电力电子技术课程设计-半桥型开关稳压电源设计.doc

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半桥型开关稳压电路设计半桥型开关稳压电路设计 本科生课程设计（论文） 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 170 260V，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 MOS 管；脉宽调制；稳压电源。 本科生课程设计（论文） 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 电路设计 .3 2.1 稳压电源总体设计方案.3 2.2 具体电路设计.4 2.2.1 主电路设计 .4 2.2.2 控制电路设计 .5 2.2.3 驱动电路设计.6 2.2.4 保护电路设计.7 2.2.5 整体电路设计 .8 2.3 元器件型号选择.9 第 3 章 课程设计总结 .13 参考文献 .14 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 电力电子技术概况 电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。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。目前所用的电 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 通过大电流和承受高电压，而且要考虑在大功率情况下，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”在内容上并没有很大的不同，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 是两者应用的目的不同，前者用于电力变换，后者用于信息处理。 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。 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。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，开关频率高等优点。具体设计 技术参数如下： 1.输入电压单相 170260V； 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. 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； 本科生课程设计（论文） 3 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 也各有不同。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 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电路、DCDC 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，此外还有起动、过流与过压保 护、噪声滤波等电路。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 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 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 本科生课程设计（论文） 4 限流功能，还采用了 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 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 本科生课程设计（论文） 5 图 2.2 中 S1、S2、C1、C2 和主变压器 T1 构成了半桥 DCDC 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、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。 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 SG3525 具有以下优点： 1)改进了振荡电路，提高了振荡频率的精度，并且具有更精确的死区控制； 2)具有限流控制功能，且门槛电流有 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 12v 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）*(1-Dmax) (1) CT=(1.6*Dmax)/(Rt*f) (2) 式中：f=80kHz，为所取的频率 本科生课程设计（论文） 6 脚 1(INV)、脚 2(EA)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 11(0UTA)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。 图 2.3 高速双路 PWM 控制器 UC3825 电路图 2.2.3 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 本科生课程设计（论文） 7 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 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。 如下图所示为 IR2304 的连线图 图 2.4 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。 2.2.4 保护电路设计 对于 DCDC 电源产品都要求在出现异常情况(如过流、过载)时，系统的保 护电路工作，使变换器及时停止工作。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 本科生课程设计（论文） 8 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 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 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 本科生课程设计（论文） 9 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 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 各种元件的波形图 本科生课程设计（论文） 10 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.变压器的设计 （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；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: 根据具体情况可选择型号为 DE25 的铁心则 Ae=40.00mm，Aw=78.2mm，Ae 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） 11 *Aw=3128可以满足要求。 4 mm （3）变压器的绕组结构设计：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两个 4.7F/25V 铝电解电容并联使用。 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 ILI 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） 12 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*123V=246V 的整流管。 （2）额定电流 在双