20W单端反激开关电源设计.doc

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1、辽 宁 工 业 大 学电力电子技术课程设计（论文）题目：20W单端反激开关电源设计院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 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： 电气学 号学生姓名专业班级课程设计题目20W单端反激开关电源设计课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能为小功率电子设备如影碟机、CD机、移动硬盘等提供12V稳定的直流电压，以取代低效率的线性稳压电源，减小电源的体积和重量。设计任务1、方案的经济技术论证。2、整流电路设计。3、逆变电路设计。4、通过

2、计算选择器件的具体型号。5、驱动电路设计或选择。6、绘制相关电路图。要求1、文字在4000字左右。2、文中的理论分析与计算要正确。3、文中的图表工整、规范。4、元器件的选择符合要求。技术参数1、输入电压单相170 260V。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2A。5最大功率：25W。6、稳压精度：直流输出电压整定值的1进度计划第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：输入整流滤波电路设计；第5天：逆变电路设计；第6天：确定高频变压器变比及容量；第7天：输出整流滤波电路设计；第8天：控制电路设计；第9天：总结并撰写说明书；第10天：答

3、辩指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算行间距20磅，小四宋体黑体小二，居中摘 要摘要也称内容提要，概括研究题目的主要内容、特点，文字要精练。中文摘要一般不少于200字，外文摘要的内容应与中文摘要相对应。小四黑体关键词：关键词1；关键词2；关键词3；关键词4注意：关键词不少于2个目 录第1章 绪论11.1 电力电子技术概况11.2 本文设计内容1第2章 20W单端反激开关电源设计22.1 20W单端反激开关电源设计总体设计方案22.2 具体电路设计22.2.1 主电路设计22.2.2 整流

4、电路设计32.2.3 单端反激电路设计52.2.4 控制电路设计72.2.5 保护电路设计72.3 元器件型号选择82.4 系统调试或仿真、数据分析9第3章 课程设计总结10参考文献11第1章 绪论1.1 电力电子技术概况结合设计概括发展技术 电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。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

5、子技术都属于信息电子技术。电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体的说，就是使用电力电子器件对电进行变换和控制的技术。目前所用的电力电子器件均用半导体制成，故也称为电力半导体器件。电力电子技术所变换的“电力”，功率可以大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下。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。电力电子涉及由半导体开关启动装置进行电源的控制与转换领域。半导体整流控制、半导体硅整的小型化等的出现，产生一个新的电力电子应用领域。半导体硅整流、汞弧整流器应用于控制电源，但是这样的整流回路只是工业电子的一部分，对于汞弧整流器应用范围而言是有局限的。半导体硅整流的

6、应用涉及很多领域，如汽车、电站、航空电子、高频变频器等。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用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。带隔离的直流直流变流电路，同直流斩波电路相比，直流变流电路增加了交流环节，因此也称直交直电路。该电路分为单端正激电路、单端反激电路、半桥电路、全桥电路、推挽电路五大类型。本文中将采用单端反激电路作为直流直流

7、部分的电力变换电路。1.2 本文设计内容单端反激开关电路在日常生活中得到了广泛应用，为小功率电子设备如影碟机、CD机、移动硬盘等提供12V稳定的直流电压，以取代低效率的线性稳压电源，减小电源的体积和重量。本文在设计中，将包括：方案的经济技术论证、整流电路设计、逆变电路设计、通过计算选择器件的具体型号、驱动电路设计或选择、绘制相关电路图，共六部分。其中，输入电压单相170260V，在此选择220V。输入交流电频率4565Hz，在此选择50Hz。输出直流电压12V恒定。输出直流电流2A。最大功率：25W。稳压精度：直流输出电压整定值的1第2章 20W单端反激开关电源设计2.1 20W单端反激开关电

8、源设计总体设计方案整流电路高频逆变直流高频交流变压 器高频交流交流整流电路脉动直流滤波 器直流图2.1 20W单端反激开关电源设计总体设计方案图 输入端输入电压为220V，频率为50Hz的交流电，经过单相桥式整流桥整流后产生低频直流电压，再经高频逆变电路产生高频交流电压，通过高频变压器，输出高频交流信号，再次由整流电路整流后输出脉动直流信号，最后经电容滤波器滤波后，产生最终所需要的12V直流电信号，用以驱动负载。 具体的，整流电路部分由单相桥式整流电路整流，输出直流电信号后，通过带隔离的直流直流变流电路中的单端反激电路，最终输出12V直流电信号。2.2 具体电路设计2.2.1 主电路设计2.2

9、.1.1 主电路电路图图2.2.1 主电路电路图2.2.1.2 主电路说明由函数信号发生器产生出220V，50Hz的正弦电信号，经变压器变压后，通过单相桥式整流电路后产生直流信号，经R=1k，L趋于无穷大的电感负载后，整流完毕。主电路后部分为单端反激电路，其开关S由一个晶闸管VT5代替，并对晶闸管施加空占比为50%的方波脉冲信号，以触发晶闸管导通。变压器T2为高频变压器，输出高频交流信号经VT6整流为脉动直流，再经电容C2滤波后，即输出12V直流信号。2.2.2 整流电路设计2.2.2.1 整流电路设计图图2.2.2.1 整流电路电路图2.2.2.2 整流电路说明在单相桥式全控整流电路中，晶闸

