#24V5A半橋式直流開關(guān)電源設(shè)計(jì)報(bào)告

1、電力電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告直流開關(guān)電源的設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 信息科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 日 期： 2013年8月21日 目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc20245 1.課題任務(wù)介紹 PAGEREF _Toc20245 1 HYPERLINK l _Toc9944 1.1 技術(shù)參數(shù)： PAGEREF _Toc9944 1 HYPERLINK l _Toc5182 1.2 設(shè)計(jì)要求： PAGEREF _Toc5182 1 HYPERLINK l _Toc16431 2.直流開關(guān)電源總體認(rèn)知 PAGEREF _T

2、oc16431 1 HYPERLINK l _Toc10592 2.1開關(guān)電源的概念 PAGEREF _Toc10592 1 HYPERLINK l _Toc2669 2.2直流開關(guān)電源基本結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc2669 1 HYPERLINK l _Toc9814 2.3直流開關(guān)電源的工作原理 PAGEREF _Toc9814 2 HYPERLINK l _Toc5791 3.直流開關(guān)電源設(shè)計(jì)流程 PAGEREF _Toc5791 2 HYPERLINK l _Toc13863 3.1輸入整流電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc13863 2 HYPERLINK l _Toc4375

3、3.1.1單相橋式輸入整流電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc4375 2 HYPERLINK l _Toc29602 3.1.2變壓器參數(shù)計(jì)算： PAGEREF _Toc29602 3 HYPERLINK l _Toc21025 3.1.3整流管參數(shù)計(jì)算 PAGEREF _Toc21025 3 HYPERLINK l _Toc17329 3.1.4濾波電容計(jì)算 PAGEREF _Toc17329 3 HYPERLINK l _Toc10633 3.2 DC/DC變換器設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc10633 4 HYPERLINK l _Toc25428 3.2.1 DC/DC變換器總體概述

4、PAGEREF _Toc25428 4 HYPERLINK l _Toc25389 3.2.2 半橋式DC/DC典型電路如下 PAGEREF _Toc25389 4 HYPERLINK l _Toc20068 3.2.3 PWM DC/DC變換器的工作原理 PAGEREF _Toc20068 5 HYPERLINK l _Toc13608 3.2.4 DC/DC變換器參數(shù)計(jì)算 PAGEREF _Toc13608 5 HYPERLINK l _Toc3476 3.3輸出濾波整流電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc3476 9 HYPERLINK l _Toc3166 3.3.1輸出整流電路圖 PA

5、GEREF _Toc3166 9 HYPERLINK l _Toc11587 3.3.2 輸出電感的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc11587 9 HYPERLINK l _Toc4727 3.3.3 輸出電容的計(jì)算 PAGEREF _Toc4727 10 HYPERLINK l _Toc27682 3.3.4 整流輸出二極管計(jì)算 PAGEREF _Toc27682 11 HYPERLINK l _Toc24705 3.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc24705 12 HYPERLINK l _Toc26549 3.4.1 MOSFET管的基本工作原理 PAGEREF _Toc2654

6、9 12 HYPERLINK l _Toc11218 3.4.2 IR2110芯片介紹 PAGEREF _Toc11218 13 HYPERLINK l _Toc32316 3.4.3 半橋驅(qū)動(dòng)電路分析圖如下 PAGEREF _Toc32316 14 HYPERLINK l _Toc26348 3.4.4 半橋驅(qū)動(dòng)器器件參數(shù)選擇 PAGEREF _Toc26348 16 HYPERLINK l _Toc6280 3.5 PWM控制電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc6280 16 HYPERLINK l _Toc24160 3.5.1 PWM控制變換原理 PAGEREF _Toc24160 16

7、 HYPERLINK l _Toc25538 3.5.2 SG3525的封裝圖 PAGEREF _Toc25538 17 HYPERLINK l _Toc23057 3.5.3 SG3525芯片介紹 PAGEREF _Toc23057 18 HYPERLINK l _Toc565 3.5.4 SG3525參數(shù)計(jì)算 PAGEREF _Toc565 18 HYPERLINK l _Toc19779 3.6 反饋電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc19779 18 HYPERLINK l _Toc13208 4. 電路原理圖與波形圖匯總 PAGEREF _Toc13208 19 HYPERLINK l

