1、電力電子技術課程設計（論文）題目： 半橋型開關穩壓電源設計 院 （系）： 專業班級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： （簽字）起止時間：課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院 教研室：注：平時：20% 論文質量60% 答辯20%以百分制計算 學 號090303040 學生姓名金 戈 專業班級電氣092班設計題目半橋型開關穩壓電源設計課程設計（論文）任務課題完成的設計任務及功能、要求、技術參數實現功能為實驗室電子設備提供24V穩壓范圍寬、大功率直流電源，以取代低效率的線性穩壓電源。設計任務于要求1、方案的經濟技術論證。2、整流電路設計。3、逆變電路設計。4、確定高頻變壓器變比及容量；

2、5、通過計算選擇器件的具體型號。6、控制電路設計或選擇。7、繪制相關電路圖。8、在實驗室進行模擬調試或matlab仿真。9、完成4000字左右說明書。技術參數1、輸入電壓單相1870 242V。2、輸入交流電頻率4565HZ。3、輸出直流電壓24V恒定。4、輸出直流電流10A。5最大功率：250W。6、穩壓精度：±1工作計劃第1天：集中學習；第2天：收集資料；第3天：方案論證；第4天：輸入整流濾波電路設計；第5天：逆變電路設計；第6天：確定高頻變壓器變比及容量；第7天：輸出整流濾波電路設計；第8天：控制電路設計；第9天：總結并撰寫說明書；第10天：答辯指導教師評語及成績平時： 論文質

3、量： 答辯： 指導教師簽字： 總成績： 年 月 日 摘要 開關電源是現代電力電子設備不可或缺的組成部分，其質量的優劣直接影響子設備性能，其體積的大小也直接影響到電子設備整體的體積。本設計根據設計任務進行了方案設計，設計了相應的硬件電路，研制了250我半橋開關電源。整個系統包括主電路、控制電路和驅動電路三部分內容。系統主電路包括單相輸入整流、半橋式逆變、高頻交流輸出、輸出整流、輸出濾波幾部分。控制電路包括主電路開關管控制脈沖的產生和保護電路。論文具體地介紹了主電路、控制電路、驅動電路等各部分的設計及實驗過程，包括元器件的選取以及參數計算本文介紹一種半橋電路的開關電源，是輸入為單相交流170260

4、v，輸入頻率4565HZ，輸出直流電壓24v，輸出直流電流10A ，最大功率250w。重點介紹該電源的構思、理論、工作原理及特點。關鍵詞：開關穩壓電源 ；半橋；高頻變壓器 目錄第1章緒論11.1電力電子發展史11.2半橋型開關穩壓電源概括21.2.1開關電源的概念21.2.2開關電源的分類21.3本文設計內容2第2章半橋穩壓電源設計42.1總體設計方案42.2電路設計42.2.1 輸入整流濾波電路設計42.2.2逆變回路設計51.高頻開關變換器的基本原理52.逆變回路的基本原理52.2.3輸出整流濾波設計62.2.4主電路設計72.2.5保護電路72.2.6 控制電路82.2.7總體電路圖10

5、第3章數據分析計算113.1器件的選擇113.1.1輸入整流器件113.1.2輸出整流器件1131.3元件選擇113.1.4保護電路器件選擇123.2具體參數設計133.4MATLAB電路仿真133.4.1MATLAB簡介133.4.2仿真電路圖13第4章設計總結15第4章設計總結15參考文獻16第1章緒論開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源。隨著電力電子技術的發展和創新，使得開關電源技術在不斷地創新，這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣泛的發展空間。隨著開關電源在計算機、通信、家用電器等方面的廣泛應用,人們對其需

6、求量增長和效率、體積、重量及可靠性等方面要求更高。開關電源以其效率高、體積小、重量輕等優勢在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的線性電源。在半橋式變換器電路中,變壓器初級在整個周期中都流過電流,磁芯利用得更加充分。它克服了推挽式電路的缺點,所使用的功率晶體管耐壓要求較低；晶體管的飽和壓降減少到了最小;對輸入濾波電容使用電壓要求也較低，半橋式變換器在高頻開關電源設計中得到廣泛的應用。本文將介紹一款半橋式開關電源,所用開關器件為功率MOSFET管, 開關工作頻率為45 65 Hz,具有體積小、重量輕、成本低等特點。1.1電力電子發展史最早的開關電源出現在60年代，出現的是串聯型開關電源，功率晶體管

