半桥式直流开关电源设计课程设计报告.doc
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1、电力电子课程设计报告直流开关电源的设计 学 院: 信息科学与工程学院 专 业: 电气工程及其自动化 班 级: 姓 名: 学 号: 指导教师: 日 期: 2013年8月21日 目 录1.课题任务介绍11.1 技术参数:11.2 设计要求:12.直流开关电源总体认知12.1开关电源的概念12.2直流开关电源基本结构12.3直流开关电源的工作原理23.直流开关电源设计流程23.1输入整流电路设计23.1.1单相桥式输入整流电路设计23.1.2变压器参数计算:33.1.3整流管参数计算33.1.4滤波电容计算33.2 DC/DC变换器设计43.2.1 DC/DC变换器总体概述43.2.2 半桥式DC/
2、DC典型电路如下43.2.3 PWM DC/DC变换器的工作原理53.2.4 DC/DC变换器参数计算53.3输出滤波整流电路设计93.3.1输出整流电路图93.3.2 输出电感的设计93.3.3 输出电容的计算103.3.4 整流输出二极管计算113.4 驱动电路设计123.4.1 MOSFET管的基本工作原理123.4.2 IR2110芯片介绍133.4.3 半桥驱动电路分析图如下143.4.4 半桥驱动器器件参数选择163.5 PWM控制电路设计163.5.1 PWM控制变换原理163.5.2 SG3525的封装图173.5.3 SG3525芯片介绍183.5.4 SG3525参数计算1
3、83.6 反馈电路设计184. 电路原理图与波形图汇总194.1 电路原理图194.1.1 主电路原理图194.1.2 PWM控制电路原理图194.1.3 驱动电路原理图204.2 各部分电路波形图204.2.1 单相桥式整流电路电压波形图204.2.2 MOSFET驱动电路波形215. 主电路元器件清单216. 电路仿真226.1 仿真技术总体简介226.2 SPICE和PSPICE仿真程序介绍226.3 仿真图表236.3.1 平均整流输入电压如下236.3.2 交流输入均方根电压如下236.3.3 平均桥二极管 Pd246.3.4 峰值到峰值输出纹波电压246.3.5 频率256.3.6
4、 效率256.3.7 总输出功率267. 设计总结与感想278. 致谢279. 参考文献27 1.课题任务介绍1.1 技术参数:装置输入电源为单相工频交流电源(220V+20),输出电压Vo=24V,输出电流Io=5A,最大输出纹波电压100mV,工作频率f=100kHz。1.2 设计要求:1) 设计主电路,建议主电路为:整流部分是桥式二极管整流,大电容滤波,DC/DC 部分采用半桥变换器,主功率管用MOSFET;2) 选择主电路所有图列元件,并给出清单;3) 设计MOSFET 驱动电路及控制电路;4) 绘制装置总体电路原理图,绘制:单相桥式整流电路各点电压波形;MOSFET 驱动电压、全桥电
5、路中各元件的电压、电流以及输出电压波形(将波形分别汇总绘制,注意对应关系);5) 利用仿真软件分析电路的工作过程6) 编制设计说明书、设计小结。2.直流开关电源总体认知2.1开关电源的概念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。直流开关电源功能是将电能质量较差的原生态电源(粗电),如市电电源或蓄电池电源,转换成满足设备要求的直流电压(精电)。2.2直流开关电源基本结构直流输出输出整流DC/DC变换器整流滤波220V交流输入取样反馈PWM驱动器直流开关电源的核心是DC/DC转换器。
6、因此DC/DC转换器的分类基本上就是直流开关电源的分类。直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离分为隔离式和非隔离式转换器。开关电源大致由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部分组成。2.3直流开关电源的工作原理PWM开关电源的工作过程是让功率晶体管工作在导通和关断的状态,在这两种状态中,加在晶体管上的伏安乘积(即功率半导体器件上所产生的损耗)是很小的,通过斩波把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波,其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交
