1000W全橋型穩(wěn)壓開關電源[學術參考]

1、教-學 遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學 電力電子技術電力電子技術課程設計（論文）課程設計（論文） 題目：題目：1000W全橋型開關穩(wěn)壓電源設計 院（系）：院（系）： 電氣工程學院電氣工程學院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 學學 號：號： 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： 起止時間：起止時間：202013-12-30至至2014-1-10 教-學 課程設計（論文）任務及評語課程設計（論文）任務及評語 院（系）：電氣工程學院 教研室： 電氣 注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算 學 號學生姓名專業(yè)班級 課程設計 （論文） 題目 1000W全橋型開關穩(wěn)壓電源設計 課程

2、設計（論文）任務 課題完成的設計任務及功能、要求、技術參數(shù)課題完成的設計任務及功能、要求、技術參數(shù) 實現(xiàn)功能實現(xiàn)功能 為通信電子設備提供 48V 穩(wěn)壓范圍寬、大功率直流電源，以取代低效率的 線性穩(wěn)壓電源。 設計任務設計任務 1、方案的經濟技術論證。2、整流電路設計。3、逆變電路設計。4、通過 計算選擇器件的具體型號。5、驅動電路設計或選擇。6、繪制相關電路圖。7、 完成設計說明書。 要求要求 1、文字在 4000 字左右。 2、文中的理論分析與計算要正確。 3、文中的圖表工整、規(guī)范。 4、元器件的選擇符合要求。 技術參數(shù)技術參數(shù) 1、輸入電壓單相170 260V。2、輸入交流電頻率4565HZ

3、。3、輸出直流 電壓48V恒定。4、輸出直流電流20A。 。5最大功率：1000W。6、穩(wěn)壓精度：直 流輸出電壓整定值的1 進度計劃 第 1 天：集中學習；第 2 天：收集資料；第 3 天：方案論證；第 4 天：輸入整 流濾波電路設計；第 5 天：逆變電路設計；第 6 天：確定高頻變壓器變比及容 量；第 7 天：輸出整流濾波電路設計；第 8 天：控制電路設計；第 9 天：總結 并撰寫說明書；第 10 天：答辯 指導教師評語及成績 平時： 論文質量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日 教-學 摘 要 該課設是利用 PWM 技術的全橋型開關穩(wěn)壓電源。給出了全橋整流電路、逆 變電路、驅動

4、電路、控制電路的具體設計方法。該全橋開關穩(wěn)壓電源輸出電壓恒 為 48V，并有實驗仿真波形。本全橋型開關穩(wěn)壓電源最大功率達 1000W，輸出電 流約為 20A，設計采用了 ACDCACDC 變換方案。一次整流后的直流電壓， 經過有源功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，再經全橋變換電路逆變后， 由高頻變壓器隔離降壓，最后整流輸出直流電壓，在設計中首先畫出主電路圖， 主電路圖由整流電路、逆變電路組成。全橋電路的開關元件使用的是 MOSFET。 全橋移相電路采用 UC3875 控制芯片，并作數(shù)據(jù)處理，MATLAB 仿真作出了不同 角度的仿真波形圖。并說明其工作原理，再通過基本計算，選擇觸發(fā)電路和保護

5、 電路的結構以及晶閘管的型號和變壓器的變比及容量，完成本設計的任務。 關鍵詞：開關電源，全橋，PWM 控制電路，整流，逆變，高頻變壓器。 教-學 目錄目錄 第 1 章 緒論 .1 1.1 開關電源概況 .1 1.2 本文設計內容 .2 第 2 章 開關穩(wěn)壓電源電路設計 .3 2.1 開關穩(wěn)壓電源總體設計方案 .3 2.1.1 全橋穩(wěn)壓電路總體結構圖及其說明.3 2.1.2 總體方案論證.3 2.2 開關穩(wěn)壓電源具體電路設計 .3 2.2.1 整流電路設計.3 2.2.2 逆變電路設計.4 2.2.3 驅動電路設計.5 2.2.4 全橋移相開關控制電路.5 2.3 高頻變壓器變比及容量 .8 2

