电力电子半桥型稳压电源

1、电力电子技术课程设计（论文）题目：半桥开关稳压电源设计学院（系）：专业班：学生卡：学生：导师：（签名）开始和结束时间：课程设计（论文）任务和评论学校（系）： 电气工程学院：注：通常：20% 论文质量 60% 答辩 20% 按百分比计算学生卡 学生专业班 设计主题半桥开关稳压电源的设计课程设计（论文）任务项目完成的设计任务和功能、要求和技术参数实现功能为实验室电子设备提供24V稳压宽、大功率直流电源，替代低效率线性稳压电源。根据需求设计任务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、确定高频变压器的变比和容量；5、通过计算选择设备的具体型号。6.控制电路设计或选择。7.画出相

2、关电路图。8、在实验室进行仿真调试或matlab仿真。9. 完成一本 4,000 字的手册。技术参数1、输入电压为单相1870 242V。 2、输入交流频率4565HZ。 3、输出直流电压恒定为24V。 4.输出直流电流10A。 5 最大功率：250W。 6、稳压精度：1%工作计划第一天：集中学习；第 2 天：数据收集；第三天：方案演示； Day 4：输入整流滤波电路设计； Day 5：逆变电路设计；第6天：确定高频变压器的变比和容量； Day 7：输出整流滤波电路设计；第8天：控制电路设计；第 9 天：总结并编写说明；第 10 天：防御教师评论和评分通常： 论文质量： 答辩： 导师签名：总分

3、：年月日概括开关电源是现代电力电子设备中不可缺少的组成部分。其质量直接影响子设备的性能，其大小也直接影响电子设备的整体体积。本设计根据设计任务进行方案设计，设计相应的硬件电路，开发出250I半桥开关电源。整个系统包括三部分：主电路、控制电路和驱动电路。系统主电路包括单相输入整流、半桥逆变、高频交流输出、输出整流、输出滤波。控制电路包括主电路开关管控制脉冲产生和保护电路。论文具体介绍了主电路、控制电路、驱动电路等部分的设计和实验过程，包括元器件的选择和参数计算。本文介绍了一种采用半桥电路的开关电源。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

4、率250w。主要介绍了电源的概念、原理、工作原理和特点。关键词：开关稳压电源；半桥；高频变压器目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc313463418 第1章引言 PAGEREF _Toc313463418 h 1 HYPERLINK l _Toc313463419 1.1电力电子发展历程 PAGEREF _Toc313463419 h 1 HYPERLINK l _Toc313463420 1.2半桥开关稳压电源概述 PAGEREF _Toc313463420 h 2 HYPERLINK l _Toc313463421 1.2.1开关电源的概念 PAGEREF

5、 _Toc313463421 h 2 HYPERLINK l _Toc313463422 1.2.2开关电源的分类 PAGEREF _Toc313463422 h 2 HYPERLINK l _Toc313463423 1.3本文设计内容 PAGEREF _Toc313463423 h 2 HYPERLINK l _Toc313463424 第2章半桥稳压电源设计 PAGEREF _Toc313463424 h 4 HYPERLINK l _Toc313463425 2.1总体设计方案 PAGEREF _Toc313463425 h 4 HYPERLINK l _Toc313463426 2.

6、2电路设计 PAGEREF _Toc313463426 h 4 HYPERLINK l _Toc313463427 2.2.1输入整流滤波电路设计 PAGEREF _Toc313463427 h 4 HYPERLINK l _Toc313463428 2.2.2逆变器电路设计 PAGEREF _Toc313463428 h 5 HYPERLINK l _Toc313463429 一、高频开关变换器的基本原理 PAGEREF _Toc313463429 h 5 HYPERLINK l _Toc313463430 二、逆变电路的基本原理 PAGEREF _Toc313463430 h 5 HYPE

7、RLINK l _Toc313463431 2.2.3输出整流滤波器设计 PAGEREF _Toc313463431 h 6 HYPERLINK l _Toc313463432 2.2.4主电路设计 PAGEREF _Toc313463432 h 7 HYPERLINK l _Toc313463433 2.2.5保护电路 PAGEREF _Toc313463433 h 7 HYPERLINK l _Toc313463434 2.2.6控制电路 PAGEREF _Toc313463434 h 8 HYPERLINK l _Toc313463435 2.2.7整体电路图 PAGEREF _Toc3