8、 _Toc13394 4.1 電路原理圖 PAGEREF _Toc13394 19 HYPERLINK l _Toc14438 4.1.1 主電路原理圖 PAGEREF _Toc14438 19 HYPERLINK l _Toc29969 4.1.2 PWM控制電路原理圖 PAGEREF _Toc29969 19 HYPERLINK l _Toc4428 4.1.3 驅(qū)動(dòng)電路原理圖 PAGEREF _Toc4428 20 HYPERLINK l _Toc32535 4.2 各部分電路波形圖 PAGEREF _Toc32535 20 HYPERLINK l _Toc693 4.2.1 單相橋式整

9、流電路電壓波形圖 PAGEREF _Toc693 20 HYPERLINK l _Toc5000 4.2.2 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路波形 PAGEREF _Toc5000 21 HYPERLINK l _Toc17912 5. 主電路元器件清單 PAGEREF _Toc17912 21 HYPERLINK l _Toc6174 6. 電路仿真 PAGEREF _Toc6174 22 HYPERLINK l _Toc23735 6.1 仿真技術(shù)總體簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc23735 22 HYPERLINK l _Toc14205 6.2 SPICE和PSPICE仿真程序介紹 PAGEREF

10、 _Toc14205 22 HYPERLINK l _Toc24682 6.3 仿真圖表 PAGEREF _Toc24682 23 HYPERLINK l _Toc24851 6.3.1 平均整流輸入電壓如下 PAGEREF _Toc24851 23 HYPERLINK l _Toc14137 6.3.2 交流輸入均方根電壓如下 PAGEREF _Toc14137 23 HYPERLINK l _Toc3350 6.3.3 平均橋二極管 Pd PAGEREF _Toc3350 24 HYPERLINK l _Toc8323 6.3.4 峰值到峰值輸出紋波電壓 PAGEREF _Toc8323

11、24 HYPERLINK l _Toc3425 6.3.5 頻率 PAGEREF _Toc3425 25 HYPERLINK l _Toc24265 6.3.6 效率 PAGEREF _Toc24265 25 HYPERLINK l _Toc14905 6.3.7 總輸出功率 PAGEREF _Toc14905 26 HYPERLINK l _Toc12765 7. 設(shè)計(jì)總結(jié)與感想 PAGEREF _Toc12765 27 HYPERLINK l _Toc583 8. 致謝 PAGEREF _Toc583 27 HYPERLINK l _Toc11129 9. 參考文獻(xiàn) PAGEREF _To

12、c11129 271.課題任務(wù)介紹1.1 技術(shù)參數(shù)：裝置輸入電源為單相工頻交流電源（220V+20），輸出電壓Vo=24V，輸出電流Io=5A，最大輸出紋波電壓100mV，工作頻率f=100kHz。1.2 設(shè)計(jì)要求：1) 設(shè)計(jì)主電路，建議主電路為：整流部分是橋式二極管整流，大電容濾波，DC/DC 部分采用半橋變換器，主功率管用MOSFET；2) 選擇主電路所有圖列元件，并給出清單；3) 設(shè)計(jì)MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路及控制電路；4) 繪制裝置總體電路原理圖，繪制：?jiǎn)蜗鄻蚴秸麟娐犯鼽c(diǎn)電壓波形；MOSFET 驅(qū)動(dòng)電壓、全橋電路中各元件的電壓、電流以及輸出電壓波形（將波形分別匯總繪制，注意對(duì)應(yīng)關(guān)系）；

13、5) 利用仿真軟件分析電路的工作過程6) 編制設(shè)計(jì)說明書、設(shè)計(jì)小結(jié)。2.直流開關(guān)電源總體認(rèn)知2.1開關(guān)電源的概念開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。直流開關(guān)電源功能是將電能質(zhì)量較差的原生態(tài)電源（粗電），如市電電源或蓄電池電源，轉(zhuǎn)換成滿足設(shè)備要求的直流電壓（精電）。2.2直流開關(guān)電源基本結(jié)構(gòu)直流輸出輸出整流DC/DC變換器整流濾波220V交流輸入取樣反饋PWM驅(qū)動(dòng)器直流開關(guān)電源的核心是DC/DC轉(zhuǎn)換器。因此DC/DC轉(zhuǎn)換器的分類基本上就是直流開關(guān)電源的分類。直流DC/DC轉(zhuǎn)換器

