半桥型开关稳压电源设计.doc

电力电子技术课程设计说明书 半桥型开关稳压电源设计院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 杨建雄 指导教师： 董 恒 职称 硕 士 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气本 1202班 完成时间： 2015年6月11日 摘 要 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。本设计根据设计任务进行了方案设计，设计了相应的硬件电路，研制了250我半桥开关电源。整个系统包括主电路、控制电路和驱动电路三部分内容。系统主电路包括单相输入整流、半桥式逆变、高频交流输出、输出整流、输出滤波几部分。控制电路包括主电路开关管控制脉冲的产生和保护电路。论文具体地介绍了主电路、控制电路、驱动电路等各部分的设计及实验过程，包括元器件的选取以及参数计算本文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、工作原理及特点。关键词：开关稳压电源 ；半桥；高频变压器 目 录1 绪论1 1.1电力电子发展史1 1.2半桥型开关稳压电源概括2 1.2.1开关电源的概念2 1.2.2开关电源的分类2 1.3本文设计内容32 半桥稳压电源设计4 2.1总体设计方案4 2.2电路设计4 2.2.1 输入整流滤波电路设计4 2.2.2逆变回路设计5 2.2.3输出整流滤波设计6 2.2.4主电路设计7 2.2.5保护电路8 2.2.6 控制电路9 2.2.7总体电路图103 数据分析计算10 3.1器件的选择10 3.1.1输入整流器件10 3.1.2输出整流器件11 3.1.3元件选择11 3.1.4保护电路器件选择12 3.2具体参数设计12 3.3 MATLAB电路仿真13 3.3.1MATLAB简介13 3.3.2仿真电路图134 设计总结15参考文献161 绪论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。本文将介绍一款半桥式开关电源,所用开关器件为功率MOSFET管, 开关工作频率为45 65 Hz,具有体积小、重量轻、成本低等特点。1.1 电力电子的发展史 最早的开关电源出现在60年代，出现的是串联型开关电源，功率晶体管用于开关状态，后来脉宽调制(PWM)控制技术有了发展，用以控制开关变换器，得到PWM开关电源， PWM开关电源效率可达65%-70%，1974年研制成了工作频率达到20kHz的开关电源，在电源技术发展史上誉为20kHZ革命。1976年，美国硅通用公司首次生产出世界上第一片集成脉宽调制器，使开关电源的控制器得到简化，系统的可靠性也大为增强。八十年代，国内高频开关电源只在个人计算机、电视机等若干设备上得到应用。由于开关电源在重量、体积、用铜、用铁及能耗等方面都比线性电源和相控电源有显著减少，对整机多相指标有良好影响，因此它的应用得到了推广。近年来越来越多领域应用开关电源，取得显著效益。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。 现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。例如，将交流电能变换成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换为设备所需频率的电源；在正常交流电源中断时，用逆变器（见电力变流器）将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。应用电力电子技术还能实现非电能与电能之间的转换。例如，利用太阳电池将太阳辐射能转换成电能。与电子技术不同，电力电子技术变换的电能是作为能源而不是作为信息传感的载体。因此人们关注的是所能转换的电功率。1.2半桥型开关稳压电源概括1.2.1开关电源的概念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。1.2.2开关电源的分类开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波斩波器的工作方式有两种：一、脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用）。二、频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类：（1） Buck电路降压斩波器。（2） Boost电路升压斩波器。（3） Buck-Boost电路降压或升压斩波器。（4） Cuk电路降压或升压斩波器。AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为单项、三相、多相。按电路工作象限可分为一象限、二象限、三象限、四象限。1.3本文设计内容随着科学技术的日益发展,人们对电路的要求也越来越高,由于在生产实际中的需要。需要提供不同的稳压电源。本文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。首先进行总体方案的分析，整流电路的设计，逆变电路的设计，主电路和输出整流回路的设计。