全桥式开关电源的研究与设计

研究生课程考试答题册学号2009201370姓名刘俊飞考试科目现代电源变换技术考时日期2010.1.8西北工业大学研究生院得分：1全桥式开关电源的研究与设计摘要电源是所有用电设备的心脏，用电设备的可靠工作离不开质量可靠的电源的支持。可一般情况下，电网电能并不能直接用于用电设备，而是要经过转换才能符合使用的需要。这就需要运用电力变换技术对电力进行变换，以获取满足使用要求的电能，其中将交流电变换成直流电是其中的一种。将交流电变换成直流电的技术叫做整流。现代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。本篇论文对PWM型全桥式开关电源进行研究，阐述其变换拓扑，分析其工作的原理，并对全桥式开关技术的实现进行探索。针对某一实际要求的开关电源技术指标，设计了一开关稳压电源电路，实现稳定的直流电压输出，并对开关电源技术的发展进行了展望。关键词：开关电源全桥式PWM技术SG3525A芯片2一、引言现代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。开关电源电路运用现代电力电子技术，由脉冲宽度调制（PWM）控制IC进行脉冲宽度控制，调节占空比，以对MOSFET或其他的全控型开关器件的开通与关断进行控制，从而调节输出的电压，实现输出电压的稳定。电源是所有用电设备的心脏，用电设备的可靠工作离不开质量可靠的电源的支持。可一般情况下，电网电能并不能直接用于用电设备，而是要经过转换才能符合使用的需要。这就需要运用现代电力变换技术对电力进行转换，以获取满足使用要求的电能，其中将交流电变换成直流电是其中的一种。将交流电变换成直流电的技术叫做整流技术。随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电力电子设备都离不开可靠的电源。进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。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。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。因而开关电源技术十分重要。但作为用电设备的动力源，电源的形式却并不单一。电源特性的参数有电压、功率、频率、噪声及所带负载参数的变化等；在同一参数要求下，又有体积、重量、形态、功率、可靠性等指标。那么在不同的领域，不同的工作场合，不同的设计指标下，如何进行电源的设计，以完美地满足客户的要求，是一个值得研究的课题。因而对现代开关电源技术的研究是十分必要的。开关电源的种类很多，其中桥式开关稳压电源以其能适应输入电压较高和输出功率较大等优点，得到了广泛的应用。本文针对PWM型全桥式开关电源的变换方法进行研究。桥式开关稳压电源电路的核心实际上就是一个桥式直流变换器电路。桥式直流变换器电路主要包括半桥式直流变换器和全桥式直流变换器，他是由两个推挽式直流变换器电路组成的。由于这种变换器克服了推挽式直流变换器3电路中功率开关集电极承受电压高，集电极电流大，对磁芯材料要求严，功率开关变压器必须具有中心插头等缺点。继承了推挽式直流变换器电路输出功率大，功率开关变压器磁滞回线利用率高，电路结构简单等优点，因此在许多领域获得了广泛的应用。当电网电压作为供电电源，而且要求输出功率非常大的条件下，由于整流和滤波以后得到的直流供电电压比较高，因此就不能使用推挽式电路结构形式，也不能用单端式电路结构形式，而半桥式电路结构形式又有点勉强。在这种情况下，只有选择使用全桥式电路的结构形式。由于全桥式电路结构形式中的四个开关管被分成两组，每组中有两个开关管来各自分担一半的直流供电电压，因此比半桥式电路结构形式的输出功率提高了一倍。。