電力電子課程設(shè)計(jì)方案sg脈寬調(diào)制高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源

1、第 1章概述 -3-第 2 章系統(tǒng)總體方案 - 5 -2.1高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理- 5 -2.2高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源總方案 -5 -2.3高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的組成電路及功能- 6 -主電路 - 6 -控制電路 - 7 -保護(hù)電路 - 8 -驅(qū)動(dòng)電路 - 8 -第 3章主電路設(shè)計(jì) -9-3.1 主電路形式選擇- 9 -3.2 高頻變壓器的參數(shù)- 9 -原副邊電壓比 n- 9 -磁芯的選取及變壓器的結(jié)構(gòu)- 9 -變壓器初、次級(jí)匝數(shù) - 10 -確定繞組的導(dǎo)線線徑和導(dǎo)線股數(shù)- 10 -3.3 開(kāi)關(guān)管的選擇- 11 -第 4章控制電路設(shè)計(jì)-12-4.1 主電路 - 12 -4.2 控制電路的設(shè)計(jì)- 1

2、2 -結(jié)構(gòu)和功能介紹 - 12 -控制電路的設(shè)計(jì) -13-4.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)- 14 -第 5 章系統(tǒng)性能測(cè)試與結(jié)果- 16 -5.1負(fù)載調(diào)整率測(cè)試 - 16 -5.2電壓調(diào)整率測(cè)試 - 16 -5.3效率測(cè)試 - 17 -5.4輸出紋波電壓及噪音測(cè)試 - 17 -第 6章心得體會(huì) -18-附錄：總電路圖-19-參考文獻(xiàn) - 20 -電氣與信息工程系課程設(shè)計(jì)評(píng)分表-21-1-/20第1章概述電源裝置是電力電子技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域, 沒(méi)有它的存在，現(xiàn)代的各種電力設(shè)備和給我們生活帶來(lái)方便的各種電器將不可能實(shí)現(xiàn)。有相當(dāng)一部分設(shè)備和電器是使用直流電的，而接入家庭的是都是交流電，這就需要電源轉(zhuǎn)換成

3、所需的直流電。各種AC-DC電源中高頻開(kāi)關(guān)式直流穩(wěn)壓電源由于具有效率高、體積小、重量輕等突出優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。高頻穩(wěn)壓電源要求高功率密度，外型尺寸小，高效率，高可靠性，高功率因數(shù)，以及智能化，低成本，EMI小，可制造性，分布電源結(jié)構(gòu)等?，F(xiàn)在功率 MOSFET和 IGBT 己完全取代功率晶體管和中小電流的晶閘管，使開(kāi)關(guān)電源的高頻化有了可能: 器件的工作頻率可達(dá)400KHz(AC-DC開(kāi)關(guān)變換器 和 1MHz(DC-DC開(kāi)關(guān)變換器 ，超快恢復(fù)功率二極管和MOSFET同步整流技術(shù)的開(kāi)發(fā)，也為研制高效，低電壓輸出(U的開(kāi)關(guān)電源創(chuàng)造了條件。電源按硬開(kāi)關(guān)模式工作時(shí)開(kāi)關(guān)損耗大，高頻化可以縮小電源的體積重

4、量，但開(kāi)關(guān)的損耗更大了. 為此研究開(kāi)發(fā)出開(kāi)關(guān)電壓/ 電流波形不交疊的技術(shù)，即零電壓(ZVS / 零電 (ZCS軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，有效的提高了開(kāi)關(guān)電源的效率例如在九十年代中期30A/48V 開(kāi)關(guān)整流器模塊采用移相全橋 ZVS-PWM技術(shù)后，僅重 7kg。比用 PWM技術(shù)的同類產(chǎn)品，重量下降 40%.最近國(guó)外小功率AC-DC開(kāi)關(guān)電源模塊 (48/12V 總效率可達(dá)到%。48/5VAC-DC開(kāi)關(guān)電源模塊的效率可達(dá)到92-93%，二十世紀(jì)末，國(guó)產(chǎn)的 50-100A 輸出，全橋移相ZV-ZCS-PWM開(kāi)關(guān)電源模塊的效率超過(guò)93%.電流型控制及多環(huán)控制已得到較普遍應(yīng)用，電荷控制，一周期控制，數(shù)字信號(hào)處理器 (D