7、用于開關狀態，后來脈寬調制(PWM)控制技術有了發展，用以控制開關變換器，得到PWM開關電源， PWM開關電源效率可達65%-70%，1974年研制成了工作頻率達到20kHz的開關電源，在電源技術發展史上譽為20kHZ革命。1976年，美國硅通用公司首次生產出世界上第一片集成脈寬調制器，使開關電源的控制器得到簡化，系統的可靠性也大為增強。八十年代，國內高頻開關電源只在個人計算機、電視機等若干設備上得到應用。由于開關電源在重量、體積、用銅、用鐵及能耗等方面都比線性電源和相控電源有顯著減少，對整機多相指標有良好影響，因此它的應用得到了推廣。近年來越來越多領域應用開關電源，取得顯著效益。電力電子技術

8、分為電力電子器件制造技術和交流技術（整流，逆變，斬波，變頻，變相等）兩個分支。 現已成為現代電氣工程與自動化專業不可缺少的一門專業基礎課，在培養該專業人才中占有重要地位。它是將一種形式的工業電能轉換成另一種形式的工業電能。例如，將交流電能變換成直流電能或將直流電能變換成交流電能；將工頻電源變換為設備所需頻率的電源；在正常交流電源中斷時，用逆變器（見電力變流器）將蓄電池的直流電能變換成工頻交流電能。應用電力電子技術還能實現非電能與電能之間的轉換。例如，利用太陽電池將太陽輻射能轉換成電能。與電子技術不同，電力電子技術變換的電能是作為能源而不是作為信息傳感的載體。因此人們關注的是所能轉換的電功率。1

9、.2半橋型開關穩壓電源概括1.2.1開關電源的概念電源是將各種能源轉換成為用電設備所需要的裝置，是所有靠電能工作的裝置的動力源泉。直流開關電源是一種由占空比控制的開關電路構成的電能變換裝置，用于交流直流或者直流直流電能變換，通常稱其為開關電源。 開關電源的核心為電力電子開關電路，根據負載對電源提出的輸出穩壓或穩流特性的要求，利用反饋控制電路，采用占空比控制方法，對開關電路進行控制。開關電源的這一技術特點使得它具有，效率高、體積小、重量輕、頻率高、電感、電容等濾波元件和變壓器體積小。1.2.2開關電源的分類開關電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直

10、流電壓，也稱為直流斬波斬波器的工作方式有兩種：一、脈寬調制方式Ts不變，改變ton（通用）。二、頻率調制方式，ton不變，改變Ts（易產生干擾）。其具體的電路由以下幾類：（1） Buck電路降壓斬波器。（2） Boost電路升壓斬波器。（3） Buck-Boost電路降壓或升壓斬波器。（4） Cuk電路降壓或升壓斬波器。AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為“整流”，功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。 AC/DC變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全波電路。按電源相數可分為單項、三相、多相。按電路工作象限可分為一象限、二象限、三象限、四象限

11、。1.3本文設計內容隨著科學技術的日益發展,人們對電路的要求也越來越高,由于在生產實際中的需要。需要提供不同的穩壓電源。本文為實驗室電子設備提供24V穩壓范圍寬、大功率直流電源，以取代低效率的線性穩壓電源。首先進行總體方案的分析，整流電路的設計，逆變電路的設計，主電路和輸出整流回路的設計。由工頻交流經橋式整流電路得到直流電流，再由半橋開關逆變得到高頻交流電，經整流濾波后得到所需直流電。可供電子設備使用。其中橋式整流采用四個二極管，逆變電路由兩個串聯的電容和兩個串聯的MOS管構成，輸出回路由電容電感和二極管構成。為確保電路的可靠運行本文增加保護電路設計。過壓保護采用電阻電感串聯吸收網絡。過流保護

12、采用快速熔斷器保護。其次是參數計算，分析各性能指標，選擇器件，通過仿真分析波形。確定最終結論。上述過程可為實驗設備提供24V范圍的電壓，可以取代線性的不穩定電壓，為實驗的可靠進行提供確實保障。第2章半橋穩壓電源設計 2.1總體設計方案 整個課題的設計，分為三部分。一、主電路的設計，包括整流輸入濾波、半橋式逆變電路、輸出整流、輸出濾波。二、開關管的驅動電路。三、控制電路的設計，包括控制逆變電路開關管工作的脈沖輸出、軟啟動、調占空比以及保護電路。半橋型開關穩壓電源設計方案遵循開關電源的變換框圖。如2.1圖所示：半橋逆變電路輸入濾波電路輸出整流濾波輸入整流電路 圖2.1開關電源變換由工頻交流經橋式整