14、按輸入與輸出之間是否有電氣隔離分為隔離式和非隔離式轉(zhuǎn)換器。開關(guān)電源大致由主電路、控制電路、檢測(cè)電路、輔助電源四大部分組成。2.3直流開關(guān)電源的工作原理PWM開關(guān)電源的工作過程是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷的狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)中，加在晶體管上的伏安乘積（即功率半導(dǎo)體器件上所產(chǎn)生的損耗）是很小的，通過斬波把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實(shí)現(xiàn)的。脈沖的占空比由開關(guān)電源的控制器來調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓值。最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓。3.直流開關(guān)電源設(shè)計(jì)流程3.1輸入整

15、流電路設(shè)計(jì)3.1.1單相橋式輸入整流電路設(shè)計(jì)整流是將交流電變成脈動(dòng)直流電的過程。電源變壓器輸出的交流電經(jīng)整流電路得到一個(gè)大小變化但方向不變的脈動(dòng)直流電。整流電路是由具有單向?qū)щ娦缘脑缍O管、晶間管等整流元件組成的。設(shè)計(jì)要求主電路為橋式二極管整流，單相橋式整流電路分為單相橋式半控整流電路和單相橋式全波整流電路兩種，半控整流電路為了防止失控現(xiàn)象，必須加續(xù)流二極管，而單相橋式全控整流電路此電路對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，無須用續(xù)流二極管，也不會(huì)失控現(xiàn)象，也不存在變壓器直流磁化問題，變壓器的利用率高，基于以上優(yōu)點(diǎn)，采用單相橋式全控電路，它是由四個(gè)二極管接成電橋的形式構(gòu)成的，四個(gè)二極管分為兩組，正負(fù)半

16、周輪流導(dǎo)通，但負(fù)載上電流方向不變，為全波整流。單相半波整流電路如圖（一）所示 圖（一)單相橋式整流濾波電路3.1.2變壓器參數(shù)計(jì)算：變壓器一次側(cè)輸入為交流220V、50Hz，為U1，二次側(cè)為U2，整流后的輸出電壓平均值為UO，根據(jù)單相橋式整流電路經(jīng)驗(yàn)公式，UO = 1.2 U2。輸出直流電壓為24V，輸出電流為5A，則輸出功率PO= 24 5 =120W，設(shè)變壓器效0.8率為80%，則輸入功率Pi = 120 0.8 = 150W。3.1.3整流管參數(shù)計(jì)算二極管正向?qū)妷篣d =0.9220V=198V 電流Id = Pi Ud = 0.76A二極管電流有效值Ivd = Id = 0.54A

17、二極管最大反向電壓Urm = U2 = 311.2V在考慮安全裕量的情況下，二極管額定電壓 622.3933.4V二極管額定電流 0.520.69A根據(jù)以上數(shù)據(jù)，選用1N4004/A型號(hào)的整流二極管，最高反向工作電壓為400V，額定工作電流為1.0A。3.1.4濾波電容計(jì)算因?yàn)闃蚴诫娐氛骱蟮碾妷菏敲}動(dòng)電壓，需要濾波。根據(jù)UO = 1.2 U2，可知電容C的取值滿足， = 150濾波電容的容量為 200333變壓器副邊電壓有效值為 = 12.5V電容的耐壓值為 19.5V根據(jù)以上數(shù)據(jù)，實(shí)際選取容量為300，耐壓為25V的電容作為輸入濾波電容。3.2 DC/DC變換器設(shè)計(jì)3.2.1 DC/DC變

18、換器總體概述開關(guān)電源是用PWM DC/DC變換器作為開關(guān)調(diào)節(jié)器的，因此PWM DC/DC變換器是開關(guān)電源的主要組成部分，是開關(guān)電源的控制與功率轉(zhuǎn)換核心。PWM DC/DC變換器，它是由功率半導(dǎo)體器件（開關(guān)管和二極管）和儲(chǔ)能元件（電感或電容）組成的，通過對(duì)其中開關(guān)管的PWM通斷控制，講一種數(shù)值的直流電壓，轉(zhuǎn)換成所需要的另一種數(shù)值的直流電壓，并控制輸入直流電源與負(fù)載之間的功率流動(dòng)，把具有這種功能的轉(zhuǎn)換器叫做PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器。PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器的組成有兩種方式：一種是由兩級(jí)轉(zhuǎn)換電路組成的DC/AC/DC轉(zhuǎn)換器，遷移級(jí)逆變，實(shí)現(xiàn)DC/AC轉(zhuǎn)換，后一級(jí)為整流，實(shí)現(xiàn)AC/DC轉(zhuǎn)換。另一種是由

