半桥型开关稳压电源的设计

1半桥型开关稳压电源的设计一、开关稳压电源概况电是工业的动力，是人类生活的源泉。电源是生产电的装置，表示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率等；在同一参数的要求下，又有重量、体积、效率和可靠性等指标。我们用的电，一般都需要经过转换才能适合使用的要求，例如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率转换成小功率等。电力电子技术可以理解为功率强大，可供诸如电力系统那样大电流、高电压场合应用的电子技术，它与传统的电子技术相比，其特殊之处不仅仅因为它能够通过大电流和承受高电压，而且要考虑在大功率情况下，器件发热、运行效率的问题。为了解决发热和效率问题，对于大功率的电子电路，器件的运行都采用开关方式。这种开关运行方式就是电力电子器件运行的特点。电力电子学这一名词是20世纪60年代出现的，“电力电子学”和“电力电子技术”在内容上并没有很大的不同，只是分别从学术和工程技术这2个不同角度来称呼。电力电子学可以用图1的倒三角形来描述，可以认为电力电子学由电力学、电子学和控制理论这3个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。电力电子技术与电子学的关系是显而易见的。电子学可分为电子器件和电子电路两大部分，它们分别与电力电子器件和电力电子电路相对应。从电子和电力电子的器件制造技术上进两者同根同源，从两种电路的分析方法上讲也是一致的，只是两者应用的目的不同，前者用于电力变换，后者用于信息处理。按照电子理论，所谓AD/DC就是交流转换为直流；AC/AC称之为交流变交流，即为改变频率；DC/AC称为逆变；DC/DC为直流变交流后再变直流。为了达到转换目的，电源变换的方法是多样的。自上世纪六十年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源。二、开关电源研究内容开关电源在效率、体积和重量等方面都远远优于线性电源，因此已经基本取代了线性电源，成为电子热备供电的主要电源形式，受到人们的青睐。采用先整流滤波、后经高频逆变得到高频交流电压，然后由高频变压器降压、再整流滤波的方法。这种采用高频开关方式进行电能变换的电源称为开关电源。随着电子技2术和应用迅速地发展，开关稳压电源的品种和类型也越来越多。按激励方式分为他激式和自激式；按调制方式分为脉宽调制型、频率调制型和混合调制型；按开关管电流的工作方式分开关型和谐振型；按开关晶体管的类型分为晶体管型和可控硅型；按储能电感与负载的连接方式分为串联型和并联型；按晶体管的连接方式分为单端式、推挽式、半桥式、全桥式。本文设计了一种半桥型开关稳压电源，它具有驱动电路简单，驱动功率小，开关速度快，开关频率高等优点。具体设计技术参数如下：1.输入电压单相170~260V；2.输入交流电频率45~65HZ；3.输出直流电压12V恒定；4.输出直流电流10A；5.最大功率：120W；6.稳压精度：直流输出电压整定值的1%；本文分别从以下几个方面进行了设计：1.主电路设计；2.控制电路设计；3.驱动电路设计；4.保护电路设计；5.整体电路设计；6.元器件型号的选择三、电路设计稳压电源总体设计方案开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压。开关电源的基本构成如下图所示，其中DC/DC变换器进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有起动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路（R1、R2）检测输出电压变化，与基准电压Ur比较，误差电压经过放大及脉宽调制（PWM）电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。具有一定的抗不平衡能力，对电路对称性要求不很严格；适应的功率范围较大，从几十瓦到千瓦都可以；开3关管耐压要求较低；电路成本比全桥电路低等。这种电路常常被用于各种稳压输出的DC变换器。DC/DC变换器有多种电路形式，常用的有工作波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振型变换器。图2.1主体方框图随着电力电子技术的发展，电源技术被广泛应用于各个行业。对电源的要求也各有不同。本次设计的是一种功率较大，的开关电源。设计采用了AC／DC／AC／DC变换方案。一次整流后的直流电压，经过有源功率因数校正环节以提高系统的功率因数，再经半桥变换电路逆变后，由高频变压器隔离降压，最后整流输出直流电压。系统的主要环节为有源功率因数校正电路、DC／DC电路、功率因数校正电路、PWM控制电路和保护电路等。采用UC3854A／B控制芯片组成功率因数校正电路来提高功率因数，用新型的芯片UC3825作为控制芯片来代替SG3525，不仅外围电路简单，而且具有有容差过压限流功能，还采用了新型IR2304作为驱动芯片，动态响应快，且自带死区，防止半桥上下管直通。该电路用高速双路PWM控制器UC3825为控制芯片，功率MOSFET为开关器件而构成的推挽逆变器，逆变器输出。经高频LC滤波后输出1MHz/100W正弦波功率信号。实验证明电路产生的波形质量好，电路结构简单，控制方便，并具有体积小，效率高的特点。低频小功率信号源往往用线性功率放大电路，其电路比较简单，波形质量好，易于实现。而对于高频、中大功率信号源用线性功率放大电路难以实现，特别是对于要求1MHz/100W正弦波功率信号源，采用线性功率放大电路，其电路结构复杂，调整困难，不易实现。而采用高速双路PWM控制器UC3825为控制芯片，功率MOSFET为开关器件，经LC高频滤波，输出1MHz/100W正弦波功率信号源，其波形质量好，电路结构简单，体积小，效率高。整流逆变PWM控制工作电源4四、具体电路设计1、主电路设计反激式电源一般用在100w以下的电路，而本电源设计最大功率达到500w，额定电流为10A左右。