開關(guān)電源課程設(shè)計

電力電子技術(shù)課程設(shè)計報告——關(guān)于開關(guān)電源的設(shè)計說明 學(xué)院：電子信息工程學(xué)院班級：自動化專業(yè)05級2班 姓名：孫波 學(xué)號：200510310244 指導(dǎo)教師：譚建敏 時間：2008年7月開關(guān)電源設(shè)計說明設(shè)計要求：基本數(shù)據(jù)：輸入：交流（AC）220V50HZ電壓變化范圍：180V—240V輸出：直流（DC）110V5A可調(diào)范圍：50V—150V紋波系數(shù)：5%2.主電路：采用半橋變換電路全波整流3.控制電路：采用SG3525，開關(guān)頻率40KHz，電壓反饋及PI調(diào)節(jié)器原理框圖及各部分電路圖開關(guān)電源的構(gòu)成原理：（一）輸入電路：線性濾波電路、浪涌電流抑制電路、整流電路。作用：把輸入電網(wǎng)交流電源轉(zhuǎn)化為符合要求的開關(guān)電源直流輸入電源。（二）．變換電路：含開關(guān)電路、輸出隔離（變壓器）電路等，是開關(guān)電源電源變換的主通道，完成對帶有功率的電源波形進(jìn)行斬波調(diào)制和輸出。（三）．控制電路：向驅(qū)動電路提供調(diào)制后的矩形脈沖，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。（四）．輸出電路：整流、濾波。把輸出電壓整流成脈動直流，并平滑成低紋波直流電壓。輸出整流技術(shù)現(xiàn)在又有半波、全波、恒功率、倍流、同步等整流方式。開關(guān)電源的工作原理是:（1）.交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流;（2）.通過高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號控制開關(guān)管,將那個直流加到開關(guān)變壓器初級上;（3）.開關(guān)變壓器次級感應(yīng)出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負(fù)載;（4）.輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的.原理框圖ACDCDCACACDC驅(qū)動電路SG3525ACDCDCACACDC驅(qū)動電路SG3525 橋式整流 半橋 高頻變壓器 再次整流 濾波電路L-C 濾波50HZ輸出L-C 濾波220vUg主電路主電路包括了AC-DC-AC-DC變換。C2UiC2UiS2S1LRN1N2N2UoTC1C2控制電路采用SG3525集成塊，開關(guān)頻率40KZ；驅(qū)動電路采用光耦電路。電路原理如下圖所示：SG3525圖4.13SG3525特點如下：

（1）工作電壓范圍寬：8—35V。

（2）5.1（11.0%）V微調(diào)基準(zhǔn)電源。

（3）振蕩器工作頻率范圍寬：100Hz?—400KHz.

