W半桥型开关稳压电源设计.doc

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： 240W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： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 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 学 号学生姓名专业班级 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、文字在 4000 字左右。 2、文中的理论分析与计算要正确。 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：主电路 设计；第 5 天：选择器件；第 6 天：确定变压器变比及容量；第 7 天：确定平 波电抗器；第 8 天：触发电路设计；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 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） II 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 本科生课程设计（论文） III 摘 要 应用即社会需求，社会需求是技术发展的原动力，开关电源的发展过程清楚 地辨明了这一点。目前，计算机的发展十分迅速，以其为代表的小功率电子产品 是开关电源的主要应用领域，而且正是由于在小功率领域的成功应用，似的软开 关技术在小功率领域发展得最为成熟。本设计即为为实验室提供的大功率开关电 源，主电路采用半桥型整流电路，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，该电源在开环时，它的负载特性较 差，只有加入反馈，构成闭环控制后，当外加电源电压或负载变化时，均能自动 控制 PWM 输出信号的占空比，故控制电路以 SG3525 为核心构成，SG3525 为美 国 Silicon General 公司生产的专用 PWM 控制集成电路。它采用恒频脉宽调制控 制方案，它适用于各开关电源、斩波器的控制。用 SG3525 很好的解决了负载特 性差的缺点，得到了想要的输出电压。 关键词：开关电源；PWM 控制；整流电路； 本科生课程设计（论文） IV 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 开关电源概况1 1.2 本文设计内容1 第 2 章 240W 半桥型开关稳压电源设计3 2.1 240W 半桥型开关稳压电源总体设计方案 .3 2.2 具体电路设计3 2.2.1 主电路设计.3 2.2.2 控制电路设计.4 2.2.3 保护电路设计.5 2.2.4 整体电路设计.6 2.3 元器件型号选择7 2.4 系统调试或仿真、数据分析.11 第 3 章 课程设计总结 .12 参考文献 13 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 开关电源概况 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比 率，维持稳定输出电压的一种电源。 随着电力电子技术的发展和创新，使得开 关 电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开 关电源提供了广泛的发展空间。 随着开关电源在计算机、通信、家用电器等方面的广泛应用，人们对其需求 量增长和效率、体积、重量及可靠性等方面要求更高。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。在半 桥式变换器电路中,变压器初级在整个周期中都流过电流,磁芯利用得更加充分。 它克服了推挽式电路的缺点,所使用的功率晶体管耐压要求较低；晶体管的饱和压 降减少到了最小;对输入滤波电容使用电压要求也较低，半桥式变换器在高频开关 电源设计中得到广泛的应用。 电源是将各种能源转换成为用电设备所需要的装置， 是所有靠电能工作的 装 置的动力源泉。直流开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变 换装 置，用于交流直流或者直流直流电能变换，通常称其为开关电源。 开 关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性 的要求， 利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。 开 关电源的这一技术特点使得它具有，效率高、体积小、重量轻、频率高、电感、 电容等滤波元件和变压器体积小。 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。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。本文设计的是为 实验室电子设备提供的 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。 其主要技术参数如下： 本科生课程设计（论文） 2 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。 本文分别从以下几个方面进行了设计： 1. 总体电路设计； 2. 主电路设计； 3. 控制电路设计； 4. 保护电路设计； 5. 元器件型号的选择； 本科生课程设计（论文） 3 第 2 章 240W 半桥型开关稳压电源设计 2.1 240W 半桥型开关稳压电源总体设计方案 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。交流输入、直流输出的开关电源将交流电转化 为直流电供负载使用。整流电路普遍采用二极管构成的桥式电路，直流侧采用大 电容滤波，该电路结构简单、工作可靠、成本低，效率也比较高。 