13、流電路得到直流電流，再由半橋開開關逆變得到高頻交流電，經整流濾波后得到所需直流電。可供電子設備使用。首先，電源流入輸入整流濾波回路將交流電通過整流模塊變換成含有脈動成分的直流電，然后通過輸入濾波電容將脈動直流電變為較平滑的直流電。其次，功率開關橋由控制電路提供觸發脈沖把濾波得到的直流電變換為高頻的方波電壓，通過高頻變壓器傳送到輸出側。最后，輸出整流濾波回路將高頻方波電壓濾波成為所需的直流電壓或電流。22電路設計2.2.1 輸入整流濾波電路設計整流濾波回路是開關電源的重要組成部分，它可以提高電壓、電流的穩定度，減小干擾。按其所在的位置不同，分為輸入和輸出整流濾波回路。本文研究的電源額定工作狀態的

14、技術要求為:輸出電壓24V,輸出電流10A，輸出功率約240w，為了減小電源的輸入濾波電容等原因，本文實驗用電源電路采用單相橋式整流。由工頻170260V，4565HZ交流電， 如圖2.2所示。 圖2.2輸入整流濾波電路圖輸入整流濾波電路，主要有兩部分組成，（1） 整流橋；（2） 輸入濾波電路。2.2.2逆變回路設計1.高頻開關變換器的基本原理用一個半導體功率器件作為開關，使帶有濾波器(L或/和C)的負載線路與直流電壓一會相接，一會斷開，則負載上也得到另一個直流電壓。這就使DC-DC的基本手段。一個周期Ts內，電子開關接通時間ton所占整個周期Ts的比例，稱作接通占空比D。很明顯，接通占空比越

15、大，負載上電壓越大; 1TS=fs稱作開關頻率，fs越高，負載上電壓也越高。這中DC-DC變換器中的開關都在某一固定的頻率下工作，這種保持開關頻率恒定但改變接通時間長短(即脈沖的寬度)，使負載變化時，負載上電壓變化不大的方法，稱脈寬調制法Pulse Width Modulation)。由于電子開關按外加控制脈沖而通斷，控制本身流過的電流、二端所加的電壓無關，因此，電子開關稱為硬開關。2.逆變回路的基本原理在半橋式逆變電路中，變壓器一次側的兩端分別連接在電容C1,C2的中點和開關S1, S2中點。電容C1,C2的中點電壓為。S1與S2交替導通，使變壓器一次側形成幅值為的交流電壓，改變開關的占空比

16、，就可以改變二次側整流電壓Ud的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。半橋式電路的結構如圖2.3所示。S1導通時，二極管VD1處于通態；S2導通時，二極管VD2處于通態，當兩個開關都關斷時，變壓器繞組W1中的電流為零，根據變壓器的磁勢平衡方程，繞組W2和W3中的電流大小相等，方向相反，所以VD1和VD2都處于通態，各分擔一半的電流。S1或S2導通是電感L的電流逐漸上升，兩個開關都關斷時，電感L的電流逐漸下降。S1和S2斷態時承受的峰值電壓均為Ui。由于電容的隔直作用，半橋型電路對由于兩個開關管導通時間不對稱而造成的變壓器一次電壓的直流分量具有自動平衡作用，因此該電路不容易發生變壓器偏磁和直流磁飽和的

17、問題，無須另加隔直電容。值得注意的是，在半橋電路中，占空比定義如2-1公式 D= （21） 圖 2.3逆變電路圖2.2.3輸出整流濾波設計電源的能量輸出通過高頻變壓器實現，其主要作用是電壓變換、功率傳遞和實現輸入輸出之間的隔離，與普通電力變壓器的功能相仿。因此，在繞制高頻變壓器時要盡量減小原、副邊的漏感，從而減小功率開關管關斷時的尖峰電壓，降低損耗，提高效率。在副邊使用全波整流的方式，然后由濾波電感和濾波電容共同完成輸出濾波功能，使輸出達到設計要求。圖2.4輸出整流濾波電路圖輸出濾波電路包括電感、電容和兩個二極管。經過整流濾波后即可得到所需直流穩壓電源。輸出整流濾波電路是通過快恢復整流二極管的

