1、600W半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計600W半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計摘要本次設(shè)計主要是設(shè)計一個600W半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源，從而為負載供電。電源是各種電子設(shè)備不可或缺的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標及能否安全可靠地工作。由于開關(guān)電源本身消耗的能量低，電源效率比普通線性穩(wěn)壓電源提高一倍，被廣泛用于電子計算機、通訊、家電等各個行業(yè)。它的效率可達85%以上，穩(wěn)壓范圍寬，除此之外，還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等特點，是一種較理想的穩(wěn)壓電源。本文介紹了一種采用半橋電路的開關(guān)電源，其輸入電壓為單相170260V,輸出電壓為直流12V恒定，最大電流50A。從主電路的原理與主電路圖的設(shè)計、控制電

2、路器件的選取、保護電路方案的確定以及計算機仿真圖形的繪制與波形分析等方面的研究。關(guān)鍵詞：半橋變換器；功率MOS管；脈寬調(diào)制；穩(wěn)壓電源；第1章緒論1.1電力電子技術(shù)概況電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)屬于信息電子技術(shù)。電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，它是利用電力電子器件對電能進行變換和控制的新興學科。目前所用的電力電子器件采用半導(dǎo)體制成，故稱電力半導(dǎo)體器件。信息電子技術(shù)主要用于信息處理，而電力電子技術(shù)則主要用于電力變換。電力電子技術(shù)的發(fā)展是以電力電子器件為核心，伴隨變換技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。電力電子技術(shù)可以理解為功率強大，可供諸

3、如電力系統(tǒng)那樣大電流、高電壓場合應(yīng)用的電子技術(shù)，它與傳統(tǒng)的電子技術(shù)相比，其特殊之處不僅僅因為它能夠通過大電流和承受高電壓，而且要考慮在大功率情況下，器件發(fā)熱、運行效率的問題。為了解決發(fā)熱和效率問題，對于大功率的電子電路，器件的運行都采用開關(guān)方式。這種開關(guān)運行方式就是電力電子器件運行的特點。電力電子學這一名詞是20世紀60年代出現(xiàn)的，電力電子學”和電力電子技術(shù)”在內(nèi)容上并沒有很大的不同，只是分別從學術(shù)和工程技術(shù)這2個不同角度來稱呼。電力電子學可以用圖1的倒三角形來描述，可以認為電力電子學由電力學、電子學和控制理論這3個學科交叉而形成的。這一觀點被全世界普遍接受。電力電子技術(shù)與電子學的關(guān)系是顯而易

4、見的。電子學可分為電子器件和電子電路兩大部分，它們分別與電力電子器件和電力電子電路相對應(yīng)。從電子和電力電子的器件制造技術(shù)上進兩者同根同源，從兩種電路的分析方法上講也是一致的，只是兩者應(yīng)用的目的不同，前者用于電力變換，后者用于信息處理。目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用于以電子計算機為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備，是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。并對開關(guān)電源提出了小型輕量要求，此外要求開關(guān)電源效率要更高、性能更好、可靠性更高等。當前，各國正在努力開新器件、新材料以及改進裝連方法，進一步提高效率，縮小體積，降低價格，以解決開關(guān)電源面臨的課題。隨

5、著電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)會有更廣闊的發(fā)展前景。1.2本文研究內(nèi)容開關(guān)電源在效率、體積和重量等方面都遠遠優(yōu)于線性電源，因此已經(jīng)基本取代了線性電源，成為電子熱備供電的主要電源形式，受到人們的青睞。采用先整流濾波、后經(jīng)高頻逆變得到高頻交流電壓，然后由高頻變壓器降壓、再整流濾波的方法。這種采用高頻開關(guān)方式進行電能變換的電源稱為開關(guān)電源。隨著電子技術(shù)和應(yīng)用迅速地發(fā)展，開關(guān)穩(wěn)壓電源的品種和類型也越來越多。按激勵方式分為他激式和自激式；按調(diào)制方式分為脈寬調(diào)制型、頻率調(diào)制型和混合調(diào)制型；按開關(guān)管電流的工作方式分開關(guān)型和諧振型；按開關(guān)晶體管的類型分為晶體管型和可控硅型；按儲能電感與負載的連接方式分

