半橋型開關穩(wěn)壓電源設計

1、 電力電子技術電力電子技術課程設計（論文）課程設計（論文） 題目：題目：240W半橋型開關穩(wěn)壓電路設計半橋型開關穩(wěn)壓電路設計 本科生課程設計（論文）摘 要本次設計的是 240W 半橋型開關穩(wěn)壓電源，為負載供電。電源是各種電子設備不可或缺的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關系到電子設備的技術指標及能否安全可靠地工作。由于開關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電源，其輸入電壓為單相 170 260

2、V，輸出電壓為直流 24V 恒定，最大電流10A。設計內(nèi)容包括主電路的原理與主電路圖的設計、控制電路器件的選取、保護電路方案的確定以及計算機仿真與波形分析等方面。關鍵詞：半橋變換器；功率 MOS 管；脈寬調(diào)制；穩(wěn)壓電源。本科生課程設計（論文）目 錄第 1 章 緒論 .11.1 電力電子技術概況 .11.2 本文設計內(nèi)容 .2第 2 章 電路設計 .32.1 穩(wěn)壓電源總體設計方案.32.2 具體電路設計.42.2.1 主電路設計 .42.2.2 控制電路設計 .52.2.3 驅(qū)動電路設計.62.2.4 保護電路設計.72.2.5 整體電路設計 .82.3 元器件型號選擇.9第 3 章 課程設計總

3、結(jié) .13參考文獻 .14本科生課程設計（論文）1第 1 章 緒論1.1 電力電子技術概況電子技術包括信息電子技術和電力電子技術兩大分支。通常所說的模擬電子技術和數(shù)字電子技術屬于信息電子技術。電力電子技術是應用于電力領域的電子技術，它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體制成，故稱電力半導體器件。信息電子技術主要用于信息處理，而電力電子技術則主要用于電力變換。電力電子技術的發(fā)展是以電力電子器件為核心，伴隨變換技術和控制技術的發(fā)展而發(fā)展的。電力電子技術可以理解為功率強大，可供諸如電力系統(tǒng)那樣大電流、高電壓場合應用的電子技術，它與傳統(tǒng)的電子技術相比，其特

4、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方式。這種開關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 20 世紀 60 年代出現(xiàn)的， “電力電子學”和“電力電子技術”在內(nèi)容上并沒有很大的不同，只是分別從學術和工程技術這 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。電力電子技術與電子學的關系是顯而易見的。電子學可分為電子器件和電子電路兩大部分，它們

5、分別與電力電子器件和電力電子電路相對應。從電子和電力電子的器件制造技術上進兩者同根同源，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，開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備等幾乎所有的電子設備，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。并對開關電源提出了小型輕量要求，此外要求開關電源效率要更高、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，以解決開關電源面臨的課題。隨著電力電子技術的不斷創(chuàng)新，開關電源產(chǎn)業(yè)會有更廣闊的

6、發(fā)展前景。本科生課程設計（論文）21.2 本文設計內(nèi)容開關電源在效率、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。這種采用高頻開關方式進行電能變換的電源稱為開關電源。隨著電子技術和應用迅速地發(fā)展，開關穩(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；按開關管電流的工作方式分開關型和諧振型；按開關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

7、管的連接方式分為單端式、推挽式、半橋式、全橋式。本文設計了一種半橋型開關穩(wěn)壓電源，它具有驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動功率小，開關速度快，開關頻率高等優(yōu)點。具體設計技術參數(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；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計：1. 主電路設計；2. 控制電路設計；3. 驅(qū)動電路設計；4. 保護電路設計；5. 整體電路設計；6. 元器件型號的選擇； 本科生課程設計（論文）3第 2 章 電路設計2.1 穩(wěn)壓電源總體設計方案隨著電力電子

8、技術的發(fā)展，電源技術被廣泛應用于各個行業(yè)。對電源的要求也各有不同。本次設計的是一種功率較大，的開關電源。如圖 2.1 為本次設計的主體方框圖。 設計采用了 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。開關電源采用功率半導體器件作為開關器件，通過周期性間斷工作，控制開關器件的占空比來調(diào)整輸出電壓。開關電源的基本構(gòu)成如下圖所示，其中 DC/DC變換器進行功率轉(zhuǎn)換，它是開關電源的核

9、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；適應的功率范圍較大，從幾十瓦到千瓦都可以；開關管耐壓要求較低；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)

