半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計（論文） 題目：240W半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電路設(shè)計摘 要本次設(shè)計的是240W半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源，為負載供電。電源是各種電子設(shè)備不可或缺的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標及能否安全可靠地工作。由于開關(guān)電源本身消耗的能量低，電源效率比普通線性穩(wěn)壓電源提高一倍，被廣泛用于電子計算機、通訊、家電等各個行業(yè)。它的效率可達85以上，穩(wěn)壓范圍寬，除此之外，還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等特點，是一種較理想的穩(wěn)壓電源。本文介紹了一種采用半橋電路的開關(guān)電源，其輸入電壓為單相170 260V，輸出電壓為直流24V恒定，最大電流10A。設(shè)計內(nèi)容包括主電路的原理與主電路圖的設(shè)計、控

2、制電路器件的選取、保護電路方案的確定以及計算機仿真與波形分析等方面。關(guān)鍵詞：半橋變換器；功率MOS管；脈寬調(diào)制；穩(wěn)壓電源。目 錄第1章 緒論11.1 電力電子技術(shù)概況11.2 本文設(shè)計內(nèi)容2第2章 電路設(shè)計32.1穩(wěn)壓電源總體設(shè)計方案32.2 具體電路設(shè)計42.2.1 主電路設(shè)計42.2.2 控制電路設(shè)計5驅(qū)動電路設(shè)計6保護電路設(shè)計72.2.5 整體電路設(shè)計82.3元器件型號選擇9第3章 課程設(shè)計總結(jié)13參考文獻14第1章 緒論1.1 電力電子技術(shù)概況電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)屬于信息電子技術(shù)。電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，它

3、是利用電力電子器件對電能進行變換和控制的新興學科。目前所用的電力電子器件采用半導(dǎo)體制成，故稱電力半導(dǎo)體器件。信息電子技術(shù)主要用于信息處理，而電力電子技術(shù)則主要用于電力變換。電力電子技術(shù)的發(fā)展是以電力電子器件為核心，伴隨變換技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。電力電子技術(shù)可以理解為功率強大，可供諸如電力系統(tǒng)那樣大電流、高電壓場合應(yīng)用的電子技術(shù)，它與傳統(tǒng)的電子技術(shù)相比，其特殊之處不僅僅因為它能夠通過大電流和承受高電壓，而且要考慮在大功率情況下，器件發(fā)熱、運行效率的問題。為了解決發(fā)熱和效率問題，對于大功率的電子電路，器件的運行都采用開關(guān)方式。這種開關(guān)運行方式就是電力電子器件運行的特點。電力電子學這一名詞是

4、20世紀60年代出現(xiàn)的，“電力電子學”和“電力電子技術(shù)”在內(nèi)容上并沒有很大的不同，只是分別從學術(shù)和工程技術(shù)這2個不同角度來稱呼。電力電子學可以用圖1的倒三角形來描述，可以認為電力電子學由電力學、電子學和控制理論這3個學科交叉而形成的。這一觀點被全世界普遍接受。電力電子技術(shù)與電子學的關(guān)系是顯而易見的。電子學可分為電子器件和電子電路兩大部分，它們分別與電力電子器件和電力電子電路相對應(yīng)。從電子和電力電子的器件制造技術(shù)上進兩者同根同源，從兩種電路的分析方法上講也是一致的，只是兩者應(yīng)用的目的不同，前者用于電力變換，后者用于信息處理。目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用于以電子計算機為主導(dǎo)的

5、各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備，是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。并對開關(guān)電源提出了小型輕量要求，此外要求開關(guān)電源效率要更高、性能更好、可靠性更高等。當前，各國正在努力開新器件、新材料以及改進裝連方法，進一步提高效率，縮小體積，降低價格，以解決開關(guān)電源面臨的課題。隨著電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)會有更廣闊的發(fā)展前景。1.2 本文設(shè)計內(nèi)容開關(guān)電源在效率、體積和重量等方面都遠遠優(yōu)于線性電源，因此已經(jīng)基本取代了線性電源，成為電子熱備供電的主要電源形式，受到人們的青睞。采用先整流濾波、后經(jīng)高頻逆變得到高頻交流電壓，然后由高頻變壓器降壓、再整流濾波的方法。這種采用高頻

