半橋電路的開關(guān)電源

1、摘要：介紹一種采用半橋電路的開關(guān)電源，其輸入電壓為交流220v20，輸出電壓為直流416v，最大電流40a，工作頻率50khz。重點(diǎn)介紹了該電源的設(shè)計(jì)思想，工作原理及特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：脈寬調(diào)制；半橋變換器；電源1、引言：在科研、生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)等應(yīng)用場合，經(jīng)常用到電壓在515v，電流在540a的電源。而一般實(shí)驗(yàn)用電源最大電流只有5a、10a。為此專門開發(fā)了電壓4v16v連續(xù)可調(diào)，輸出電流最大40a的開關(guān)電源。它采用了半橋電路，所選用開關(guān)器件為功率mos管，開關(guān)工作頻率為50khz，具有重量輕、體積小、成本低等特點(diǎn)。2、主要技術(shù)指標(biāo)1）交流輸入電壓ac220v20；2）直流輸出電壓416v可調(diào)；3）輸出電

2、流040a；4）輸出電壓調(diào)整率1；5）紋波電壓upp50mv；6）顯示與報(bào)警具有電流/電壓顯示功能及故障告警指示。3、基本工作原理及原理框圖該電源的原理框圖如圖1所示。220v交流電壓經(jīng)過emi濾波及整流濾波后，得到約300v的直流電壓加到半橋變換器上，用脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生的雙列脈沖信號(hào)去驅(qū)動(dòng)功率mos管，通過功率變壓器的耦合和隔離作用在次級(jí)得到準(zhǔn)方波電壓，經(jīng)整流濾波反饋控制后可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。圖1整體電源的工作框圖4、各主要功能描述4.1、交流emi濾波及整流濾波電路交流emi濾波及整流濾波電路如圖2所示。圖2交流emi濾波及輸入整流濾波電路電子設(shè)備的電源線是電磁干擾（emi）出入電子

3、設(shè)備的一個(gè)重要途徑，在設(shè)備電源線入口處安裝電網(wǎng)濾波器可以有效地切斷這條電磁干擾傳播途徑，本電源濾波器由帶有iec插頭電網(wǎng)濾波器和pcb電源濾波器組成。iec插頭電網(wǎng)濾波器主要是阻止來自電網(wǎng)的干擾進(jìn)入電源機(jī)箱。pcb電源濾波器主要是抑制功率開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲。交流輸入220v時(shí)，整流采用橋式整流電路。如果將jti跳線短連時(shí)，則適用于110v交流輸入電壓。由于輸入電壓高，電容器容量大，因此在接通電網(wǎng)瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌沖擊電流，一般浪涌電流值為穩(wěn)態(tài)電流的數(shù)十倍。這可能造成整流橋和輸入保險(xiǎn)絲的損壞，也可能造成高頻變壓器磁芯飽和損壞功率器件，造成高壓電解電容使用壽命降低等。所以在整流橋前加入由電

4、阻r1和繼電器k1組成的輸入軟啟動(dòng)電路。4.2、半橋式功率變換器該電源采用半橋式變換電路，如圖6所示，其工作頻率50khz，在初級(jí)一側(cè)的主要部分是q4和q5功率管及c34和c35電容器。q4和q5交替導(dǎo)通、截止，在高頻變壓器初級(jí)繞組n1兩端產(chǎn)生一幅值為u1/2的正負(fù)方波脈沖電壓。能量通過變壓器傳遞到輸出端，q4和q5采用irfp460功率mos管。4.3、功率變壓器的設(shè)計(jì)1）工作頻率的設(shè)定工作頻率對(duì)電源的體積、重量及電路特性影響很大。工作頻率高，輸出濾波電感和電容體積減小，但開關(guān)損耗增高，熱量增大，散熱器體積加大。因此根據(jù)元器件及性價(jià)比等因素，將電源工作頻率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，本例為fs=50khz

