半桥型开关稳压电源的设计与应用

1、电力电子技术课程设计说明书学 院:电气与信息工程学院学生姓名:指导教师:董恒职称/学位助教业:自动化级:号:完成时间:2015.12.28湖南工学院电力电子课程设计课题任务书学院：电气与信息工程学院专业：电气工程及其自动化专业自动化专业指导教师董恒学生姓名课题名称设计一个半桥型开关稳压电源，已知输入电压单相:170260V，输入交流电频半桥型开关稳压电源设计、设计任务率4565HZ,输出直流电压 24V恒定，输出直流电流10A,最大功率250W稳压精度:内 容 及 任 务小于直流输出电压整定值的1%二、设计内容1、关于本课程学习情况简述;2、主电路的设计、原理分析和器件的选择;3、控制电路的设

2、计;主 要 参 考 资 料1234、保护电路的设计;5、利用MATLAB软件对自己的设计进行仿真。王兆安，王俊编电力电子技术（第5版）.北京：机械工业出版社,2012 黄俊，秦祖荫编电力电子自关断器件及电路北京:机械工业出版社，1991李序葆，赵永健编电力电子器件及其应用北京:机械工业出版社，1996教 研 室 意 见教研室主任：（签字） 年 月曰目录1、总体设计方案1.1输入整流滤波电路设计 1.2逆变电路设计 1.3驱动电路设计 1.4整体电路设计 1.5过流保护101.6过压保护112、器件的选择2.1输入整流器件112.2输出整流器件112.3元件选择112.4保护电路器件选择133、

3、MATLAE电路仿真14致谢3.1MATLAB 简介3.2 仿真电路图参考文献14141617摘要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。开关电源是现代电力电子设备不可或缺的组 成部分，其质量的优劣直接影响子设备性能， 其体积的大小也直接影响到电子设 备整体的体积。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。这次介绍一种半桥电路的开关电源，是输入 为单相交流170260V,输入频率4565HZ输出直流电压24v,输出直流电流 10A，最大功率250w重点介绍该电源的构思、理论、工作原理及特

4、点。关键词：开关稳压电源；整流电路；半桥1、总体设计方案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。整个课题的设计，分为三部分。1、主电路的设计，包括整流输入滤波、半桥式逆变电路、输出整流、输出 滤波。2、开关管的驱动电路。3、控制电路的设计，包括控制逆变电路开关管工作的脉冲输出、软启动、 调占空比以及保护电路。半桥型开关稳压电源设计方案遵循开关电源的变换框图。如1.1图所示:图1.1开关电源变换先是由工频交流经桥式整流电路得到直流电流，再由半桥开开关逆变得到高频交流电，经整流滤波后得到所需直流电。可供电子设备使用。然后，电源流入输入整流滤

5、波回路将交流电通过整流模块变换成含有脉动成 分的直流电，然后通过输入滤波电容将脉动直流电变为较平滑的直流电。其次，功率开关桥由控制电路提供触发脉冲把滤波得到的直流电变换为高频 的方波电压，通过高频变压器传送到输出侧。最后，输出整流滤波回路将高频方波电压滤波成为所需的直流电压或电流。1.1输入整流滤波电路设计整流滤波回路是开关电源的重要组成部分，它可以提高电压、电流的稳定度, 减小干扰。按其所在的位置不同，分为输入和输出整流滤波回路。这次研究的电源额定工作状态的技术要求为：输出电压24V,输出电流10A, 输出功率约240w为了减小电源的输入滤波电容等原因，用电源电路采用单相 桥式整流。对每个导

6、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a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UC成为正弦半波，即半周期Uc为正弦，另外半周期为Uc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。图1整流电路当负载中电感很大，且电路已工作于稳态。在 U2正半周，触发角a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

7、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=Q1.2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

8、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用。VD1 VD2称为反馈二极管，又叫续流二极管。1.3驱动电路设计MOSFET勺驱动可采用脉冲变压器，它具有体积小，价格低的优点，但

9、直接 驱动时，脉冲的前沿与后沿不够陡，影响MOSFE的开关速度。在此，采用了 IR2304 心片，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）02）动态响应快，通断延迟时间220/220 ns（典型值）、内部死区时间1000ns、 匹配延迟时间50nso3）驱动能力强，可驱动600V主电路系统，具有61 mA/ 130mA俞出驱动能力， 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CMO或LSTFL输入来控制，

10、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， 并提咼可靠性。7）具有电源欠压保护和关断逻辑，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 MOSFE或IGBT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（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

11、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。如下图所示为IR2304的连线图VDI lOFHNOLJNIhinHOvetV”H：ElDi图3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。1.4整体电路设计为了提高系统的功率因数

12、，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。UC3854XBUnitrode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W 3%。图2.6是由UC3854A /B控制的有源功率因数校正电路。w novTUJCl6-lPJ7hU*JhfR-I 尸AHiJriTMULT.t UC 仙”1RLOAD1c A . JbftUiUCMM鑒see器图4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

13、率部分由L2, Cs, S等元器件构成Boost升压 电路。开关管S选择SKM75GBI23模块，其工作频率选在 35 kHz。升压电感L2 为2mHK20A。C5采用两个450VZ470卩F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UC3854XB封锁。在 负载较大时ENA为高电平才让UC3854XB工作。D6接到SS

14、（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 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。1.5过流保护当电力电子电路运行不正常或者发生故障时， 可能会发生过电流。当器件击 穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系 统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。 由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保 护。本文采用快速熔断保险丝在输入端进行保护。1.6过压保护过压护要根据电路中过压产生的不同部位， 加入不同的保护电路，当达到一 定电压值时，自

15、动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路， 消耗过压储存 的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中， 当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制 电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量， 同时抑制电路中的电 感与电容产生振荡，2、器件的选择2.1输入整流器件输入为4565HZ交流电，电压为170260V ,下面计算取电压为170V。1. 二极管的耐压：整流二极管的峰值电压可用公式计算如下。U=170 X 1.414=240.38V额定电压：Uj, = (25*

16、24.38= (4S076721.142. 二极管的额定电流：因为电源的输入功率随效率变化，所以应取电源效率最差时的值。在此，我们按一般开关电源的效率取值，取=0.8电源的输入功率可用(3 1)公式计算：Pin =p/ n minp血= 240 4 0= 312.S W(21)(2-2)id =312.5+ BJ-.Il _i L _.I.L.L.L；iX-UMTi! mET-H-II ill-JiiA 4“ - iXl Jii J._ ,oo1j JiiXX il3: T_Lr - r 1 !T4- 丄 .4.k4.j.4.|-Li4.FTT7f !| + - + TTTTIJ 12+4b-

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