6、開關(guān)方式進行電能變換的電源稱為開關(guān)電源。隨著電子技術(shù)和應(yīng)用迅速地發(fā)展，開關(guān)穩(wěn)壓電源的品種和類型也越來越多。按激勵方式分為他激式和自激式；按調(diào)制方式分為脈寬調(diào)制型、頻率調(diào)制型和混合調(diào)制型；按開關(guān)管電流的工作方式分開關(guān)型和諧振型；按開關(guān)晶體管的類型分為晶體管型和可控硅型；按儲能電感與負載的連接方式分為串聯(lián)型和并聯(lián)型；按晶體管的連接方式分為單端式、推挽式、半橋式、全橋式。本文設(shè)計了一種半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源，它具有驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，開關(guān)頻率高等優(yōu)點。具體設(shè)計技術(shù)參數(shù)如下：1.輸入電壓單相170260V；2.輸入交流電頻率4565HZ；3.輸出直流電壓24V恒定；4.輸出直流電流10A

7、；5.最大功率：250W；6.穩(wěn)壓精度：<直流輸出電壓整定值的1%；本文分別從以下幾個方面進行了設(shè)計：1. 主電路設(shè)計；2. 控制電路設(shè)計；3. 驅(qū)動電路設(shè)計；4. 保護電路設(shè)計；5. 整體電路設(shè)計；6. 元器件型號的選擇； 第2章 電路設(shè)計2.1穩(wěn)壓電源總體設(shè)計方案隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電源技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。對電源的要求也各有不同。本次設(shè)計的是一種功率較大，的開關(guān)電源。如圖2.1為本次設(shè)計的主體方框圖。 設(shè)計采用了ACDCACDC變換方案。一次整流后的直流電壓，經(jīng)過有源功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，再經(jīng)半橋變換電路逆變后，由高頻變壓器隔離降壓，最后整流輸出直

8、流電壓。系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)為有源功率因數(shù)校正電路、DCDC電路、功率因數(shù)校正電路、PWM控制電路和保護電路等。開關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)器件，通過周期性間斷工作，控制開關(guān)器件的占空比來調(diào)整輸出電壓。開關(guān)電源的基本構(gòu)成如下圖所示，其中DC/DC變換器進行功率轉(zhuǎn)換，它是開關(guān)電源的核心部分，此外還有起動、過流與過壓保護、噪聲濾波等電路。輸出采樣電路檢測輸出電壓變化，與基準電壓Ur比較，誤差電壓經(jīng)過放大及脈寬調(diào)制（PWM）電路，再經(jīng)過驅(qū)動電路控制功率器件的占空比，從而達到調(diào)整輸出電壓大小的目的。具有一定的抗不平衡能力，對電路對稱性要求不很嚴格；適應(yīng)的功率范圍較大，從幾十瓦到千瓦都可以；開關(guān)管耐壓要

9、求較低；電路成本比全橋電路低等。這種電路常常被用于各種穩(wěn)壓輸出的DC變換器DC/DC變換器有多種電路形式，常用的有工作波形為方波的PWM變換器以及工作波形為準正弦波的諧振型變換器。圖2.1 主體方框圖 采用UC3854AB控制芯片組成功率因數(shù)校正電路來提高功率因數(shù)，用芯片UC3825作為控制芯片來代替SG3525，不僅外圍電路簡單，而且具有有容差過壓限流功能，還采用了IR2304作為驅(qū)動芯片，動態(tài)響應(yīng)快，且自帶死區(qū)，防止半橋上下管直通。該電路用高速雙路PWM控制器UC3825為控制芯片，功率MOSFET為開關(guān)器件而構(gòu)成的推挽逆變器，逆變器輸出 ，經(jīng)高頻LC濾波后輸出1MHz/100W正弦波功率

10、信號。實驗證明電路產(chǎn)生的波形質(zhì)量好，電路結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，并具有體積小，效率高的特點。 低頻小功率信號源往往用線性功率放大電路，其電路比較簡單，波形質(zhì)量好，易于實現(xiàn)。而對于高頻、中大功率信號源用線性功率放大電路難以實現(xiàn)，特別是對于要求1MHz/100W正弦波功率信號源，采用線性功率放大電路，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整困難，不易實現(xiàn)。而采用高速雙路PWM 控制器UC3825為控制芯片，功率MOSFET為開關(guān)器件，經(jīng)LC高頻濾波，輸出1MHz/100W正弦波功率信號源，其波形質(zhì)量好，電路結(jié)構(gòu)簡單，體積小，效率高2.2 具體電路設(shè)計2.2.1 主電路設(shè)計反激式電源一般用在100W以下的電路，而本電源設(shè)計

