600W半桥型开关稳压电源设计

1、600W 半桥型开关稳压电源设计600W 半桥型开关稳压电源设计摘要本次设计主要是设计一个 600W 半桥型开关稳压电源，从而为负载供 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 12V 恒定，最大电流 50

2、A 。从主电 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 定以及计算机仿真图形的绘制与波形分析等方面的研究。关键词：半桥变换器；功率 MOS 管；脉宽调制；稳压电源；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

3、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

4、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

5、， 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。1.2 本文研究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

6、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 12V 恒定；4. 输出直流电流 10A ；5. 最大功率： 120W ；6. 稳压精度：

7、 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DC /DC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rmNL4- isM i

8、Hlkl:F212图2.5保护电路225 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UC3854A / B控制芯片组成功率因数校正电路。UC3854A /BUn itrode 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。4LI IK册烈*图2.6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。功率部分由L2，Cs, S等元器件构成

9、Boost升压电路。开关管S选择西门康公司的SKM75GBI23D 模块，其工作频率选在 35 kHz。升压电感L2为2mH /20A。C5采 用两个450V /470肝的电解电容并联。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UC3854A /B封锁。在负载较大时ENA为高电平才让UC3854A /B工作。D6接到SS（软启动端）

10、，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。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2202 sin wfU440 JT7V19S 7-* 220a/2 = 155.54 K2= (2 - 3) * 155.54 = 311.087 - 466.62t/. . .D2(nii) mjEEu= Oc n”巳2.3兀器件型号选择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

11、管：IN4005600V/1A2. 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;defs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;PT& 2-120-100*0.2*4*10 *0.5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=3DOO?vk2数。若铁心材料为铁氧体则B=0.2T，dc=4A/mm 2，kc=0.5。根据SG3525的控制选择开关频率为100HZ

12、。根据公式:4*6*100000*277*10 *10*110.3*0.5*4*10=1侶二140DO熾詔根据具体情况可选择型号为 DE25的铁心则Ae=40.00mm2 , Aw=78.2mm2，Ae *Aw=3128J可以满足要求。(3 )变压器的绕组结构设计：由于铁磁材料的相对磁导率口 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

13、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：l1 = 10+10*20%*0.5=11A4. 输出滤波电容的设计12根据标准，输出电压的峰峰值3*77 lO-6 *(200 *1O3)2 *50*W：3Vpp 200mV，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1OOHZ纹波，可令输出电压的交流纹波为 Vpp=50mV , AU=2V ,根据公式根据具体情况可以选择

14、两个 4.7 uF/25V铝电解电容并联使用。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

15、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。+抽(2 )额定电流=6100*0.85 (0.510)1-0.85) :i;2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:第3章课程设计总结直流稳压电源是工农业设备、仪器仪表、实验室广泛应用的一种电源， 研制高效率、稳定性好的稳压电源是人们一直追求的目标。近年来由于全控型、高频电力电子半导体器件和 PWM控制技术已发展到非常高 水平，从而实现开关稳压电源小型化、轻量化、高效率、高精度等优势 并在很多方面取代传统的调整式直流稳压电源。高频开关稳压电源的变 换电路形式有单端正激、单端反激、全桥和半桥等形式。本文设计的半 桥型开关稳压电源采用性能稳定的常用