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1、 电力电子技术电力电子技术课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：240W半桥型开关稳压电路设计半桥型开关稳压电路设计 摘 要 本次设计的是 240W 半桥型开关稳压电源，为负载供电。 电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备 的技术指标及能否安全可靠地工作。由于开关电源本身消耗的能量低，电源效率 比普通线性稳压电源提高一倍，被广泛用于电子计算机、通讯、家电等各个行业。 它的效率可达 85以上，稳压范围宽，除此之外，还具有稳压精度高、不使用电 源变压器等特点，是一种较理想的稳压电源。本文介绍了一种采用半桥电路的开 关电源，其输入电压为单相 170 260V，输出
2、电压为直流 24V 恒定，最大电流 10A。设计内容包括主电路的原理与主电路图的设计、控制电路器件的选取、保 护电路方案的确定以及计算机仿真与波形分析等方面。 关键词：半桥变换器；功率 MOS 管；脉宽调制；稳压电源。 目 录 第 1 章 绪论 .1 1.1 电力电子技术概况 .1 1.2 本文设计内容 .2 第 2 章 电路设计 .3 2.1 稳压电源总体设计方案.3 2.2 具体电路设计.4 2.2.1 主电路设计 .4 2.2.2 控制电路设计 .5 2.2.3 驱动电路设计.6 2.2.4 保护电路设计.7 2.2.5 整体电路设计 .8 2.3 元器件型号选择.9 第 3 章 课程设
3、计总结 .13 参考文献 .14 第 1 章 绪论 1.1 电力电子技术概况 电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子 技术和数字电子技术属于信息电子技术。电力电子技术是应用于电力领域的电子 技术，它是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的新兴学科。目前所用的电 力电子器件采用半导体制成，故称电力半导体器件。信息电子技术主要用于信息 处理，而电力电子技术则主要用于电力变换。电力电子技术的发展是以电力电子 器件为核心，伴随变换技术和控制技术的发展而发展的。 电力电子技术可以理解为功率强大，可供诸如电力系统那样大电流、高电压 场合应用的电子技术，它与传统的电子技术相比，其
4、特殊之处不仅仅因为它能够 通过大电流和承受高电压，而且要考虑在大功率情况下，器件发热、运行效率的 问题。为了解决发热和效率问题，对于大功率的电子电路，器件的运行都采用开 关方式。这种开关运行方式就是电力电子器件运行的特点。 电力电子学这一名词是 20 世纪 60 年代出现的， “电力电子学”和“电力电 子技术”在内容上并没有很大的不同，只是分别从学术和工程技术这 2 个不同角 度来称呼。电力电子学可以用图 1 的倒三角形来描述，可以认为电力电子学由电 力学、电子学和控制理论这 3 个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。 电力电子技术与电子学的关系是显而易见的。电子学可分为电子器件和电子
5、电路 两大部分，它们分别与电力电子器件和电力电子电路相对应。从电子和电力电子 的器件制造技术上进两者同根同源，从两种电路的分析方法上讲也是一致的，只 是两者应用的目的不同，前者用于电力变换，后者用于信息处理。 目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为 主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞 速发展不可缺少的一种电源方式。并对开关电源提出了小型轻量要求，此外要求 开关电源效率要更高、性能更好、可靠性更高等。当前，各国正在努力开新器件、 新材料以及改进装连方法，进一步提高效率，缩小体积，降低价格，以解决开关 电源面临的课题。随着电力电子技术
6、的不断创新，开关电源产业会有更广阔的发 展前景。 1.2 本文设计内容 开关电源在效率、体积和重量等方面都远远优于线性电源，因此已经基本取 代了线性电源，成为电子热备供电的主要电源形式，受到人们的青睐。采用先整 流滤波、后经高频逆变得到高频交流电压，然后由高频变压器降压、再整流滤波 的方法。这种采用高频开关方式进行电能变换的电源称为开关电源。随着电子技 术和应用迅速地发展，开关稳压电源的品种和类型也越来越多。按激励方式分为 他激式和自激式；按调制方式分为脉宽调制型、频率调制型和混合调制型；按开 关管电流的工作方式分开关型和谐振型；按开关晶体管的类型分为晶体管型和可 控硅型；按储能电感与负载的连
7、接方式分为串联型和并联型；按晶体管的连接方 式分为单端式、推挽式、半桥式、全桥式。本文设计了一种半桥型开关稳压电源， 它具有驱动电路简单，驱动功率小，开关速度快，开关频率高等优点。具体设计 技术参数如下： 1.输入电压单相 170260V； 2.输入交流电频率 4565HZ； 3.输出直流电压 24V 恒定； 4.输出直流电流 10A； 5.最大功率：250W； 6.稳压精度：直流输出电压整定值的 1%； 本文分别从以下几个方面进行了设计： 1. 主电路设计； 2. 控制电路设计； 3. 驱动电路设计； 4. 保护电路设计； 5. 整体电路设计； 6. 元器件型号的选择； 第 2 章 电路设计