在功率较大的高频开关电源中，常用的主变换电路有推挽电路、半桥电路、全桥电路等。其中推挽电路用的开关器件少，输出功率大，但开关管承受电压高(为电源电压的2倍)，且变压器有6个抽头，结构复杂；全桥电路开关管承受的电压不高，输出功率大，但需要的开关器件多(4个)，驱动电路复杂；半桥电路开关管承受的电压低，开关器件少，驱动简单。根据对各种拓扑方案的电气性能以及成本等指标的综合比较，本电源选用半桥式DC／DC变换器作为主电路。如图2.2即为主电路图。图2.2主电路图图2.2中Q3、Q4、C1、C2和主变压器T1构成了半桥DC／DC变换电路。MOSFET采用11NC380。电路的工作频率为80kHz。变压器采用E55的铁氧体磁芯，无须加气隙。绕制时采用“三段式”绕法，以减小漏感。R1和R2用以保证电容分压均匀，R3、C3和R4、C4为MOS管两端的吸收电路。C5为隔直电容，用来阻断与不平衡伏秒值成正比的直流分量，平衡开关管每次不相等的伏秒值。C5采用优质CBB无感电容。Ct是电流互感器，作为电流控制时取样用。D1、D4采用快恢复二极管，经过L1和C6、C7平波滤波后输出OUT2给控制芯片供电，R5、R6则是反馈电压的采样电阻。主变压器的输出OUT3为高频低压交流电。如图2所示，反馈电压和输出电压同一绕组，样，可以在负载变化时最大限度地保证输出电压的稳定。后级可接一个或多个多路输出的变压器，然后通过整流电路整流，这样既能保证每路输出都是独立的，又可以得到任意大小的电压。故可满足DSP等需要多路不同电压供电且精度较高的要求。2、控制电路设计系统的控制电路采用高速双路的PWM控制器UC3825，如图2.3所示即为所选电路，其内部电路主要由高频振荡器、PWM比较器、限流比较器、过流比较器、5基准电压源、故障锁存器、软启动电路、欠压锁定、PWM锁存器、输出驱动器等组成。它比SG3525具有以下优点：1)改进了振荡电路，提高了振荡频率的精度，并且具有更精确的死区控制；2)具有限流控制功能，且门槛电流有5％的容差；3)低启动电流(100MA)；4)UC3825关断比较器是一个高速的过流比较器，它具有1．2v的门槛值，保证芯片重新启动前软启动电容完全放电，在超过门槛值时，输出为低电平状态，防止上下桥臂同时导通而引起短路。下图为主电路的控制电路前级的R808和R809与稳压管构成一个启动电路，触发UC3825开始工作后，由反馈输出OUT1自供电。PWM的调制波由R1和CT振荡产生，RT、CT一般按式(1)及式(2)选取。RT=3V/{（10mA）*(1-Dmax)}(1)CT=(1.6*Dmax)/(Rt*f)(2)式中：f=80kHz，为所取的频率脚1(INV)、脚2(E／A)和脚3(HI)构成一误差放大器，做为电压反馈用，脚9(ILIM)为限流，脚8(SS)为软启动，脚11(0UTA)及脚14(0UTB)为输出驱动信号。从图中可看出，UC3825功能比较全，外围电路简单，可有效减少PCB的布线与外围元器件，提高了系统的可靠性。图2.3高速双路PWM控制器UC3825电路图63、保护电路设计对于DC／DC电源产品都要求在出现异常情况(如过流、过载)时，系统的保护电路工作，使变换器及时停止工作。UC3825的保护电路设计也比较简单，如图2.4所示。过压护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到一定的电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现，将电容并联在回路中，当电路中出现尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效的抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡。图2.4RC阻容过电压保护电路4、整体电路设计5、有具体电路图可知整体电路图图2.5整体电路图72630005.0*10*4*2.0*100120mmkBdfPAAccsTwea)元器件型号选择1.输入整流二极管的选择设输入交流电压为：则经过桥式整流后的平均电压为：二极管两端承受的最大反相电压为：所以根据实际情况即可选择整流二极管：IN4005（600V/1A）2.变压器的设计（1）变比KT选最大占空比为0.85，电路中压降ΔU=2V，半桥式电路变压器原边绕组所加电压等于输入电压的一半即Ui（min）=98V则根据公式:（2）铁心的选择Ae为铁心磁路截面积；Aw为铁心窗口面积；PT为变压器传输的功率；fs为开关频率；ΔB为铁心材料所允许的最大磁通密度的变化范围；dc为变压器绕组导体的电流密度；kc为绕组在铁心窗口中的填充因数。若铁心材料为铁氧体则ΔB=0.2T，dc=4A/mm²，kc=0.5。根据SG3525的控制选择开关频率为100HZ。根据公式:根据具体情况可选择型号为DE25的铁心则Ae=40.00mm²，Aw=78.2mm²，Ae*Aw=31284mm可以满足要求。wtuisin2220Vwtwtdud1982440)(sin222010V54.1552220*21VVUN62.466~08.31154.155*)3~2(6max0max(min)UUDUKiT8（3）变压器的绕组结构设计：由于铁磁材料的相对磁导率μr很大，因此励磁电感通常也较大。如果铁心未夹紧，磁路中有气隙，则励磁电感会急剧下降，励磁电流成倍增加，导致变压器性能严重劣化。变压器的漏感同一次、二次绕组互相耦合的紧密程度密切相关，耦合不够紧，则漏感会增加。漏感对电路工作带来的影响主要是负面的，给开关器件造成过电压、形成较大的损耗，过大的漏感还会造成占空比的损失。因此变压器的设计应尽量减小漏感。减小漏感的办法主要是提高一次、二次绕组耦合的紧密程度，如采用间隔绕组等。3.输出滤波电感的设计ΔI为允许的电感电流最大纹波峰峰值，取最大输出电流的20%即2A。根据公式电感量为选定电感铁心：I1=10+10*20%*0.5=11A4.输出滤波电容的设计根据标准，输出电压的峰峰值ΔVopp20