6、.4 系統(tǒng)仿真及波形 .9 2.4.1 MATLAB 仿真軟件介紹.9 2.4.2 仿真電路圖如下.10 2.4.3 仿真分析.11 第 3 章 課程設計總結 .14 第 4 章 參考文獻 .15 教-學 第 1 章 緒論 1.1 開關電源概況 隨著電力電子技術的高速發(fā)展，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日 益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，進入 80 年代計算機電源全面實現(xiàn)了 開關電源化，率先完成計算機的電源換代，進入 90 年代開關電源相繼進入各種 電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等 都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發(fā)展。 開

7、關電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源 進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產品的 小型化、輕便化。另外開關電源的發(fā)展與應用在安防監(jiān)控，節(jié)約能源、節(jié)約資源 及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。 開關電源產品廣泛應用于工業(yè)自動化控制、軍工設備、科研設備、LED 照明、 工控設備、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫(yī)療設備、半導體制冷制熱、空氣 凈化器，電子冰箱，液晶顯示器，LED 燈具，通訊設備，視聽產品，安防監(jiān)控， LED 燈袋，電腦機箱，數(shù)碼產品和儀器類等領域。 現(xiàn)代開關電源有兩種：一種是直流開關電源；另一種是交流開關電源。直流 開關電源的核心是

8、 DC/DC 轉換器。直流 DC/DC 轉換器按輸入與輸出之間是否有 電氣隔離可以分為兩類：一類是有隔離的稱為隔離式 DC/DC 轉換器；另一類是 沒有隔離的稱為非隔離 式 DC/DC 轉換器。 開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二 者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源。隨著 電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉點 日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣泛的發(fā)展空間。 根據(jù)開關器件在電路中連接的方式，目前比較廣泛使用的開關電源，大體上 可分為：串聯(lián)式開關電源、并聯(lián)式開關電源、變壓器式開關電源等三大類

9、。其中， 變壓器式開關電源還可以進一步分成：推挽式、半橋式、全橋式等多種；根據(jù)變 壓器的激勵和輸出電壓的相位，又可以分成：正激式、反激式、單激式和雙激式 等多種；如果從用途上來分，還可以分成更多種類。 教-學 1.2 本文設計內容 開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維 持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制 IC 和 MOSFET 構成。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術也在不斷地 創(chuàng)新。目前，開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用幾乎所有的電子 設備，是當今電子信息產業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。 開關型穩(wěn)壓電源

10、是由全波整流器，開關管，激勵信號，續(xù)流二極管，儲能電 感和濾波電容組成。實際上，開關穩(wěn)壓電源的核心部分是一個直流變壓器。 “開關 型穩(wěn)壓電源”與“串聯(lián)調整型穩(wěn)壓電源”相比，以其高效節(jié)能；適應市電變化能力強； 輸出電壓可調范圍寬；一只開關管可方便地獲得多組電壓等級不同的電源；體積 小，重量輕等諸多優(yōu)點，而被廣泛地得到采用。 本實驗由主電路、整流電路、逆變電路、控制電路、驅動電路組成。再設計 中運用了電壓驅動全控器件 MOSFET 來設計主電路，它具有驅動電路簡單、驅 動功率小、開關速度快、開關頻率高等優(yōu)點。并配以整流電路和逆變電路。改變 開關的占空比，就可以輸出電壓的平均值，我們知道當 S1 導

11、通時，輸出整流二 極管 D1 導通；反之，S2 導通時，二極管 D2 導通。當 SI、S2 都關斷且電感電流 連續(xù)時，D1、D2 同時導通續(xù)流，開關元件斷態(tài)時承受的峰值電壓是 Ure 全橋電 路不容易發(fā)生變壓器的偏磁和直流飽和現(xiàn)象。 教-學 第 2 章 開關穩(wěn)壓電源電路設計 2.1 開關穩(wěn)壓電源總體設計方案 2.1.1 全橋穩(wěn)壓電路總體結構圖及其說明 圖 2.1全橋型開關穩(wěn)壓電源的基本結構 電流經過整流后變?yōu)橹绷?，再經過高頻逆變變?yōu)榻涣?，再經過高頻整流到直 流，最后經過濾波得到所需的直流。 2.1.2 總體方案論證 由于開關穩(wěn)壓電源的調整工作于開關狀態(tài)，導通時管壓降很小截止電流幾乎 為零，因此