6、為串聯(lián)型和并聯(lián)型；按晶體管的連接方式分為單端式、推挽式、半橋式、全橋式。本文設(shè)計了一種半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源，它具有驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，開關(guān)頻率高等優(yōu)點。具體設(shè)計技術(shù)參數(shù)如下：1 .輸入電壓單相170260V;2 .輸入交流電頻率4565HZ;3 .輸出直流電壓12V恒定；4 .輸出直流電流10A;5 .最大功率：120W;6 .穩(wěn)壓精度：直流輸出電壓整定值的1%;本文分別從以下幾個方面進行了設(shè)計：1 .主電路設(shè)計；2 .控制電路設(shè)計；3 .驅(qū)動電路設(shè)計；4 .保護電路設(shè)計；5 .整體電路設(shè)計；6 .元器件型號的選擇；第2章電路設(shè)計2.1穩(wěn)壓電源總體設(shè)計方案開關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體

7、器件作為開關(guān)器件，通過周期性間斷工作，控制開關(guān)器件的占空比來調(diào)整輸出電壓。開關(guān)電源的基本構(gòu)成如下圖所示，其中DC/DC變換器進行功率轉(zhuǎn)換，它是開關(guān)電源的核心部分，此外還有起動、過流與過壓保護、噪聲濾波等電路。輸出采樣電路（R1、R2）檢測輸出電壓變化，與基準電壓Ur比較，誤差電壓經(jīng)過放大及脈寬調(diào)制（PWM）電路，再經(jīng)過驅(qū)動電路控制功率器件的占空比，從而達到調(diào)整輸出電壓大小的目的。具有一定的抗不平衡能力，對電路對稱性要求不很嚴格；適應(yīng)的功率范圍較大，從幾十瓦到千瓦都可以；開關(guān)管耐壓要求較低；電路成本比全橋電路低等。這種電路常常被用于各種穩(wěn)壓輸出的DC變換器DC/DC變換器有多種電路形式，常用的有

8、工作波形為方波的PWM變換器以及工作波形為準正弦波的諧振型變換器。圖2.1主體方框圖隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電源技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。對電源的要求也各有不同。本次設(shè)計的是一種功率較大，的開關(guān)電源。設(shè)計采用了AC/DC/AC/DC變換方案。一次整流后的直流電壓,經(jīng)過有源功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，再經(jīng)半橋變換電路逆變后，由高頻變壓器隔離降壓，最后整流輸出直流電壓。系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)為有源功率因數(shù)校正電路、DC/DC電路、功率因數(shù)校正電路、PWM控制電路和保護電路等。采用UC3854A/B控制芯片組成功率因數(shù)校正電路來提高功率因數(shù)，用新型的芯片UC3825作為控制芯片來代替SG3525,

9、不僅外圍電路簡單，而且具有有容差過壓限流功能，還采用了新型IR2304作為驅(qū)動芯片，動態(tài)響應(yīng)快，且自帶死區(qū)，防止半橋上下管直通。該電路用高速雙路PWM控制器UC3825為控制芯片，功率MOSFET為開關(guān)器件而構(gòu)成的推挽逆變器，逆變器輸出經(jīng)高頻LC濾波后輸出1MHZ/100W正弦波功率信號。實驗證明電路產(chǎn)生的波形質(zhì)量好，電路結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，并具有體積小，效率高的特點。低頻小功率信號源往往用線性功率放大電路，其電路比較簡單，波形質(zhì)量好，易于實現(xiàn)。而對于高頻、中大功率信號源用線性功率放大電路難以實現(xiàn)，特別是對于要求1MHZ/100W正弦波功率信號源，采用線性功率放大電路，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整困難

10、，不易實現(xiàn)。而采用高速雙路PWM控制器UC3825為控制芯片，功率MOSFET為開關(guān)器件，經(jīng)LC高頻濾波，輸出1MHZ/100W正弦波功率信號源，其波形質(zhì)量好，電路結(jié)構(gòu)簡單,體積小，效率高2.2具體電路設(shè)計2.2.1主電路設(shè)計反激式電源一般用在100w以下的電路，而本電源設(shè)計最大功率達到500w,額定電流為10A左右。在功率較大的高頻開關(guān)電源中，常用的主變換電路有推挽電路、半橋電路、全橋電路等。其中推挽電路用的開關(guān)器件少，輸出功率大，但開關(guān)管承受電壓高（為電源電壓的2倍），且變壓器有6個抽頭，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；全橋電路開關(guān)管承受的電壓不高，輸出功率大，但需要的開關(guān)器件多（4個），驅(qū)動電路復(fù)雜；半橋電路