5、。t=1/fs=1/50khz=20s2）磁芯選用選取磁芯材料和磁芯結(jié)構(gòu)選用r2kb鐵氧體材料制成的ee型鐵氧體磁芯。其具有品種多，引線空間大，接線操作方便，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。確定工作磁感應(yīng)強(qiáng)度bmr2kb軟磁鐵氧體材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度bs=0.47t，考慮到高溫時(shí)bs會(huì)下降，同時(shí)為防止合閘瞬間高頻變壓器飽和，選定bm=1/3bs=0.15t。計(jì)算并確定磁芯型號(hào)磁芯的幾何截面積s和磁芯的窗口面積q與輸出功率po存在一定的函數(shù)關(guān)系。對(duì)于半橋變換器，當(dāng)脈沖波形近似為方波時(shí)為sq=（1）式中：效率；j電流密度，一般取300500a/cm2；kc磁芯的填充系數(shù)，對(duì)于鐵氧體kc=1；ku銅的填充系數(shù)，ku

6、與導(dǎo)線線徑及繞制的工藝及繞組數(shù)量等有關(guān)，一般為0.10.5左右。各參數(shù)的單位是：pow，scm2，qcm2，bmt，fshz，ja/cm2。取po=640w，ku=0.3,j=300a/cm2,=0.8,bm=0.15t,代入式（1）得sq=4.558cm4由廠家手冊(cè)知，ee55磁芯的s=3.54cm2,q=3.1042cm2,則sq=10.9cm4，ee55磁芯的sq值大于計(jì)算值，選定該磁芯。3)計(jì)算原副邊繞組匝數(shù)按輸入電壓最低及輸出滿載的情況（此時(shí)占空比最大）來計(jì)算原副邊繞組匝數(shù)，已知umin=176v經(jīng)整流濾波后直流輸入電壓udmin=1.2176=211.2v。對(duì)于半橋電路、功率變壓器

7、初級(jí)繞組上施加的電壓等于輸入電壓的一半,即upmin=udmin/2=105.6v，設(shè)最大占定比dmax=0.9，則tonmax=tdmax=200.9=9.0s一種輸出電壓416v開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)圖3輔助電源原理圖upmintonmax104=105.69.0106104代入公式n1=8.9匝次級(jí)匝數(shù)計(jì)算時(shí)取輸出電壓最大值uomax=16v。次級(jí)電路采用全波整流，us為次級(jí)繞組上的感應(yīng)電壓，uo為輸出電壓，uf為整流二極管壓降，取1v。uz為濾波電感等線路壓降，取0.3v，則us=19.22vn2=n1=8.9=1.8匝為了便于變壓器繞制，次級(jí)繞組取為2匝，則初級(jí)繞組校正為：n1=n2=1

8、0匝4）選定導(dǎo)線線徑在選用繞組的導(dǎo)線線徑時(shí)，要考慮導(dǎo)線的集膚效應(yīng)，一般要求導(dǎo)線線徑小于兩倍穿透深度，而穿透深度由式（2）決定=（2）式中：為角頻率，=2fs；為導(dǎo)線的磁導(dǎo)率，對(duì)于銅線相對(duì)磁導(dǎo)率r=1，則=0r=4107h/m；為銅的電導(dǎo)率，=58106m；穿透深度的單位為m。變壓器工作頻率50khz，在此頻率下銅導(dǎo)線的穿透深度為=0.2956mm，因此繞組線徑必須是直徑小于0.59mm的銅線。另外考慮到銅線電流密度一般取36a/mm2，故這里選用0.56mm的漆包線8股并聯(lián)繞制初級(jí)共10匝，次級(jí)選用厚0.15mm扁銅帶繞制2匝。4.4、輔助電源的設(shè)計(jì)輔助電源采用rcc變換器（ringingch