5、SP控制等技術(shù)的開(kāi)發(fā)及相應(yīng)專用集成控制芯片的研制，使電子電源動(dòng)態(tài)性能有很大提高，電路也有大幅度簡(jiǎn)化。電源裝置是電力電子技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域,在現(xiàn)代的各種電力-2-/20設(shè)備中都得到里廣泛的應(yīng)用。特別是在小型及各種家用電器和電子設(shè)備中大量使用了各種 AC DC 轉(zhuǎn)化電路，其中高頻開(kāi)關(guān)式直流穩(wěn)壓電源由于具有效率高、體積小、重量輕等突出優(yōu)點(diǎn)而得到最為廣泛的應(yīng)用。本課題是設(shè)計(jì)一種基于 SG3525 PWM 控制芯片為核心構(gòu)成的高頻開(kāi)關(guān)電源電路。SG3525 芯片能同時(shí)滿足較好的電氣性能和較低的成本 ,因而被廣泛用于小功率開(kāi)關(guān)電源。用其作為 PWM 控制芯片組成的電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、容易實(shí)現(xiàn)的特

6、點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明由該P(yáng)WM 控制芯片控制的開(kāi)關(guān)電源的性能可同集成穩(wěn)壓器媲美,效率比線性穩(wěn)壓電源高,有很好的發(fā)展前景。電子電源微處理器監(jiān)控，電源系統(tǒng)內(nèi)部通信，電源系統(tǒng)智能化技術(shù)以及電力電子系統(tǒng)的集成化與封裝技術(shù)?？傊?，開(kāi)發(fā)高功率密度，高效率，高性能，高可靠性以及智能化電源系統(tǒng)仍然是今后開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展方向 .-3-/20第 2 章 系統(tǒng)總體方案2.1 高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源是需要直流電設(shè)備中常用的AC-DC轉(zhuǎn)換電源，它的作用是把公網(wǎng)上的220v 交流電轉(zhuǎn)換成適用的直流電。公網(wǎng)上的工頻交流電先整流濾波為固定直流，通過(guò)功率變換式中 : CT , RT分別是與腳 5、腳 6 相連的振

7、蕩器的容和電阻。R d是與腳 7 相連的放電端電阻值。此處CT 、RT 、 R d 分別為圖中的 C53、R47、 R48，取值分別為 2200p、10k、100，即頻率 62khz。管腳 8 接一個(gè)電容的作用是用來(lái)軟啟動(dòng)，減少功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)機(jī)沖擊。 1 和 14 腳輸出采用圖騰柱輸出 , 本電路采用外-6-/20加驅(qū)動(dòng)隔離電路，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力和電源的可靠性。保護(hù)電路保護(hù)電路是開(kāi)關(guān)電源中必不可少的補(bǔ)充，在這個(gè)電路中采用了輸入過(guò)流保護(hù)、輸出過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等。輸入過(guò)流保護(hù)是通過(guò)在原邊主電路中串入小磁環(huán)，小磁環(huán)感應(yīng)電壓輸出經(jīng)過(guò) 整流橋?qū)㈦娏餍盘?hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào) 式中 V 為電路中的壓降，一般取2V ，

8、取 Vimin 130V，代入上式得 n0.42磁芯的選取及變壓器的結(jié)構(gòu)目前變壓器較為簡(jiǎn)潔常用的設(shè)計(jì)方法是 Ap 法。可根據(jù)下面公式選取合適的磁芯： AP=AeAW Pt/2f Bk cj） 式中， Ae 為磁芯截面積； Aw 為磁芯的窗口截面積； Pt 為變壓器傳輸?shù)目偣β?；f 為開(kāi)關(guān)頻率； B 為磁芯材料所允許的最大磁通擺幅；kc 為繞組的窗口填充系數(shù)j 為導(dǎo)線的電流密度。在這里有PT=800 1 1/0.85）, 0.85 為效率，里 B 取 0.2T， kc 取 0.4，j 一般取 4A/mm2 。查有關(guān)磁芯手冊(cè)，查得EE55 磁芯，其Ae=353mm2，Aw=280mm2，則其 Ap