7、流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。3.直流开关电源设计流程3.1输入整流电路设计3.1.1单相桥式输入整流电路设计整流是将交流电变成脉动直流电的过程。电源变压器输出的交流电经整流电路得到一个大小变化但方向不变的脉动直流电。整流电路是由具有单向导电性的元件例如二极管、晶间管等整流元件组成的。设计要求主电路为桥式二极管整流,单相桥式整流电路分为单相桥式半控整流电路和单相桥式全波整流电路两种,半控整流电路为了防止失控现象,必须加续流二极管,而单相桥式全控整流电路此电路对每个导电回路进行控制,无须用续流二极管,也不会失控现象,也不存在变压器直流磁化问题,变压器的利用率高,基于以上优点,采用单相桥
8、式全控电路,它是由四个二极管接成电桥的形式构成的,四个二极管分为两组,正负半周轮流导通,但负载上电流方向不变,为全波整流。单相半波整流电路如图(一)所示 图(一)单相桥式整流滤波电路3.1.2变压器参数计算:变压器一次侧输入为交流220V、50Hz,为U1,二次侧为U2,整流后的输出电压平均值为UO,根据单相桥式整流电路经验公式,UO = 1.2 U2。输出直流电压为24V,输出电流为5A,则输出功率PO= 24 5 =120W,设变压器效0.8率为80%,则输入功率Pi = 120 0.8 = 150W。3.1.3整流管参数计算二极管正向导通电压Ud =0.9220V=198V 电流Id =
9、 Pi Ud = 0.76A二极管电流有效值Ivd = Id = 0.54A二极管最大反向电压Urm = U2 = 311.2V在考虑安全裕量的情况下,二极管额定电压 622.3933.4V二极管额定电流 0.520.69A根据以上数据,选用1N4004/A型号的整流二极管,最高反向工作电压为400V,额定工作电流为1.0A。3.1.4滤波电容计算因为桥式电路整流后的电压是脉动电压,需要滤波。根据UO = 1.2 U2,可知电容C的取值满足, = 150滤波电容的容量为 200333变压器副边电压有效值为 = 12.5V电容的耐压值为 19.5V根据以上数据,实际选取容量为300,耐压为25V
10、的电容作为输入滤波电容。3.2 DC/DC变换器设计3.2.1 DC/DC变换器总体概述开关电源是用PWM DC/DC变换器作为开关调节器的,因此PWM DC/DC变换器是开关电源的主要组成部分,是开关电源的控制与功率转换核心。PWM DC/DC变换器,它是由功率半导体器件(开关管和二极管)和储能元件(电感或电容)组成的,通过对其中开关管的PWM通断控制,讲一种数值的直流电压,转换成所需要的另一种数值的直流电压,并控制输入直流电源与负载之间的功率流动,把具有这种功能的转换器叫做PWM DC/DC转换器。PWM DC/DC转换器的组成有两种方式:一种是由两级转换电路组成的DC/AC/DC转换器,
11、迁移级逆变,实现DC/AC转换,后一级为整流,实现AC/DC转换。另一种是由开关管和二极管开关组合成PWM开关,将输入直流电压经过斩波、滤波后,转换成另一种数值的直流电压输出。由于本次设计要求DC/DC 变换器为半桥,所以属于隔离型电路。半桥式PWM DC/DC变换器,是由半桥式逆变器、高频变压器、输出整流器和直流滤波器组成,因此属于直流-交流-直流转换器。3.2.2 半桥式DC/DC典型电路如下上图为输出是全波整流电路的半桥式PWM DC/DC转换器的主电路,此电路实际上是两个正激式PWM DC/DC转换器的组合,每个正激式转换器的输入电压为,输出电压为。变压器初级绕组的匝数为,两个次级绕组