（4）具有振蕩器外部同步功能。

（5）死區(qū)時間可調(diào)。

（6）內(nèi)置軟啟動電路。

（7）具有輸入欠電壓鎖定功能。

（8）具有PWM瑣存功能，禁止多脈沖。

（9）逐個脈沖關(guān)斷。

（10）雙路輸出（灌電流/拉電流）：mA(峰值)。

SG3525的工作原理

SG3525內(nèi)置了5.1V精密基準(zhǔn)電源，微調(diào)至1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi)，無須外接分壓電組。SG3525還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也可以與外部系統(tǒng)時鐘信號同步，為設(shè)計提供了極大的靈活性。在CT引腳和Discharge引腳之間加入一個電阻就可以實現(xiàn)對死區(qū)時間的調(diào)節(jié)功能。由于SG3525內(nèi)部集成了軟啟動電路，因此只需要一個外接定時電容。SG3525的軟啟動接入端（引腳8）上通常接一個5的軟啟動電容。上電過程中，由于電容兩端的電壓不能突變，因此與軟啟動電容接入端相連的PWM比較器反向輸入端處于低電平，PWM比較器輸出高電平。此時，PWM瑣存器的輸出也為高電平，該高電平通過兩個或非門加到輸出晶體管上，使之無法導(dǎo)通。只有軟啟動電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時，SG3525才開始工作。由于實際中，基準(zhǔn)電壓通常是接在誤差放大器的同相輸入端上，而輸出電壓的采樣電壓則加在誤差放大器的反相輸入端上。當(dāng)輸出電壓因輸入電壓的升高或負(fù)載的變化而升高時，誤差放大器的輸出將減小，這將導(dǎo)致PWM比較器輸出為正的時間變長，PWM瑣存器輸出高電平的時間也變長，因此輸出晶體管的導(dǎo)通時間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。反之亦然。外接關(guān)斷信號對輸出級和軟啟動電路都起作用。當(dāng)Shutdown（引腳10）上的信號為高電平時，PWM瑣存器將立即動作，禁止SG3525的輸出，同時，軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關(guān)斷信號結(jié)束，才重新進(jìn)入軟啟動過程。注意，Shutdown引腳不能懸空，應(yīng)通過接地電阻可靠接地，以防止外部干擾信號耦合而影響SG3525的正常工作。欠電壓鎖定功能同樣作用于輸出級和軟啟動電路。如果輸入電壓過低，在SG3525的輸出被關(guān)斷同時，軟啟動電容將開始放電。

此外，SG3525還具有以下功能，即無論因為什么原因造成PWM脈沖中止，輸出都將被中止，直到下一個時鐘信號到來，PWM瑣存器才被復(fù)位。VT1和VT2分別由SG3525的輸出端A和輸出端B輸出的正向驅(qū)動電流驅(qū)動。電阻R2和R3是限流電阻，是為了防止注入VT1和VT2的正向基極電流超出控制器所允許的輸出電流。C1和C2是加速電容，起到加速VT1和VT2導(dǎo)通的作用。由于SG3525的輸出驅(qū)動電路是低阻抗的，而功率MOSFET的輸入阻抗很高，因此輸出端A和輸出端B與VT1和VT2柵極之間無須串接限流電阻和加速電容，就可以直接推動功率MOSFET。其中VG1,VS1分別連接主回路MOSFETV1管的G級與S級；VG2,VS2分別連接MOSFETV2管的G級與S級，達(dá)到控制MOSFET管開關(guān)控制頻率的作用。SG3525為專用的PWM控制集成電路，它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案，內(nèi)部包含精密基準(zhǔn)電源，鋸齒波振蕩器，誤差放大器，比較器，分頻器等。4、驅(qū)動電路：驅(qū)動電路是控制電路與主電路的接口，同開關(guān)電源的可靠性、效率等性能密切相關(guān)，驅(qū)動電路需要有很高的快速性，能提供一定的驅(qū)動功率，并具有較高的抗干擾和隔離噪聲的功能。三．開關(guān)器件介紹1、二極管：二極管是最為簡單又是十分重要的一種電力電力器件，在開關(guān)電源的輸入整流電路、逆變電路、輸出高頻整流電路以及緩沖電路中均有使用。2、電力MOSFET：電力MOSFET其顯著特點是用柵極電壓來控制漏極電流，因此所需驅(qū)動功率小、驅(qū)動電路簡單，又由于是靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，沒有少數(shù)載流子導(dǎo)電說需要的存儲時間，是目前開關(guān)速度最高的電力電力器件，在小功率電力電力裝置中，是應(yīng)用最為廣泛的器件。其一些參數(shù)：型號TREFP450額定電流16A額定電壓500V通態(tài)電阻0.4歐3、變壓器：變壓器是利用互感應(yīng)實現(xiàn)能量或信號傳輸?shù)钠骷?，在開關(guān)電源主電路中，變壓器用于輸入輸出之間的隔離及電壓變換，在控制電路中，主要用于檢測信號及驅(qū)動信號的隔離及變換。4、PI調(diào)節(jié)器：PI調(diào)節(jié)器又稱比例—積分控制器，相當(dāng)于積分環(huán)節(jié)與PD調(diào)節(jié)器串聯(lián)，兼有二者的優(yōu)點，利用積分部分提高系統(tǒng)的無差度，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，并利用PD調(diào)節(jié)器改善動態(tài)性能，以抵消積分部分對動態(tài)的不利影響，主要用于在基本保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。5、等效串聯(lián)電阻Res：由電容器的引腳電阻以及電容器極化損耗、電離損耗的等效電阻串聯(lián)構(gòu)成的。當(dāng)有交流電流通過電容器，Res使電容器消耗能量，從而產(chǎn)生損耗。等效串聯(lián)電感Les：由電容器的引腳電敢于電容器兩個極板的等效電感串聯(lián)構(gòu)成。光耦：光電耦合器及其典型用法光耦合器（opticalcoupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機(jī)數(shù)字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機(jī)工作的可靠性。