9、=98840mm4。考慮到留有一定的裕量使電源更可靠地工作，這里采用兩個(gè)磁芯組合而成。由于變壓器傳輸?shù)墓β瘦^大，寄生參數(shù)對(duì)其影響很大。所以變壓器的繞制方法很重要，否則會(huì)引起變壓器的性能下降。為了減小漏感，這里采用三明治繞法。同時(shí)，為了減小高頻噪音和變壓器的分布電容，原副邊之間加入屏蔽層。-8-/20變壓器初、次級(jí)匝數(shù)為了保證在任何條件下磁芯不飽和，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照最大伏秒面積計(jì)算匝數(shù)。因?yàn)殡娐分须妷旱牟ㄐ味际欠讲?，所以最大伏秒面積的計(jì)算可以簡(jiǎn)化為電壓和脈沖寬度的乘積。通常計(jì)算二次側(cè)最大伏秒面積較為方便。對(duì)半橋電路有：N2=vo/2BAefs ） ，N1 =nN2代入數(shù)值計(jì)算得，變壓器的次級(jí)匝數(shù)為3

10、0.6 匝，實(shí)際電路中取35 匝，由原副邊電壓比 n 可計(jì)算得到變壓器的初次級(jí)匝數(shù)為15 匝。確定繞組的導(dǎo)線線徑和導(dǎo)線股數(shù)在選用繞組的導(dǎo)線線徑，要考慮導(dǎo)線的集膚效應(yīng)。為了更有效的利用導(dǎo)線，減小集膚效應(yīng)的影響，一般要求導(dǎo)線線徑小于兩倍穿透深度，即應(yīng)選用線徑r 小于2 0.42mm2 的銅導(dǎo)線1 。在此采用0.31mm 線徑的導(dǎo)線多股并繞 。 原、副 邊導(dǎo) 線的 截面 積分 別為 ：AC1=Iomax/jn=4/4=0.428mm2 ， AC2=Iomax/j=4/4=1mm2 單股線面積為： 3.14 0.31 0.31/4=0.0754mm2計(jì)算原邊和副邊的導(dǎo)線股數(shù)分別為：1/0.0754=1

11、3.26 股） ，0.428/0.0754=5.67股）3.3 開(kāi)關(guān)管的選擇交流輸入電壓的最大值為 260V，整流濾波后的直流電壓的最大值為 368V。所以功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)最大漏極電壓為 368V，應(yīng)選擇耐壓在 600V 以上的功率開(kāi)關(guān)管。第 4 章控制電路設(shè)計(jì)4.1 主電路 半橋式開(kāi)關(guān)電源主電路如圖1 所示。圖中開(kāi)關(guān)管Q1 、-9-/20Q2 選用 MOSFET, 因?yàn)樗请妷候?qū)動(dòng)全控型器件,具有驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快及安全工作區(qū)大等優(yōu)點(diǎn)。半橋式逆變電路一個(gè)橋臂由開(kāi)關(guān)管 Q1 、 Q2 組成 , 另一個(gè)橋臂由電容 C6 、C7 組成。高頻變壓器初級(jí)一端接在 C6 、C7 的中點(diǎn)

12、 , 另一端接在 Q1 、Q2 的公共連接端 , Q1 、Q2 中點(diǎn)的電壓等于整流后直流電壓的一半 ,開(kāi)關(guān) Q1、 Q2 交替導(dǎo)通就在變壓器的次級(jí)形成幅值為 V i/2 的交流方波電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的占空比 , 就能改變變壓器二次側(cè)整流輸出平均電壓V o。 Q1 、Q2斷態(tài)時(shí)承受的峰電壓均為V i，由于電容的隔直作用，半橋型電路對(duì)由于兩個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱而造成的變壓器一次電壓的直流分量具有自動(dòng)平衡作用，因此該電路不容易發(fā)生變壓器偏磁和直流磁飽和的問(wèn)題，無(wú)須另加隔直電容變壓器原邊并聯(lián)的R2 、C5 組成 RC 吸收電路，用來(lái)吸收高頻尖峰。得注意的是，在半橋電路中，占空比定義為2 ：D=2t