11、最大功率達到250W，額定電流為10A左右。在功率較大的高頻開關(guān)電源中，常用的主變換電路有推挽電路、半橋電路、全橋電路等。其中推挽電路用的開關(guān)器件少，輸出功率大，但開關(guān)管承受電壓高(為電源電壓的2倍)，且變壓器有6個抽頭，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；全橋電路開關(guān)管承受的電壓不高，輸出功率大，但需要的開關(guān)器件多(4個)，驅(qū)動電路復(fù)雜；半橋電路開關(guān)管承受的電壓低，開關(guān)器件少，驅(qū)動簡單。根據(jù)對各種拓撲方案的電氣性能以及成本等指標的綜合比較，本電源選用半橋式DCDC變換器作為主電路。如圖2.2即為主電路圖。圖2.2 主電路圖圖2.2中S1、S2、C1、C2和主變壓器T1構(gòu)成了半橋DCDC變換電路。MOSFET采用11N

12、C380。電路的工作頻率為80 kHz。變壓器采用E55的鐵氧體磁芯，無須加氣隙。繞制時采用“三段式”繞法，以減小漏感。R1和R2用以保證電容分壓均勻，R3、C3和R4、C4為MOS管兩端的吸收電路。C5為隔直電容，用來阻斷與不平衡伏秒值成正比的直流分量，平衡開關(guān)管每次不相等的伏秒值。C5采用優(yōu)質(zhì)CBB無感電容。Ct是電流互感器，作為電流控制時取樣用。D3、D4采用快恢復(fù)二極管，經(jīng)過L1和C6、C7平波濾波后輸出OUT2給控制芯片供電，Rs、R6則是反饋電壓的采樣電阻。主變壓器的輸出OUT3為高頻低壓交流電。如圖2所示，反饋電壓和輸出電壓同一繞組，樣，可以在負載變化時最大限度地保證輸出電壓的穩(wěn)

13、定。后級可接一個或多個多路輸出的變壓器，然后通過整流電路整流，這樣既能保證每路輸出都是獨立的，又可以得到任意大小的電壓。故可滿足DSP等需要多路不同電壓供電且精度較高的要求。2.2.2 控制電路設(shè)計系統(tǒng)的控制電路采用高速雙路的PWM控制器UC3825，如圖2.3所示即為所選電路，其內(nèi)部電路主要由高頻振蕩器、PWM比較器、限流比較器、過流比較器、基準電壓源、故障鎖存器、軟啟動電路、欠壓鎖定、PWM鎖存器、輸出驅(qū)動器等組成。它比SG3525具有以下優(yōu)點：1)改進了振蕩電路，提高了振蕩頻率的精度，并且具有更精確的死區(qū)控制；2)具有限流控制功能，且門檻電流有5的容差；3)低啟動電流(100MA)；4)

14、UC3825關(guān)斷比較器是一個高速的過流比較器，它具有12v的門檻值，保證芯片重新啟動前軟啟動電容完全放電，在超過門檻值時，輸出為低電平狀態(tài)，防止上下橋臂同時導(dǎo)通而引起短路。下圖為主電路的控制電路前級的R808和R809與穩(wěn)壓管構(gòu)成一個啟動電路，觸發(fā)UC3825開始工作后，由反饋輸出OUT1自供電。PWM的調(diào)制波由R1和CT振蕩產(chǎn)生，RT、CT一般按式(1)及式(2)選取。 RT=3V/（10mA）*(1-Dmax) (1)CT=(1.6*Dmax)/(Rt*f) (2)式中：f=80kHz，為所取的頻率腳1(INV)、腳2(EA)和腳3(HI)構(gòu)成一誤差放大器，做為電壓反饋用，腳9(ILIM)

15、為限流，腳8(SS)為軟啟動，腳11(0UTA)及腳14(0UTB)為輸出驅(qū)動信號。從圖中可看出，UC3825功能比較全，外圍電路簡單，可有效減少PCB的布線與外圍元器件，提高了系統(tǒng)的可靠性。 圖2.3 高速雙路PWM控制器UC3825電路圖2.2.3驅(qū)動電路設(shè)計MOSFET的驅(qū)動可采用脈沖變壓器，它具有體積小，價格低的優(yōu)點，但直接驅(qū)動時，脈沖的前沿與后沿不夠陡，影響MOSFET的開關(guān)速度。在此，采用了IR2304芯片，它是IR公司新推出的多功能600v高端及低端驅(qū)動集成電路，它具有以下優(yōu)點。1)芯片體積小(DIP8)，集成度高(可同時驅(qū)動同一橋臂的上、下兩只開關(guān)器件)。2)動態(tài)響應(yīng)快，通斷延