19、開關(guān)管和二極管開關(guān)組合成PWM開關(guān)，將輸入直流電壓經(jīng)過斬波、濾波后，轉(zhuǎn)換成另一種數(shù)值的直流電壓輸出。由于本次設(shè)計(jì)要求DC/DC 變換器為半橋，所以屬于隔離型電路。半橋式PWM DC/DC變換器，是由半橋式逆變器、高頻變壓器、輸出整流器和直流濾波器組成，因此屬于直流-交流-直流轉(zhuǎn)換器。3.2.2 半橋式DC/DC典型電路如下上圖為輸出是全波整流電路的半橋式PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器的主電路，此電路實(shí)際上是兩個(gè)正激式PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器的組合，每個(gè)正激式轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為，輸出電壓為。變壓器初級(jí)繞組的匝數(shù)為，兩個(gè)次級(jí)繞組的匝數(shù)相等，即 = = ，變壓器初次級(jí)繞組的匝數(shù)比K = 。3.2.3 PW

20、M DC/DC變換器的工作原理當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器初級(jí)繞組上的電壓為，繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)端為正極性，故整流二極管導(dǎo)通，反偏置截止，輸出濾波電感電流增加。在時(shí)刻開關(guān)管關(guān)斷，由于電流繼續(xù)按照原來的方向流動(dòng)，故次級(jí)繞組和初級(jí)繞組中的電流也仍然按照原來的方向流動(dòng)，電流從的“*”端流出，電流則從“*”端流入，于是二極管續(xù)流，因此，電壓的極性反轉(zhuǎn)，使二極管導(dǎo)通。由于兩個(gè)整流二極管同時(shí)導(dǎo)通，將變壓器的次級(jí)電壓鉗位在零位，則初級(jí)電位也為零，因此電壓，這是。而電流立即增加到，此時(shí)繞組中的電流為零，二極管截止。因?yàn)?，故。在期間，電流在電壓的作用下下降，所以也相應(yīng)下降。在時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，電壓反向，變壓器繞組電動(dòng)勢(shì)“*

21、”端為負(fù)、電流從零反向增加到（不考慮鐵心磁化電流）。電流從降到零，從增加到。在期間，電流又增加，故電流和也相應(yīng)增加。在時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷，工作原理與開關(guān)管關(guān)斷時(shí)相似。3.2.4 DC/DC變換器參數(shù)計(jì)算忽略損耗，輸出電壓按下式計(jì)算，式中原邊繞組電壓（V）原邊繞組匝數(shù)（匝）副邊繞組匝數(shù)（匝） 其中一導(dǎo)管的占空比 = 工作周期（S）串聯(lián)耦合電容的選擇變壓器耦合電容是一種無極性薄膜電容器。為了減少電流作用下的升溫，必須使用具有較低等效串聯(lián)電阻的電容器，或者為了達(dá)到一定的電容值，必須使用多個(gè)電容器并聯(lián)連接，以降低其等效串聯(lián)電阻。初算電容量耦合電容器C和電感L折算到原邊的電感組成了一個(gè)串聯(lián)諧振電路，其諧振頻

22、率為 式中副邊電感L折算至原邊的電感值（）變壓器原、副邊匝數(shù)比耦合電容，帶入可解得為了使耦合電容器充電線性，必須很好的選定諧振頻率。一般選定，式中半橋變換器的開關(guān)頻率（kHz)。變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算變壓器尺寸選擇要滿足在工作頻率下、溫升在允許范圍內(nèi)、輸出額定功率的要求。根據(jù)功率選定磁芯型號(hào)，其次確定磁感應(yīng)強(qiáng)度的擺幅值。找到鐵心溫升與損耗關(guān)系曲線，可以按以下方法設(shè)計(jì)。以最小電壓值下能提供額定輸出功率為前提，在脈寬最大時(shí)計(jì)算出最少的原邊線圈匝數(shù)。 式中磁密雙擺工作時(shí)原邊線圈最少匝數(shù)（匝） 原邊線圈電壓 導(dǎo)通時(shí)間 導(dǎo)通期間磁感應(yīng)強(qiáng)度的增量（mT)單相最佳磁感應(yīng)強(qiáng)度擺幅（mT） 鐵心最小面積（）求出每匝