10、，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本科生課程設計（論文）4限流功能，還采用了 IR2304 作為驅(qū)動芯片，動態(tài)響應快，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

11、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 具體電路設計2.2.1 主電路設計反激式電源一般用在 100W 以下的電路，而本電源設計最大功率達到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器件少，輸出功率大，但開關管承受電壓高(為電

12、源電壓的 2 倍)，且變壓器有 6 個抽頭，結(jié)構(gòu)復雜；全橋電路開關管承受的電壓不高，輸出功率大，但需要的開關器件多(4 個)，驅(qū)動電路復雜；半橋電路開關管承受的電壓低，開關器件少，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 主電路圖本科生課程設計（論文）5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 11NC380。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

13、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)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

14、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)UC3825 關斷比較器是一個高速的過流比

15、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，為所取的頻率本科生課程設計（論文）6腳 1(INV)、腳 2(EA)和腳 3(HI)構(gòu)成一誤差放大器，做為電壓反

16、饋用，腳9(ILIM)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

17、同時驅(qū)動同一橋臂的上、下兩只開關器件)。2)動態(tài)響應快，通斷延遲時間 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。5)輸入輸出同相設計，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，為設計帶來了很大的靈活性。6)低功耗設計，堅固耐用且防噪效能高。IR2304 采用高壓集成電路技術，整合設計既降低成本和

18、簡化電路，又降低設計風險和節(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，IR2304 更能節(jié)省組件數(shù)量和空間，并提高可本科生課程設計（論文）7靠性。7)具有電源欠壓保護和關斷邏輯，IR2304 有兩個非倒相輸入及交叉?zhèn)鲗ПＷo功能，整合了專為驅(qū)動電機的半橋 MOSFET 或 IGBT 電路而設的保護功能。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 技術使 IR2304 非常堅固耐用。另外，IR2304 還配備有大脈沖電流緩

19、沖級，可將交叉?zhèn)鲗p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

20、護電路設計也比較簡單，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)，當電流超過預定值時，UC3825 自動封鎖輸出脈沖，起到保護作用本科生課程設計（論文）8圖 2.5 保護電路2.2.5 整體電路設計 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)

21、校正電路。圖 2.6 整體電路圖本科生課程設計（論文）9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。開關管 S 選擇西門康公司的 SKM75GBl23D 模塊，其工作頻率選在 35 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

22、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 各種元件的波形圖本科生課程設計（論文）102630005 . 0*10*4*2 . 0*100120mmkBdfPAAccsTwe2.3 元器件型號選擇1.

23、輸入整流二極管的選擇設輸入交流電壓為：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?；fs為開關頻率；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/mm，kc=

24、0.5。根據(jù) SG3525 的控制選擇開關頻率為 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=40.00mm，Aw=78.2mm，Ae wtuisin2220Vwtwtdud1982440)(sin222010V54.1552220*21VVUN62.46608.31154.155*)32(6max0max(min)UUDUKiT本科生課程設計（論文）11*Aw=3128可以滿足要求。4mm（3）變壓器的繞組結(jié)構(gòu)設計：由于鐵磁材料的相對磁導率 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，導致變壓器性能嚴重劣

25、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，耦合不夠緊，則漏感會增加。漏感對電路工作帶來的影響主要是負面的，給開關器件造成過電壓、形成較大的損耗，過大的漏感還會造成占空比的損失。因此變壓器的設計應盡量減小漏感。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.輸出濾波電容的設計根據(jù)標準，輸出電壓的峰峰值 Vopp200mV，考慮到功率開關管開關和輸出整流二極管開關時造成的電壓尖峰以及直流電壓殘

26、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。HVIfKULsTin772*100000*6*43684(max)466max1max1400010*4*5 . 0*3 . 011*10*10*77mmdkBILIAAccweFUkUUUfLUCTioOPPsfof8 . 726368121 10*50*)10*200(*10*77*8121 )2(83236maxmin2min本科生課程設計（論文）125.功率管的選擇額定電壓考慮到功率器件的開關速度和驅(qū)動電路的簡潔，本電源擬選用 MOSFET 作為功率開關管來構(gòu)成半橋電路。整流濾波后的最大電壓值為 368V，功率開關管的額定電壓一般要求高于直流電壓的兩倍，則功率開關管的額定電壓選為 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)整流二極管的設計（1）額定電壓變壓器副邊是雙半波整流電路，加在整流二極管上的反相電壓為在整流管開關時，有一定的電壓震蕩，因此要考慮 2 倍余量，可以選用2*1