12、工作時管耗很小使開關電源的效率很高，通常在 8O%左右，而線性電 源一般效率低于 50%。由于開關電源的開關元件的工作頻率很高，通常在幾十 KHz 至幾百 KHz 范圍，因此電路中所使用的都是高頻變壓器其體積重量都很小， 而且大多數(shù)開關電源都省去工頻變壓器由電網(wǎng)工頻直接整流濾波，所以開關電源 比同功率的線性電源其體積重量都小得多。由丁開關電源的輸出電壓是由脈沖波 形的占空比調節(jié)的，受輸入電壓幅度的影響較小，所以它的穩(wěn)定范圍很寬，對電 網(wǎng)電壓要求較低一般電網(wǎng)電壓從 140V-260V 開關電源均可工作而線性電源一般 允許電網(wǎng)電壓波動正負 10%，另電網(wǎng)電壓頻率變化 4%時開關電源仍可工作。 2.

13、2 開關穩(wěn)壓電源具體電路設計 2.2.1 整流電路設計 整流 電路 高頻 逆變 變壓器 高頻 整流 濾波器 教-學 圖 2.2 輸入整流濾波電路圖 整流濾波電路，主要有兩部分組成：整流橋和濾波電路。 2.2.2 逆變電路設計 圖 2.3 逆變電路設計圖 如圖 2-2，采用電壓型逆變電路，它有四個橋，可以看成由兩個半橋電路組 合而成，把橋臂 1 和 4 作為一對，橋臂 2 和 3 作為另一對，組成的兩個橋臂同時 教-學 導通，兩對交替各導通 180 度，其特點為：直流側為電壓源或并聯(lián)有大電容，交 流側輸出波形為方波，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。 2.2.3 驅動電路設計 圖 2.4驅動電路圖

14、電流經過整流后變?yōu)橹绷鳎俳涍^高頻逆變變?yōu)榻涣?，再經過高頻整流變?yōu)?直流，最后經過濾波得到想要的直流，再傳給負載。 2.2.4 全橋移相開關控制電路 圖 2.5全橋移相開關控制電路圖 教-學 在 DC/DC 變換器中，則多采用以全橋移相控制軟開關 PWM 變換器，它是直 流電源實現(xiàn)高頻化的理想拓撲之一，尤其是在中、大功率變換器應用場合。用軟 開關技術實現(xiàn)的 DC/DC 變換器其效率可達 90%以上。 UC3875 控制芯片：UC3875 是用于移相全橋型軟開關電源控制的集成 PWM 控制器，可對全橋型開關的相位進行相位移動，實現(xiàn)定頻脈寬調制控制。UC3875 其外形有 20 引腳封裝和 28

15、引腳封裝， UC3875 內部結構方框圖如下： 圖 2.6UC3875 內部結構方框圖 UC3875 外接控制電路 圖 2.7UC3875 外部控制電路圖 教-學 UC3875 軟開關電源移項 PWM 控制集成電路，對兩個半橋開關電路的相位 進行移動控制，實現(xiàn)半橋功率級的恒頻 PWM 控制，借助開關器件的輸出電容充 放電，在輸出電容放電結束的狀態(tài)下完成零電壓開通。相位控制的特點體現(xiàn)在 UC3875 的 4 個輸出端分別驅動 A/B、C/D 兩個半橋，都能單獨進行導通延時的 調節(jié)控制，在該死區(qū)時間內確保下一個導通管的輸出電容放電完畢，為即將導通 的開關管提供零電壓開通條件。在全橋拓撲下移項控制的

