半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書學(xué) 院:電氣與信息工程學(xué)院學(xué)生姓名:指導(dǎo)教師:董恒職稱/學(xué)位助教業(yè):自動化級:號:完成時間:2015.12.28湖南工學(xué)院電力電子課程設(shè)計(jì)課題任務(wù)書學(xué)院：電氣與信息工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化專業(yè)自動化專業(yè)指導(dǎo)教師董恒學(xué)生姓名課題名稱設(shè)計(jì)一個半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源，已知輸入電壓單相:170260V，輸入交流電頻半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)任務(wù)率4565HZ,輸出直流電壓 24V恒定，輸出直流電流10A,最大功率250W穩(wěn)壓精度:內(nèi) 容 及 任 務(wù)小于直流輸出電壓整定值的1%二、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、關(guān)于本課程學(xué)習(xí)情況簡述;2、主電路的設(shè)計(jì)、原理分析和器件的選擇;3、控制電路的設(shè)

2、計(jì);主 要 參 考 資 料1234、保護(hù)電路的設(shè)計(jì);5、利用MATLAB軟件對自己的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真。王兆安，王俊編電力電子技術(shù)（第5版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2012 黃俊，秦祖蔭編電力電子自關(guān)斷器件及電路北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1991李序葆，趙永健編電力電子器件及其應(yīng)用北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996教 研 室 意 見教研室主任：（簽字） 年 月曰目錄1、總體設(shè)計(jì)方案1.1輸入整流濾波電路設(shè)計(jì) 1.2逆變電路設(shè)計(jì) 1.3驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 1.4整體電路設(shè)計(jì) 1.5過流保護(hù)101.6過壓保護(hù)112、器件的選擇2.1輸入整流器件112.2輸出整流器件112.3元件選擇112.4保護(hù)電路器件選擇133、

3、MATLAE電路仿真14致謝3.1MATLAB 簡介3.2 仿真電路圖參考文獻(xiàn)14141617摘要隨著開關(guān)電源在計(jì)算機(jī)、通信、航空航天、儀器儀表及家用電器等方面的廣 泛應(yīng)用，人們對其需求量日益增長。開關(guān)電源是現(xiàn)代電力電子設(shè)備不可或缺的組 成部分，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響子設(shè)備性能， 其體積的大小也直接影響到電子設(shè) 備整體的體積。開關(guān)電源以其效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢在很多方面逐步取 代了效率低、又笨又重的線性電源。這次介紹一種半橋電路的開關(guān)電源，是輸入 為單相交流170260V,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(diǎn)介紹該電源的構(gòu)思、理論、工作原理及特

4、點(diǎn)。關(guān)鍵詞：開關(guān)穩(wěn)壓電源；整流電路；半橋1、總體設(shè)計(jì)方案開關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(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。整個課題的設(shè)計(jì)，分為三部分。1、主電路的設(shè)計(jì)，包括整流輸入濾波、半橋式逆變電路、輸出整流、輸出 濾波。2、開關(guān)管的驅(qū)動電路。3、控制電路的設(shè)計(jì)，包括控制逆變電路開關(guān)管工作的脈沖輸出、軟啟動、 調(diào)占空比以及保護(hù)電路。半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案遵循開關(guān)電源的變換框圖。如1.1圖所示:圖1.1開關(guān)電源變換先是由工頻交流經(jīng)橋式整流電路得到直流電流，再由半橋開開關(guān)逆變得到高頻交流電，經(jīng)整流濾波后得到所需直流電?？晒╇娮釉O(shè)備使用。然后，電源流入輸入整流濾

5、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?yōu)檩^平滑的直流電。其次，功率開關(guān)橋由控制電路提供觸發(fā)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(cè)。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。1.1輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)整流濾波回路是開關(guān)電源的重要組成部分，它可以提高電壓、電流的穩(wěn)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。這次研究的電源額定工作狀態(tài)的技術(shù)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，用電源電路采用單相 橋式整流。對每個導(dǎo)