11、開關(guān)管承受的電壓低，開關(guān)器件少，驅(qū)動簡單。根據(jù)對各種拓撲方案的電氣性能以及成本等指標的綜合比較，本電源選用半橋式DC/DC變換器作為主電路。如圖2.2即為主電路圖。圖2.2主電路圖圖2.2中S1、S2、C1、C2和主變壓器T1構(gòu)成了半橋DC/DC變換電路。MOSFET采用11NC380。電路的工作頻率為80kHz。變壓器采用E55的鐵氧體磁芯，無須加氣隙。繞制時采用三段式”繞法，以減小漏感。R1和R2用以保證電容分壓均勻，R3、C3和R4、C4為MOS管兩端的吸收電路。C5為隔直電容，用來阻斷與不平衡伏秒值成正比的直流分量，平衡開關(guān)管每次不相等的伏秒值。C5采用優(yōu)質(zhì)CBB無感電容。Ct是電流互

12、感器，作為電流控制時取樣用。D3、D4采用快恢復(fù)二極管，經(jīng)過L1和C6、C7平波濾波后輸出OUT2給控制芯片供電，Rs、R6則是反饋電壓的采樣電阻。主變壓器的輸出OUT3為高頻低壓交流電。如圖2所示，反饋電壓和輸出電壓同一繞組，樣，可以在負載變化時最大限度地保證輸出電壓的穩(wěn)定。后級可接一個或多個多路輸出的變壓器，然后通過整流電路整流，這樣既能保證每路輸出都是獨立的，又可以得到任意大小的電壓。故可滿足DSP等需要多路不同電壓供電且精度較高的要求。2.2.2 控制電路設(shè)計系統(tǒng)的控制電路采用高速雙路的PWM控制器UC3825,如圖2.3所示即為所選電路，其內(nèi)部電路主要由高頻振蕩器、PWM比較器、限流

13、比較器、過流比較器、基準電壓源、故障鎖存器、軟啟動電路、欠壓鎖定、PWM鎖存器、輸出驅(qū)動器等組成。它比SG3525具有以下優(yōu)點：1)改進了振蕩電路，提高了振蕩頻率的精度，并且具有更精確的死區(qū)控制；2)具有限流控制功能，且門檻電流有5%的容差；3)低啟動電流(100MA);4)UC3825關(guān)斷比較器是一個高速的過流比較器，它具有1.2V的門檻值，保證芯片重新啟動前軟啟動電容完全放電，在超過門檻值時，輸出為低電平狀態(tài)，防止上下橋臂同時導(dǎo)通而引起短路。下圖為主電路的控制電路前級的R808和R809與穩(wěn)壓管構(gòu)成一個啟動電路，觸發(fā)UC3825開始工作后，由反饋輸出OUT1自供電。PWM的調(diào)制波由R1和C

14、T振蕩產(chǎn)生，RT、CT一般按式(1)及式(2)選取。RT=3V/(10mA)*(1-Dmax)(1)CT=(1.6*Dmax)/(Rt*f)(2)式中：f=80kHz,為所取的頻率腳1(INV)、腳2(E/A)和腳3(HI)構(gòu)成一誤差放大器，做為電壓反饋用，腳9(ILIM)為限流，腳8(SS)為軟啟動,腳11(0UTA)及腳14(0UTB)為輸出驅(qū)動信號。從圖中可看出，UC3825功能比較全，外圍電路簡單，可有效減少PCB的布線與外圍元器件，提高了系統(tǒng)的可靠性。圖2.3高速雙路PWM控制器UC3825電路圖2.2.3 驅(qū)動電路設(shè)計MOSFET的驅(qū)動可采用脈沖變壓器，它具有體積小，價格低的優(yōu)點，

15、但直接驅(qū)動時，脈沖的前沿與后沿不夠陡，影響MOSFET的開關(guān)速度。在此，采用了IR2304芯片，它是IR公司新推出的多功能600v高端及低端驅(qū)動集成電路，它具有以下優(yōu)點。1)芯片體積小(DIP8),集成度高(可同時驅(qū)動同一橋臂的上、下兩只開關(guān)器件)。2)動態(tài)響應(yīng)快，通斷延遲時間220/220ns(ft型值)、內(nèi)部死區(qū)時間101000ns匹配延遲時間50ns。3）驅(qū)動能力強，可驅(qū)動600V主電路系統(tǒng)，具有61mA/130mA輸出驅(qū)動能力，柵極驅(qū)動輸入電壓寬達1020V。4）工作頻率高，可支持100kHz或以下的高頻開關(guān)。5）輸入輸出同相設(shè)計，提供高端和低端獨立控制驅(qū)動輸出，可通過兩個兼容3.3v