9、okeconverter），見圖3。其輸入電壓為交流220v整流濾波電壓，輸出直流電壓為12.5v，輸出直流電流為0.5a。電路中q8和變壓器初級(jí)繞組線圈n1與反饋繞組線圈n3構(gòu)成自激振蕩。r72為啟動(dòng)電阻。q9、r77構(gòu)成輔助電源初級(jí)過流保護(hù)。d20、c81、zd1、q11、r75、r76構(gòu)成電壓檢測與穩(wěn)壓電路，控制q8的基極電流的直流分量，從而保持輸出電壓恒定，變壓器采用ee19、lp3材質(zhì)構(gòu)成。初級(jí)180匝，反饋繞組5.5匝，次級(jí)11匝，初級(jí)電感量是2.6mh，磁芯中間留有間隙0.4mm。4.5、驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。tl494輸出50khz的脈沖信號(hào)，通過高頻脈沖變壓器耦合去驅(qū)動(dòng)

10、功率mos管。次級(jí)脈沖電壓為正時(shí)，mos管導(dǎo)通，在此期間q7截止，由其構(gòu)成的泄放電路不工作。當(dāng)次級(jí)脈沖電壓為零時(shí)，則q7導(dǎo)通，快速泄放mos管柵級(jí)電荷，加速mos管截止。r70是用于抑制驅(qū)動(dòng)脈沖的尖峰，r68、d15、r67可以加速驅(qū)動(dòng)并防止驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生振蕩。d17和與它相連的脈沖變壓器繞組共同構(gòu)成去磁電路。4.6、風(fēng)扇風(fēng)速控制電路風(fēng)扇風(fēng)速控制電路見圖5。利用二極管正向管壓降隨溫度升高而呈下降趨勢的特性，將d9、d10做為散熱器溫度采樣器件。方法是將d9、d10兩二極管緊靠在散熱器上，當(dāng)散熱器隨輸出功率加大而溫度升高時(shí)，運(yùn)放n2a正相輸入端電平降低，輸出低電平使三極管q3開始導(dǎo)通，風(fēng)機(jī)上電壓升

11、高，轉(zhuǎn)速升高，最終到達(dá)最高轉(zhuǎn)速。當(dāng)負(fù)載較輕，使散熱器溫度低于50時(shí)，n2a輸出高電平，q3不導(dǎo)通，輔助電源12.5v經(jīng)電阻r57降壓給風(fēng)機(jī)供電，風(fēng)機(jī)處于低速、低噪聲運(yùn)行狀態(tài)。此電路可以提高風(fēng)機(jī)工作壽命，增加電路可靠性，亦可在小負(fù)載情況下，減少風(fēng)機(jī)帶來的噪聲。4.7、pwm控制電路控制電路采用通用脈寬調(diào)制器tl494，具有通用性和成本低等優(yōu)點(diǎn)，見圖6。輸出電壓經(jīng)r40、rv2、rv1、r41進(jìn)行分壓采樣，經(jīng)r5阻抗匹配后送到tl494腳1。rv1裝在電源前面板上用于實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。r103和c14將輸出電感l(wèi)1前信號(hào)采樣，經(jīng)r5送到tl494腳1，用于提高電源穩(wěn)定度，消除l1對(duì)環(huán)路穩(wěn)定性影響。4.8、過流保護(hù)電路為增強(qiáng)電源可靠性，此電源采用初、次級(jí)兩級(jí)過流保護(hù)。初級(jí)采用電流互感器ct1檢測初級(jí)變壓器電流，檢測出的電流信號(hào)經(jīng)r60轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)后，再經(jīng)d2d4，c9整流濾波后，經(jīng)過電位器rv3分壓，反相器n3反相后加在q1管基極。當(dāng)初級(jí)電流超過正常時(shí)，反相器反轉(zhuǎn)，q1管導(dǎo)通，將vref=5v的高電平加在tl494腳4上（腳4為tl494死區(qū)控制腳、高電平關(guān)斷），tl494關(guān)斷。輸出直流總線上過流保護(hù)，采用r45