10、管VT1、VT4和晶闸管VT2、VT3各组成一对桥臂。在U2正半周，若4个晶闸管均不导通，负载电流iVT为零，uVT 也为零，VT1、VT4串联承受电压U2，设VT1和VT4的漏电阻相等，则各承受U2一半的电压。若在触发角a处给VT1、VT4加触发脉冲，VT1、VT4即导通，电流从电源a端经VT1、R、VT4流回电源b端。当U2过零时，流经晶闸管的电流也降低到零，VT1和VT4关断。在U2负半周，任然在触发角a处触发VT2、VT3，VT2、VT3导通，电流从电源b端经VT3、R、VT2流回电源a端。当U2过零时，流经晶闸管的电流也降低到零，VT2和VT3关断。此后有事VT1和VT4导通，如此循

11、环地工作下去，整流电压UVT和晶闸管VT1、VT4两端电压波形分别如下图所示，晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为 和。 波形图：图2.2.2.2 桥式整流电路输出波形图整流电路将幅值为220V，频率50Hz的正弦交流电转换成直流信号。其电压幅值为：2.2.3 单端反激电路设计2.2.3.1 单端反激电路说明图2.2.3.1 反激电路原理图图2.2.3.1 反激电路工作波形上图为单端反激电路原理图及波形图。反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。IGBT导通后，D1处于断态，绕组W1的电流线性增长，电感储能增加；IGBT关断后，绕组W1的电流被切断，变压器中的磁

12、场能量通过绕组W2和D1向输出端释放。IGBT关断后的电压为：反激电路可以工作在电流断续和电流连续两种模式：（1）、如果当IGBT开通时，绕组W2中的电流尚未下降到零，则成电路工作于电流连续模式。（2）、如果IGBT开通前，绕组W2中的电流已经下降到零，则称电路工作于电流断续模式。当工作于电流连续模式时：当电路工作在断续模式时，输出电压高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，Uo趋向无穷，这将损坏电路中的元件，因此反激电路不应该工作于负载开路状态。2.2.3.2 单端反激电路参数计算2.2.4 控制电路设计控制电路以专用PWM控制芯片SG3525为核心构成，控制电路输出占

13、空比可调的矩形波，其占空比受Uco控制。SG3525 是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。直流电源 Vs 从脚 15 接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的元器件作为电源。振荡器脚 5 须外接电容 CT，脚 6 须外接电阻 RT。振荡器频率由外接电阻RT 和电容CT决定， 振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的

14、同相输入端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出，误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。双稳态触发器的两个输出互补，交替输出高低电平，将PWM脉冲送至三极管VT1 及 VT2的基极，锯齿波的作用是加入死区时间，保证 VT1 及VT2不同时导通。最后，VTl及VT2分别输出相位相差为 180的 PWM波。本电源输入电压是由带隔离变压器的+30V 电源提供， 选用 SG3525 设计的 DCDC 直流变换器原理图。性能指标是：输入电压为DC24

15、35V可调，输入额定电压为 30V，输出为 5V/lA。本系统由SG3525 产生两路反向方波来控制 MOSFET 的导通与关闭，MOSFET驱动采用推挽方式，本设计在变压器的中心抽头加入30V直流电压，输出部分采用全波整流，在输出点上有分压电阻给TL431 提供参考电压，并通过光电隔 离反馈到 SG3525，以调节控制输出方波占空比来稳定输出电压。由于本设计采用推挽式功率变换电路，在输入回路中仅有一个开关的通态压降，而半桥和全桥电路有2个，因此在同样的条件下，产生的通态损耗较小，这种拓扑特别适合输入电压较低的场合，这也是本设计为什么采用推挽变换器的原因。其中的变压器可同时实现直流隔离和电压变

16、换的功能，磁性元件数目较少，成本较低。下图为SG3525控制电路电路原理图：图2.2.4.1 SG3525控制电路原理图2.2.5 保护电路设计抑制过电压的方法：用非线性元件限制过电压的副度，用电阻消耗生产过电压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。所以我们选用用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。 晶闸管的过电压保护

17、晶闸管的过电压能力较差，当它承受超过反向击穿电压时，会被反向击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。 对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护，如图2.2.5.1所示。图2.2.5.1阻容保护晶闸管的过电流保护 常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关过电流保护。 快速熔断器保护是最有效的保护措施；过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（只有在短路电流不大时才有用；直流快速开关过电流保护功能很好，但造价

18、高，体积大，不宜采用。如图2.2.5.2所示。图2.2.5.2 快速熔断器保护电路2.3 元器件型号选择2.4 系统调试或仿真、数据分析第3章 课程设计总结参考文献1 王兆安主编.电力电子技术.第四版.北京：机械工业出版社,20032 郝万新主编.电力电子技术.化学工业出版社, 20023 孟志强主编.电力电子技术.晶闸管中频感应逆变电源的附加振荡启动方法, 2003.64 吕宏主编.电力电子技术.感应加热电源的PWM-PFM控制方法, 2003.15 吴雷主编.电力电子技术.基于VTSP大功率中频感应焊机的研究, 2003.46 李金刚主编.电力电子技术.基于VTSP感应加热电源频率跟踪控制的实现, 2003.4