本文在查阅近几年现代电源变换技术相关文献的基础上，结合本门课程的教学内容和讲授范围所相关的内容，针对PWM型全桥式开关电源的变换方法进行研究。从理论上探讨了PWM型全桥式开关电源的一般原理、设计思想、控制方法、应用发展等。通过此次设计加深了对现代电源技术的理解，培养了科研的能力。4二、工作原理2.1主电路变换结构本设计结合目前该领域的研究成果和自己的实际体会，采用PWM型全桥逆变电路。主电路变换结构原理图如下图所示：ACVD1VD2VD3VD4V1V3V2V4VD5VD7VD6VD8VD9VD10VD11VD12VD13VD14C1C2R1R2C32.1主电路变换结构原理图2.2工作原理本设计采用如上图所示的电路变换图。输入是交流电压信号，VD1~VD4，C1，C2构成一次整流滤波电路，对输入的交流电进行整流滤波，将交流电转换成直流电。当一次整流电路稳定工作时，输出是稳定的直流电压。输出的直流电压经过全桥逆变电路，逆变成交流电压。全桥逆变电路的开关管的通断由PWM控制与驱动模块来控制。交流电压经过变压器输出，输出端设计二次整流滤波电路，将交流电变换成直流电，设计变压器初级线圈和次级线圈的匝数比，可以调节输出电压。为了保证输出的电压稳定，将输出电压反馈给PWM控制与驱动模块，调节开关管的占空比，调节输出电压稳定，实现稳定输出。此电路基此实现符合要求的稳定电压输出。电路的核心是由V1~V4构成的全桥式逆变电路，V1~V4也可以采用GTR开关器件，V1~V4的通断由PWM控制与驱动模块来控制。图中的V1~V4选用MOSFET，它是电压驱动全控型器件，具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快以及安全工作区大等优点。C1、C2中点的电压等于一次整流后直流电压的一半。开关V1、V4或V2、V3交替导通就在变压器的次级形成交流方波电压。通过调节开关的占空比，就能改变变压器二次侧整流输出平均电压V0。R1、R2是并联均压电阻；C3是耦合电容，其作用是防止由于四个开关管的特性差异而造成变压器磁芯饱和，从而提高半桥逆变电路的抗不平衡能力，C3要选择ESR小的无极性电5容。通过PWM控制与驱动模块，可以很容易地调节开关器件的占空比，调节输出电压。PWM控制与驱动模块通常可以采用专门的控制芯片，外接相应的外围电路来实现。PWM控制与驱动模块的电能供应，可以由一次整流后产生的直流电构成辅助直流电源来提供。2.3闭环控制为了实现稳定的电压输出，保证输出电压精度，本设计采用闭环控制，即采用电压反馈，脉冲宽度调制（PWM）控制IC调节占空比，进而调节输出电压。具体的电路如上图所示，输出的直流电压经电阻分压，经过耦合器给PWM控制与驱动部分一电压反馈信号，PWM控制与驱动模块控制占空比，调节开关管的通断，进而控制输出的电压，实现稳压输出。2.4设计关键问题本设计的关键技术问题有一次整流，二次整流电路设计、PWM控制与驱动模块的设计、变压器的设计等。本设计的一次整流电路采用电容滤波的单相不可控整流电路。单相不可控整流电路稳定输出时，输出电压为直流电压，为输出的根2倍。二次整流电路采用单相全波整流滤波电路，使输出电压为稳定的直流电压。对于PWM控制电路采用专门的PWM控制芯片设计相应的外围电路来实现。可以采用美国通用电气公司的SG3525A控制芯片，用该芯片及其外围电路控制四个开关管的开通与关断。变压器的设计则涉及开关频率的设定、磁芯的选定、原副边匝数确定、工作电流的计算等问题。可以依据所要实现的电压输出要求，进行分析设计。6三、电路设计3.1设计指标：1.输入交流电压220V2.输出直流电压15V3.效率80%4.输出电流12A3.2系统的总体方案本系统采用如下图所示的总体方案进行设计：输入整流滤波全桥逆变电路输出整流滤波电压反馈PWM控制驱动辅助直流电源220V输入直流输出3.1系统总体方案设计方框图3.3工作原理本系统采用如上图所示的总体方案。