AC-DC反激式電源解析

1、ACDC反激式電源* AC-DC反激式電源課程設(shè)計(jì)引言開(kāi)關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開(kāi)關(guān)電源小型化，并使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IGBT和MOSFET構(gòu)成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。目前，開(kāi)關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)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。1設(shè)計(jì)分析1.1開(kāi)關(guān)電源的組成部分開(kāi)關(guān)電源就是采用功

2、率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)元件，通過(guò)周期性通斷開(kāi)關(guān)，控制開(kāi)關(guān)元件的占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓。其電路比較復(fù)雜，基本構(gòu)成如圖1所示。輸入電路控制電路輸出電路220V DC圖1 開(kāi)關(guān)電源基本構(gòu)成功率變換電路12V、5V DC主要由以下5部分構(gòu)成：輸入整流濾波器：包括從交流電到輸入整流濾波器的電路；功率功率管（VT）及高頻變壓器（T）；控制電路（PWM調(diào)制器），含振蕩器、基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器和PWM比較器，控制電路能產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，其占空比受反饋電路的控制；輸出整流濾波器；反饋電路。除此之外，還需增加偏置電路、保護(hù)電路等。其中，PWM調(diào)制器為開(kāi)關(guān)電源的核心。1.2開(kāi)關(guān)電源的工作過(guò)程交流電網(wǎng)電壓進(jìn)入輸入電路后

3、，經(jīng)輸入電路中的線(xiàn)路濾波器、浪涌電流控制電路以及整流電路，變換成直流電壓。其中線(xiàn)路濾波器及浪涌電流控制電路的主要作用是削弱由電網(wǎng)電源線(xiàn)進(jìn)入的外來(lái)噪聲以及抑制浪涌電流，整流電路則完成交流到直流的變換，可分為電容輸入型和扼流圈輸入型兩大類(lèi)，開(kāi)關(guān)電源中通常采用電容輸入型。功率變換電路是整個(gè)開(kāi)關(guān)電源的核心器件，它將直流電壓變換成高頻矩形脈沖電壓，其電路主要由開(kāi)關(guān)電路和變壓器組成。開(kāi)關(guān)電路的驅(qū)動(dòng)方式分為自激式和他激式兩大類(lèi)；開(kāi)關(guān)變壓器因是高頻工作，其鐵芯通常采用鐵氧體磁芯或非晶合金磁芯；開(kāi)關(guān)晶體管通常采用開(kāi)關(guān)速度高，導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間短的晶體管，最典型的有功率晶體管（GTR）、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET

4、）和絕緣柵型雙極晶體管（IGBT）等三種。輸出電路是將高頻變壓器次級(jí)方波電壓經(jīng)過(guò)高頻整流濾波電路整流成單向脈動(dòng)直流，并將其平滑成設(shè)計(jì)要求的低紋波直流電壓，供給負(fù)載使用。1.3脈寬調(diào)制器的基本原理脈寬調(diào)制式開(kāi)關(guān)電源的工作原理如圖2所示。220V交流電u首先經(jīng)過(guò)整流濾波電路變成直流電壓，再由功率開(kāi)關(guān)管VT斬波、高頻變壓器T降壓，得到高頻矩形波電壓，最后通過(guò)整流濾波后后的所需要的直流輸出電壓。脈寬調(diào)制器能產(chǎn)生頻率固定而脈沖寬度可調(diào)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制功率開(kāi)關(guān)管的通、斷狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓的高低，達(dá)到穩(wěn)壓目的。鋸齒波發(fā)生器用于提供始終信號(hào)。利用取樣電阻。誤差放大器和PWM比較器形成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。輸出電壓

