电力电子技术课程设计-20W单端反激开关电源设计

1、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：20W20W单端反激开关电源设计单端反激开关电源设计院（系）：院（系）： 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： 起止时间：起止时间： 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20W20W单端反激开关电源设计单端反激开关电源设计课程设计（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

2、计任务及功能、要求、技术参数实现功能实现功能为小功率电子设备如影碟机、CD 机、移动硬盘等提供 12V 稳定的直流电压，以取代低效率的线性稳压电源，减小电源的体积和重量。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。7、进行 matlab 仿真。8、完成设计说明书。要求要求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

3、电压12V恒定。4、输出直流电流2A。5最大功率：25W。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；输入整流滤波电路设计；第 4 天：逆变电路设计；第 5 天：确定高频变压器变比及容量；输出整流滤波电路设计；第 6 天：控制电路设计；第 7 天：辅助电源设计；第 8 天：进行 matlab 仿真或调试；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 要随着科技的不断发展，电力电子的技术水平也在逐渐的进步，开关稳压电源正朝着小型化、高频化继承化

4、的方向发展，高效率的开关电源已经得到了越来越广泛的应用。其中单端反激式电路简单、可以高效提供直流输出，特别适合设计小功率的开关电源。本文介绍了一种单端反激式单片开关电源的设计方法。该开关电源输入电压单相 170 260V，输入交流电频率 4565HZ,输出直流电压 12V 恒定,输出直流电流 2A，最大功率：25W，可获得高质量的稳压输出。参照给定的该电源的技术参数，设计了该开关电源的滤波整流、逆变等电路。整流用串联桥式二极管的方法，逆变用的是并联电容的设计方法最终设计出来。并且通过主电路图选择驱动电路和保护电路以及变压器的变比及容量。 关键词关键词：开关电源；反激电路；整流电路；脉宽调制目

5、录第 1 章 绪论 .1 开关电源技术发展概况 .1 本文设计内容 .1第 2 章 20W 单端反激开关电源的电路设计 .22.1 20W 单端反激开关电源的总体设计方案 .22.1.1 单端反激式开关电源简介.22.1.2 单端反激开关稳压电源的电路原理框图.32.2 具体电路设计 .4主电路设计.4控制电路设计.72.2.3 保护电路设计.9元器件型号选择 .11系统仿真与数据分析 .12第 3 章 课程设计总结 .15参考文献 .16第 1 章 绪论1.1 开关电源技术发展概况电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置，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

6、的开关电路构成的电能变换装置，广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。彩色电视机、VCD 播放机等家用电器、医用 X 光机、CT 机，各种计算机设备，工业用的电解、电镀、充电、焊接、激光等装置，以及飞机、卫星、导弹、舰船中，都大量采用了开关电源。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其同其他形式的电源，如采用调整管的线性电源和采用晶闸管的相控电源相比具有体积小、重量轻和效率高两个明显的优点。1.2 本文设计内容如今开关电源体积小、效率高，被誉为高效节能电源，现已成为稳压

7、电源的主导产品。本实验的设计目的就是为小功率电子设备如影碟机、CD 机、移动硬盘等提供 12V 稳定的直流电压，以取代低效率的线性稳压电源，减小电源的体积和重量。本文主要研究内容包括：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、进行 matlab 仿真。8、完成设计说明书。电源主要技术参数：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 12V 恒定。4、输出直流电流 2A。5 最大功率：25W。6、稳压精度：直流输出电压整定值的 1第 2 章 20W 单端反

8、激开关电源的电路设计1.1 20W 单端反激开关电源的总体设计方案 单端反激式开关电源简介电源装置是电力电子技术应用的一个重要领域，其中高频开关式直流稳压电源由于具有效率高、体积小和重量轻等突出优点，获得了广泛的应用。开关电源的控制电路可以分为电压控制型和电流控制型，前者是一个单闭环电压控制系统，系统响应慢，很难达到较高的线形调整率精度，后者，较电压控制型有不可比拟的优点。单端反激式开关电源的典型电路如图所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管 VT1 导通时，高频变压器 T 初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管 VD1 处于截止状态，副边