13、on/Ts圖 1 開(kāi)關(guān)電源主電路-10-/204.2 控制電路的設(shè)計(jì)控制電路的核心是根據(jù)反饋控制原理，將期望輸出電壓信號(hào)與實(shí)際輸出電壓信號(hào)進(jìn)行比較，利用誤差信號(hào)對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)際輸出電壓維持在期望輸出電壓附近的目標(biāo)。本課題選用SG3525芯片做集成控制器。結(jié)構(gòu)和功能介紹PWM 控制芯片 SG3525 具體的內(nèi)部引腳結(jié)構(gòu)如圖1 及圖 2 所示。其中腳16為 SG3525 的基準(zhǔn)電壓源輸出，精度可以達(dá)到。腳 1 及腳 2 分別為芯片內(nèi)部誤差放大器 的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個(gè)兩級(jí)差分放大器，直流開(kāi)環(huán)增益為70dB 左右。 根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性要求，

14、在誤差放大器的輸出腳9 和腳 1 之間一般要添加適當(dāng)?shù)姆答佈a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。S1IN-VRET162IN+VI153SYNCOU TB144OSCVCC135CTGN D126RTOU TA117DISSD108SSCOMP9-11-/20控制電路的設(shè)計(jì)控制電路是開(kāi)關(guān)電源的核心部分，控制環(huán)節(jié)的好壞直接影響電路的整體性能，在這個(gè)電路中采用的是以SG3525 芯片為核心的控制電路。如圖2 所示 ,采用恒頻脈寬調(diào)制控制方式。誤差放大器的輸入信號(hào)是電壓反饋信號(hào) ,是由輸出電壓經(jīng)分壓電路獲取,與普通誤差放大器的接法不同的是該電壓反饋接成射極跟隨器形式，反饋信號(hào)比較精確，因而可以精確地控制占空比調(diào)節(jié)輸出電壓，提高

15、了穩(wěn)壓精度。SG3525 芯片振蕩頻率的設(shè)定范圍為100 500 kHz, 芯片的腳 5 和腳 7 間串聯(lián)一個(gè)電阻 Rd 就可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間。SG3525 的振蕩頻率可表示為 2 ： f s =1/(CT (0.7RT + 3R d式中 : CT , RT 分別是與腳 5、腳 6相連的振蕩器的電容和電阻。R d是與腳 7相連的放電端電阻值。此-12-/20處 CT 、RT 、 R d 分別為圖中的C53、 R47、 R48 ，取值分別為2200p、10k、100，即頻率為 62khz。 管腳 8接一個(gè)電容的作用是用來(lái)軟啟動(dòng)， 減少功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)機(jī)沖擊。11 和 14 腳輸出采用圖騰

16、柱輸出 ,本電路采用外加驅(qū)動(dòng)隔離電路，增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)能力和電源的可靠性。保護(hù)電路是開(kāi)關(guān)電源中必不可少的補(bǔ)充，在這個(gè)電路中采用了輸入過(guò)流保護(hù)、輸出過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等。輸入過(guò)流保護(hù)是通過(guò)在原邊主電路中串入小磁環(huán)，小磁環(huán)感應(yīng)電壓輸出經(jīng)過(guò)整流橋?qū)㈦娏餍盘?hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào) 交流輸入電壓220V，輸出電流為50%Io 時(shí)，測(cè)出穩(wěn)定的直流輸出電壓值 Uo。(2 調(diào)整負(fù)載電流為100%Io 與(10%-15%Io，測(cè)出穩(wěn)定的直流輸出電壓值 Uo1，Uo2(3 計(jì)算 100%Io與 (10%-15%Io條件下電壓調(diào)整率1=(Uo1-Uo/Uo100%2=(Uo2-Uo/Uo100%5.2 電壓調(diào)整率測(cè)試1定義：反映交