8、13463435 h 10 HYPERLINK l _Toc313463436 第三章数据分析与计算 PAGEREF _Toc313463436 h 11 HYPERLINK l _Toc313463437 3.1设备选择 PAGEREF _Toc313463437 h 11 HYPERLINK l _Toc313463438 3.1.1输入整流器件 PAGEREF _Toc313463438 h 11 HYPERLINK l _Toc313463439 3.1.2输出整流器件 PAGEREF _Toc313463439 h 11 HYPERLINK l _Toc313463440 3 . 1

9、.3元件选择 PAGEREF _Toc313463440 h 11 HYPERLINK l _Toc313463441 3.1.4保护电路器件选择 PAGEREF _Toc313463441 h 12 HYPERLINK l _Toc313463442 3.2具体参数设计 PAGEREF _Toc313463442 h 13 HYPERLINK l _Toc313463443 3.4 MATLAB电路仿真 PAGEREF _Toc313463443 h 13 HYPERLINK l _Toc313463444 3.4.1 MATLAB PAGEREF _Toc313463444 h 13简介

10、HYPERLINK l _Toc313463445 3.4.2仿真电路图 PAGEREF _Toc313463445 h 13 HYPERLINK l _Toc313463446 第4章设计总结 PAGEREF _Toc313463446 h 15 HYPERLINK l _Toc313463447 第4章设计总结 PAGEREF _Toc313463447 h 15 HYPERLINK l _Toc313463448 参考文献 PAGEREF _Toc313463448 h 16第一章 简介开关电源是利用现代电力电子技术来控制开关晶体管的通断时间比，以保持稳定的输出电压的电源。随着电力电子技

11、术的发展和创新，开关电源技术也在不断创新，而这个成本反转点也越来越多地向低输出功率端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。随着开关电源在计算机、通讯、家用电器等方面的广泛应用，人们对其需求增长和效率、体积、重量和可靠性提出了更高的要求。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优点，在很多方面逐渐取代了低效率、体积大、重的线性电源。在半桥变换器电路中，变压器的初级流经整个周期，磁芯得到更充分的利用。克服了推挽电路的缺点，使用的功率晶体管耐压要求较低；晶体管的饱和压降降到最低；对输入滤波电容的电压要求也较低，高频开关采用半桥变换器。广泛应用于电源设计。本文将介绍一种半桥开关电源，使用的开关器件为功率

12、MOSFET，开关频率为4565Hz，具有体积小、重量轻、成本低的特点。1.1 电力电子发展历程最早的开关电源出现在1960年代。串联开关电源出现，开关状态采用功率晶体管。后来发展了脉宽调制（PWM）控制技术来控制开关变换器，得到了PWM开关电源。 PWM 开关电源的效率可以达到65%-70%。 1974年研制出工作频率为20kHz的开关电源，被誉为电源技术发展史上的20kHZ革命。 1976年，美国Silicon General公司首次生产出世界上第一台集成脉宽调制器，简化了开关电源的控制器，大大提高了系统的可靠性。 1980年代，国家高频开关电源仅用于个人电脑、电视机等几种设备。由于开关电

13、源与线性电源和相控电源相比，在重量、体积、铜、铁和能耗方面都有显着降低，对整机多相指标有很好的影响，因此其推广应用。近年来，开关电源在越来越多的领域得到应用，并取得了显着的效益。电力电子技术分为 HYPERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/299310.htm t _blank 两个分支：电力电子器件制造技术和交流技术（整流、 HYPERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/302541.htm t _blank 逆变、 HYPERLINK %20%20%20%20:/bai

14、ke.baidu%20%20%20%20/view/302565.htm t _blank 斩波、 HYPERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/141210.htm t _blank 变频、 HYPERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/17402.htm t _blank 均衡）。现代电气工程及其自动化专业不可缺少的专业基础课， HYPERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/145782.htm t _blank

15、 在专业人才培养中占有重要地位。它是将一种形式的工业电能转换为另一种形式。例如，将交流电转换为直流电或将直流电转换为交流电；将工频功率转换为设备所需频率的功率；当正常交流电源中断时，使用逆变器（见电源转换器）将电池的直流电转换为工频交流电。电力电子技术的应用还可以实现非电能与电能的转换。例如，太阳能电池用于将太阳辐射能转换为电能。与电子技术不同，电力电子技术转化的电能是作为能量而不是作为信息传感的载体的。所以人们关心的是可以转换的电能。1.2 半桥开关稳压电源概述1.2.1 开关电源的概念电源是将各种能源转化为电气设备所需的设备，是一切依赖电能的设备的动力来源。直流开关电源是由占空比控制的开关

