【毕业设计】1000w推挽型开关稳压电源设计

辽宁工业大学电力电子技术课程设计（论文）题目1000W推挽型开关稳压电源设计院（系）电气工程学院专业班级学号学生姓名指导教师起止时间20131230至2014110课程设计（论文）任务及评语院（系）电气工程学院教研室电气教研室注成绩平时20论文质量60答辩20以百分制计算学号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目1000W推挽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、技术参数实现功能为通信电子设备提供48V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。7、完成4000字左右说明书。要求1、1、文字在4000字左右。2、2、文中的理论分析与计算要正确。3、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1、输入电压单相170260V。2、输入交流电频率4565HZ。3、输出直流电压48V恒定。4、输出直流电流20A。5最大功率1000W。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天输入整流滤波电路设计；第5天逆变电路设计；第6天确定高频变压器变比及容量；第7天输出整流滤波电路设计；第8天控制电路设计；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摘要生活中大多数的用电器都是开关电源，常见的电视机，电脑，手机充电器都是开关电源的具体应用。本论文设计了一种推挽型开关稳压电源。该开关稳压电源的特点是以推挽电路为主，以变压器为核心，采用了滤波器、输出滤波电路等主要元器件，实现了稳定输出。本论文所设计的开关电源输入为市电220V交流，输出电压为48V，电流为10A的1000W开关电源，在设计中，首先画出主电路图，并说明其工作原理，再通过基本计算，选择触发电路和保护电路的结构以及晶闸管的型号和变压器的变比及容量，完成本设计的任务。关键词推挽电路；开关稳压电源PWM控制方式目录第1章绪论111电力电子技术概括112本文研究内容1第2章推挽型开关稳压电源设计321系统总体设计方案322具体电路设计4221主电路设计4222控制设计6223保护电路设计823元器件型号选择1024系统调试或仿真、数据分析10第3章课程设计总结12第3章课程设计总结13第1章绪论11电力电子技术概括电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电力电子技术应用领域很广泛，经常都是用弱电控制强电或者各种机器，比如降压斩波电路可以控制直流电动机，升压斩波电路可以控制传动直流电动机。交流调压电路适用与各种舞台灯光的控制，交流调压电路适用于时间常数大的，比如温控。还有现在电力电子技术的发展支路软开关。电力电子技术的主要研究方向之一是变换器主电路的拓扑优化。拓扑优化可以理解为在变换器设计中，合理选择确定网络中各元件的位置，以便实现功能和性能指标要求且最经济。拓扑优化的目标为高频化、高效率、高功率因数和低变换损耗。12本文研究内容电源是介于市网电源与负载之间的供电设备，从日常生活到最尖端的科技，都离不开电源技术的参与与支持。本文设计了一种推挽型开关稳压电源的工作模式，以变压器，PWM控制方式为只要控制模式，创建更快，更安全的线性电源，由于线性电源能耗较大，而且线性电源都是降压式的电源，即输入电压必须高于所设计的输出电压，因此线性电源在效率和功率要求不高的场合应用较多，在大部分的应用领域，线性电源正在逐步被后来发展起来的开关电源所取代。与线性电源相比，开关电源有许多优点，在相同的功率容量下，开关电源比线性电源效率更高，体积和质量更小，开关频率也从20HZ发展到兆赫级，为高频变换提供了物质基础。降低了原材料的消耗，电源装置小型化，加快了系统的动态反应，提高了电源装置的效率，进一步扩展了它的应用范围。设计任务包括以下几点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。7、完成4000字左右说明书。技术参数1、输入电压单相170260V。2、输入交流电频率4565HZ。3、输出直流电压48V恒定。4、输出直流电流20A。5最大功率1000W。6、稳压精度直流输出电压整定值的1。第2章推挽型开关稳压电源设计21系统总体设计方案根据任务书中的设计说明，进行经济和技术比较，确定总体方案。画出总体方案框图，并简要说明各部分功能。如图21所示。图21推挽型开关稳压电源总结构图开关电源电路的典型结构，它主要由整流滤波电路、DCDC变换电路、开关占空比控制电路以及取样比较电路等模块构成。前级整流滤波电路用来消除来自电网的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散，并将电网输入电压进行整流滤波，为变压器提供直流电压。变换器吧直流电压变换成高频交流电压。输出整流电路将高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压。取样电路和开关占空比控制电路通过检测输出直流电压，与基准电压比较，调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。22具体电路设计222主电路设计。如图22所示。图22推挽电路工作原理高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧，电路适用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在外激励方波信号的作用下交替导通与截止，在变压器T次级绕组得到方波电压，经整流滤波变为所需的直流电压。开关晶体管VT1，VT2由基极驱动电路激励交替导通与截止，输入直流U1变换成高频方波交流电压。VTI导通时，U1通过VT1加到变压器T1的初级绕组N1上。由于变压器的作用，因此截止的晶体管VT2将施加2倍的输入电压，即2U。当基极激励消失后，VT1,VT2管均截止，其集电极施加的电压均为输入电压U。下半个周期，VT2导通，VT1截止，VT1施加2倍的输入电压，接着又是两管截止下一个周期重新开始。当滤波电感L的电流连续时。U0/U1N2/N12TON|T，如果输出的电感电流不连续，输出电压UO将高于式计算值，并随着负载减小而升高。推挽式开关电源的典型电路如图所示。它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器次级统组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。