12、的匝数相等,即 = = ,变压器初次级绕组的匝数比K = 。3.2.3 PWM DC/DC变换器的工作原理当开关管导通时,变压器初级绕组上的电压为,绕组感应电动势端为正极性,故整流二极管导通,反偏置截止,输出滤波电感电流增加。在时刻开关管关断,由于电流继续按照原来的方向流动,故次级绕组和初级绕组中的电流也仍然按照原来的方向流动,电流从的“*”端流出,电流则从“*”端流入,于是二极管续流,因此,电压的极性反转,使二极管导通。由于两个整流二极管同时导通,将变压器的次级电压钳位在零位,则初级电位也为零,因此电压,这是。而电流立即增加到,此时绕组中的电流为零,二极管截止。因为,故。在期间,电流在电压的
13、作用下下降,所以也相应下降。在时,开关管导通,电压反向,变压器绕组电动势“*”端为负、电流从零反向增加到(不考虑铁心磁化电流)。电流从降到零,从增加到。在期间,电流又增加,故电流和也相应增加。在时,开关管关断,工作原理与开关管关断时相似。3.2.4 DC/DC变换器参数计算忽略损耗,输出电压按下式计算,式中原边绕组电压(V)原边绕组匝数(匝)副边绕组匝数(匝) 其中一导管的占空比 = 工作周期(S)串联耦合电容的选择变压器耦合电容是一种无极性薄膜电容器。为了减少电流作用下的升温,必须使用具有较低等效串联电阻的电容器,或者为了达到一定的电容值,必须使用多个电容器并联连接,以降低其等效串联电阻。初
14、算电容量耦合电容器C和电感L折算到原边的电感组成了一个串联谐振电路,其谐振频率为 式中副边电感L折算至原边的电感值()变压器原、副边匝数比耦合电容,带入可解得为了使耦合电容器充电线性,必须很好的选定谐振频率。一般选定,式中半桥变换器的开关频率(kHz)。变压器设计参数计算变压器尺寸选择要满足在工作频率下、温升在允许范围内、输出额定功率的要求。根据功率选定磁芯型号,其次确定磁感应强度的摆幅值。找到铁心温升与损耗关系曲线,可以按以下方法设计。以最小电压值下能提供额定输出功率为前提,在脉宽最大时计算出最少的原边线圈匝数。 式中磁密双摆工作时原边线圈最少匝数(匝) 原边线圈电压 导通时间 导通期间磁感
15、应强度的增量(mT)单相最佳磁感应强度摆幅(mT) 铁心最小面积()求出每匝电压系数,即比值计算副边绕组的匝数。输出电压应加上绕组和二极管压降,除以没匝电压系数即可求得副边绕组的匝数。副边绕组匝数半匝是不合理的。除非用特别方法绕制,否则会导致变压器一边饱和。所以副边实际匝数可在计算值上浮或下浮取整匝数。如果下浮取整,则必须按比例减小原边的匝数,以保证输出电压符合要求,因为脉宽不能大于50%。原边匝数的减小会导致铁心磁密的增大,容易达到饱和。因此,副边线圈上浮取整较好。这时,原边匝数和最大磁通密度可以不变,只要减小脉宽就可以保证输出电压达到额定值。这样,当输出电压为最小值时,导通占空比小于50%
16、,如果输出电压偏高,占空比更可小于50%。从而,可用控制线路把脉宽限定在一定的范围,形成的死区,有利于防止直通发生。本次设计要求输出功率为120W,输出电压为24V,输出电流5A,开关频率100kHz,效率设为80%,允许温升限为40,计算本次设计的半桥变换器参数:输入功率查阅磁心传送功率与尺寸(体积)各种形式关系图,得知,150W应选RM14或EC41(FX3730)磁心从FX3730变压器在自然通风时总损耗与温升关系曲线图可知,允许温升40,确定总损耗为2.6W,因最佳效率,确定铁损从FX3730变压器在100以下,考虑磁滞和涡流损耗与总磁通的函数关系图可知,1.3W损耗对应的磁通在开关1
17、00kHz时为8因FX3730的中心磁极面积为,得磁感应强度增量原边最少匝数依式计算。式中,电压范围为20%考虑,则倍压整流电压136匝每匝电压系数副边绕组及二极管压降设为1V,故副边副边绕组匝数匝,上浮,取16匝。根据情况,可计算上浮后对应原边匝数。3.3输出滤波整流电路设计3.3.1输出整流电路图3.3.2 输出电感的设计主输出和辅输出的输出电感都不允许进入不连续工作模式。不连续工作模式是从电感阶梯谐波电流的阶梯下降至零开始的,这种情况会在直流电流下降至斜坡幅值dI的一半时发生,于是当最小时,选择使最小时不需要大于就可以输出所需的值。而 则有选取,使及相应最小时为,于是或及 和 如果最小电
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