半桥型开关稳压电源

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1、600W 半桥型开关稳压电源设计摘要本次设计主要是设计一个600W半桥型开关稳压电源，从而为负载供电。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170260V,输出电压为直 流12V恒定，最大电流50A。从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

2、路方案的确定以及计算机仿真图形的绘制与波形分析等方面的研究。关键词：半桥变换器；功率MOS管；脉宽调制；稳压电源；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

3、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

4、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

5、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 本文研究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

6、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12V恒定；4输出直流电流10A；5.最大功率：120W；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.

7、1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

8、 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

9、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IMHz/lOOW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lMH

10、z/100 W 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IMHz/lOOW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.l 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500w，额定电流为10 A 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

11、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SI、S2、Cl、C2和主变压器T1构成了半桥DC / DC变换电路。MOSFET采用1 1NC380。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。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

12、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 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

13、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1. 2v的门槛值，保证芯片重新启 动前软启动电容完全放电，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

14、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(1)及式(2)选取。RT=3V/(10mA)*(1-Dmax) (1)CT=(1.6*Dmax)/(Rt*f) (2)式中：f=80kHz,为所取的频率脚l(INV)、脚2(E/A)和脚3(HI)构成一误差放大器，做为电压反馈用，脚9(ILIM)为限流， 脚8(SS)为软启动，脚ll(OUTA)及脚14(0UTB)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P

15、CB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(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5Ons。3) 驱动能力强，可驱动600v主电路系统，具有61

16、 mA / 130mA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3. 3v、5v和1 5v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

17、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(U VL0)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IR230 4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2.4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

18、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，C 2为自举电容，最好采用性能好的钽电容，R1和R2为限流电阻。2.2.4保护电路设计对于DC/DC电源产品都要求在出现异常情况(如过流、过载)时，系统的保护电路工作，使 变换器及时停止工作。UC3825的保护电路设计也比较简单，如图2.5所示。通过电流互感器得到的采样电流，经过转换后送到UC3825脚9(ILJIM),当电流超过预定值 时，UC3825自动封锁输出脉冲，起到保护作用_CII I 12 图2.5保护电路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

19、，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%。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SKM75GB123D模块，其工作频率选在35 kHz。升压电感L2为2mH / 20A

20、。C5 采用两个450V/ 470”啲电解电容并联。为了提高电路在功率较小时的效率，所设计的PF C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S S（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

21、启动。如图2.7中各图所示即为各种元件在电路中的波形。ij. -bm mi f _ _ .rr-.、h-h-u y 乙._皿7j J = 220 V2 sm wfd (wt ) = = 198 F&托Jo汀1*220/2 = 155.542希- S/ 5msd:i戦軽时PKC df械时虹潦泄影51我丈时】JFC工柞时也减渡仍J-5A3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电压为:二极管两端承受的最大反相电压为:kt(777水10*10*1120.3*0.5*4*106=14000卿昇i：? nctLP HLttL二 8Z/2/

22、JaA1_ 荃 _ 辺杞T12121-877 *10*(200 水10于 *50*10-3368 _2的电感电流最大纹波 吕迎AI为允许峰峰值，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=10+10*20%*0.5=llA4输出滤波电容的设计根据标准，输出电压的峰峰值AVoppV200m V,考虑到功率开关管开关和输出整流二极管开 关时造成的电压尖峰以及直流电压残留的100HZ纹波，可令输出电压的交流纹波为AVpp= 50mV，AU=2V,根据公式根据具体情况可以选择两个4.7卩F/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，

23、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变压器二珀仏+(甘W2DlriAX +刁山，=10 + 0.52= 1U100*0.85*(0.510)2(1-0.85)2次侧整流二极管的设计(1) 额定电变压器副边是双半波整流电路，加在整流二极

24、管上的反相电压为在整流管开关时，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：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PW M控制技术已发展到非常高水平，从而实现

25、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。若能在变压器原边串入耦合电容能有效改善直流偏磁现象可在100500W的中功率领域 进行广泛应用。本文所做的研究只是开关电源中的一小部分，在本文研究基础上，可继续研究 参考文献1 王兆安. 黄俊，电力电子技术.第四版.北京：机械工业出版社,20032 叶慧贞，杨兴洲，新颖开关稳压电源。北京：国防工业出版社19993 石 玉 电力电子技术题例与电路设计指导 北京：机械工业出版社,19994 刘胜利 现代高频开关电源实用技术 电子工业出版社 2001.95 郝万新 电力电子技术 化学工业出版社 2002.16 周志敏 开关电源实用技术 人民邮电出版社 2004.17 苏玉刚 电力电子技术 重庆大学出版社 2004.3