由工频交流经桥式整流电路得到直流电流，再由半桥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。其中桥式整流采用四个二极管，逆变电路由两个串联的电容和两个串联的MOS管构成，输出回路由电容电感和二极管构成。为确保电路的可靠运行本文增加保护电路设计。过压保护采用电阻电感串联吸收网络。过流保护采用快速熔断器保护。其次是参数计算，分析各性能指标，选择器件，通过仿真分析波形。确定最终结论。上述过程可为实验设备提供24V范围的电压，可以取代线性的不稳定电压，为实验的可靠进行提供确实保障。2 半桥稳压电源设计2.1总体设计方案整个课题的设计，分为三部分。一、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。二、开关管的驱动电路。三、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图所示：半桥逆变电路输入滤波电路输出整流滤波输入整流电路 图1开关电源变换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。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。2.2 电路设计2.2.1 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。本文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，本文实验用电源电路采用单相桥式整流。由工频170260V，4565HZ交流电， 如图2所示。 图2输入整流滤波电路图输入整流滤波电路，主要有两部分组成，（1） 整流桥；（2） 输入滤波电路。2.2.2逆变回路设计1.高频开关变换器的基本原理用一个半导体功率器件作为开关，使带有滤波器(L或/和C)的负载线路与直流电压一会相接，一会断开，则负载上也得到另一个直流电压。这就使DC-DC的基本手段。一个周期Ts内，电子开关接通时间ton所占整个周期Ts的比例，称作接通占空比D。很明显，接通占空比越大，负载上电压越大; 1TS=fs称作开关频率，fs越高，负载上电压也越高。这中DC-DC变换器中的开关都在某一固定的频率下工作，这种保持开关频率恒定但改变接通时间长短(即脉冲的宽度)，使负载变化时，负载上电压变化不大的方法，称脉宽调制法（Pulse Width Modulation)。由于电子开关按外加控制脉冲而通断，控制本身流过的电流、二端所加的电压无关，因此，电子开关称为硬开关。 2.逆变回路的基本原理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。半桥式电路的结构如图2.3所示。S1导通时，二极管VD1处于通态；S2导通时，二极管VD2处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕组W1中的电流为零，根据变压器的磁势平衡方程，绕组W2和W3中的电流大小相等，方向相反，所以VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。S1或S2导通是电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。由于电容的隔直作用，半桥型电路对由于两个开关管导通时间不对称而造成的变压器一次电压的直流分量具有自动平衡作用，因此该电路不容易发生变压器偏磁和直流磁饱和的问题，无须另加隔直电容。值得注意的是，在半桥电路中，占空比定义如1公式 D= （1） 图 3逆变电路图2.2.3输出整流滤波设计电源的能量输出通过高频变压器实现，其主要作用是电压变换、功率传递和实现输入输出之间的隔离，与普通电力变压器的功能相仿。因此，在绕制高频变压器时要尽量减小原、副边的漏感，从而减小功率开关管关断时的尖峰电压，降低损耗，提高效率。在副边使用全波整流的方式，然后由滤波电感和滤波电容共同完成输出滤波功能，使输出达到设计要求。图4输出整流滤波电路图输出滤波电路包括电感、电容和两个二极管。经过整流滤波后即可得到所需直流稳压电源。输出整流滤波电路是通过快恢复整流二极管的整流和滤波电感及滤波电容将高频变压器输出的高频交变电压或电流变换成符合要求的输出电压或电流。高频变压器副边选用全桥式整流，以提高安全可靠性。2.2.4主电路设计半桥式开关电源主电路如图所示。图中开关管Q1、Q2选用MOSFET。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、开关速度快及安全工作区大等优点。半桥式逆变电路一个桥臂由开关管Q1、Q2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Q1、Q2的公共连接端,Q1、Q2中点的电压等于整流后直流电压的一半,开关Q1、Q2交替导通就在变压器的次级形成幅值为Vi/2的交流方波电压。通过调节开关管的占空比,就能改变变压器二次侧整流输出平均电压V o。Q1、Q2断态时承受的峰值电压均为Vi，变压器原边并联的R7、C3、VD1组成RCD吸收电路，C5和R9用来吸收高频尖峰。图5主电路2.2.5保护电路1.