9、上没有电流通过，能量储存在高频变压器的初级绕组中。当开关管 VT1 截止时，变压器 T 副边上的电压极性颠倒，使初级绕组中存储的能量通过 VD1 整流和电容 C 滤波后向负载输出。图 2.1 单端反激式开关电源通常情况下由于单端反激电路结构简单，所用元件较少，连接方便，节省资金等优点，所以小功率的电源都选择使用单端反激电路。其采用其输出功率为10100W。单端反激电路也有很大的缺点。如开关管截止期间所受反向电压较高，导通期间流过开关管的峰值电流较大。但这可以通过选用高耐压、大电流的高速功率器件，在输入和输出端加滤波电路等措施加以解决。单端反激式开关电源使用的开关管 VT1 承受的最大反向电压是

10、电路工作电压值的两倍，工作频率在20200kHz 之间。并且当电源功率在大约 100W 时，由于电路比较简单，这时电路的工作环境会急剧下降，器件的工作水平会受到很大的影响。所以此时应采用正激型电路。而对于功率大于 500W、工作条件较好的电源，则采用半桥或全桥电路较为合理；如果对成本要求比较严，可以采用半桥电路；如果功率很大，则应采用全桥电路；推挽电路通常用于输入电压很低、功率较大的场合。再比如开关管截止期间所受反向电压较高，导通期间流过开关管的峰值电流较大。但这可以通过选用高耐压、大电流的高速功率器件，在输入和输出端加滤波电路等措施加以解决。基于本设计中开关型稳压电源是采用全控型电力电子器件

11、作为开关，利用控制开关的占空比来调整输出电压的新型电源，具有体积小、重量轻、噪音小，以及可靠性高等特点。本设计旨在设计并制作出一种额定输出功率为 60W 的通用的小功率开关电源，主要采用 TOP246Y、PC817A 、TL431 等专用芯片以及其他的电路元件相配合，使设计出的开关电源具有自动稳压功能。因此，本设计就选择了基于 TOP246Y 的单端反激式开关电源。 2.1.2 单端反激开关稳压电源的电路原理框图单端反激开关稳压电源的工作原理基本为：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，该电压通过功率转换电路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

12、方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。 单端反激开关稳压电源的电路原理框图如图 2.2 所示： 图 2.2 单端反激开关稳压电源原理框图 2.2 具体电路设计单端反激开关电源的主电路结构由输入整流滤波电路，逆变电路，高频变压器，输出整流滤波电路等四部分组成。电源的主电路结构如图 2.3 所示， 图 2.3 反激开关电源主电路图 整流电路图 2.4 单相桥式整流电路图电路图如图 2.4 所示，图中 Ti 为电源变压器，它的作用使交流电网电压 V1变成整流电路要求的交流电压 v2=V2sinwt，R 是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管 D1D4 接成电桥的形式，故有桥式电路之称。在电源 V

13、2 的正负半周内电流通路分别用实线和虚线箭头表示，负载 R 上的电压波形如图 2.5 所示，电流的波形与电压相同。桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。 图 2.5 单相桥式整流波形图逆变电路对于逆变电路的的选择,本次试验选择单相电压型逆变电路，它有两个臂桥，每个臂桥由一个可控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的连接点便成为直流电源的中点，负载连接在直流电源中点和两个臂桥连接点之间。IdUd如图 2.6： 图 2.6 单相电压型逆变

14、电路高频变压器 单端反激式开关电源的典型电路如图 2.7 所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管 VT1 导通时，高频变压器 T 初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管 VD1 处于截止状态，副边上没有电流通过，能量储存在高频变压器的初级绕组中。当开关管VT1 截止时，变压器 T 副边上的电压极性颠倒，使初级绕组中存储的能量通过VD1 整流和电容 C 滤波后向负载输出。图 2.7 单端反激式开关电源输出整流滤波电路本次设计中采用的为半波整流电路，它是通过整流二极管实现的；在电路中，电容的主要作用是防止高次谐波辐射产生的影响。由一个整流二极管