5、經(jīng)R1、R2取樣后，送至誤差放大器的反相輸入端，與加在同相輸入端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，得到誤差電壓，再用的幅度去控制PWM比較器輸出的脈沖寬度，最后經(jīng)過(guò)功率放大和降壓式輸出電路使保持不變。為鋸齒波發(fā)生器的輸出信號(hào)?；鶞?zhǔn)電壓源鋸齒波發(fā)生器電路圖脈寬調(diào)制式開(kāi)關(guān)電源的工作原理比較器驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出誤差放大器開(kāi)關(guān)電源輸出采樣電壓2方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)要求初始條件：輸入交流電源：?jiǎn)蜗?0V230V，要求完成的主要任務(wù): 1、輸出直流電壓：12V。2、直流輸出電流5A。3、效率80%4.紋波系數(shù)0.42.2.2方案設(shè)計(jì)電源輸入，即單相交流電壓。輸出為：12V直流電壓，電流5A。交流電220V經(jīng)過(guò)一個(gè)整流濾波電路后

6、得到直流電壓，送入DC-DC降壓斬波電路，控制電路提供控制信號(hào)控制MOSFET管的關(guān)斷，調(diào)節(jié)直流電壓的占空比，最后經(jīng)過(guò)LC濾波電路得到所需電壓。通過(guò)對(duì)輸出電壓的取樣，比較和放大，調(diào)節(jié)控制脈沖的寬度，以達(dá)到穩(wěn)壓輸出的目的。開(kāi)關(guān)電源原理框圖如圖3所示。整流濾波脈沖寬度調(diào)制（PWM）濾波220V AC圖 整體設(shè)計(jì)方框圖降壓斬波電路保護(hù)電路12VDC整流部分是利用具有單向?qū)ㄐ缘亩O管構(gòu)成橋式電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的；濾波部分是利用電容電感器件的儲(chǔ)能效應(yīng)，構(gòu)成LC電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的；降壓部分是利用降壓斬波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，控制方式為脈寬調(diào)制控制（PWM），即在控制時(shí)對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制,使輸出端得到一系列幅值

7、相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形。本次設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源控制時(shí)首先保持主電路開(kāi)關(guān)元件的恒定工作周期（），再由輸出信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值來(lái)控制閉環(huán)反饋，以調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間，最終控制輸出電壓（或電流）的穩(wěn)定。2.3整流濾波部分 整流電路工作原理：在輸入交流電壓的正半周期，二極管D1、D4承受正向電壓導(dǎo)通，D2、D3承受反向電壓截至，整流輸出電壓等于輸入電壓；在輸入交流電壓的負(fù)半周期，二極管D2、D3承受正向電壓導(dǎo)通，二極管D1、D4承受反向電壓截至，輸出電流是輸入電流的相反數(shù)。整流電路工作時(shí)的波形如圖5所示。 由圖5可知，經(jīng)過(guò)二極管整流橋后，輸入的正弦電壓成了正的電壓，同時(shí)由

8、于電容電感的儲(chǔ)能效應(yīng)，整流橋輸出的電壓和電流會(huì)進(jìn)一步變的平直。當(dāng)然電容量越大，濾波效果越好，輸出波形越趨于平滑，輸出電壓也越高。但是，電容量達(dá)到一定值以后，再加大電容量對(duì)提高濾波效果已無(wú)明顯作用。通常應(yīng)根據(jù)負(fù)載電壓和輸出電流的大小選擇最佳電容。本電路選擇470uF電容即可。圖5整流部分電路圖2.4降壓斬波電路圖6 基本降壓斬波電路將整流后得到的直流電壓輸入降壓斬波電路通過(guò)脈寬調(diào)制控制調(diào)節(jié)輸出電壓平均值，在經(jīng)過(guò)LC濾波電路是電壓穩(wěn)定。脈寬調(diào)制控制型號(hào)有IGBT驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出；RCD保護(hù)電路用以緩沖IGBT在高頻工作環(huán)境下關(guān)斷時(shí)因?yàn)檎螂娏餮杆俳档投删€(xiàn)路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓。本設(shè)計(jì)中電路圖

9、如圖7所示。電路中采用兩級(jí)RL濾波電路使輸出電壓穩(wěn)定。圖7 降壓斬波電路2.5脈寬調(diào)制電路本設(shè)計(jì)選用TL494作為脈寬調(diào)制電路的主要芯片。其典型應(yīng)用電路圖如圖8所示。TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開(kāi)關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開(kāi)關(guān)電源。這是一個(gè)固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線(xiàn)性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可以通過(guò)外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)。輸出電容的脈沖其實(shí)是通過(guò)電容上的正極性鋸齒波電壓與另外2個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門(mén)。當(dāng)雙穩(wěn)觸壓器的時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)才會(huì)被通過(guò)，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號(hào)期間才會(huì)被

