半桥型开关稳压电源设计说明

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1、.电力电子技术课程设计论文题目：240W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

2、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11.1 电力电子技术概况11.2 本文设计内容2第2章 电路设计32.1稳压电源总体设计方案32.2 具体电路设计42.2.1 主电路设计42.2.2 控制电路设计5驱动电路设计6保护电路设计72.2.5 整体电路设计82.3元器件型号选择9第3章课程设计总结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

3、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2

4、0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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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 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

10、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

11、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,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,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。变压器采用E55的铁氧体磁

12、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

13、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；4UC3825关断比较器是一个高速的过流比较器,它具有12v的门槛值,保证芯片重新启动前软启动

14、电容完全放电,在超过门槛值时,输出为低电平状态,防止上下桥臂同时导通而引起短路。下图为主电路的控制电路前级的R808和R809与稳压管构成一个启动电路,触发UC3825开始工作后,由反馈输出OUT1自供电。PWM的调制波由R1和CT振荡产生,RT、CT一般按式及式选取。 RT=3V/10mA* CT=/ 式中：f=80kHz,为所取的频率脚1、脚2和脚3构成一误差放大器,做为电压反馈用,脚9为限流,脚8为软启动,脚11及脚14为输出驱动信号。从图中可看出,UC3825功能比较全,外围电路简单,可有效减少PCB的布线与外围元器件,提高了系统的可靠性。图2.3 高速双路PWM控制器UC3825电路

15、图2.2.3驱动电路设计MOSFET的驱动可采用脉冲变压器,它具有体积小,价格低的优点,但直接驱动时,脉冲的前沿与后沿不够陡,影响MOSFET的开关速度。在此,采用了IR2304芯片,它是IR公司新推出的多功能600v高端及低端驱动集成电路,它具有以下优点。1芯片体积小,集成度高。2动态响应快,通断延迟时间220220 ns、内部死区时间1000ns、匹配延迟时间50ns。3驱动能力强,可驱动600v主电路系统,具有61 mA130mA输出驱动能力,栅极驱动输入电压宽达1020V。4工作频率高,可支持100 kHz或以下的高频开关。5输入输出同相设计,提供高端和低端独立控制驱动输出,可通过两个兼容33v、5v和15v输入逻辑的独立CMOS或LSTFL输入来控制,为设计带来了很大的灵活性。6低功耗设计,坚固耐用且防噪效能高。IR2304采用高压集成电路技术,整合设计既降低成本和简化电路,又降低设计风险和节省电路板的空间,相比于其它分立式、脉冲变压器及光耦解决方案,IR2304更能节省组件数量和空间,并提高可靠性。