电力电子技术课程设计-240w半桥型开关稳压电源设计

辽 宁 工 业 大 学

电力电子技术课程设计（论文）

题目：240W 半桥型开关稳压电源设计

院（系）： 电气工程学院

专业班级： 电气102

学 号： 100303044

学生姓名： 邹伟龙

指导教师： （签字）

起止时间：2012-12-31至2012-1-11

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：电气工程学院 教研室： 电气教研室 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

摘 要

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形式, 受到人们的青睐. 随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用，人们对其需求量日益增长。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源。开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务，信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求，从而促进了开关电源技术的发展。本次设计采用反激式开关电源，以UC3842作为控制核心器件，运用脉宽调制的基本原理。同时，电路中辅以过压过流保护电路，为系统的安全工作提供保障。

关键词：整流电路；逆变电路；驱动电路

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 开关稳压电源电路设计 .......................................... 3

2.1 半桥型开关稳压电源总体设计方案 ............................... 3

2.2 具体电路设计 ................................................. 5

2.2.1主电路设计 ............................................................................................. 5

2.2.2整流电路设计 ......................................................................................... 6

2.2.3逆变电路设计 ......................................................................................... 7

2.2.4驱动电路设计 ......................................................................................... 8

2.2.5 整体电路设计 ...................................................................................... 10

2.3元器件型号选择 .............................................. 12

第3章 课程设计总结 ................................................. 15

参考文献 ............................................................ 16

1.1 电力电子技术概况

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。随着电力电子技术的不断创新，开关电源产业会有更广阔的发展前景。

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。

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。

整流电路采用单相桥式半控整流电路，由四个晶闸管、一个变压器和一个续流二极管组成。并带有阻感负载。

逆变电路采用半桥逆变电路，它有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的连接点便成为直流电源的中点。优点是简单，适用器件少。

驱动电路采用IR2304芯片。它具有芯片体积小、集成度高、动态响应快、工作频率高、驱动能力强等显著特点。

整体电路由两部分构成。UC3854A ／B 及外围元器件构成控制部分，实现对网侧输入电流和输出电压的控制。功率部分由L2，Cs ，S 等元器件构成Boost 升压电路。开关管S 选择西门康公司的SKM75GBl23D 模块，其工作频率选在35 kHz 。升压电感L2为2mH ／20A 。C5采用两个450V ／470μF的电解电容并联。

第2章 开关稳压电源电路设计

2.1 半桥型开关稳压电源总体设计方案

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（R1、R2）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 主体方框图 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。

设计采用了AC ／DC ／AC ／DC 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、DC ／DC 电路、功率因数校正电路、PWM 控制电路和保护电路等。采用UC3854A ／B 控制芯片组成功率因数校正电路来提高功率因数，用新型的芯片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，还采用了新型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DC ／DC 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C1、C2、Q1、Q2和主变压器T1构成了半桥AC ／DC 变换电路。MOSFET 采用11NC380。电路的工作频率为80 kHz 。变压器采用E55的铁氧体磁芯，无须加气隙。绕制时采用“三段式”绕法，以减小漏感。C4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。C3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C3平波滤波后输出OUT2给控制芯片供电，R1、R2则是反馈电压的采样电阻。主变压器的输出OUT 为高频低压交流电。如图2.2.1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整流电路设计

对每个导电回路进行控制，相对于全控桥而言少了一个控制器件，用二极管代替，有利于降低损耗！如果不加续流二极管，当α突然增大至180°或出发脉冲丢失时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放，只是消耗在负载电阻上，会发生一个晶闸管导通而两个二极管轮流导通的情况，这使Ud 成为正弦半波，即半周期Ud 为正弦，另外半周期为Ud 为零，其平均值保持稳定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，即为失控。所以必须加续流二极管，以免发生失控现象。电路简图如下：

图2.3整流电路图

与全控桥时相似，当负载中电感很大，且电路已工作于稳态。在U2正半周，触发角α处给晶闸管D1加触发脉冲，U2经D1和D4向负载供电。U2过零变负时，因电感作用使电流连续，D1继续导通。但因a 点电位低于b 点电位，使得电流从D4转移至D2，D4关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是由D1和D2续流。此阶段, 忽略器件的通态压降，则Ud=0，不像全控桥电路那样出现Ud 为负的情况。

在U2负半周触发角α时刻触发D3，D 3导通，则向VT1加反向电压使之关断，U2经D3和D2向负载供电。U2过零变正时，D4导通，D2关断。D3和D4续流，Ud 又为零。此后重复以上过程。

半桥逆变电路原理如图，它有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的连接点便成为直流电源的中点。负载连接在直流电源中点和两个桥臂连接点之间。

当可控器件不具有门极可关断能力的晶闸管时，必须附加强迫换流电路才能正常工作。

半桥逆变电路的优点是简单，适用器件少。缺点是输出交流电压的幅值Um 仅为Ud 的二分之一，且直流侧需要两个电容串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。因此半桥电路常用于几千瓦以下的小功率逆变电源。