23、電壓系數(shù)，即比值計(jì)算副邊繞組的匝數(shù)。輸出電壓應(yīng)加上繞組和二極管壓降，除以沒匝電壓系數(shù)即可求得副邊繞組的匝數(shù)。副邊繞組匝數(shù)半匝是不合理的。除非用特別方法繞制，否則會(huì)導(dǎo)致變壓器一邊飽和。所以副邊實(shí)際匝數(shù)可在計(jì)算值上浮或下浮取整匝數(shù)。如果下浮取整，則必須按比例減小原邊的匝數(shù)，以保證輸出電壓符合要求，因?yàn)槊}寬不能大于50%。原邊匝數(shù)的減小會(huì)導(dǎo)致鐵心磁密的增大，容易達(dá)到飽和。因此，副邊線圈上浮取整較好。這時(shí)，原邊匝數(shù)和最大磁通密度可以不變，只要減小脈寬就可以保證輸出電壓達(dá)到額定值。這樣，當(dāng)輸出電壓為最小值時(shí)，導(dǎo)通占空比小于50%，如果輸出電壓偏高，占空比更可小于50%。從而，可用控制線路把脈寬限定在一定

24、的范圍，形成的死區(qū)，有利于防止直通發(fā)生。本次設(shè)計(jì)要求輸出功率為120W，輸出電壓為24V，輸出電流5A，開關(guān)頻率100kHz，效率設(shè)為80%，允許溫升限為40，計(jì)算本次設(shè)計(jì)的半橋變換器參數(shù)： = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 輸入功率 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 查閱磁心傳送功率與尺寸（體積）各種形式關(guān)系圖，得知，150W應(yīng)選RM14或EC41（FX3730）磁心 = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 從FX3730變壓器在自然通風(fēng)時(shí)總損耗與溫升關(guān)系曲線圖可知，允許溫升40，確定總損耗為2.6W，因最佳效率，確定鐵損 = 4 * GB3 * MERG

25、EFORMAT 從FX3730變壓器在100以下，考慮磁滯和渦流損耗與總磁通的函數(shù)關(guān)系圖可知，1.3W損耗對(duì)應(yīng)的磁通在開關(guān)100kHz時(shí)為8 = 5 * GB3 * MERGEFORMAT 因FX3730的中心磁極面積為，得 = 6 * GB3 * MERGEFORMAT 磁感應(yīng)強(qiáng)度增量 = 7 * GB3 * MERGEFORMAT 原邊最少匝數(shù)依式計(jì)算。式中，電壓范圍為20%考慮，則倍壓整流電壓136匝 = 8 * GB3 * MERGEFORMAT 每匝電壓系數(shù) = 9 * GB3 * MERGEFORMAT 副邊繞組及二極管壓降設(shè)為1V，故副邊副邊繞組匝數(shù)匝，上浮，取16匝。根據(jù)情況，

26、可計(jì)算上浮后對(duì)應(yīng)原邊匝數(shù)。3.3輸出濾波整流電路設(shè)計(jì)3.3.1輸出整流電路圖3.3.2 輸出電感的設(shè)計(jì)主輸出和輔輸出的輸出電感都不允許進(jìn)入不連續(xù)工作模式。不連續(xù)工作模式是從電感階梯諧波電流的階梯下降至零開始的，這種情況會(huì)在直流電流下降至斜坡幅值dI的一半時(shí)發(fā)生，于是當(dāng)最小時(shí)，選擇使最小時(shí)不需要大于就可以輸出所需的值。而 則有選取，使及相應(yīng)最小時(shí)為，于是或及 和 如果最小電流規(guī)定為額定電流的1/10（通常情況），則以上、和T的單位分別為亨利、伏特和秒，為最小輸出電流，為額定輸出電流，單位均為安培。經(jīng)驗(yàn)算法一般選擇輸出濾波電感電流的脈動(dòng)為最大輸出電流的20%，這樣本模塊電源的輸出濾波電感電流的脈動(dòng)