6、電回路進(jìn)行控制，相對于全控橋而言少了一個控制器件，用二極管 代替，有利于降低損耗！如果不加續(xù)流二極管，當(dāng)a突然增大至180或出發(fā)脈沖丟失時，由于電感儲能不經(jīng)變壓器二次繞組釋放， 只是消耗在負(fù)載電阻上，會 發(fā)生一個晶閘管導(dǎo)通而兩個二極管輪流導(dǎo)通的情況，這使UC成為正弦半波，即半周期Uc為正弦，另外半周期為Uc為零，其平均值保持穩(wěn)定，相當(dāng)于單相半波不可 控整流電路時的波形，即為失控。所以必須加續(xù)流二極管，以免發(fā)生失控現(xiàn)象。圖1整流電路當(dāng)負(fù)載中電感很大，且電路已工作于穩(wěn)態(tài)。在 U2正半周，觸發(fā)角a處給晶 閘管D1加觸發(fā)脈沖，U2經(jīng)D1和D4向負(fù)載供電。U2過零變負(fù)時，因電感作用使 電流連續(xù)，D1繼續(xù)

7、導(dǎo)通。但因a點(diǎn)電位低于b點(diǎn)電位，使得電流從D4轉(zhuǎn)移至D2, D4關(guān)斷，電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由 D1和D2續(xù)流。此階段,忽略器 件的通態(tài)壓降，則Ud=Q1.2逆變電路設(shè)計(jì)半橋逆變電路原理如圖，它有兩個橋臂，每個橋臂由一個可控器件和一個反 并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個電容的連接 點(diǎn)便成為直流電源的中點(diǎn)。負(fù)載連接在直流電源中點(diǎn)和兩個橋臂連接點(diǎn)之間。當(dāng)可控器件不具有門極可關(guān)斷能力的晶閘管時， 必須附加強(qiáng)迫換流電路才能 正常工作。半橋逆變電路的優(yōu)點(diǎn)是簡單，適用器件少。缺點(diǎn)是輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud的二分之一，且直流側(cè)需要兩個電容串聯(lián)，工作時還要控制兩個電

8、容器 電壓的均衡。因此半橋電路常用于幾千瓦以下的小功率逆變電源。圖2逆變電路圖開關(guān)器件V1和V2的柵極信號在一個周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏 ,且二 者互補(bǔ)。當(dāng)負(fù)載為感性時，輸出電壓為矩形波。當(dāng) V1或V2為通態(tài)時，負(fù)載電流 和電壓同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；而當(dāng)VD1或VD2為通態(tài)時，負(fù)載電流和 電壓反向，負(fù)載電感中儲存的能量向直流側(cè)反饋，即負(fù)載電感將其吸收的無功能 量返回直流側(cè)。反饋回的能量暫時儲存在直流側(cè)電容器中， 直流側(cè)電容器起著緩 沖這種無功能量的作用。VD1 VD2稱為反饋二極管，又叫續(xù)流二極管。1.3驅(qū)動電路設(shè)計(jì)MOSFET勺驅(qū)動可采用脈沖變壓器，它具有體積小，價格低的優(yōu)點(diǎn)，但

9、直接 驅(qū)動時，脈沖的前沿與后沿不夠陡，影響MOSFE的開關(guān)速度。在此，采用了 IR2304 心片，1）芯片體積?。―IP8），集成度高（可同時驅(qū)動同一橋臂的上、下兩只開關(guān)器 件）02）動態(tài)響應(yīng)快，通斷延遲時間220/220 ns（典型值）、內(nèi)部死區(qū)時間1000ns、 匹配延遲時間50nso3）驅(qū)動能力強(qiáng)，可驅(qū)動600V主電路系統(tǒng)，具有61 mA/ 130mA俞出驅(qū)動能力， 柵極驅(qū)動輸入電壓寬達(dá)1020V。4）工作頻率高，可支持100 kHz或以下的高頻開關(guān)。5）輸入輸出同相設(shè)計(jì)，提供高端和低端獨(dú)立控制驅(qū)動輸出，可通過兩個兼容 3. 3v、5v和15v輸入邏輯的獨(dú)立CMO或LSTFL輸入來控制，