该方案把系统分成五个模块，即输入滤波模块、全桥逆变电路模块。输出整流滤波模块、辅助直流电源模块、PWM控制模块等。每个模块完成相应的功能，总体实现直流电压的稳定输出。输入整流滤波模块实现输入交流电压的整流输出；全桥逆变电路则将一次整流输出地直流电压逆变成交流电；输出整流滤波将全桥逆变模块输出整流成直流输出；PWM模块为全桥逆变电路模块中的开关管提供控制驱动信号，控制其通断。当输出电压不稳定时，接收输出电压反馈信号，对占空比进行调节，而辅助直流电源为其提供工作电压。则对于输入交流电，经过输入整流滤波电路模块进行整流，转换成直流电。7其输出经过全桥逆变电路模块转换成交流输出，其中全桥逆变电路中开关管的通断由PWM控制模块进行控制，交流输出再经过二次整流滤波模块装换成直流输出。为了使输出电压稳定采用闭环控制，将输出电压反馈到PWM控制模块，PWM控制模块依据反馈的电压信号对开关管的占空比进行调节，以使电压稳定输出。PWM控制模块的电源由辅助直流电源模块提供。电路的实际设计电路如下图所示PWM控制与驱动器ACRt1Rt2C1VD1VD2VD3VD4VD13LC5R3R4V1V2V3V4VD5VD6VD7VD8VD9VD10VD11VD12VD14C2C3C4R1R2R5IC13.2系统实际设计图3.4各部电路图设计3.4.1一次整流滤波电路的设计二极管峰值电压：VD1~VD4承受的电压为输入电压的峰值2iU，取2倍的余量可以选用耐压为600V的二极管。经过一次整流滤波之后，输出电压稳定在300V。正向导通电流：75.0240*00pUpId选取时取2~3倍的余量，为2A。滤波电容的选择：C1=C2=680μFC3=C4=1μFC1、C2、C3、C4的耐压值取为250V。均压电阻：R1=R2=33KΩ.3.4.2直流逆变器的设计8V1~V4选用MOSFET，它是电压驱动全控型器件，具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快以及安全工作区大等优点。桥式全控整流电路开关管承受的电压为输入电压值，即300V，可以选用IRF450，其漏源击穿电压为500V，满足使用要求。其VVGS20所以在其门极和源极之间连接15V稳压二极管，保护MOSFET不受损坏。MOSFET的通断由PWM控制电路实现。3.4.3高频变压器的设计1）变压器的计算功率)11(otPP将oU=15V，oI=12A，=80%带入算得tP=405W。2）变压器的设计输出能力变压器的输出功率或传输功率与磁芯材料的性质、几何形状以及尺寸之间的关系可以采用磁芯面积的乘积PA来表示，其计算公式为16.1*****410**4jwsmtmcpKKFBPAAA)11(otPPoooIUP*其中PA为磁芯面积乘积，单位为4cm；cA为磁芯的截面积，单位为2cm；wA为磁芯窗口的截面积，单位为2cm；tP为变压器的计算功率，单位为W；mB为工作磁感应强度，单位为T,取；Sf为工作频率，单位为zH；wK为变压器磁芯窗口的占空系数，取0.2；jK为变压器的电流密度系数，取468；开关频率对电源的体积、重量等影响很大。开关频率越高，变压器磁芯就会9选得更小，输出滤波电感和电容体积也会减小，但开关损耗增加，效率下降，散热器体积加大。综合考虑两方面，设定其工作频率Sf=50KHz。磁芯选择R2KB软磁铁氧体材料，其饱和磁感应强度sB=4700Gs。选定工作磁感应强度mB时，应满足温升对损耗的限制，使磁芯不饱和。工作磁感应强度若选的太低，则变压器的体积和重量就要增加很多，并且由于匝数的增多就会造成分布电容漏感干的增加。工作磁密取smBB31=1500，算得4167.0cmAp。本设计选用EE-40型铁氧体磁芯，其参数为2127mmAe，2173mmAw，满足要求。3）绕组匝数的计算变压器绕组匝数的计算主要包括初级绕组匝数的计算和次级绕组匝数的计算。初级绕组匝数的计算：按最低输入