15、构成的一个简单的整流电路（半波整流电路）如图 2.8 所示图 2.8 输出整流滤波电路图半波整流电路简单，元件少，但输出电压直流成分小，脉动程度大，整流效率低，适用于输出电流小，允许脉动程度大、要求较低的场合。 控制电路设计TOP250 的作用及其管脚图漏极 (D) 引脚：高压功率 MOSFET 的漏极输出。通过内部的开关高压电流源提供启动偏置电流。漏极电流的内部流限检测点。 控制 (C) 引脚：误差放大器及反馈电流的输入脚，用于占空比控制。与内部并联调整器相连接，提供正常工作时的内部偏置电流。也用作电源旁路和自动重启动补偿电容的连接点。 线电压检测 (L) 引脚：(仅限 Y、R 或 F 封装

16、)过压(OV)、欠压(UV)、降低DCMAX 的线电压前馈、远程开关和同步的输入引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能。 外部流限 (X) 引脚：(仅限 Y、R 或 F 封装)外部流限调节、远程开关控制和同步的输入引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能。 多功能 (M) 引脚：(仅限 P 或 G 封装)此引脚集 Y 封装的线电压检测(L)及外部流限(X)引脚功能于一体。是过压(OV)、欠压(UV)、降低 DCMAX 的线电压前馈、远程开关和同步的输入引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能并使 TOP250 以简单的三端模式工作。 频率 (F) 引脚：(仅限 Y、R 或 F 封装)选

17、择开关频率的输入引脚：如果连接到源极引脚则开关频率为 132 kHz，连接到控制引脚则开关频率为 66 kHz。P 和G 封装只能以 132 kHz 开关频率工作。 源极 (S) 引脚：这个引脚是功率 MOSFET 的源极连接点，用于高压功率的回路。它也是初级控制电路的公共点及参考点。图 2.9 TOP250 的管脚图TOP250 的典型外接电路 由下 0 可见，TOP250 构成的开关电源采用的是反激式拓扑结构。TOP250 是一款集成式开关电源芯片，能将控制引脚输入电流转化为高压功率 MOSFET 开关输出的占空比。在正常工作情况下，功率 MOSFET 的占空比随控制引脚电流的增加而线性减

18、少0 TOP250 典型的外接电路TOP250 还具有高压启动、逐周期电流限制、环路补偿电路、自动重启动、热关断等特性，还综合了多项能降低系统成本、提高电源性能和设计灵活性的附加功能。此外，TOP250 采用了专利高压 CMOS 技术，能以高性价比将高压功率MOSFET 和所有低压控制电路集成到一片集成电路中。2.2.3 保护电路设计（1）短路保护电路 本设计采用的短路保护电路为小功率保护电路。当电路在输出端出现短路时，控制电路可以将短路电流限制在安全范围内，它可以用多种方法来实现限流电路，而当功率限流在短路时不起作用时，就需要使用其他保护电路。 短路保护电路的工作原理可以结合图 2.11 简

19、述：当输出电路短路，输出电压消失，光耦 OT1 不导通，UC3842（1）脚电压上升至 5V 左右，R1 与 R2 的分压超过 TL431 基准，使之导通，UC3842（7）脚 VCC 电位被拉低，IC 停止工作。UC3842 停止工作后（7）脚电位消失，TL431 不导通 UC3842（7）脚电位上升，UC3842 重新启动，只要依然有故障，保护的动作就不断循环。当短路现象消失后，电路可以自动恢复成正常工作状态。 下图 2.11 即为小功率短路保护电路：图 2.11 小功率短路保护电路（2）输出过压保护电路本实验采用可控硅触发保护电路，电路的工作原理可结合图 2.12 进行简述：当 U1 输

20、出升高，稳压管（Z3）击穿导通，可控硅（SCR）的控制端得到触发电压，因此可控硅导通。U2 电压对地短路，过流保护电路或短路保护电路就会工作，停止整个电源电路的工作。当输出过压现象排除，可控硅的控制端触发电压通过R 对地泄放，可控硅恢复断开状态。 图 可控硅触发保护电路由于本次试验我们要做的是 20W 也就是小功率的单端反激开关电源设计，所以我们所选的器件只需满足小功率的试验需求即可，如果选取的适用范围过大，不光会影响测量的精确程度，还会造成资金的浪费，同时也会影响设计电路的广泛使用。根据要求输出功率为 20W，但是电路的电力电子原件在工作中会出现损耗和各方面的能量流失，所以我们选择最后的输出

