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1、-半桥型开关稳压电源的设计-第 7 页半桥型开关稳压电源的设计一、 开关稳压电源概况电是工业的动力，是人类生活的源泉。电源是生产电的装置，表示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率等；在同一参数的要求下，又有重量、体积、效率和可靠性等指标。我们用的电，一般都需要经过转换才能适合使用的要求，例如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率转换成小功率等。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
2、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
3、力变换，后者用于信息处理。按照电子理论，所谓AD/DC就是交流转换为直流；AC/AC称之为交流变交流，即为改变频率；DC/AC称为逆变；DC/DC为直流变交流后再变直流。为了达到转换目的，电源变换的方法是多样的。自上世纪六十年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源。二、 开关电源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。
4、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。具体设计技术参数如下：1.输入电压单相
5、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. 元器件型号的选择三、 电路设计t 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（
6、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。整 流逆 变PWM控制工作电源图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
7、，的开关电源。 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。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MOSFE
8、T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
9、率高。 四、具体电路设计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500w，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
10、中Q3、Q4、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。D1、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，R5、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
11、。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、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
12、；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1(INV
13、)、脚2(EA)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11(0UTA)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电路图3、 保护电路设计对于DCDC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2.4所示。过压护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到一定的电压值时，自动开通 保护电路，使过
14、压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现，将电容并联在回路中，当电路中出现尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效的抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡。图2.4 RC阻容过电压保护电路4、 整体电路设计 有具体电路图可知整体电路图图2.5 整体电路图a) 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： 所以根据实际情况即可选择整流二极管：IN400
15、5（ 600V/1A） 2.变压器的设计（1）变比KT选最大占空比为0.85，电路中压降U=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Ui（min）=98V则根据公式:（2）铁心的选择Ae为铁心磁路截面积；Aw为铁心窗口面积；PT为变压器传输的功率；fs为开关频率；B为铁心材料所允许的最大磁通密度的变化范围；dc为变压器绕组导体的电流密度；kc为绕组在铁心窗口中的填充因数。若铁心材料为铁氧体则B=0.2T，dc=4A/mm，kc=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Ae=40.00mm，Aw=78.2mm，A
16、e *Aw=3128可以满足要求。（3）变压器的绕组结构设计：由于铁磁材料的相对磁导率r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.输出滤波电感的设计I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
17、电感量为选定电感铁心：I1=10+10*20%*0.5=11A4.输出滤波电容的设计根据标准，输出电压的峰峰值Vopp200mV，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Vopp=50mV，U=2V，根据公式根据具体情况可以选择两个4.7F/25V铝电解电容并联使用。5.功率管的选择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。输出滤波电感电流的最大值为1
18、1A，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设计（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：由于电路及仪器本身问题，所以测量的波形不是很理想。总结：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。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。