，可有效减少pcb的布线与 外围元器件，提高了系统的可靠性。 vn图2. 3高速双路pwm控制器uc3825电路图2.2.3驱动电路设计iosfet的驱动可采用脉冲变压器，它具冇体积小，价格低的优点，但直接驱 动吋，脉冲的前沿与后沿不够陡，影响mosfet的开关速度

16、。在此，采用了 tr2304 芯片，它是tr公司新推出的多功能600v高端及低端驱动集成电路，它具冇以下 优点。1）芯片体积小（dtp8）,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，通断延迟吋间220 / 220 ns（典型值）、内部死区时间1000ns、匹 配延迟吋间50ns。3）驱动能力强，可驱动600v主电路系统，具冇61 ma/130ma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3. 3v、 5v和15v输入逻辑的独立cmos或lst

17、fl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。tr2304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，tr2304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辑，tr2304冇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tgbt电路而设的保护功能。当电源电 压降至4. 7v以下时，欠压锁定(uvlo)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吋则会释放输出(综合滞后一般为0. 3v)。过 压

18、(hvtc)及防闭锁cmos技术使tr2304非常坚固耐用。另外，tr2304还配备冇大 脉冲电流缓冲级，可将交叉传导减至最低；同时采用具冇下拉功能的施密特 (sohmill)触发式输入设计，可冇效隔绝噪音，以防止器件意外开通。如下图所示为tr2304的连线图d.图2. 4驱动电路图可以看出，ir2304具冇连线简单，外围元器件少的优点。其中vcc由主电路 中out自供电,ltn和htn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。2.2.4保护电路设计对于dc/dc电源产品都要求在出现异常情况(如过流、过

19、载)时，系统的保护 电路工作，使变换器及吋停止工作。uc3825的保护电路设计也比较简单，如图2. 5 所示。通过电流互感器得到的采样电流，经过转换后送到uc3825脚9(iljim),当 电流超过预定值时，uc3825自动封锁输出脉冲，起到保护作用图2. 5保护电路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 uc3854a / b控制芯片组成功率因数校正电路。uc3854a / bunitrode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，限制电网电流失真夕。图2.6是

20、由uc3854a /b控制的冇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。uc3854a/b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skm75gb123d模块，其工作频率选在35 khz。 升压电感l2为2mh/20a。c5采用两个450v / 470gf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

21、吋，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 uc3854a / b封锁。在负载较大时ena为高电平才让uc3854a / b工作。d6接 到ss（软启动端），在负载轻时d6导通，使ss为低电平;当负载增人要求uc3854a / b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。i 5ms/div负我轻时pfc封锁时电流波形>>p/vl07/:5ms/div负我重时pfc工作时电流波形>lp、vl /:5ps/divmos管的驱动波形/ 5ps/d

22、iv变压嚣原边波形ip>0sj图2. 7各种元件的波形图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：220v2 sin wt则经过桥式整流后的平均电压为：1厂440 v2h = ,220 a/2 sin wtd (vvr ) = = 198 v171 jo71二极管两端承受的最大反相电压为：-* 22072 = 155.54v2所以根据实际情= (23)*155.54 = 311.08v466.62v况即可选择整流二 极管：tn4005 600v/1a2. 变压器的设计 (1)变比kt选最人占空比为0.85,电路中压降au=2v,半桥式电路变压器原边绕组所加 电压等于

23、输入电压的一半即ui (min> =98v则根据公式：(2)铁心的选择pta(.为铁心磁路截面积；aw为铁心窗门面积；匕为变压器传输的功率；fs为开关 频率；ab为铁心材料所允许的最人磁通密度的变化范围；d。为变压器绕组导体 的电流密度；k。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, d =4a/mm2, k =0. 5o根据sg3525的控制选择开关频率为100hz。根据公 式：a a >-120_ 100*0.2*4*106 *0.5=3000，醐2根据具体情况可选择型号为de25的铁心则ae=40. 00mm2, av=78. 2mm2, ae *a

24、w=3128 mm4可以满足要求。(3)变压器的绕组结构设计：由于铁磁材料的相对磁导率很大，因此励 磁电感通常也较人。如果铁心未夹紧，磁路屮有气隙，则励磁电感会急剧k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 还会造成么空比的损失。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. 输出滤波电感的设计at为允许的电感电流最人纹波峰峰值，取最人输出电流的20%即2

25、a。根据 公式电感量为l =4/c,.xa/368v-4*6*100000*2选定电感铁心：l=10+10*20%*0. 5=11aa a > l/max/,77*10 一udcl-60.3*0.5*4*106 =14000mm44. 输出滤波电容的设计根据标准，输出电压的峰峰值vqpp<200mv,考虑到功率开关管开关和输出整 流二极管开关吋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vqpp=50mv, au=2v,根据公式cfomn1-o nun8l/(2x)2af7opp y_l/max-mj121128*77*10-6 *(200*103)2

26、 *50*10一33687.8/f根据具体情况可以选择两个4. 7 u f/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m0sfet作为功率开关管来构成半桥电路。整流滤波后的最人电压值为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 11八/6=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. 6八。根据实际情况选择trfbr30,其参数为800v/4. 1八。6. 变压器二次侧整流二极