18、整流和濾波電感及濾波電容將高頻變壓器輸出的高頻交變電壓或電流變換成符合要求的輸出電壓或電流。高頻變壓器副邊選用全橋式整流，以提高安全可靠性。2.2.4主電路設計半橋式開關電源主電路如圖所示。圖中開關管Q1、Q2選用MOSFET。因為它是電壓驅動全控型器件,具有驅動電路簡單、驅動功率小、開關速度快及安全工作區大等優點。半橋式逆變電路一個橋臂由開關管Q1、Q2組成,另一個橋臂由電容C1、C2組成。高頻變壓器初級一端接在C1、C2的中點,另一端接在Q1、Q2的公共連接端,Q1、Q2中點的電壓等于整流后直流電壓的一半,開關Q1、Q2交替導通就在變壓器的次級形成幅值為的交流方波電壓。通過調節開關管的占空

19、比,就能改變變壓器二次側整流輸出平均電壓V o。Q1、Q2斷態時承受的峰值電壓均為Vi，變壓器原邊并聯的R7、C3、VD1組成RCD吸收電路，C5和R9用來吸收高頻尖峰。2.5主電路圖2.2.5保護電路1過壓保護 過壓護要根據電路中過壓產生的不同部位，加入不同的保護電路，當達到定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓通過保護電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關器件上，保護了電力電子器件。為了達到保護效果，可以使用阻容保護電路來實現。將電容并聯在回路中，當電路中出現電壓尖峰電壓時，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯的電阻能消耗掉部分過壓

20、能量，同時抑制電路中的電感與電容產生振蕩，過電壓保護電路如圖2.7所示。 圖2.6 RC阻容過電壓保護電路圖2.過流保護當電力電子電路運行不正常或者發生故障時，可能會發生過電流。當器件擊穿或短路、觸發電路或控制電路發生故障、出現過載、直流側短路、可逆傳動系統產生環流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低、缺相等，均可引起過流。由于電力電子器件的電流過載能力相對較差，必須對變換器進行適當的過流保護。本文采用快速熔斷保險絲在輸入端進行保護。2.2.6 控制電路控制電路是整個電源系統重要部位，由它控制整個電源的工作并實現相應的保護功能。一般來說，控制電路應具有以下功能:控制脈沖產生電路、電壓反饋控制

21、電路、占空比可調、軟啟動及各種保護電路等。根據電路功能的分工可將控制電路分為幾大部分：脈沖產生電路、觸發電路、電壓反饋控制電路、軟啟動電路、保護電路等。脈沖產生電路是控制電路的核心。脈沖產生電路根據電壓反饋控制電路信號產生出所需的脈沖信號保護電路以及軟啟動電路等提供的控制。電壓反饋控制電路通過檢測輸出電壓的大小，對輸出電壓進行分壓采樣，然后將采樣電壓和參考電壓相比較得出誤差信號來調節輸出脈沖的脈寬達到調節輸出電壓的目的。設計電路的控制電路是整個電路的主要部分。目前實際產品應用中有各種典型的控制電路,鑒于對電源和驅動的要求,結合本次畢業設計選擇SG3525。SG3525A的內部結構見圖2.6。由

22、基準電壓調整器、振蕩器、誤差放大器、比較器、鎖存器、欠壓鎖定電路、閉鎖控制電路、軟起動電路、輸出電路構。SG3525的特點SG3525脈寬調制型控制器是美國通用電氣公司的產品。它的主要特點是：1、輸出級采用推挽輸出，雙通道輸出。2、占空比0-50%可調。3、每一通道的驅動電流最大值可達200mA，灌拉電流峰值可達500mA。可直接驅動功率MOS管。4、工作頻率高達400KHz。5、具有欠壓鎖定、過壓保護和軟啟動等功能。6、可正常工作的溫度范圍是0-700。7、基準電壓為5.1 V士1%。8、工作電壓范圍很寬，為8V到35V。圖2.7 SG3525內部結構圖及其外部元件2.2.7總體電路圖由具體

23、電路可得總體電路圖（2.8）圖2.8總電路圖第3章數據分析計算3.1器件的選擇3.1.1輸入整流器件輸入為4565Hz交流電，電壓為170260V ,下面計算取電壓為170V。1. 二極管的耐壓: 整流二極管的峰值電壓可用公式計算如下。 U=170×1.414=240.38V 額定電壓： 2. 二極管的額定電流:因為電源的輸入功率隨效率變化，所以應取電源效率最差時的值。在此，我們按一般開關電源的效率取值，取=0.8電源的輸入功率可用(31)公式計算: Pin =p/min (31) W (32) 流過每個二極管的有效值 (33) 額定電流： 3.1.2輸出整流器件電感選擇100 H；