17、流輸入電壓變化對(duì)輸出電壓的影響。又稱電壓調(diào)整率。2測(cè)試方法：(1 交流輸入電壓220V，輸出電流為滿載時(shí)，測(cè)出穩(wěn)定的直流輸出電壓值 Uo。(2 調(diào)整交流輸入電壓為180V， 260V，測(cè)出穩(wěn)定的直流輸出電壓值Uo1， Uo2(3 計(jì)算 180V，260V條件下電壓調(diào)整率1=(Uo1-Uo/Uo100%2=(Uo2-Uo/Uo100%5.3 效率測(cè)試1內(nèi)容：測(cè)試不同交流輸入電壓，不同負(fù)載條件下電源效率2測(cè)試方法：(1 交流輸入電壓90V， 160V， 220V， 260V，輸出電流為100%Io，30%Io，空載時(shí)，測(cè)出對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定的直流輸出電壓值Uo 與對(duì)應(yīng)的交流輸入功率 Pin 。(2 計(jì)算效

18、率 =Po/Pin 100%=(Uo Io/Pin 100%-15-/205.4 輸出紋波電壓及噪音測(cè)試1、測(cè)試條件：交流輸入電壓220V，輸出滿載。2 、測(cè)試方法：測(cè)試時(shí)，示波器TIME/DIV 檔置10uS/div ，帶寬置20MHz，讀取示波器顯示的輸出電壓峰 - 峰值即為輸出紋波電壓 ( 包含毛刺在內(nèi)的峰 - 峰值為紋波 +噪音 。根據(jù)以上設(shè)計(jì)，采用 SG3525輸出電壓為 24V，電流為 10A的高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的性能進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該開(kāi)關(guān)電源的紋波電壓控制、電壓調(diào)節(jié)精度及電源工作效率都符合設(shè)計(jì)要求。第6章心得體會(huì)在電子設(shè)備中電源是其中重要組成部分之一，它負(fù)責(zé)給主電路提供穩(wěn)

19、定可靠的電力，沒(méi)有一部高質(zhì)量的電源，電子設(shè)備就不能更好的工作。在現(xiàn)實(shí)生活中單相電的使用非常廣泛，大量的電子設(shè)備中都有單相 AC-DC 轉(zhuǎn)換電路。它運(yùn)用功率變換器進(jìn)行電能變換，經(jīng)過(guò)變換電能，可以滿足各種用電要求，其高效節(jié)能簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)使其得到了廣泛的應(yīng)用。其中高頻開(kāi)關(guān)電源在重量、體積和效率等方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備。這次課程設(shè)計(jì)我設(shè)計(jì)完成了基于 SG3525 的脈寬調(diào)制高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)。這是一個(gè)以前學(xué)習(xí)中沒(méi)有接觸過(guò)的芯片，而且電路的設(shè)計(jì)中還要有各種保護(hù)和檢測(cè)電路，可以說(shuō)是比較復(fù)雜的。對(duì)我來(lái)說(shuō)是個(gè)難得的機(jī)會(huì)。首先通過(guò)查找 SG3525 和電路范例的過(guò)程擴(kuò)展了自己的視野，在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代里，我們應(yīng)該有效的利用好這一資源。它不僅可以給我們提供豐富的資料，還給我們提供了一個(gè)高效方便的平臺(tái)。這次的課程設(shè)計(jì)的完成，網(wǎng)絡(luò)提供了很大的助力。其次 , 這次課程設(shè)計(jì) ,我獨(dú)立運(yùn)用所學(xué)電力電子知識(shí)完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了完成好這個(gè)課程設(shè)計(jì)，我查閱了大量關(guān)于開(kāi)關(guān)電源方面的書(shū)籍及相關(guān)論文。通過(guò)做這些工作鍛煉了我知識(shí)總結(jié)的能力，增強(qiáng)了我應(yīng)用電力電子知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，更提高了自己分析問(wèn)題和解決問(wèn)題-16-/20的能力。第三 , 通過(guò)這