16、遲時間220220 ns(典型值)、內(nèi)部死區(qū)時間1000ns、匹配延遲時間50ns。3)驅(qū)動能力強，可驅(qū)動600v主電路系統(tǒng)，具有61 mA130mA輸出驅(qū)動能力，柵極驅(qū)動輸入電壓寬達1020V。4)工作頻率高，可支持100 kHz或以下的高頻開關(guān)。5)輸入輸出同相設(shè)計，提供高端和低端獨立控制驅(qū)動輸出，可通過兩個兼容33v、5v和15v輸入邏輯的獨立CMOS或LSTFL輸入來控制，為設(shè)計帶來了很大的靈活性。6)低功耗設(shè)計，堅固耐用且防噪效能高。IR2304采用高壓集成電路技術(shù)，整合設(shè)計既降低成本和簡化電路，又降低設(shè)計風險和節(jié)省電路板的空間，相比于其它分立式、脈沖變壓器及光耦解決方案，IR230

17、4更能節(jié)省組件數(shù)量和空間，并提高可靠性。7)具有電源欠壓保護和關(guān)斷邏輯，IR2304有兩個非倒相輸入及交叉?zhèn)鲗?dǎo)保護功能，整合了專為驅(qū)動電機的半橋MOSFET或IGBT電路而設(shè)的保護功能。當電源電壓降至47v以下時，欠壓鎖定(UVL0)功能會立即關(guān)掉兩個輸出，以防止直通電流及器件故障。當電源電壓大于5v時則會釋放輸出(綜合滯后一般為0.3v)。過壓(HVIC)及防閉鎖CMOS技術(shù)使IR2304非常堅固耐用。另外，IR2304還配備有大脈沖電流緩沖級，可將交叉?zhèn)鲗?dǎo)減至最低；同時采用具有下拉功能的施密特(Sohmill)觸發(fā)式輸入設(shè)計，可有效隔絕噪音，以防止器件意外開通。如下圖所示為IR2304的連

18、線圖圖2.4 驅(qū)動電路圖可以看出，IR2304具有連線簡單，外圍元器件少的優(yōu)點。其中VCC由主電路中OUT自供電，LIN和HIN分別接UC3825的兩個輸出端，VD要采用快恢復(fù)二極管，C1為濾電容，C2為自舉電容，最好采用性能好的鉭電容，R1和R2為限流電阻。2.2.4保護電路設(shè)計對于DCDC電源產(chǎn)品都要求在出現(xiàn)異常情況(如過流、過載)時，系統(tǒng)的保護電路工作，使變換器及時停止工作。UC3825的保護電路設(shè)計也比較簡單，如圖2.5所示。通過電流互感器得到的采樣電流，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后送到UC3825腳9(ILJIM)，當電流超過預(yù)定值時，UC3825自動封鎖輸出脈沖，起到保護作用圖2.5 保護電路2.2

19、.5 整體電路設(shè)計 為了提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，整流環(huán)節(jié)不能采用二極管整流，采用了UC3854AB控制芯片組成功率因數(shù)校正電路。UC3854ABUnitrode公司一種新的高功率因數(shù)校正器集成控制電路芯片，是在UC3854基礎(chǔ)上的改進，其特點是采用平均電流控制，功率因數(shù)接近1，高帶寬，限制電網(wǎng)電流失真3。圖2.6是由UC3854AB控制的有源功率因數(shù)校正電路。圖2.6 整體電路圖該電路由兩部分組成。UC3854AB及外圍元器件構(gòu)成控制部分，實現(xiàn)對網(wǎng)側(cè)輸入電流和輸出電壓的控制。功率部分由L2，Cs，S等元器件構(gòu)成Boost升壓電路。開關(guān)管S選擇西門康公司的SKM75GBl23D模塊，其工作頻率選在3

