AC-DC反激式电源

AC｜DC反激式电源*******AC-DC反激式电源课程设计引言开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。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IGBT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。1设计分析1.1开关电源的组成部分开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。其电路比较复杂，基本构成如图1所示。主要由以下5部分构成：①输入整流滤波器：包括从交流电到输入整流滤波器的电路；②功率功率管（VT）及高频变压器（T）；③控制电路（PWM调制器），含振荡器、基准电压源、误差放大器和PWM比较器，控制电路能产生脉宽调制信号，其占空比受反馈电路的控制；④输出整流滤波器；⑤反馈电路。除此之外，还需增加偏置电路、保护电路等。其中，PWM调制器为开关电源的核心。输入电路控制电路输出电路220VDC图1开关电源基本构成功率变换电路12V、5VDC1.2开关电源的工作过程交流电网电压进入输入电路后，经输入电路中的线路滤波器、浪涌电流控制电路以及整流电路，变换成直流电压。其中线路滤波器及浪涌电流控制电路的主要作用是削弱由电网电源线进入的外来噪声以及抑制浪涌电流，整流电路则完成交流到直流的变换，可分为电容输入型和扼流圈输入型两大类，开关电源中通常采用电容输入型。功率变换电路是整个开关电源的核心器件，它将直流电压变换成高频矩形脉冲电压，其电路主要由开关电路和变压器组成。开关电路的驱动方式分为自激式和他激式两大类；开关变压器因是高频工作，其铁芯通常采用铁氧体磁芯或非晶合金磁芯；开关晶体管通常采用开关速度高，导通和关断时间短的晶体管，最典型的有功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅型双极晶体管（IGBT）等三种。输出电路是将高频变压器次级方波电压经过高频整流滤波电路整流成单向脉动直流，并将其平滑成设计要求的低纹波直流电压，供给负载使用。1.3脉宽调制器的基本原理脉宽调制式开关电源的工作原理如图2所示。220V交流电u首先经过整流滤波电路变成直流电压iU，再由功率开关管VT斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波电压，最后通过整流滤波后后的所需要的直流输出电压oU。脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制功率开关管的通、断状态，进而调节输出电压的高低，达到稳压目的。锯齿波发生器用于提供始终信号。利用取样电阻。误差放大器和PWM比较器形成闭环调节系统。输出电压oU经R1、R2取样后，送至误差放大器的反相输入端，与加在同相输入端的基准电压REFU进行比较，得到误差电压rU，再用rU的幅度去控制PWM比较器输出的脉冲宽度，最后经过功率放大和降压式输出电路使oU保持不变。JU为锯齿波发生器的输出信号。基准电压源锯齿波发生器电路图２脉宽调制式开关电源的工作原理ＰＷＭ比较器驱动信号输出误差放大器开关电源输出采样电压2方案设计2.1设计要求初始条件：输入交流电源：单相90V～230V，要求完成的主要任务:1、输出直流电压：12V。2、直流输出电流5A。3、效率＞80%4.纹波系数0.42.2.2方案设计电源输入，即单相交流电压。输出为：12V直流电压，电流5A。交流电220V经过一个整流滤波电路后得到直流电压，送入DC-DC降压斩波电路，控制电路提供控制信号控制MOSFET管的关断，调节直流电压的占空比，最后经过LC滤波电路得到所需电压。通过对输出电压的取样，比较和放大，调节控制脉冲的宽度，以达到稳压输出的目的。开关电源原理框图如图3所示。整流部分是利用具有单向导通性的二极管构成桥式电路来实现的；滤波部分是利用电容电感器件的储能效应，构成LC电路来实现的；降压部分是利用降压斩波电路来实现，控制方式为脉宽调制控制（PWM），即在控制时对半导体开关器件的导通和关断进行控制,整流滤波脉冲宽度调制（PWM）滤波220VAC图３整体设计方框图降压斩波电路保护电路12VDC使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。本次设计的开关电源控制时首先保持主电路开关元件的恒定工作周期（onoffTtt），再由输出信号与基准信号的差值来控制闭环反馈，以调节导通时间ont，最终控制输出电压（或电流）的稳定。2.3整流滤波部分整流电路工作原理：在输入交流电压的正半周期，二极管D1、D4承受正向电压导通，D2、D3承受反向电压截至，整流输出电压等于输入电压；在输入交流电压的负半周期，二极管D2、D3承受正向电压导通，二极管D1、D4承受反向电压截至，输出电流是输入电流的相反数。整流电路工作时的波形如图5所示。由图5可知，经过二极管整流桥后，输入的正弦电压成了正的电压，同时由于电容电感的储能效应，整流桥输出的电压和电流会进一步变的平直。当然电容量越大，滤波效果越好，输出波形越趋于平滑，输出电压也越高。但是，电容量达到一定值以后，再加大电容量对提高滤波效果已无明显作用。通常应根据负载电压和输出电流的大小选择最佳电容。本电路选择470uF电容即可。D1D3D2D4470uFC1图5整流部分电路图2.4降压斩波电路图6基本降压斩波电路将整流后得到的直流电压输入降压斩波电路通过脉宽调制控制调节输出电压平均值，在经过LC滤波电路是电压稳定。脉宽调制控制型号有IGBT驱动电路发出；RCD保护电路用以缓冲IGBT在高频工作环境下关断时因为正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。本设计中电路图如图7所示。电路中采用两级RL滤波电路使输出电压稳定。