,

图2.4 逆变电路图

开关器件V1和V2的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏, 且二者互补。当负载为感性时，输出电压为矩形波。当V1或V2为通态时，负载电流和电压同方向，直流侧向负载提供能量；而当VD1或VD2为通态时，负载电流和电压反向，负载电感中储存的能量向直流侧反馈，即负载电感将其吸收的无功能量返回直流侧。反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中，直流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用。VD1、VD2称为反馈二极管，又叫续流二极管。

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(DIP8)，集成度高(可同时驱动同一桥臂的上、下两只开关器件) 。

2)动态响应快，通断延迟时间220／220 ns(典型值) 、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 mA ／130mA 输出驱动能力，栅极驱动输入电压宽达10～20V 。

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3．3v 、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。

7)具有电源欠压保护和关断逻辑，IR2304有两个非倒相输入及交叉传导保护功能，整合了专为驱动电机的半桥MOSFET 或IGBT 电路而设的保护功能。当电源电压降至4．7v 以下时，欠压锁定(UVL0)功能会立即关掉两个输出，以防止直通电流及器件故障。当电源电压大于5v 时则会释放输出(综合滞后一般为0.3v) 。过压(HVIC)及防闭锁CMOS 技术使IR2304非常坚固耐用。另外，IR2304还配备有大脉冲电流缓冲级，可将交叉传导减至最低；同时采用具有下拉功能的施密特(Sohmill)触发式输入设计，可有效隔绝噪音，以防止器件意外开通。

如下图所示为IR2304的连线图

图2.5 驱动电路图

可以看出，IR2304具有连线简单，外围元器件少的优点。其中VCC 由主电路中OUT 自供电，LIN 和HIN 分别接UC3825的两个输出端，VD 要采用快恢复二极管，C1为滤电容，C2为自举电容，最好采用性能好的钽电容，R1和R2为限流电阻。

2.2.5 整体电路设计

为了提高系统的功率因数，整流环节不能采用二极管整流，采用了UC3854A ／B 控制芯片组成功率因数校正电路。UC3854A ／BUnitrode 公司一种新的高功率因数校正器集成控制电路芯片，是在UC3854基础上的改进，其特点是采用平均电流控制，功率因数接近1，高带宽，限制电网电流失真≤3％。图2.6是由UC3854A ／B 控制的有源功率因数校正电路。

图2.6 整体电路图

该电路由两部分组成。UC3854A ／B 及外围元器件构成控制部分，实现对网侧输入电流和输出电压的控制。功率部分由L2，Cs ，S 等元器件构成Boost 升压电路。开关管S 选择西门康公司的SKM75GBl23D 模块，其工作频率选在35 kHz。升压电感L2为2mH ／20A 。C5采用两个450V ／470μF的电解电容并联。为了提高电路在功率较小时的效率，所设计的PFC 电路在轻载时不进行功率因数校正，当负载较大时功率因数校正电路自动投入使用。此部分控制由图1中的比较器部分来实现。R10及R11是负载检测电阻。当负载较轻时，R10及R11上检测的信号输入给比较器，使其输出端为低电平，D5导通，给ENA(使能端) 低电平使UC3854A ／B 封锁。在负载较大时ENA 为高电平才让UC3854A ／B 工作。D6接到SS(软启动端) ，在负载轻时D6导通，使SS 为低电平；当负载增大要求UC3854A ／B 工作时，SS 端电位从零缓慢升高，控制输出脉冲占空比慢慢增大实现软启动。如图2.7中各图所示即为各种元件在电路中的波形。

图2.7 各种元件的波形图

2.3元器件型号选择

1. 输入整流二极管的选择

设输入交流电压为： 则经过桥式整流后的平均

二极管两端承受的最大反相电压为：

极管：IN4005 600V/1A

2. 变压器的选择 （1）变比K T

选最大占空比为0.85，电路中压降ΔU=2V，半桥式电路变压器原边绕组所加电压等于输入电压的一半即U i （min ）=98V

则根据公式:

（2）铁心的选择

A e 为铁心磁路截面积；A w 为铁心窗口面积；P T 为变压器传输的功率；f s 为开关频率；ΔB 为铁心材料所允许的最大磁通密度的变化范围；d c 为变压器绕组导体的电流密度；k c 为绕组在铁心窗口中的填充因数。若铁心材料为铁氧体则ΔB=0.2T，d c =4A/mm²，k c =0.5。根据SG3525的控制选择开关频率为100HZ 。根据公式:

根据具体情况可选择型号为DE25的铁心则A e =40.00mm²，A w =78.2mm²，A e *Aw=3128m m 4可以满足要求。

1

*2202=155. 54V 2

u =i

2sin wt

电压为：

u

d

=

1

π

⎰

π

2sin wtd (wt ) =

2

π

=198V

V ~466. 62V 所以根据实际情U N =(2~3) *155. 54=311. 08

况即可选择整流二

K T ≤

U i (min)D max U 0max +∆U

=6

A e A w ≥=

P T

f s ∆Bd c k c

120

100*0. 2*4*106*0. 5=3000m m 2

（3）变压器的绕组结构：由于铁磁材料的相对磁导率μr 很大，因此励磁电感通常也较大。如果铁心未夹紧，磁路中有气隙，则励磁电感会急剧下降，励磁电流成倍增加，导致变压器性能严重劣化。变压器的漏感同一次、二次绕组互相耦合的紧密程度密切相关，耦合不够紧，则漏感会增加。漏感对电路工作带来的影响主要是负面的，给开关器件造成过电压、形成较大的损耗，过大的漏感还会造成占空比的损失。因此变压器的设计应尽量减小漏感。减小漏感的办法主要是提高一次、二次绕组耦合的紧密程度，如采用间隔绕组等。

3. 输出滤波电感的选择

ΔI 为允许的电感电流最大纹波峰峰值，取最大输出电流的20%即2A 。根据公式电感量为：

选定电感铁心：I 1=10+10*20%*0.5=11A

L ==

U in (max)4K T f s ∆I

368V

4*6*100000*2=77μH

A e A w ≥

LI max I 1B max k c d c

77*10-6*10*11=

0. 3*0. 5*4*106=14000m m 4

4. 输出滤波电容的选择

根据标准，输出电压的峰峰值ΔV opp

C f =

U o min U o min

[1-]2

U 8L f (2f s ) ∆U OPP i max

-∆U k T

1212

[1-]

3688*77*10-6*(200*103) 2*50*10-3

-26

=7. 8μF =

根据具体情况可以选择两个4.7μF/25V铝电解电容并联使用。

5. 功率管的选择 额定电压

考虑到功率器件的开关速度和驱动电路的简洁，本电源拟选用MOSFET 作为功率开关管来构成半桥电路。

整流滤波后的最大电压值为368V ，功率开关管的额定电压一般要求高于直流电压的两倍，则功率开关管的额定电压选为800V 。 额定电流

输出滤波电感电流的最大值为11A ，那么变压器原边电流最大值为11A/6=1.8A，这也是功率开关管中流过的最大电流。考虑到2倍余量2*1.8A=3.6A。

根据实际情况选择IRFBE30，其参数为800V/4.1A。 6. 变压器二次侧整流二极管的选择 （1）额定电压

变压器副边是双半波整流电路，加在整流二极管上的反相电压为：

2*123V=246V的整流管。 （2）额定电流

在双半波整流电路中，在一个开关周期内，整流管的开关情况是：当变压器副边有电压时，只有一个整流管导通；当变压器副边电压为零时，两个整流管同时导通，可近似认为它们流过的电流相等，即为平均负载电流的一半，可近似计算整流管的电流为：

整流管中流过的最大电流：

1

∆I f 2

=10+0. 5*2=11A I DMAX =I OMAX +

U D =

2V in max 2*368

==123V k T 6

在整流管开关时，有一定的电压震荡，因此要考虑2倍余量，可以选用

I D =

12

I 0D max +(I 0) 2(1-D max ) ⨯2

=2

100*0. 85*(0. 5*10) 2(1-0. 85) *2=

2

=6. 8A

第3章 课程设计总结

直流稳压电源是工农业设备、仪器仪表、实验室广泛应用的一种电源，研制高效率、稳定性好的稳压电源是人们一直追求的目标。近年来由于全控型、高频电力电子半导体器件和PWM 控制技术已发展到非常高水平, 从而实现开关稳压电源小型化、轻量化、高效率、高精度等优势, 并在很多方面取代传统的调整式直流稳压电源。高频开关稳压电源的变换电路形式有单端正激、单端反激、全桥和半桥等形式。本文设计的半桥型开关稳压电源采用性能稳定的常用PWM 芯片SG3525来进行反馈调整, 电路具有开关管承受的耐压低, 开关器件少, 驱动电路简单等优点。变压器初级在整个周期中都流过电流, 磁芯利用得更充分，它克服了推挽式电路的缺点, 所使用的功率半导体器件耐压要求低、功率半导体器件饱和压降减少到最小、对输入滤波电容使用电压要求也较低。

参考文献

[1] 王兆安. 电力电子技术. 第五版. 北京：机械工业出版社, 2003 [2] 赵永健. 电力电子器件及其应用. 北京：机械工业出版社，1996 [3] 孟志强. 晶闸管中频感应逆变电源的附加振荡启动方法，2003.6 [4] 陈国雄. 电力电子变流技术. 上海：上海交通大学出版社， 2003.1 [5] 钱照明. 电力电子装置电磁兼容研究最新进展. 电工技术学报，2007.7 [6] 陈桥梁. 集成化是电力电子技术的发展趋势. 交流技术与电力牵引，2006.1