16、电路组成的一种电源转换器件，用于交流直流或直流直流的功率转换，通常称为开关电源。开关电源的核心是电力电子开关电路。根据负载对电源输出电压调节或电流调节特性的要求，采用反馈控制电路和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具有效率高、体积小、重量轻、高频、电感、电容等滤波元件和变压器的优点。1.2.2 开关电源的分类开关电源可分为两类：AC/DC和DC/DC 。 DC/DC转换是将固定的直流电压转换成可变的直流电压，又称直流斩波器。斩波器有两种工作方式：1.脉宽调制方式Ts不变，但ton（通用）改变。二、调频方式，ton不变，Ts变化（易受干扰）。其具体电路分为以下几类：(1

17、) 降压电路降压斩波器。(2) 升压电路升压斩波器。(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转换是将交流电转换为直流电，其功率流动可以是双向的。从电源流向负载的功率称为“整流”，从负载流回电源的功率称为“有源逆变器”。 AC/DC转换按电路的接线方式可分为半波电路和全波电路。按电源相数可分为单相、三相和多相。根据电路的工作象限，可分为一象限、二象限、三象限和四象限。1.3 本文设计内容随着科学技术的不断发展，由于实际生产的需要，人们对电路的要求也越来越高。需要提供不同的稳压电源。本文为实验室电子设备提供24V稳压宽、大功率直流电源

18、，以替代低效率的线性稳压电源。首先对整体方案进行了分析，进行了整流电路的设计、逆变电路的设计、主电路和输出整流电路的设计。由工频交流电经桥式整流电路得到直流电，再经半桥开关逆变得到高频交流电，经整流滤波后得到所需的直流电。可用于电子设备。桥式整流器采用四个二极管，逆变电路由两个电容串联和两个MOS管串联组成，输出回路由电容、电感和二极管组成。为了保证电路的可靠运行，本文增加了保护电路设计。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。二是参数计算，各种性能指标分析，器件选型，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左右的电压，可替代线性不稳定电压，为实验

19、的可靠运行提供可靠保障。第二章半桥稳压电源设计2.1 总体设计方案整个项目的设计分为三个部分。1 、主电路设计，包括整流输入滤波器、半桥逆变电路、输出整流器、输出滤波器。二、开关管的驱动电路。3 、控制电路的设计，包括脉冲输出、软启动、占空比调整和保护电路，用于控制逆变电路开关管的工作。半桥开关电源设计方案遵循开关电源的转换框图。如图2.1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 2.1 开关电源转换由工频交流电经桥式整流电路得到直流电，再经半桥开路开关得到高频交流电，经整流滤波后得到所需的直流电。可用于电子设备。首先，功率流入输

20、入整流滤波电路，通过整流模块将交流电转换成带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转换成更平滑的直流电。其次，电源开关桥提供来自控制电路的触发脉冲，将滤波后的直流电转换成高频方波电压，通过高频变压器传输到输出侧。最后，输出整流滤波回路将高频方波电压滤波成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电路是开关电源的重要组成部分，可以提高电压和电流的稳定性，减少干扰。根据它们的位置不同，它们分为输入输出整流和滤波电路。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。供电等原因，本文实验供电电路采用单相桥

21、式整流。 .由电源频率170260V、4565HZ交流电，如图2.2所示。图 2.2 输入整流滤波电路图输入整流滤波电路主要由两部分组成。(1)整流桥；(2)输入滤波电路。2.2.2 逆变器电路设计一、高频开关变换器的基本原理用半导体功率器件作为开关，带滤波器（L或/和C ）的负载线与直流电压连接一会儿，然后断开一会儿，负载上也得到另一个直流电压。这使得DC-DC的基本手段。在一个周期T s内，电子开关接通时间t on占整个周期T s的比值称为占空比D。显然，占空比越大，负载上的电压越大； 1TS=fs称为开关频率，fs越高，负载上的电压越高。 DC-DC转换器中的开关均工作在固定频率，保持开

22、关频率不变，但改变导通时间（即脉冲宽度），使得当负载变化时，负载上的电压变化不大。该方法称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）。由于电子开关是根据外部控制脉冲开启和关闭的，因此流过控制本身的电流与施加在两个端子上的电压无关。因此，电子开关被称为硬开关。二、逆变电路的基本原理在半桥逆变电路中，变压器原边的两端分别连接电容C1、C2的中点和开关S1、S2的中点。电容器 C1 和 C2 的中点电压为。 S1和S2交替导通，使变压器原边形成有幅值的交流电压，通过改变开关管的占空比，可以改变副边整流电压Ud的平均值，并且输出电压Uo也可以改变。半桥电路的结构如图 2.3 所示。