20、5 kHz。升壓電感L2為2mH20A。C5采用兩個450V470F的電解電容并聯(lián)。為了提高電路在功率較小時的效率，所設(shè)計的PFC電路在輕載時不進行功率因數(shù)校正，當負載較大時功率因數(shù)校正電路自動投入使用。此部分控制由圖1中的比較器部分來實現(xiàn)。R10及R11是負載檢測電阻。當負載較輕時，R10及R11上檢測的信號輸入給比較器，使其輸出端為低電平，D5導(dǎo)通，給ENA(使能端)低電平使UC3854AB封鎖。在負載較大時ENA為高電平才讓UC3854AB工作。D6接到SS(軟啟動端)，在負載輕時D6導(dǎo)通，使SS為低電平；當負載增大要求UC3854AB工作時，SS端電位從零緩慢升高，控制輸出脈沖占空比慢

21、慢增大實現(xiàn)軟啟動。如圖2.7中各圖所示即為各種元件在電路中的波形。圖2.7 各種元件的波形圖2.3元器件型號選擇1.輸入整流二極管的選擇設(shè)輸入交流電壓為：則經(jīng)過橋式整流后的平均電壓為：二極管兩端承受的最大反相電壓為：所以根據(jù)實際情況即可選擇整流二極管：IN4005 600V/1A2.變壓器的設(shè)計（1）變比KT選最大占空比為0.85，電路中壓降U=2V，半橋式電路變壓器原邊繞組所加電壓等于輸入電壓的一半即Ui（min）=98V則根據(jù)公式:（2）鐵心的選擇Ae為鐵心磁路截面積；Aw為鐵心窗口面積；PT為變壓器傳輸?shù)墓β剩籪s為開關(guān)頻率；B為鐵心材料所允許的最大磁通密度的變化范圍；dc為變壓器繞組導(dǎo)

22、體的電流密度；kc為繞組在鐵心窗口中的填充因數(shù)。若鐵心材料為鐵氧體則B=0.2T，dc=4A/mm²，kc=0.5。根據(jù)SG3525的控制選擇開關(guān)頻率為100HZ。根據(jù)公式:根據(jù)具體情況可選擇型號為DE25的鐵心則Ae=40.00mm²，Aw=78.2mm²，Ae *Aw=3128可以滿足要求。（3）變壓器的繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計：由于鐵磁材料的相對磁導(dǎo)率r很大，因此勵磁電感通常也較大。如果鐵心未夾緊，磁路中有氣隙，則勵磁電感會急劇下降，勵磁電流成倍增加，導(dǎo)致變壓器性能嚴重劣化。變壓器的漏感同一次、二次繞組互相耦合的緊密程度密切相關(guān)，耦合不夠緊，則漏感會增加。漏感對電路工作

23、帶來的影響主要是負面的，給開關(guān)器件造成過電壓、形成較大的損耗，過大的漏感還會造成占空比的損失。因此變壓器的設(shè)計應(yīng)盡量減小漏感。減小漏感的辦法主要是提高一次、二次繞組耦合的緊密程度，如采用間隔繞組等。3.輸出濾波電感的設(shè)計I為允許的電感電流最大紋波峰峰值，取最大輸出電流的20%即2A。根據(jù)公式電感量為選定電感鐵心：I1=10+10*20%*0.5=11A4.輸出濾波電容的設(shè)計根據(jù)標準，輸出電壓的峰峰值Vopp<200mV，考慮到功率開關(guān)管開關(guān)和輸出整流二極管開關(guān)時造成的電壓尖峰以及直流電壓殘留的100HZ紋波，可令輸出電壓的交流紋波為Vopp=50mV，U=2V，根據(jù)公式根據(jù)具體情況可以選擇兩個4.7F/25V鋁電解電容并聯(lián)使用。5.功率管的選擇額定電壓考慮到功率器件的開關(guān)速度和驅(qū)動電路的簡潔，本電源擬選用MOSFET作為功率開關(guān)管來構(gòu)成半橋電路。整流濾波后的最大電壓值為368V，功率開關(guān)管的額定電壓一般要求高于直流電壓的兩倍，則功率開關(guān)管的額定電壓選為800V。 額定電流輸出濾波電感電流的最大值為11A，那么變壓器原邊電流最大值為11A/6=1.8A，這也是功率開關(guān)管中流過的最大電流?？紤]到2倍余量2*1.8A=3.6A。根據(jù)實際情況選擇IRFBE30，其參數(shù)為800V/4.1A。6.變壓器二次側(cè)整流二極管的設(shè)計（1）額定電壓變壓器副邊是