16、優(yōu)點得到了充分的體現(xiàn)， UC3875 在電壓模式下電流模式下均可工作，并具有一個獨立的過電流關斷電路 以實現(xiàn)故障的快速保護。 芯片的保護功能包括：欠電壓鎖定，即芯片的偏置電壓達到閘值之前，其 4 個輸出端均保持低的有源輸出狀態(tài)；內置的 1.5V 滯后使工作可靠；具有過電流 保護，一旦出現(xiàn)事故該保護電路可在 70NS 之內關斷所有輸出端；故障處理可在 全周期范圍內再啟動。 該芯片的其它功能包括：帶寬超過 7MHZ 的誤差放人器；一個 5V 的基準電 壓；軟啟動；一個斜坡電壓發(fā)生器和斜率補償電路。 圖 2.8UC3875 控制集成電路圖 PWM 移相控制電路如下 教-學 圖 2.9PWM 移相控制

17、電路圖 2.3 高頻變壓器變比及容量 當 1000W 全橋軟開關電源采用 PQ50/50 芯片時先給出主功率變壓器原邊繞 組的圈數(shù)計算公式和計算過程?？紤]到 UC3875 的最佳工作頻率，又因為采用了 高頻開關特性良好的 MOSFET 功率管，所以選取開關頻率為 100KHZ。 首先根據(jù)功率容量 Ap乘積公式來進行估算。為了多留些余地，可再減小主 功率變壓器的最大工作磁通密度 Bm=1000GS，由計算式得到 56 . 5 1*5 . 0*2*1000*1000*100*9 . 0*2 10*1000 2 10* 10* 66 cmm t tqep KKfB P PAAA （2-1） 當最大磁

18、通密度選用 1500GS 時，功率容量降低到 3.7。若開關頻率降低到 50KHZ，則功率容量乘機增大一倍約 11.12，余量就小了。 PQ50/50 鐵氧體磁芯的有效中心柱截而積為 Ae=3.1416cm2它的磁芯窗口而積 為 Aq=4.18 cm2，因此 PQ50/50 的功率容量乘積為 教-學 （2-2） 2 . 1318 . 4 *1416 . 3 * qep AAA 可見，在開關頻率為 100KHZ 時，采用 PQ50/50 鐵氧體磁芯做 1000W 主功 率變壓器，它的功率容量是合理的。 再來計算原邊繞組的匝數(shù)值： 計算方法之一 （2-3）15.27 1416 . 3 *1000*

19、10*100*4 10*314 4 10* 3 88 max em i p AfB nV N 取原邊繞組匝數(shù) 28 匝。當最大磁通密度選用 1500GS 時，則 Np=18 匝，根 據(jù)經驗判斷，這個原邊匝數(shù)取值過小了。 計算方法之二 （2-4）136.27 16.314*1 . 0*2 10*10*5*314 2 10* 666 max em oni p AB TnV N 取原邊繞組匝數(shù) 28 匝，結果與上式相同。 計算副邊繞組匝數(shù)，計算式 （2- p in op s N V V N* max 5） Vop是副邊整流濾波輸出電壓的副值，它由三項數(shù)值相加之和：一是考慮 脈動值 V=5V*15*1

20、0%=6.5 二是整流器二極管的正向壓降，Vd=1.2V 直流壓降。 三是濾波電感的直流壓降假設為 VL=0.2V。IC 控制系統(tǒng)時一般都加上外圍分立元 件驅動電路，增大驅動電流功率，減小 IC 功率的溫升提高電源整機的可靠性 2.4 系統(tǒng)仿真及波形 2.4.1 MATLAB 仿真軟件介紹 MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的 形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C，F(xiàn)ORTRAN 等語言完成相 同的事情簡捷得多，并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點，使 MATLAB 成為一個強大的數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對 C，F(xiàn)O

21、RTRAN，C+，JAVA 的支持?？梢灾苯诱{用，用戶也可以將自己編寫的 實用程序導入到 MATLAB 函數(shù)庫中方便自己以后調用，此外許多的 MATLAB 愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。 MATLAB 由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用 MATLAB 的函數(shù)和文 件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括 MATLAB 桌面和命令窗口、歷 教-學 史命令窗口、編輯器和調試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件 的瀏覽器。隨著 MATLAB 的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級，MATLAB 的用戶 界面也越來越精致，更加接近 Windows 的標準界面，人機