10、選通。當(dāng)控制信號(hào)增大，輸出脈沖的寬度將減小?？刂菩盘?hào)由集成電路外部輸入，一路送至?xí)r間死區(qū)時(shí)間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時(shí)間比較器具有120mV的輸入補(bǔ)償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時(shí)間約等于鋸齒波的周期4%，當(dāng)輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時(shí)，占空比為48%。當(dāng)把死區(qū)時(shí)間控制輸入端接上固定的電 壓，即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時(shí)間。圖8 TL494典型電路圖脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個(gè)手段：當(dāng)反饋電壓從0.5V變化到 3.5時(shí)，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時(shí)間中下降為零。誤差放大器的輸出端常處于高電平，它與脈沖寬度調(diào)智

11、器的反相輸入端進(jìn)行“或”運(yùn)算，正是這種電路結(jié)構(gòu)，放大器只需最小的輸出即可支配控制電路。照典型電路圖修改后得到本次設(shè)計(jì)的電路圖，如圖9所示。2.6 MOSFET管的驅(qū)動(dòng)電路本次課設(shè)選用美國(guó)IR公司的IR2110S芯片。用于IGBT或功率MOSFET驅(qū)動(dòng)的集成芯片模塊中，應(yīng)用技術(shù)比較成熟的有東芝LP250、富士EXB8系列、三菱M579系列等，但是這些模塊都是單驅(qū)動(dòng)，如果要驅(qū)動(dòng)全橋結(jié)構(gòu)的逆變電路則需要4個(gè)隔離的驅(qū)動(dòng)模塊，不但費(fèi)用高、而且體積大。美國(guó)IR公司推出的高壓浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)集成模塊IR2110S是一種新型的功率MOSFET或IGBT驅(qū)動(dòng)模塊，它本身允許驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓上升率達(dá)50 V/s，極大地減小

12、了功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗。此外，由于IR2110S采用自舉法實(shí)現(xiàn)高壓浮動(dòng)?xùn)艠O雙通道驅(qū)動(dòng)，因此可以驅(qū)動(dòng)500 V以?xún)?nèi)的同一相橋臂的上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，減小了裝置體積，節(jié)省了成本。圖9 脈寬調(diào)制電路IR2110S采用HVIC和鎖抗干擾CMOS制造工藝，雙列直插14腳封裝。具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)500V，dv/dt=50V/ns，15V下靜態(tài)功耗僅116mW；輸出的電源端（腳3,即功率器件的柵極驅(qū)動(dòng)電壓）電壓范圍1020V；邏輯電源電壓范圍（腳9）515V，可方便地與TTL，CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有5V的偏移量；工作頻率高，可達(dá)

13、500khz；開(kāi)通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns；圖騰柱輸出峰值電流為2A。 本次設(shè)計(jì)采用的MOSFET管驅(qū)動(dòng)電路如圖10所示。從TL494芯片出來(lái)的OUT信號(hào)，輸入到IR2110S來(lái)驅(qū)動(dòng)MOSFET，最終使輸出電壓穩(wěn)定在5V或12V。圖10 MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路2.7 總電路圖整個(gè)電路的總電路圖用Altium Designer 制作，如下圖所示3主電路參數(shù)設(shè)定3.1變壓器、二極管、MOSFET管選擇由于是單相電，所以必須使用單相變壓器，原邊額定電壓，副邊額定電壓約為，額定電流大于等于1A。對(duì)于整流濾波電路中的四個(gè)二極管D1、D2、D3、D4，它們承受的反向最大峰值電壓為變壓器相電