16、、5V和15V輸入邏輯的獨立CMOS或LSTFL輸入來控制，為設(shè)計帶來了很大的靈活性。6）低功耗設(shè)計，堅固耐用且防噪效能高。IR2304采用高壓集成電路技術(shù)，整合設(shè)計既降低成本和簡化電路，又降低設(shè)計風險和節(jié)省電路板的空間，相比于其它分立式、脈沖變壓器及光耦解決方案，IR2304更能節(jié)省組件數(shù)量和空間，并提高可靠性。7）具有電源欠壓保護和關(guān)斷邏輯，IR2304有兩個非倒相輸入及交叉?zhèn)鲗?dǎo)保護功能，整合了專為驅(qū)動電機的半橋MOSFET或IGBT電路而設(shè)的保護功能。當電源電壓降至4.7V以下時，欠壓鎖定（UVL0）功能會立即關(guān)掉兩個輸出，以防止直通電流及器件故障。當電源電壓大于5v時則會釋放輸出（綜合

17、滯后一般為0.3v）。過壓（HVIC）及防閉鎖CMOS技術(shù)使IR2304非常堅固耐用。另外，IR2304還配備有大脈沖電流緩沖級，可將交叉?zhèn)鲗?dǎo)減至最低；同時采用具有下拉功能的施密特（Sohmill）觸發(fā)式輸入設(shè)計，可有效隔絕噪音，以防止器件意外開通。如下圖所示為IR2304的連線圖11圖2.4驅(qū)動電路圖可以看出，IR2304具有連線簡單，外圍元器件少的優(yōu)點。其中VCC由主電路中OUT自供電，LIN和HIN分別接UC3825的兩個輸出端，VD要采用快恢復(fù)二極管，C1為濾電容，C2為自舉電容，最好采用性能好的鋰電容，R1和R2為限流電阻。2.2.4 保護電路設(shè)計對于DC/DC電源產(chǎn)品都要求在出現(xiàn)異

18、常情況(如過流、過載)時，系統(tǒng)的保護電路工作，使變換器及時停止工作。UC3825的保護電路設(shè)計也比較簡單，如圖2.5所示。通過電流互感器得到的采樣電流，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后送到UC3825腳9(ILJIM),當電流超過預(yù)定值時，UC3825自動封鎖輸出脈沖，起到保護作用12圖2.5保護電路2.2.5 整體電路設(shè)計為了提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，整流環(huán)節(jié)不能采用二極管整流，采用了UC3854A/B控制芯片組成功率因數(shù)校正電路。UC3854A/BUnitrode公司一種新的高功率因數(shù)校正器集成控制電路芯片，是在UC3854基礎(chǔ)上的改進，其特點是采用平均電流控制，功率因數(shù)接近1,高帶寬，限制電網(wǎng)電流失真0。圖2.6是

19、由UC3854A/B控制的有源功率因數(shù)校正電路。13THIiLX7U51圖2.6整體電路圖該電路由兩部分組成。UC3854A/B及外圍元器件構(gòu)成控制部分，實現(xiàn)對網(wǎng)側(cè)輸入電流和輸出電壓的控制。功率部分由L2,Cs,S等元器件構(gòu)成Boos班壓電路。開關(guān)管S選擇西門康公司的SKM75GB123D模塊，其工作頻率選在35kHz。升壓電感L2為2mH/20A°C5采用兩個450V/470仙F的電解電容并聯(lián)。為了提高電路在功率較小時的效率，所設(shè)計的PFC電路在輕載時不進行功率因數(shù)校正，當負載較大時功率因數(shù)校正電路自動投入使用。此部分控制由圖1中的比較器部分來實現(xiàn)。R10及R11是負載檢測電阻。當