21、功率为 25W 的标准来选择器件。整流电压平均值为(2-1)=0 时，Ud= Ud0U2。=180时，Ud=0。可见， 角的移相范围为 180。向负载输出的直流电流平均值为(2-2) 晶闸管 VT1、VT4 和 VT2、VT3 轮流导电，流过晶闸管的电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即(2-3)为选择晶闸管、变容器容量、导线横截面积等定额，需考虑发热问题，为此需计算电流有效值。流过晶闸管的电流有效值为(2-4) 变压器二次侧电流有效值 I2与输出直流电流有效值 I 相等，为(2-5)由式（2-4）和（2-5）可见(2-6)不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为 S=U2I2开关频率选择

22、：2cos19 . 02cos122)(dsin21222UUttUUd2cos19 . 02cos12222RURURUIdd2cos145. 0212RUIIddT2sin212)(d)sin2(21222RUttRUIT2sin21)()sin2(12222RUtdtRUIIIIT21输入滤波电容选择：Po=20W，Cin=3*20=60uf，选择 Cin=70uf磁片选用 R2KB 软磁铁氧化材料，其饱和磁感应强度 Bs=4700Gs，考虑到高温时 Bs 会下降，同时为防止合闸瞬间变压器饱和，设定最大工作磁密度Bm=Bs/3=1500Gs。对半桥变换器，本设计选取 EE-40 型铁氧体

23、磁芯原边匝数计算是按最低输入电压和满载输出地极端情况来计算已知输入的最小电压为 170V，减去 20V 的直流纹波电压和整流器的压降，最小的直流电压为Vimin=170*1.4-20=232V反激电流路变压器原边绕组所加的电压等于输入电压的一半，即Uimin=116V 则原边绕组的匝数，经实验实际取值为 45 匝。MATLAB 仿真软件简介 MATLAB 是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB 和 Simulink 两大部分。MATLAB 是 matrix&laborator

24、y 两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。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。MATLAB 仿真软件的优点： 1) 高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；2) 具有完备的图形处理功能

25、，实现计算结果和编程的可视化；3) 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；4) 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ，为用户提供了大量方便实用的处理工具。下图 2.13 为 20W 单端反激开关电源的 MATLAB 仿真图 图 2.13 单端反激开关电源仿真图波形分析：下图 2.14、图 2.15 与图 2.16 分别为输入的交流信号、方波信号，跟输出的整流滤波之后的直流电压与直流电流信号。 图 2.14 输入的交流信号跟方波信号从图 2.14 可以看出在去磁检测出现高电平后稍有延迟 MOSFET 便触发导通。每次触发都是在监测到去磁成功后发生的

26、。这样便可避免变压器因去磁不完全而饱和。 图 2.15 输出的直流电压波形6 输出的直流电流波形如图 2.示 MOSFET 关断后，变压器两端的电压反向，变压器将原边存储的能量传递到变压器的副边，当变压器去磁后，电路工作在谐振状态，Vds 的波形接近正弦。正弦的最低点，我们称之为谷底（Valley）,如果开通的时候正好在这些谷底的中心，我们就能使电路的开通损失降到最低，如果选择得当，在Vds 刚好降到 0 的时候开通，我们便能实现零电压转换即 ZVS.不同的输入输出条件，决定了恢复时间的不同，实现了平滑的频率变换，确保了电路在不同条件下都能实现谷底开通。降低了开通损耗，从而提高了效率。 第 3 章 课程设计总结本次实验设计为 20W 单端反激开关电源实验设计，其核心研究点就是对于小功率的单端反激开关电源的设计的初步的了解与掌握。首先根据文本要求，由实验指导书所给出实验目的与本次设计所需要完成的系统功能，在查阅相关资料来确定实验的总电路图与各个部