330uHL1D1HER307470uFC1470uFC2470uFC3330uHL2470uFC4470uFC512P2Header2G1D2S3U1IRF540图7降压斩波电路脉宽调制控制C2RCD保护电路L2VDR2+12oinUUoU+_Io22.5脉宽调制电路本设计选用TL494作为脉宽调制电路的主要芯片。其典型应用电路图如图8所示。TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。这是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可以通过外部的一个电阻和一个电容进行调节。输出电容的脉冲其实是通过电容上的正极性锯齿波电压与另外2个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触压器的时钟信号为低电平时才会被通过，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。控制信号由集成电路外部输入，一路送至时间死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波的周期4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压，即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。图8TL494典型电路图脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降为零。误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调智器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制电路。照典型电路图修改后得到本次设计的电路图，如图9所示。2.6MOSFET管的驱动电路本次课设选用美国IR公司的IR2110S芯片。用于IGBT或功率MOSFET驱动的集成芯片模块中，应用技术比较成熟的有东芝LP250、富士EXB8系列、三菱M579系列等，但是这些模块都是单驱动，如果要驱动全桥结构的逆变电路则需要4个隔离的驱动模块，不但费用高、而且体积大。美国IR公司推出的高压浮动驱动集成模块IR2110S是一种新型的功率MOSFET或IGBT驱动模块，它本身允许驱动信号的电压上升率达±50V/μs，极大地减小了功率开关器件的开关损耗。此外，由于IR2110S采用自举法实现高压浮动栅极双通道驱动，因此可以驱动500V以内的同一相桥臂的上下两个开关管，减小了装置体积，节省了成本。Non+1Inv-2CompInput3DeadTime4CT5RT6GND7C18E19E210C211VCC12OutputControl13Vref14Inv-15Non+16TL494U3TL4944.7KR40.01uF/103C124.7KR55VCC_VrefOUTOUT104C1147KR31MR24.7KR15VCC_Vref12VCC104C10104C13Feedback图9脉宽调制电路IR2110S采用HVIC和锁抗干扰CMOS制造工艺，双列直插14脚封装。具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，dv/dt=±50V/ns，15V下静态功耗仅116mW；输出的电源端（脚3,即功率器件的栅极驱动电压）电压范围10～20V；逻辑电源电压范围（脚9）5～15V，可方便地与TTL，CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5V的偏移量；工作频率高，可达500khz；开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；图腾柱输出峰值电流为2A。本次设计采用的MOSFET管驱动电路如图10所示。从TL494芯片出来的OUT信号，输入到IR2110S来驱动MOSFET，最终使输出电压稳定在5V或12V。G1D2S3U1IRF540LO1COM2VCC3NC10VS6VB7HO8NC9VDD11HIN12SD13LIN14VSS15NC16NC5NC4U2IR2110SD21N41481uFC95VCC_VrefOUT12VCC图10MOSFET的驱动电路2.7总电路图整个电路的总电路图用AltiumDesigner制作，如下图所示Non+1Inv-2CompInput3DeadTime4CT5RT6GND7C18E19E210C211VCC12OutputControl13Vref14Inv-15Non+16TL494U3TL4944.7KR40.01uF/103C124.7KR55VCC_VrefOUTOUT104C1147KR31MR24.7KR15VCC_VrefG1D2S3U1IRF540LO1COM2VCC3NC10VS6VB7HO8NC9VDD11HIN12SD13LIN14VSS15NC16NC5NC4U2IR2110SD21N41481uFC95VCC_VrefOUTVinVoutGNDVR1LM781210uFC14104C1512VCC12VCC12VCC104C10104C13330uHL1D1HER307470uFC1470uFC2470uFC3470uFC7470uFC8330uHL2470uFC4470uFC5Feedback47KR7200KR6Feedback12P2Header2GNDF1Fuse0.5A1234CL1CommInductor0.22uC10Cap0.22uC11Cap1KRH1NTC12P?Header2D1D3D2D43主电路参数设定3.1变压器、二极管、MOSFET管选择由于是单相电，所以必须使用单相变压器，原边额定电压1220UV，副边额定电压约为230UV，额定电流大于等于1A。对于整流滤波电路中的四个二极管D1、D2、D3、D4，它们承受的反向最大峰值电压为变压器相电压的峰值，即为22U；承受的正向最大峰值电压为222U，流过的最大平均电流约为1A。所以我们可以选择正向平均电流I大于1A，反向重复峰值电压大于4.2V的