24、電容選擇1000F /50V；二極管選擇；二極管的峰值電壓，u=24*=33.9v額定電壓 ： 額定電流 ： 31.3元件選擇1開關器件選擇。表3.1幾種功率器件的優缺點比較表器件優點缺點GTR耐壓高，電流大，開關特性好，通流能力強，飽和壓降低開關速度低，為電流驅動，所需驅動功率大，驅動電路復雜，存在二次擊穿問題GTO電壓、電流容量大，適用于大功率場合，具有電導調制效應，其通流能力很強電流關斷增益很小，關斷時門極負脈沖電流大，開關速度低，驅動功率大，驅動電路復雜，開關頻率低MOSFET開關速度快，輸入阻抗高，熱穩定性好，所需驅動功率小且驅動電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題電流容量小，耐

25、壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置IGBT開關速度高，開關損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅動，驅動功率小開關速度低于電力MOSFET,電壓，電流容量不及GTO在高頻的開關電源設計中用的功率器件種類有IGBT和MOSFET，但是考慮到工作在高頻的IGBT成本較高，在本次設計選用MOSFET器件。型號為IRFP450，主要參數選擇，額定電流16A，額定電壓500V，通態電阻0.4歐姆。在功率半導體器件中，MOSFET以高速、低開關損耗、低驅動損耗在各種功率變換，特別是高頻功率變換中起著重要作用。在低壓領域，MOSFET沒有競爭對手，但隨著MOS的

26、耐壓提高，導通電阻隨之以2.4-2.6次方增長，其增長速度使MOSFET制造者和應用者不得不以數十倍的幅度降低額定電流，以折中額定電流、導通電阻和成本之間的矛盾。即便如此，高壓MOSFET在額定結溫下的導通電阻產生的導通壓降仍居高不下，耐壓500V以上的MOSFET的額定結溫、額定電流條件下的導通電壓很高，耐壓800V以上的導通電壓高得驚人，導通損耗占MOSFET總損耗的2/3-4/5，使應用受到極大限制。 3.1.4保護電路器件選擇1.過壓保護電路由3.1.1節可知輸入電流為1.176A，即流過MOS管的電流為1.176A。查表可得保護電路的電容為：0.04 F 電阻為：500歐姆2.過流保

27、護 >=(1.21.5) （3-4）則=/2=0.70560.7644A3.2具體參數設計1）變壓器變比 (35)設占空比為 0.5則0.5k=24/170*1.2 K=0.235即變壓器的變比為0.2352）變壓器容量 =UI=14*10w=240W3.4MATLAB電路仿真3.4.1MATLAB簡介MATLAB是由美國mathworks公司發布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種

28、全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。本文采用matlab進行仿真觀測。3.4.2仿真電路圖 圖3.1 輸入電壓波形圖3.2仿真圖 第4章設計總結十天的課程設計結束了，在這次的課程設計中不僅檢驗了我所學習的知識，也培養了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設計過程中，和同學們相互探討，相互學習，相互監督。學會了合作，學會了運籌帷幄，學會了如何查找第一手資料，如何整理材料等相關知識。 課程設計是我們專業課程知識綜合應用的實踐訓練，這是我們邁向社會，從事職業工作前一個必不少的過

29、程。”千里之行始于足下”，通過這次課程設計，我深深體會到這句千古名言的真正含義。我今天認真的進行課程設計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎。通過這次開關穩壓電源的設計，我在多方面都有所提高。通過這次設計，綜合運用本專業所學課程的理論知識、培養和提高學生獨立工作能力，鞏固與擴充所學的內容，掌握電子電路設計的方法和步驟，掌握電子設計的基本的技能，怎樣確定方案，了解了基本結構，提高了計算能力，繪圖能力，熟悉了規范和標準，同時各科相關的課程都有了全面的復習，獨立思考的能力也有了提高。在這次設計過程中，體現出自己單獨設計的能力以及綜合運用知識的能力，體會了學以致用

30、、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發現自己平時學習的不足和薄弱環節，從而加以彌補。在此感謝我們的老師，老師嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣；老師循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪；同時老師的耐心的指導讓我順利的完成本次課程設計。同時感謝對我幫助過的同學們，謝謝你們對我的幫助和支持，讓我感受到同學的友誼。 由于本人的設計能力有限，在設計過程中難免出現錯誤，懇請老師們多多指教,我十分樂意接受你們的批評與指正，我將萬分感謝。 參考文獻1 王兆安主編.電力電子技術.第四版.北京：機械工業出版社,2003 wilsun xu.a editor. Power electronic technology. 4th edition. Beijing: mechanical industry pub