27、可選為，也就是當(dāng)輸出電流在時(shí)應(yīng)保證輸出濾波電感電流連續(xù)，輸出濾波電感可按下式計(jì)算： 代入數(shù)據(jù)得： 3.3.3 輸出電容的計(jì)算輸出電容的選擇應(yīng)滿足最大紋波電壓的要求，輸出紋波幾乎完全由濾波電容的ESR（等效串聯(lián)電阻）的大小來決定，而不是電容本身的大小來決定，紋波電壓峰峰值為式中，是所選的電感電流紋波的峰峰值。另外，對(duì)于鋁電解電容器，在很大容值及額定電壓范圍內(nèi)，其的乘積基本不變。鋁電解電容的范圍是。因此可選為式中，的單位為法拉，dI的單位為安培，的單位為伏特。規(guī)定輸出電壓的最大紋波值為V= 100 mV，則可由下式確定輸出濾波電容的大?。?代入數(shù)據(jù)得： 3.3.4 整流輸出二極管計(jì)算二極管的最大反

28、向電壓：二極管平均電流：二極管的電流有效值：二極管的額定電壓：二極管的額定電流：選用6A1的二極管，,額定工作電流為6A，正向壓降為0.95V。 3.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)3.4.1 MOSFET管的基本工作原理因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)主功率管采用MOSFET，下面對(duì)MOSFET進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。MOSFET管是三端電壓控制型開關(guān)器件（雙極型晶體管是三段電流控制型開關(guān)器件），在開關(guān)電源電路中，MOSFET管的使用與雙極型晶體管類似。當(dāng)柵極有驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)MOSFET管完全導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電壓需要滿足盡可能減小導(dǎo)通壓降的要求。柵極無驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，MOSFET管關(guān)斷，此時(shí)MOSFET管承受輸入電壓或其值的幾倍。MOSFET管的符號(hào)

29、圖如下：N溝道型MOSFET管（相當(dāng)于N型雙極晶體管）通常由正電源供電。負(fù)載連接在電源正極和漏極之間。漏極電流由正的柵極電壓控制，從正供電母線流入通過負(fù)載阻抗到漏極，然后從源極返回到負(fù)供電母線。大部分MOSFET都是N溝道型的。它還可以進(jìn)一步分為兩種截然不同的類型，即增強(qiáng)型和耗盡型。對(duì)于N溝道增強(qiáng)型，當(dāng)柵極間電壓為零時(shí)，漏源極間電流為零。它需要一個(gè)正的柵源極間電壓來建立漏源極間電流。對(duì)于N溝道耗盡型管，當(dāng)柵源極電負(fù)的壓為零時(shí)，柵源極間電流最大。它需要一個(gè)負(fù)的柵源極間電壓來關(guān)斷漏源間電流。耗盡型MOSFET管不用做功率晶體管，也很少用在單管小電流電路中，現(xiàn)在它多用于對(duì)重要器件的敏感輸入端的接地保

30、護(hù)電路中。功率MOSFET作為單極型器件，沒有少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，輸入阻抗高，因而開關(guān)速度高，驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單。但是功率MOSFET存在較大的極間電容，因而其柵極輸入端相當(dāng)于一個(gè)容性網(wǎng)絡(luò)，這就要求柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸出電阻要小，否則輸出電容的充電時(shí)間過長(zhǎng)就會(huì)影響MOSFET的開通速度。功率MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路有兩種形式，一種是直接驅(qū)動(dòng)式，其中直接驅(qū)動(dòng)式又分為用TTL驅(qū)動(dòng)MOSFET、加有負(fù)偏壓互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)MOSFET電路和用線性互補(bǔ)電路驅(qū)動(dòng)三種。另一種就是隔離驅(qū)動(dòng)電路。本次設(shè)計(jì)選取隔離驅(qū)動(dòng)電路。3.4.2 IR2110芯片介紹本次設(shè)計(jì)半橋驅(qū)動(dòng)電路采用控制芯片IR2110驅(qū)動(dòng)。IR2110內(nèi)部框圖

31、如下IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)IR2110內(nèi)部框圖由三個(gè)部分組成：邏輯輸入，電平平移及輸出保護(hù)。（1）具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道。（2）懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)500V。（3）輸出的電源端（腳3）的電壓范圍為1020V。（4）邏輯電源的輸入范圍（腳9）515V，可方便的與TTL，CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率電源地之間允許有V的便移量。（5）工作頻率高，可達(dá)500KHz。（6）開通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns。（7）圖騰柱輸出峰值電流2A。IR2110封裝圖如下3.4.3 半橋驅(qū)動(dòng)電路分析圖如下圖a圖bIR2110用于驅(qū)動(dòng)半橋的電路如上圖所示。IR211