10、為設(shè)計(jì)帶來了很 大的靈活性。6）低功耗設(shè)計(jì)，堅(jiān)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(jì)既降低成本和簡化電路，又降低設(shè)計(jì)風(fēng)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， 并提咼可靠性。7）具有電源欠壓保護(hù)和關(guān)斷邏輯，IR2304有兩個非倒相輸入及交叉?zhèn)鲗?dǎo)保 護(hù)功能，整合了專為驅(qū)動電機(jī)的半橋 MOSFE或IGBT電路而設(shè)的保護(hù)功能。當(dāng)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(dāng)電源電壓大于5v時則會釋放輸出（綜合滯后一般為0.3V）。 過壓（HVIC）及防閉鎖

11、CMOS技術(shù)使IR2304非常堅(jiān)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(jì)，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VDI lOFHNOLJNIhinHOvetV”H：ElDi圖3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(diǎn)。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，最好采用性能好的鉭電容， R1和R2為限 流電阻。1.4整體電路設(shè)計(jì)為了提高系統(tǒng)的功率因數(shù)

12、，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。UC3854XBUnitrode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(jìn)，其特點(diǎn)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W 3%。圖2.6是由UC3854A /B控制的有源功率因數(shù)校正電路。w novTUJCl6-lPJ7hU*JhfR-I 尸AHiJriTMULT.t UC 仙”1RLOAD1c A . JbftUiUCMM鑒see器圖4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(shí)現(xiàn)對網(wǎng) 側(cè)輸入電流和輸出電壓的控制。功

13、率部分由L2, Cs, S等元器件構(gòu)成Boost升壓 電路。開關(guān)管S選擇SKM75GBI23模塊，其工作頻率選在 35 kHz。升壓電感L2 為2mHK20A。C5采用兩個450VZ470卩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(jì)的PFC電路在輕載時不進(jìn)行功率因數(shù)校正，當(dāng)負(fù)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(shí)現(xiàn)。R10 及R11是負(fù)載檢測電阻。當(dāng)負(fù)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UC3854XB封鎖。在 負(fù)載較大時ENA為高電平才讓UC3854XB工作。D6接到SS

14、（軟啟動端），在負(fù)載 輕時D6導(dǎo)通，使SS為低電平；當(dāng)負(fù)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(shí)現(xiàn)軟啟動。1.5過流保護(hù)當(dāng)電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時， 可能會發(fā)生過電流。當(dāng)器件擊 穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃酉?統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)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(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^流保 護(hù)。本文采用快速熔斷保險絲在輸入端進(jìn)行保護(hù)。1.6過壓保護(hù)過壓護(hù)要根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位， 加入不同的保護(hù)電路，當(dāng)達(dá)到一 定電壓值時，自

15、動開通保護(hù)電路，使過壓通過保護(hù)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(guān)器件上，保護(hù)了電力電子器件。為了達(dá)到保護(hù)效果，可以使用阻容保護(hù)電路來實(shí)現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中， 當(dāng)電路中出現(xiàn)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(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量， 同時抑制電路中的電 感與電容產(chǎn)生振蕩，2、器件的選擇2.1輸入整流器件輸入為4565HZ交流電，電壓為170260V ,下面計(jì)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(jì)算如下。U=170 X 1.414=240.38V額定電壓：Uj, = (25*

16、24.38= (4S076721.142. 二極管的額定電流：因?yàn)殡娫吹妮斎牍β孰S效率變化，所以應(yīng)取電源效率最差時的值。在此，我們按一般開關(guān)電源的效率取值，取=0.8電源的輸入功率可用(3 1)公式計(jì)算：Pin =p/ n minp血= 240 4 0= 312.S W(21)(2-2)id =312.5+ BJ-.Il _i L _.I.L.L.L；iX-UMTi! mET-H-II ill-JiiA 4“ - iXl Jii J._ ,oo1j JiiXX il3: T_Lr - r 1 !T4- 丄 .4.k4.j.4.|-Li4.FTT7f !| + - + TTTTIJ 12+4b-

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