首先，电源流入输入整流滤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。主电路采用先整流滤波、后经高频逆变得到高频 交流电压，然后由高频变压器降压、在整流滤波的方法，该电源在开环时，它的 负载特性较差，只有加入反馈，构成闭环控制后，当外加电源电压或负载变化时， 均能自动控 制 PWM 输出信号的占空比， 以维持电源的输出直流电压在一定的 范围内保持不变，达到了稳压的效果。其设计方案如图 2.1 所示。 2.2 具体电路设计 2.2.1 主电路设计 半桥式开关电源主电路如图 2.2.1 所示。图中开关管 S1, S2 选用 MO SFET, 因为它是电压驱动全控型器件,具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快及安 本科生课程设计（论文） 4 全工作区大等优点。半桥式逆变电路一个桥臂由开关管 S1,S2 组成, 另一个桥臂 由电容 C1, C2 组成。高频变压器初级一端接在 C1, C2 的中点, 另一端接在 S1, S2 的公共连接端，C1, C2 中点的电压等于整流后直流电压的一半, 在半桥式逆变电 路中，变压器一次侧的两端分别连接在电容 C1,C2 的中点和 开关 S1, S2 中点。 电容 C1,C2 的中点电压为 Ui 2 。S1 与 S2 交替导通，使变压 器一次侧形成幅值 为 Ui 2 的交流电压，改变开关的占空比，就可以改变二次侧 整流电压 Ud 的平 均值，也就改变了输出电压 Uo。逆变电路采用的电力电子器件为美国 IR 公司生 产的全控型电力 MOSFET 管，其型号为 IRFP450,主要参数为：额定电流 16A,额 定耐压 500V，通态电阻 0.4。两只 MOSFET 管与 两只电容 C1、C2 组成一个 逆变桥，在两路 PWM 信号的控制下实现了逆变，将直流电压变换为脉宽可调的 交流电压，并在桥臂两端输出开关频率约为 26KHz、占空比可调的矩形脉冲电压。 然后通过降压、整流、滤波后获得可调的直流电源电压输出。该电源在开环时， 它的负载特性较差，只有加入反馈，构成闭环控制后，当外加电源电压或负载变 化时，均能自动控制 PWM 输出信号的占空比，以维持电源的输出直流电压在一 定的范围内保持不变，达到了稳压的效果。 2.2.2 控制电路设计 控制电路以 SG3525 为核心构成，SG3525 为美国 Silicon General 公司生产的专 用 PWM 控制集成电路。它采用恒频脉宽调制控制方案，其内部包含有精密基准 源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、 分频器和保护电路等。调节 Ur 的 大小，在 A、B 两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位 相互错开 180 度、 占空比可调的矩形波（即 PWM 信号） 。它适用于各开关电源、斩波器的控制。 该芯片的输入电压工作范围是835 V , 通常可取+ 15 V; 振荡频率是100 500 图 2.2.1 主电路 本科生课程设计（论文） 5 kHz, 芯片的脚5和脚7间串联一个电阻Rd就可以在较大范围内调节死区时间。另 外, 它的软启动电路也非常容易设计, 只需在管脚8接一个软启动电容即可。 SG3525的振荡频率可表示为 1 o (017 o 3 d) fs CRR 式中: Co , R o 分别是与脚 5、脚 6 相连的振荡器的电容和电阻; R d 是与脚 7 相 连的放电端电阻值。该芯片外围电路简单, 11 和 14 脚输出采用图腾柱, 电流驱动 能力强, 可直接控制半桥逆变器的上下功率管 S1, S2, 其外围电路如图 2.2.22 所示。 2.2.3 保护电路设计 在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外， 采用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt 保护和 di/dt 保护也是必要的。 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。采用快速熔 断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。在选择快熔时 应考虑： 1）电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。 2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。快熔一 般与电力半导体器件串联连接，在小电容装置中也可串接与阀侧交流母 线或直流母线中。 图 2.2.2 控制电路 本科生课程设计（论文） 6 3）快熔断值应小于被保护器件的允许值。 2 I t 2 I t 4）为保证熔体在正常过载情况下不熔断，应考虑其时间-电流特性。 本设计即采用快速熔断器对主电路进行过电流保护，对 SG3525 集成芯片的 保护则采用如图 2.2.3 所示的电路。 2.2.4 整体电路设计 整体电路由主电路、控制电路和保护电路组成，具体电路图如图 2.2.4 所示。 图 2.2.3 保护电路 图 2.2.4 整体电路图 本科生课程设计（论文） 7 2.3 元器件型号选择 半桥式变压器开关电源的两个控制开关 K1、K2 的占空比必须要小于 0.5； 故选取占空比为 0. 5 进行参数计算。 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：IN4007 2.变压器的设计 1) 设定开关频率 开关频率对电源的体积、重量等影响很大。开关频率越高, 变压器磁芯就会 选得更小, 输出滤波电感和电容体积也会减小, 但开关损耗增加, 效率下降, 散 热器体积加大。综合考虑两方面, 设定其工作频率为。100fskHz 2) 选磁芯 磁芯选用 R2KB 软磁铁氧体材料, 其饱和磁感应强度B s = 4700 Gs, 考虑 到高温时B s 会下降, 同时为防止合闸瞬间变压器饱和, 设定最大工作磁密 B m = B s/3=1500 Gs。