32、0圖a和圖b為IR2110的兩種工作狀態(tài)。圖中C1、VD1分別為自舉電容和快恢復(fù)二極管，C2為VCC的濾波電容。假定在S1關(guān)斷期間C1已充到足夠的電壓（VC1VCC）。當(dāng)HIN為高電平時(shí)VM1開通，VM2關(guān)斷，VC1加到S1的門極和發(fā)射極之間，C1通過VM1，Rg1和S1門極柵極電容Cgc1放電，Cgc1被充電。此時(shí)VC1可等效為一個(gè)電壓源。當(dāng)HIN為低電平時(shí)，VM2開通，VM1斷開，S1柵電荷經(jīng)Rg1、VM2迅速釋放，S1關(guān)斷。經(jīng)短暫的死區(qū)時(shí)間（td）之后，LIN為高電平，S2開通，VCC經(jīng)VD1，S2給C1充電，迅速為C1補(bǔ)充能量。如此循環(huán)反復(fù)。IR2110半橋驅(qū)動(dòng)電路原理圖3.4.4 半

33、橋驅(qū)動(dòng)器器件參數(shù)選擇自舉電容的選取MOSFET開通時(shí)，需要在極短的時(shí)間內(nèi)向門極提供足夠的柵電荷。假定在器件開通后，自舉電容兩端電壓比器件充分導(dǎo)通所需要的電壓（10V，高壓側(cè)鎖定電壓為8.7/8.3V）要高；再假定在自舉電容充電路徑上有1.5V的壓降（包括VD1的正向壓降）；最后假定有1/2的柵電壓（柵極門檻電壓VTH通常35V）因泄漏電流引起電壓降。綜合上述條件，此時(shí)對(duì)應(yīng)的自舉電容的值選為實(shí)際選取104無極性瓷片電容快恢復(fù)二極管的選擇自舉二極管是一個(gè)重要的自舉器件，它應(yīng)能阻斷直流干線上的高壓，二極管承受的電流是柵極電荷與開關(guān)頻率之積。為了減少電荷損失，應(yīng)選擇反向漏電流小的快恢復(fù)二極管。選取HE

34、R307。3.5 PWM控制電路設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的控制電路采用PWM控制方式。3.5.1 PWM控制變換原理PWM控制方式必須要求有產(chǎn)生恒定頻率的震蕩源作為比較的基準(zhǔn)，這種震蕩器稱為“時(shí)鐘震蕩器”。此外還必須要有脈沖寬度調(diào)制電路，也就是說，檢測(cè)比較放大電路將誤差電壓信號(hào)放大后，必須將該電壓信號(hào)變換成脈沖寬度信號(hào)，完成這種功能的電路稱為“電壓脈寬轉(zhuǎn)換”電路（用V/W電路表示）。然后由基極驅(qū)動(dòng)電路激勵(lì)高壓開關(guān)晶體，調(diào)節(jié)導(dǎo)通脈沖寬度以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。比如，由于某種原因（負(fù)載電流減小或電網(wǎng)電壓上升）使高頻變壓器副邊輸出電壓的平均值增大，電源輸出電壓也將隨之升高，反饋檢測(cè)電路將這一電壓變化量由電壓-脈沖轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)

35、換成脈沖寬度的變化，使脈沖寬度變窄，亦即使脈沖的占空比減小，高頻變壓器輸出電壓的平均值下降，從而使輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定；反之，若電源輸出電壓由于某種原因下降時(shí)，控制回路的輸出脈寬將增大，高頻變壓器輸出電壓的平均值提高，使電源輸出電壓又回升到原來的數(shù)值。這便是PWM控制變換器型開關(guān)電源的基本穩(wěn)壓原理。本次PWM控制器設(shè)計(jì)采用的IC是SG3525芯片。3.5.2 SG3525的封裝圖引腳功能介紹各引腳功能如下:1腳、2腳分別為誤差放大器的反相輸入端和同相輸入端,3腳為同步輸出端,4腳為振蕩器輸出,5腳、6腳分別外接內(nèi)部振蕩器的時(shí)基電容和電阻,7腳接放電電阻,8腳為軟啟動(dòng),9腳為誤差放大器的頻率補(bǔ)償端,