23、S1导通，二极管VD1处于导通状态；当S2导通时，二极管VD2处于导通状态。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都处于导通状态，各自分担一半的电流。当S1或S2导通时，电感L的电流逐渐增大，当两个开关都关断时，电感L的电流逐渐减小。 S1和S2在关断状态下的峰值电压均为Ui。由于电容器的隔直作用，半桥电路对两个开关导通时间不对称引起的变压器初级电压的直流分量具有自动平衡作用，因此电路不易发生到变压器偏置和直流磁饱和。问题，无需添加隔直电容。值得注意的是，在半桥电路中，占空比定义为 2-1 公式

24、D= (2 1)图 2.3 逆变器电路图2.2.3 输出整流滤波器设计电源的能量输出是通过高频变压器实现的，其主要功能是变压、电能传输和输入输出之间的隔离，与普通电源变压器的作用类似。因此，在绕制高频变压器时，应尽量减小原副边的漏感，从而降低功率开关管关断时的峰值电压，降低损耗，提高效率。二次侧采用全波整流方式，再由滤波电感和滤波电容完成输出滤波功能，使输出达到设计要求。图 2.4 输出整流滤波电路图输出滤波电路由一个电感、一个电容和两个二极管组成。经整流滤波后，即可得到所需的直流稳压电源。输出整流滤波电路将高频变压器输出的高频交流电压或电流通过快恢复整流二极管的整流滤波电感和滤波电容，转换成

25、所需的输出电压或电流。高频变压器二次侧采用全桥整流，提高安全可靠性。2.2.4 主电路设计半桥开关电源的主电路如图所示。图中，开关管Q1、Q2采用MOSFET。由于是电压驱动的全控器件，具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快、安全工作区域大等优点。半桥逆变电路的一个桥臂由开关管Q1和Q2组成，另一个桥臂由电容C1和C2组成。高频变压器的初级端接C1、C2的中点，另一端接Q1、Q2的公共连接端。 Q1、Q2中点电压等于整流后直流电压的一半，开关管Q1、Q2交替导通。变压器次级形成幅度为 的交流方波电压。通过调节开关管的占空比，可以改变变压器二次侧整流输出的平均电压Vo。 Q1和Q2在关断状态下

26、的峰值电压均为Vi。 R7、C3、VD1并联在变压器原边构成RCD吸收电路，C5、R9用于吸收高频尖峰。2.5 主电路图2.2.5 保护电路1.过压保护过压保护需要根据电路中发生过压的部位不同，增加不同的保护电路。当达到恒压值时，保护电路自动开启，使过电压形成通路通过保护电路，消耗过电压储存的电磁能量。因此，过电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。当电容并联在回路中时，当电路中出现电压尖峰时，电容两端的电压不能突变，可以有效抑制电路中的过电压。与电容串联的电阻可以消散部分过电压能量，同时抑制电路中电感和电容的振荡。过压保护电路如图 2.7

27、所示。图 2.6 RC 阻容过压保护电路图2.过流保护当电力电子电路工作不正常或出现故障时，可能会发生过电流。当设备发生故障或短路，触发电路或控制电路失效，过载，直流侧短路，可逆驱动系统产生环流或逆变器故障，交流电源电压过高、过低或缺失，所有这些都可能导致过热。流动。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，因此需要对变流器进行适当的过流保护。在本文中，快速熔断器用于输入保护。2.2.6 控制电路控制电路是整个电源系统的重要组成部分，它控制整个电源的工作并实现相应的保护功能。一般来说，控制电路应具备以下功能：控制脉冲产生电路、电压反馈控制电路、可调占空比、软启动及各种保护电路等。根据电路功能的划

28、分，控制电路可分为几个部分：脉冲发生电路、触发电路、电压反馈控制电路、软启动电路、保护电路等。脉冲发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的信号产生所需的脉冲信号保护电路，以提供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来调整输出脉冲的脉宽，对输出电压进行分压采样，然后将采样的电压与参考电压进行比较，得到误差信号来调整脉冲输出脉冲宽度达到调节输出电压的目的。所设计电路的控制电路是整个电路的主要部分。目前，实际产品应用中存在各种典型的控制电路。鉴于对电源和驱动的要求，结合本毕业设计选用SG3525 。SG3525A的结构如图2.6所示。它由基准电压调节器、振

29、荡器、误差放大器、比较器、锁存器、欠压锁定电路、锁定控制电路、软启动电路和输出电路组成。的特点SG3525脉宽调制控制器是美国通用电气公司的产品。其主要特点是：1 、输出级采用推挽输出和双通道输出。2.占空比0-50%可调。3 、每通道最大驱动电流可达200mA，峰值灌电流可达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、过压保护和软启动功能。6 、正常工作温度范围为0-700 。7.参考电压为 5.1 V1% 。8 、工作电压范围很广，从8V到35V不等。图 2.7 SG3525 及其外围器件结构图2.2.7 整体电路图整体电路图可从具体电路（2.