光耦合器的主要優(yōu)點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來產(chǎn)新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級間耦合、驅(qū)動電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。各部分參數(shù)設(shè)計高頻變壓器的設(shè)計電壓比KT即KT≤式中KT為電壓比；Uimin為輸入直流電壓最小值，應(yīng)選取輸入電壓下限值，即180V；Dmax為最大占空比，取Dmax=0.8；Uomax為最高輸出電壓；取Uomax=150V；△U為電路中的壓降，應(yīng)包含二極管壓降和電路中的線路壓降，此處取△U=2V；由此計算KT≤=0.9474輸出濾波電路設(shè)計此設(shè)計采用一級LC濾波電路，如下圖所示（3）；濾波器的設(shè)計應(yīng)首先進(jìn)行電感的設(shè)計，然后進(jìn)行電容的設(shè)計。濾波電感的設(shè)計利用如下公式求解：L=式中，L為濾波電感的值；Uimax為輸入電壓最大取值為240V；fs為開關(guān)頻率，即fs=40kHZ；△為允許的電感電流最大紋波峰峰值，取最大電流的20%，即△=1A將數(shù)據(jù)代入則：L==1580μH濾波電容的設(shè)計Xc=√式中，RES為濾波電容等效串聯(lián)電阻；LES為濾波電容等效串聯(lián)電感；C為濾波電容值，W為電容的工作頻率，取W=2fs=2×40KHZ。根據(jù)預(yù)先選定的輸出電壓最大紋波有效值，可以按下式計算出濾波電容的阻抗：Xc≤==5.65Ω開關(guān)器件及二級管的設(shè)計輸入整流二極管的設(shè)計平均輸入電流最大值Iimax==Pout=5A×150V=750W，Vimin=180V，η=0.8代入上式則Iimax=5.21A直流擊穿電壓Ur≥1.414Vin(p-p)其中為輸入電壓的峰峰值，即取為：480V得UP1.414開關(guān)器件的設(shè)計流過開關(guān)器件的峰值電流=其中輸出最大電流Iomax=5A△I=5×20%=1A代入公式則=5.805A代入公式則=5.805A流過開關(guān)器件的最大平均電流Ismax=最大占空比Dmax=0.8Kt=0.9474Iomax=5A代入公式則Ismax=2.11A（3）、變壓器二次側(cè)高頻整流二極管的設(shè)計本設(shè)計采用快速恢復(fù)型二極管，其反向電壓U流過二極管峰值電流：流過二極管最大平均電流：五．直流降壓斬波電路原理：該電路使用一個全控型器件V，下圖為V關(guān)斷時給負(fù)載中的電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管VD。其典型用途之一的拖動直流電動機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載。在t=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源向負(fù)載供電，負(fù)載電壓U0=E,負(fù)載曲線I0呈指數(shù)曲線上升；當(dāng)t=t1時刻，控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓U0近似為零，負(fù)載電流曲線呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小，通常串聯(lián)L值較大的電感。當(dāng)一個周期T結(jié)束，再驅(qū)動V導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。負(fù)載電壓的平均值為U0=(ton/T)E（ton/T為占空比）；2.斬波電路有三種控制方式：（1）.保持開關(guān)周期T不變,調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間ton,稱為脈沖寬度調(diào)制或脈沖調(diào)寬型；（2）.保持開關(guān)導(dǎo)通時間ton不變，改變開關(guān)周期T，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型；(3).ton和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。3.原理圖及波形4.實物連線圖：連線圖直流數(shù)字電壓表：U+電容負(fù)極U-