开关式稳压电源的基本电路框如图23所示图23开关电源工作图交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。图24推挽式开关电源它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器次级统组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在100500范围内。如图25所示图25开关电源工作波形图工作模式1在T0时，开关管Q导通，电源电压VIN加在原边绕组W1上，故铁芯磁化，变压器的励磁电流从零开始线性增加；此时，整流二极管D1导通，续流二极管D2截止，滤波电感电流线性增加，根据变压器工作原理，原边电流为折算到原边的副边电流和励磁电流之和工作模式2【TON,TR】在TON时刻，关断Q，原边绕组与副边绕组中没有电流流过，此时变压器通过复位绕组进行此复位，励磁电流从复位绕组经过二极管D3回馈到输入电源中去，此时整流二极管D1关断，滤波电感电流通过D2续流。电源电压VIN反向加在复位绕组W3上，故铁芯去磁，铁芯磁通减小。励磁电流从原边绕组中转移到复位绕组中并开始线性减小。在TR时刻，变压器完成磁复位。工作模式3【TR,T】在此工作模式中，所有绕组中均没有电流，他们的电压为零。滤波电感续流经过续流管续流，此时开关管Q上的电压为VQVIN。222控制设计方案用脉宽调制型控制器实现整个系统的控制该方案的优点控制系统软件编程工作量较小，难度不大；用脉宽调制型控制器实现PWM控制，产生频率为100KHZ的脉冲较容易，并且完全由硬件产生高频脉冲，实时性好；如图26所示图27控制方案图图26控制方案图系统的组成框图如图所示，脉宽调制器产生高频脉冲直接控制DCDC变换模图27开关稳压电源块，单片机实现数码管显示、A/D和D/A转换、过流保护、处理电压反馈信号、对脉宽调制器进行控制、显示和人机交换等功能过流保护电路使负载电流不超过25A；负载电压负反馈电路进一步对负载电压进行精确控制控制系统是设计的关键部分，由脉宽调制控制器来控制DCDC变换电路，实现电压稳定输出，达到设计的所有指标。脉宽调制控制器选用具有欠压锁定、系统故障关闭、软起动延时PWM驱动等功能的SG3525芯片。如图28所示图28SG3525开关稳压电源控制系统的电路图如图3所示，采用双闭环控制电路来实现输出电压稳定。负载的电压经R1取样反馈到SG3525的引脚1端（误差放大器反向输入端）；通过软件进行PID调节，D/A转换后反馈到SG3525的引脚2端（误差放大器同向输入端）；SG3525的引脚1、2的电压通过芯片内部误差放大器比较并输出误差电压VEA，VEA通过比较器与锯齿波进行比较，11脚输出一个脉宽可变的PWM脉冲来调节DCDC变换电路，最终实现输出电压稳定、可调。实现了稳压输出的大功率功放功能，在工作过程中，如果电源电压跌落至保护阈值电压以下时，输出PWM信号被封锁，避免输出混乱的脉冲信号，以保护主电路开关器件。当电源电压再次大于启动电压后，经过一次软启动过程，SG3525的内部电路才重新开始工作。223保护电路设计在电气技术指标满足正常使用要求的条件下，为使电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作，必须设计多种保护电路，比如防浪涌的软启动，防过压、欠压、过热、过流、短路、缺相等保护电路。如图29所示图29输入过电流保护过电流保护电路在直流开关电源电路中，为了保护调整管在电路短路、电流增大时不被烧毁。其基本方法是，当输出电流超过某一值时，调整管处于反向偏置状态，从而截止，自动切断电路电流。过电流保护电路由三极管BG2和分压电阻R4、R5组成。电路正常工作时，通过R4与R5的压作用，使得BG2的基极电位比发射极电位高，发射结承受反向电压。于是BG2处于截止状态（相当于开路），对稳压电路没有影响。当电路短路时，输出电压为零，BG2的发射极相当于接地，则BG2处于饱和导通状态（相当于短路），从而使调整管BG1基极和发射极近于短路，而处于截止状态，切断电路电流，从而达到保护目的。2过电压保护电路直流开关电源中开关稳压器的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保护。如果开关稳压器所使用的未稳压直流电源（诸如蓄电池和整流器）的电压如果过高,将导致开关稳压器不能正常工作,甚至损坏内部器件,因此开关电源中有必要使用输入过电压保护电路。图3为用晶体管和继电器所组成的保护电路，在该电路中，当输入直流电源的电压高于稳压二极管的击穿电压值时，稳压管击穿，有电流流过电阻R，使晶体管T导通，继电器动作，常闭接点断开，切断输入。输入电源的极性保护电路可以跟输入过电压保护结合在一起,构成极性保护鉴别与过电压保护电路。如图210所示23元器件型号选择由于推挽型开关稳压电源主电路主要元件是二极管和变压器，所以选取元件时主要考虑二极管和变压器的参数及其选取原则。滤波电容的大小可以由下面的公式确定由推挽型电路的原理可知（21）图210开关稳压器ETTTOFOFNU0又输入电压为输入直流电压范围50V100V，要求输出直流电压80V。所以只要根据输入的电压控制全控晶闸管IGBT关断的时间和开通的时间比就可，即升压比就可得到所需电压。由计算得（22）又因为要求输出功率P100W,340V0U（23）根据电容型号对照表知，该电容的型号为25V/33UF24系统调试或仿真、数据分析仿真波形基于PWM控制的开关电源系统仿真PI调节器的建模比例积分调节器仿真模型如图212所示，输出波形如图213所示图212比例积分调节器仿真模型图213调节器输出波形173856PRU20正弦宽度调制模型仿真模块（SPWM）如图214所示。图214正弦宽度调制模型仿真模块仿真利用积分关系来产生三角波，SIMULINK中SOURCES有脉冲发生器（PULSEGENERATOR），使其产生频率为50KHZ,占空比为50的信号。如图215所示输出波形如图215所示图215脉冲发生器第3章课程设计总结图216输出波形图216输出波形第3章课程设计总结两周的课程设计结束了，课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，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推挽型开关稳压电源设计，本人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和生产实际知识进行一次推挽电路设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了推挽电路开关稳压电源