30、8）中得到图 2.8 一般电路图第三章数据分析与计算3.1 设备选择3.1.1 输入整流器件输入为45 65Hz交流电，电压为170 260V ，以下计算以电压为170V。1 、二极管耐压：整流二极管的峰值电压可以计算如下。U= 170 1.414= 240.38 V额定电压：2.二极管的额定电流：由于电源的输入功率随效率而变化，因此应取电源效率最差的值。这里我们根据一般开关电源的效率取值，取= 0.8电源的输入功率可以通过公式（ 3-1 ）计算：P in =p/min (3 1)W(3 - 2)流经每个二极管的 RMS (3 3)额定电流：3.1.2 输出整流器件电感选择100H；电容选择1

31、000F/50V；二极管选择；二极管的峰值电压，u=24* =33.9v额定电压：额定电流：3.1.3 元件选择1.切换设备选择。表 3.1 几种功率器件的优缺点比较设备优势缺点GTR耐压高、电流大、开关特性好、电流容量大、饱和电压低开关速度低，采用电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO电压和电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制作用，电流能力很强电流关断增益很小，关断时栅极负脉冲电流大，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，驱动电路简单，工作频率高，无二次击穿问题电流容量小，耐压低，一般只

32、适用于功率不超过10kW的电力电子设备IGBT高开关速度、低开关损耗、耐脉冲电流冲击能力、低通态压降、高输入阻抗、电压驱动、低驱动功率开关速度低于功率MOSFET，电压电流容量与GTO不一样高频开关电源设计中使用的功率器件类型包括IGBT和MOSFET，但考虑到IGBT在高频下工作的成本较高，本设计中选用了MOSFET器件。型号为IRFP450，主要参数选用，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在各种功率转换，尤其是高频功率转换中发挥着重要作用，具有高速、低开关损耗、低驱动损耗等特点。在低压领域，MOSFET没有竞争对手，但随着MOS耐压的提高

33、，导通电阻随功率增加2.4-2.6倍，其增长率使得MOSFET制造商和用户不得不降低几十倍次。额定电流要折中额定电流、导通电阻和成本之间的矛盾。即便如此，在额定结温下，高压 MOSFET 的导通电阻产生的导通压降仍然很高。耐压500V以上的MOSFET在额定结温和额定电流下导通电压高，耐压800V。上述开通电压高得惊人，开通损耗占MOSFET总损耗的2/3-4/5，极大地限制了应用。3.1.4 保护电路器件的选择1.过压保护电路从3.1.1节可以看出，输入电流为1.176A，即流过MOS管的电流为1.176A。查表可以得到保护电路的电容：0.04 F 电阻为：500欧姆2.过流保护=(1.21

34、.5) (3-4)那么= /2=0.70560.7644A3.2 具体参数设计1) 变比(3 - 5)将占空比设置为0.5那么0.5k=24/170*1.2K = 0.235即变压器的变比为0.2352) 变压器容量=UI=14*10w=240W3.4 MATLAB电路仿真3.4.1 MATLAB简介MATLAB是美国mathworks公司发布的高科技计算环境，主要面向科学计算、可视化和交互式编程。它在一个易于使用的窗口环境中集成了数值分析、矩阵计算、科学数据可视化、非线性 HYPERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/300474.

35、htm t _blank 动力系统 HYPERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/44500.htm t _blank 建模和仿真等强大功能，HYPERLINK :/baike.baidu /view/2627393.htm t _blank适用于科学研究、工程设计和必须进行有效数值计算的人员。许多科学 HYPERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/257682.htm t _blank 领域提供了全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互编程语言（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。本文使用matlab进行仿真观察。3.4.2 仿真电路图图 3.1 输入电压波形图 3.2 仿真图第四章设计总结十天的课程设计结束了。在这个课程设计中，不仅考验我所学的知识，而且考验一件事如何把握、如何做、如何完成一件事。在设计过程中，与学生讨论，互相学习，互相监督。学会了合作，学会了谋划，学会了如何寻找第一手资料，如何组织材料等相关知识。