36、10腳為關(guān)斷控制端,用于實(shí)現(xiàn)限流控制,11腳、14腳為輸出端，12腳為接地端,13腳接輸出管集電極電源,15腳接SG3525的工作電源,16腳為5.1V基準(zhǔn)電壓3.5.3 SG3525芯片介紹SG3525芯片是由美國(guó)硅通用電氣公司設(shè)計(jì)的適用于高頻功率MOS管驅(qū)動(dòng)的第二代集成電路脈沖寬度控制器,其中SG3525可用于驅(qū)動(dòng)N溝道的功率MOS管。SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.5.4 SG3525參數(shù)計(jì)算SG3525的震蕩頻率為式中和分別是與腳5、腳6相連的震蕩器的電容和電阻，是與腳7相連的放電端電阻值。由于一直頻率為100kHz,在根據(jù)器件規(guī)格調(diào)整各器件數(shù)值，確定為0.005，為2.8,為103.6 反

37、饋電路設(shè)計(jì)輸出電壓反饋電路設(shè)計(jì)圖如下傳遞函數(shù)4. 電路原理圖與波形圖匯總4.1 電路原理圖4.1.1 主電路原理圖4.1.2 PWM控制電路原理圖4.1.3 驅(qū)動(dòng)電路原理圖4.2 各部分電路波形圖4.2.1 單相橋式整流電路電壓波形圖4.2.2 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路波形主電路元器件清單元器件名稱：輸入整流二極管 型號(hào)：1N4004A 規(guī)格：反向工作電壓400V，電流1A 個(gè)數(shù)：6元器件名稱：濾波電容 規(guī)格：容量300，耐壓值25V 個(gè)數(shù)：3 元器件名稱：N溝道MOSFET 個(gè)數(shù)：2元器件名稱：高頻變壓器 規(guī)格：磁心FX3730，原副線圈匝數(shù)比136：16個(gè)數(shù)：1元器件名稱：輸出整流二極管 規(guī)格

38、：電流為6A，正向壓降為0.95V個(gè)數(shù)：3元器件名稱：輸出整流濾波電感 規(guī)格：19.2 個(gè)數(shù)：1元器件名稱：輸出整流濾波電容 規(guī)格：6.25 個(gè)數(shù)：1電路仿真6.1 仿真技術(shù)總體簡(jiǎn)介根據(jù)實(shí)際電路（或系統(tǒng)）建立模型，通過對(duì)模型的計(jì)算機(jī)分析、研究和實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到研制和開發(fā)實(shí)際電路（或系統(tǒng)）的目的，這一過程稱為計(jì)算機(jī)仿真。由于它的高效、高精度、高經(jīng)濟(jì)性和高可靠性，因此備受人們的重視。電路的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，要解決兩個(gè)主要問題：如何建立電路的方程（即仿真模型），如何求解電路方程。由此而提出了各種仿真技術(shù)、程序和軟件包。自20世紀(jì)70年代至今，電路仿真的分析方法主要有：狀態(tài)變量法、節(jié)點(diǎn)分析法、改進(jìn)的節(jié)點(diǎn)分析

39、法、狀態(tài)空間平均法等，在用SPICE通用電路程序具體仿真一個(gè)開關(guān)變換器時(shí)，也結(jié)合狀態(tài)空間平均法的概念，從而建立開關(guān)變換器功率電路及控制集成電路的仿真模型，分別編制出SPICE仿真子程序，附加到SPICE中，可進(jìn)行大信號(hào)、小信號(hào)瞬態(tài)分析及直流分析。6.2 SPICE和PSPICE仿真程序介紹SPICE是一種通用集成電路計(jì)算機(jī)分析程序，可以對(duì)電路進(jìn)行非線性直流分析、非線性瞬態(tài)時(shí)域分析和交流小信號(hào)時(shí)域和頻域分析等。SPICE應(yīng)用了一組電路模型方程，基本分析工具是牛頓拉弗遜迭代法。PSPICE則是SPICE程序的派生軟件。原來用于SPICE模型，可直接移植到PSPICE上來。SPICE在小型機(jī)、工作站上運(yùn)行，而PSPICE則是可以在微型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的SPICE程序，它兼容SPICE的功能。因此，應(yīng)用PSPICE仿真比SPICE更為方便。PSPICE求解方程的方法是以梯形法和GEAR積分法相結(jié)合，以適應(yīng)病態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)，并采用截?cái)嗾`差控制時(shí)間步長(zhǎng)，即可較快得到穩(wěn)定解，又可保證解的精度。PSPICE在SPICE基礎(chǔ)上某些功能還有所擴(kuò)充和增強(qiáng)，使用