14、壓的峰值，即為；承受的正向最大峰值電壓為，流過(guò)的最大平均電流約為1A。所以我們可以選擇正向平均電流I大于1A，反向重復(fù)峰值電壓大于4.2V的電力二極管用來(lái)構(gòu)成單相整流電路。對(duì)于斬波電路中的電力二極管VD，承受的最大反向重復(fù)峰值電壓約為4V，最大正向平均電流I約為1A，所以我們可以選擇正向平均電流I大于1A，反向重復(fù)峰值電壓大于4V的電力二極管作為續(xù)流二極管。對(duì)于斬波電路中的MOSFET，漏極與源極之間承受的最大電壓約為4V，流過(guò)的最大電流值約為1A，則最大耗散功率約為4W。所以我們可以選擇最大漏極與源極之間電壓大于4V，流過(guò)最大電流大于1A，功耗大于4W的MOSFET，如IRF540型號(hào)。斬波

15、電路中的電感盡量取大，以避免電流過(guò)大，磁路飽和。 綜上所述，主電路的主要參數(shù)如下：所用電力二極管和MOSFET的導(dǎo)通壓降約為0.8V，電感壓降約為0.2V。1. 整流濾波電路部分： 輸入電壓：?jiǎn)蜗?20V交流 輸出電壓：30V直流 電力二極管D1、D2、D3、D4參數(shù)： 正向平均電流大于1A，反向重復(fù)峰值電壓大于4V。2. 降壓斬波電路部分： 輸入電壓：4V直流 輸出電壓：5V和12V穩(wěn)壓直流 電力二極管： 正向平均電流大于1A，反向重復(fù)峰值電壓大于4V MOSFET管取IRF540型號(hào)。3.2 反饋回路的設(shè)計(jì) 由于加入反饋回路，輸出電壓不再像教材中那樣有單一占空比的PWM來(lái)控制，而是由時(shí)刻變

16、化著的PWM來(lái)控制，所以其電壓也就不能由公式來(lái)推出。 在輸出端并聯(lián)一個(gè)分壓電路，50K電阻和200K滑動(dòng)變阻器串接，并從中間引出一個(gè)信號(hào)電壓作為反饋點(diǎn)Feedback。將Feedback輸入TL494控制電路，于是反饋點(diǎn)一直和TL494內(nèi)部基準(zhǔn)源比較，影響輸出的PWM的占空比，若大于5V，占空比將減小，若小于5V，占空比將增大，這樣控制MOSFET得導(dǎo)通與關(guān)斷，直到保持反饋點(diǎn)電壓保持5V，輸出電壓按比例可以算出為525V。PWM的頻率由外接阻容決定。電路圖如圖11所示。計(jì)算過(guò)程： ， 其中恒為5V，所以當(dāng)R1=0是，；R1=200K時(shí)，。圖11 反饋電路當(dāng)R1跳到0K 時(shí)，輸出電壓為5V，當(dāng)R

17、1滑到70K時(shí)，輸出電壓為12V，即為所求的值。3.3 MOSFET的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)由于選用大功率MOSFET，如何驅(qū)動(dòng)該管也成了一個(gè)問(wèn)題。從TL494出來(lái)的WM信號(hào)電壓電流不能直接用來(lái)控制MOSFET的通斷，于是在兩者之間加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。該驅(qū)動(dòng)電路主要由IR2110構(gòu)成，IR2110輸出的電壓可達(dá)20V,電流可達(dá)幾安培，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)本設(shè)計(jì)選用的MOSFET管。結(jié)束語(yǔ)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了很多東西，受益匪淺，使我更加深刻地理解了直流斬波電路以及開(kāi)關(guān)電源，了解了開(kāi)關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)過(guò)程和實(shí)現(xiàn)的功能。使我了解到開(kāi)關(guān)電源在電子設(shè)備、電力設(shè)備和通信系統(tǒng)的直流供電中得到廣泛應(yīng)用，在高頻開(kāi)關(guān)電源中，DC-DC變換是其核心。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，高集成度，功能強(qiáng)大的大規(guī)模集成電路不斷出現(xiàn)，使電子設(shè)備不斷縮小，重量不斷減輕，相應(yīng)地要求系統(tǒng)供電電源的體積和重量相應(yīng)減小，如何減小開(kāi)關(guān)電源的體積，提高其效率，是將在在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的過(guò)程需要著重考慮的一個(gè)方面。設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要求