8、 2.1 稳压电源总体设计方案 随着电力电子技术的发展，电源技术被广泛应用于各个行业。对电源的要求 也各有不同。本次设计的是一种功率较大，的开关电源。 如图 2.1 为本次设计的主体方框图。 设计采用了 ACDCACDC 变换方 案。一次整流后的直流电压，经过有源功率因数校正环节以提高系统的功率因数， 再经半桥变换电路逆变后，由高频变压器隔离降压，最后整流输出直流电压。系 统的主要环节为有源功率因数校正电路、DCDC 电路、功率因数校正电路、 PWM 控制电路和保护电路等。 开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开 关器件的占空比来调整输出电压。开关电源的基本构成如下
9、图所示，其中 DC/DC 变换器进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有起动、过流与过压保 护、噪声滤波等电路。输出采样电路检测输出电压变化，与基准电压 Ur 比较， 误差电压经过放大及脉宽调制（PWM）电路，再经过驱动电路控制功率器件的占 空比，从而达到调整输出电压大小的目的。具有一定的抗不平衡能力，对电路对 称性要求不很严格；适应的功率范围较大，从几十瓦到千瓦都可以；开关管耐压 要求较低；电路成本比全桥电路低等。这种电路常常被用于各种稳压输出的 DC 变换器 DC/DC 变换器有多种电路形式，常用的有工作波形为方波的 PWM 变换器以及 工作波形为准正弦波的谐振型变换器。 图 2.1
10、 主体方框图 采用 UC3854AB 控制芯片组成功率因数校正电路来提高功率因数，用芯片 UC3825 作为控制芯片来代替 SG3525，不仅外围电路简单，而且具有有容差过压 限流功能，还采用了 IR2304 作为驱动芯片，动态响应快，且自带死区，防止半 桥上下管直通。 该电路用高速双路 PWM 控制器 UC3825 为控制芯片，功率 MOSFET 为开关器件 而构成的推挽逆变器，逆变器输出 ，经高频 LC 滤波后输出 1MHz/100W 正弦波功 率信号。实验证明电路产生的波形质量好，电路结构简单，控制方便，并具有体 积小，效率高的特点。 低频小功率信号源往往用线性功率放大电路，其电路比 较
11、简单，波形质量好，易于实现。而对于高频、中大功率信号源用线性功率放大 电路难以实现，特别是对于要求 1MHz/100W 正弦波功率信号源，采用线性功率放 大电路，其电路结构复杂，调整困难，不易实现。而采用高速双路 PWM 控制器 UC3825 为控制芯片，功率 MOSFET 为开关器件，经 LC 高频滤波，输出 1MHz/100W 正弦波功率信号源，其波形质量好，电路结构简单，体积小，效率高 2.2 具体电路设计 2.2.1 主电路设计 反激式电源一般用在 100W 以下的电路，而本电源设计最大功率达到 250W，额定电流为 10A 左右。在功率较大的高频开关电源中，常用的主变换电 路有推挽电
12、路、半桥电路、全桥电路等。其中推挽电路用的开关器件少，输出功 率大，但开关管承受电压高(为电源电压的 2 倍)，且变压器有 6 个抽头，结构复 杂；全桥电路开关管承受的电压不高，输出功率大，但需要的开关器件多(4 个)， 驱动电路复杂；半桥电路开关管承受的电压低，开关器件少，驱动简单。根据对 各种拓扑方案的电气性能以及成本等指标的综合比较，本电源选用半桥式 DCDC 变换器作为主电路。如图 2.2 即为主电路图。 图 2.2 主电路图 图 2.2 中 S1、S2、C1、C2 和主变压器 T1 构成了半桥 DCDC 变换电路。 MOSFET 采用 11NC380。电路的工作频率为 80 kHz。
13、变压器采用 E55 的铁氧体 磁芯，无须加气隙。绕制时采用“三段式”绕法，以减小漏感。R1 和 R2 用以保证 电容分压均匀，R3、C3 和 R4、C4 为 MOS 管两端的吸收电路。C5 为隔直电容， 用来阻断与不平衡伏秒值成正比的直流分量，平衡开关管每次不相等的伏秒值。 C5 采用优质 CBB 无感电容。Ct 是电流互感器，作为电流控制时取样用。 D3、D4 采用快恢复二极管，经过 L1 和 C6、C7 平波滤波后输出 OUT2 给控制芯 片供电，Rs、R6 则是反馈电压的采样电阻。主变压器的输出 OUT3 为高频低压 交流电。如图 2 所示，反馈电压和输出电压同一绕组，样，可以在负载变化
14、时最 大限度地保证输出电压的稳定。后级可接一个或多个多路输出的变压器，然后通 过整流电路整流，这样既能保证每路输出都是独立的，又可以得到任意大小的电 压。故可满足 DSP 等需要多路不同电压供电且精度较高的要求。 2.2.2 控制电路设计 系统的控制电路采用高速双路的 PWM 控制器 UC3825，如图 2.3 所示即为所 选电路，其内部电路主要由高频振荡器、PWM 比较器、限流比较器、过流比较 器、基准电压源、故障锁存器、软启动电路、欠压锁定、PWM 锁存器、输出驱 动器等组成。它比 SG3525 具有以下优点： 1)改进了振荡电路，提高了振荡频率的精度，并且具有更精确的死区控制； 2)具有限流控制功能，且门槛电流有 5的容差； 3)低启动电流(100MA)； 4)UC3825 关断比较器是一个高速的过流比较器，它具有 12v 的