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，当达到定电压值时，自动开通保护电路，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，过电压保护电路如图6所示。 图6 RC阻容过电压保护电路图2.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。2.2.6 控制电路控制电路是整个电源系统重要部位，由它控制整个电源的工作并实现相应的保护功能。一般来说，控制电路应具有以下功能:控制脉冲产生电路、电压反馈控制电路、占空比可调、软启动及各种保护电路等。根据电路功能的分工可将控制电路分为几大部分：脉冲产生电路、触发电路、电压反馈控制电路、软启动电路、保护电路等。脉冲产生电路是控制电路的核心。脉冲产生电路根据电压反馈控制电路信号产生出所需的脉冲信号保护电路以及软启动电路等提供的控制。电压反馈控制电路通过检测输出电压的大小，对输出电压进行分压采样，然后将采样电压和参考电压相比较得出误差信号来调节输出脉冲的脉宽达到调节输出电压的目的。设计电路的控制电路是整个电路的主要部分。目前实际产品应用中有各种典型的控制电路,鉴于对电源和驱动的要求,结合本次毕业设计选择SG3525。SG3525A的内部结构见图6。由基准电压调整器、振荡器、误差放大器、比较器、锁存器、欠压锁定电路、闭锁控制电路、软起动电路、输出电路构。SG3525的特点SG3525脉宽调制型控制器是美国通用电气公司的产品。它的主要特点是：1、输出级采用推挽输出，双通道输出。2、占空比0-50%可调。3、每一通道的驱动电流最大值可达200mA，灌拉电流峰值可达500mA。可直接驱动功率MOS管。4、工作频率高达400KHz。5、具有欠压锁定、过压保护和软启动等功能。6、可正常工作的温度范围是0-700。7、基准电压为5.1 V士1%。8、工作电压范围很宽，为8V到35V。2.2.7总体电路图由具体电路可得总体电路图7图7 总体电路图3 数据分析计算3.1器件的选择3.1.1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=1701.414=240.38V 额定电压： Un=（23）*240.38=（480.76721.14）2. 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(2)公式计算: Pin =p/min (2) Pin=2400.8=312.5W (3) 流过每个二极管的有效值 (4) 额定电流： 3.1.2输出整流器件电感选择100 H；电容选择1000F /50V；二极管选择；二极管的峰值电压，额定电压 ： 额定电流 ： 3.1.3元件选择1开关器件选择。表1几种功率器件的优缺点比较表器件优点缺点GTR耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低MOSFET开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置IGBT开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTO在高频的开关电源设计中用的功率器件种类有IGBT和MOSFET，但是考虑到工作在高频的IGBT成本较高，在本次设计选用MOSFET器件。型号为IRFP450，主要参数选择，额定电流16A，额定电压500V，通态电阻0.4欧姆。在功率半导体器件中，MOSFET以高速、低开关损耗、低驱动损耗在各种功率变换，特别是高频功率变换中起着重要作用。在低压领域，MOSFET没有竞争对手，但随着MOS的耐压提高，导通电阻随之以2.4-2.6次方增长，其增长速度使MOSFET制造者和应用者不得不以数十倍的幅度降低额定电流，以折中额定电流、导通电阻和成本之间的矛盾。即便如此，高压MOSFET在额定结温下的导通电阻产生的导通压降仍居高不下，耐压500V以上的MOSFET的额定结温、额定电流条件下的导通电压很高，耐压800V以上的导通电压高得惊人，导通损耗占MOSFET总损耗的2/3-4/5，使应用受到极大限制。 3.1.4保护电路器件选择1.过压保护电路由3.1.1节可知输入电流为1.176A，即流过MOS管的电流为1.176A。查表可得保护电路的电容为：0.04 F 电阻为：500欧姆2.过流保护 （5）则3.2 具体参数设计1）变压器变比 (6)设占空比为 则0.5k=24/170*1.2 K=0.235即变压器的变比为0.2352）变压器容量 3.3 MATLAB电路仿真3.3.1MATLAB简介MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。本文采用matlab进行仿真观测。3.3.2仿真电路图 图1 输入电压波形图2仿真图 4 设计总结课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了如何查找第一手资料，如何整理材料等相关知识。 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。通过这次开关稳压电源的设计，我在多方面都有所提高。通过这次设计，综合运用本专业所学课程的理论知识