22、交互性更強，操作更簡 單。而且新版本的 MATLAB 提供了完整的聯(lián)機查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了 用戶的使用。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調試系統(tǒng)，程序不必經過編譯就 可以直接運行，而且能夠及時地報告出現(xiàn)的錯誤及進行出錯原因分析。 MATLAB 是一個包含大量計算算法的集合。其擁有 600 多個工程中要用到 的數(shù)學運算函數(shù)，可以方便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。函數(shù)中所使用的算 法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而前經過了各種優(yōu)化和容錯處理。在 通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如 C 和 C+ 。在計算要求相同的 情況下，使用 MATLAB 的編程工作量會大大減少。MATLAB

23、 的這些函數(shù)集包括 從最簡單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復雜函數(shù)。函 數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分 方程的組的求解、符號運算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、工程中的優(yōu)化問題、 稀疏矩陣運算、復數(shù)的各種運算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學運算、多維數(shù)組操作 以及建模動態(tài)仿真等。 2.4.2 仿真電路圖如下 圖 2.10 單相橋式全控整流電路仿真(電阻性負載) 教-學 2.4.3 仿真分析 （1）下圖是用示波器觀察仿真結果晶閘管 VT 的電流波形和電 壓波形，電源電壓波形，=0時負載電阻兩端的電壓波形和電流波 形。 圖 2.11 =0波形圖 （

24、2）下圖是用示波器觀察仿真結果晶閘管 VT 的電流波形和電壓波 形，電源電壓波形，=30時負載電阻兩端的電壓波形和電流波形。 。 教-學 圖 2.12 =30時波形圖 （3）下圖是用示波器觀察仿真結果晶閘管 VT 的電流波形和電 壓波形，電源電壓波形，=60時負載電阻兩端的電壓波形和電流 波形。 圖 2.13 =60時波形圖 （4）下圖是用示波器觀察仿真結果晶閘管 VT 的電流波形和電 壓波形，電源電壓波形，=90時負載電阻兩端的電壓波形和電流 教-學 波形。 圖 2.14 =90時波形圖 單相橋式全控整流電路(電阻性負載)是典型的單相橋式全控整流電路，共用 4 個晶閘管，2 只晶閘管接成共陽

25、極，2 只晶閘管接成共陰極，每只晶閘管是一個 橋臂，橋式整流電路的工作方式特點是整流元件必須成對構成回路，負載為電阻 性。 教-學 第 3 章 課程設計總結 課設結束了從中我收獲了很多，基本達到了課程設計的目的。首先我對課本 的相關的知識點重新的復習了一遍，而且是帶著問題來看的所以效果非常好，將 老師以前在課堂講的東西有了一個更深的認識，對以前似懂非懂的東西弄懂了， 并且能更深體會哪個部分是實踐中更需要的哪個部分是理論的可以作到心中有數(shù)。 其次在我做課設的過程中也翻閱了許多相關的書籍使我的眼界有了很大的拓寬， 猶如小魚游入大海，此刻也更感到自己的渺小無知。還有就是我對計算機軟件的 應用也更為熟練，這是個意外的收獲。 通過這次電力電子技術設計，讓我們有機會將課堂上所學的理論知識運用到 實際中，我對單相橋式整流電路、逆變電路，變壓器，濾波器、濾波電路， DC/DC 直流變換，PWM 整流電路、PWM 濾波電路移相全橋型零電壓開關 PWM 電路，軟開關技術都有了更深的了解。并通過對知識的綜合運用，進行必要的分 析、比較。從而進一步驗證了所學的理論知識。同時，這次課程設計，還讓我知 道了最重要的是心態(tài)、耐心還有細心，在剛開始會覺得困難，但是只要充滿信心， 就肯定會完成的。在此次課程設計過程中，我更進一步地熟悉了單相交流調壓電 路的原理和驅動電路的設計。當然，在這個過程中