20、負載較輕時，R10及R11上檢測的信號輸入給比較器，使其輸出端為低電平，D5導(dǎo)通，給ENA（使能端）低電平使UC3854A/B封鎖。在負載較大時ENA為高電平才讓UC3854A/B工作。D6接到SS徽啟動端），在負載輕時D6導(dǎo)通，使SS為低電平；14當負載增大要求UC3854A/B工作時，SS端電位從零緩慢升高，控制輸出脈沖占空比慢慢增大實現(xiàn)軟啟動。如圖2.7中各圖所示即為各種元件在電路中的波形。0也妙時加電澳;電考力依卡時I'ECrft1電流渡七MI)S工衲現(xiàn)婿Jt明曼小式用迪Jt附15圖2.7各種元件的波形圖廠2.3元器件jj.=22072sinwz1r.440V2H餐=220V2

21、sinwtd(wt)=198，利口、生以儀d7rh"''開型號選擇5*220吸=1555仍小(23)*15554TL即-46662/,1.輸入整流二極管的選擇Kr<=5設(shè)輸入交流電壓為：則經(jīng)過橋式整流后的平均電壓為：二極管兩端承受的最大反相電壓為：所以根據(jù)實際情況即可選擇整流二極管：IN4005600V/1A2.變壓器的設(shè)計(1)變比Kt選最大占空比為0.85,電路中壓降A(chǔ)U=2V,半橋式電路變壓器原邊繞組所加電壓等于輸入電壓的一半即Ui扁訪)=98V則根據(jù)公式：(2)鐵心的選擇16443-工姐伏_120-100*0,2*4*10s*05=30。溫Ae為鐵心磁路

22、截面積；Aw為鐵心窗口面積；Pt為變壓器傳輸?shù)墓β剩籪s為開關(guān)頻率；B為鐵心材料所允許的最大磁通密度的變化范圍；dc為變壓器繞組導(dǎo)體的電流密度；kc為繞組在鐵心窗口中的填充因數(shù)。若鐵心材料為鐵氧體則B=0.2T,dc=4A/mm2,kc=0.5。根據(jù)SG3525的控制選擇開關(guān)頻率為100Hz。根據(jù)公式：3a根據(jù)具體情況可選擇型號為DE25的鐵心則Ae=40.00mm2368，Aw=78.2mm2,Ae*Aw=3128MM，可以滿足要求。-4*6*100000*2=77"*（3）變壓器的繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計：由于鐵磁材料的相對磁導(dǎo)率也很大，因此勵磁電感通常也較大。如果鐵心未夾緊，磁路中有氣隙，

23、則勵磁電感會急劇下降，勵磁電流成倍增加，導(dǎo)致變壓器性能嚴重劣化。變壓器的漏感同一次、二次繞組互相耦合的緊密程度密切相關(guān)，耦合不夠緊，則漏感會增加。漏感對電路工作帶來的影響主要是負面的，給開關(guān)器件造成過電壓、形成較大的損耗，過大的漏感還會造成占空比的損失。因此變壓器的設(shè)計應(yīng)盡量減小漏感。減小漏感的辦法主要是提高一次、二次繞組耦合的緊密程度，如采用間隔繞組等。3.輸出濾波電感的設(shè)計AI為允許的電感電流最大紋波峰峰值，取最大輸出電流的20%即2A。根據(jù)公式電感量為選定電感鐵心：Ii=10+10*20%*0.5=11A17Cf=空0一一為一AA>XL/%(2£)%丁工_級Bah丸華77

24、*10*10*11=11_1203*05*4*10,8*77*10*(200*103)2*50*10_3368_14nnn4上、上,山、口、1-'-14.輸出濾波電容的設(shè)計0=7*必根據(jù)標準，輸出電壓的峰峰值Vopp<200mV,考慮到功率開關(guān)管開關(guān)和輸出整流二極管開關(guān)時造成的電壓尖峰以及直流電壓殘留的100Hz紋波，可令輸出電壓的交流紋波為AVopp=50mV,AU=2M根據(jù)公式根據(jù)具體情況可以選擇兩個4.7仙F/25VB電解電容并聯(lián)使用。5 .功率管的選擇額定電壓考慮到功率器件的開關(guān)速度和驅(qū)動電路的簡潔，本電源擬選用MOSFET作為功率開關(guān)管來構(gòu)成半橋電路。整流濾波后的最大電壓值為368V,功率開關(guān)管的額定電壓一般要求高于直流電壓的兩倍，則功率開關(guān)管的額定電壓選為800V。額定電流輸出濾波電感電流的最大值為