对半桥变换器, 当脉冲波形近似为方波时, 可按式(1)来 确定磁芯的大小。 （1） 式中: A p 为磁芯的面积乘积, ; A e 为磁芯的截面积,; A w 为磁芯的 4 cm 2 cm 窗口面积, ; P o 为输出功率,W; 为变压器效率, 一般可取 80%; f s 为变 2 cm 换器工作频率,Hz; B m 为磁芯最大工作磁密, Gs; J 为导线的电流密体, 一般 6 6 34 4 10 2 250 10 2 0.8 100 101500 102 1 0.2 2.60() Po ApAeAw fsBmJKcKu cm wt ui sin2220 Vwtwtd ud 198 2440 )(sin2220 1 0 1 220 2155.54 2 V (2 3) 155.54311.08 466.62 N UVV 本科生课程设计（论文） 8 取 2 3;取K c= 1; K u 为窗口的铜填充系数, 一般K u= 0.20.4。 2 /A mm 本设计选用 PC40EI60-Z 型铁氧体磁芯, 由手册知其参数为: A e = 247, A 2 mm w = 109 , 则A e A w = 26900,大于A p 的计算值。 2 mm 4 mm 3) 计算原边匝数 按最低输入电压和满载输出的极端情况来计算。已知最小输入交流电压为 170V , 减去 20V 的直流纹波电压和整流器的压降, 最小直流电压为 =1701.4- 20= 218 V。半桥式电路变压器原边绕组所加电压等于输入电minVin 压的一半, 即 = 109 V。则原边绕组匝数 1minU (2) 式中:U 1 为变压器原边电压,V。由(2) 式计算得N 1= 28.6 匝, 经实验实 际取值为 34 匝。 4) 核算最大输入交流电压时的最大磁密B m 利用计算出来的变压器初级匝数, 核算变压器在最大输入交流电压maxVin 时的B m , 看磁芯是否饱和。由于= 2601.4= 364 V。故半桥式电路变maxVin 压器原边绕组所加电压 = 182 V , 由式(2) 变形可得1maxU 计算可知, 在输入交流电压最大时B m B s/2, 所以, 原边绕组匝数N 1= 34 匝的选择是合适的。 5) 计算副边匝数 副边电路采用带有中间抽头的全波整流滤波电路, 副边匝数为 6) 计算原边最大工作电流 在最低交流输入电压为 170V 时, 变压器原边通过的电流一定是最大可能的 工作电流, 由经验公式可得,原边最大工作电流为 7) 选择导线 由于变压器的工作频率为 50 kHz, 在此频率下铜导线的穿透深度= 0.2956 mm , 考虑到趋肤效应的影响, 一般所选的导线铜芯直径要小于 2, 即导线直径 1 1 4 U N fsBmAe 36 1182 0.21( ) 414 50 1034 127 10 U BmT fsN Ae 212 24 34 21228() 220 UoN NN Ui 匝 33 150 2.06( ) min218 Po IpA Vin 本科生课程设计（论文） 9 要小于 0.5914mm。另外, 考虑铜线的电流密度可取 3 6, 由原、副边最 2 /A mm 大工作电流就可确定出各自所需导线的截面积, 进而选择合适的导线。这里原边 采用铜芯直径为 0.53mm 的漆包线进行 2 股并绕, 副边采用 16 股线径为 0.21 mm 的漆包线, 绞结成 4 根并绕。 3.输出滤波电感的设计 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.输出滤波电容的设计 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 根据具体情况可以选择一个 270F/25V 铝电解电容并联使用。 5.功率管的选择 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。 00 12 1 66 1 8 110 6 34 100000 10 4.31 nUN U L fsIN fsI H max 1 max 6 6 4 4.4 1010 11 0.3 0.5 4 10 800 ew cc LII A A Bk d mm minmin 2 max 63 23 1 2 8(2) 1 2424 1 8 8 4.4 10(200 10 )50 10 3642 34 244 oo f fsOPP i UU C N LfU UU N F 本科生课程设计（论文） 10 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.变压器二次侧整流二极管的设计 （1）额定电压 变压器副边是双半波整流电路，加在整流二极管上的反相电压为 在整流管开关时，有一定的电压震荡，因此要考虑 2 倍余量，可以选用 2*172V=344V 的整流管。 （2）额定电流 在双半波整流电路中，在一个开关周期内，整流管的开关情况是：当变压器 副边有电压时，只有一个整流管导通；当变压器副边电压为零时，两个整流管同 时导通，可近似认为它们流过的电流相等，即为平均负载电流的一半，可近似计 算整流管的电流为： 整流管中流过的最大电流： 元器件选择一览表 名称名称位号位号型号型号大小大小单位单位数量数量 铁氧体磁芯PC40EI60-Z1 芯片SG35251 电阻R1/R410K1 电阻R230K1 电阻R327K1 电阻R52001 A III fOMAXDMAX 112*5 . 010 2 1 max 222 8 364 172 134 in D N V UV N 22 0max0max 2 1 () (1) 2 2 2 100 0.85 (0.5 10) (1 0.85) 2 2 6.8 D I DID I A 本科生课程设计（论文） 11 电阻R64.7K1 电阻R72.8K1 电阻R8101 电阻VD1-VD51N40074 电阻V1-V2IRFBE302 电解电容C1270f1 电解电容C2/C3470f2 电解电容C4220pf1 电解电容C4300pf1 电解电容C550pf1 电解电容C61f 1 电解电容C70.01f1 电解电容C80.1f1 电感L4.4H1 熔断器1 2.4 系统调试或仿真