電氣工程畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-半橋開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、xxxx學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）半橋開關(guān)電源half bridge switch power 性 名： xxx 學(xué) 號(hào)： xxx 系 別： 物理與電子信息工程系 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 年 級： xx 指導(dǎo)教師： xxx xx 年xx 月 xx 日32摘要開關(guān)電源是現(xiàn)代電力電子設(shè)備不可或缺的組成部分，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響子設(shè)備性能，其體積的大小也直接影響到電子設(shè)備整體的體積。本設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件電路，研制了15w（15v、1a）半橋開關(guān)電源。整個(gè)系統(tǒng)包括主電路、控制電路和驅(qū)動(dòng)電路三部分內(nèi)容。系統(tǒng)主電路包括單相輸入整流、半橋式逆變、高頻交流輸出、輸出整流、輸出濾波

2、幾部分?？刂齐娐钒ㄖ麟娐烽_關(guān)管控制脈沖的產(chǎn)生和保護(hù)電路。論文具體地介紹了主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路等各部分的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)過程，包括元器件的選取以及參數(shù)計(jì)算。本設(shè)計(jì)中采用的芯片主要是pwm控制芯片sg3525a、光電耦合芯片pc817和半橋驅(qū)動(dòng)芯片ir2110。設(shè)計(jì)過程中程充分利用了sg3525a的控制性能，具有寬的可調(diào)工作頻率，死區(qū)時(shí)間可調(diào)，具有輸入欠電壓鎖定功能和雙路輸出電流。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；ir2110；sg3525；高頻變壓器；mosfetabstractswitching mode power supply(smps) is a significant part of the pow

3、er electronics, which effects the performance and volume of the electronic equipment. the scheme has made a plan of designs based on the task of design, designed corresponding hardware circuit and developed 15w(15v、1a) half-bridge switch power supply, it also can display voltage .the system included

4、 three parts: the main circuit part, the control circuit part and driving circuit. and the main circuit part consisted of one-phase input rectification, half-bridge in version, high-frequency a.c.output and output rectification. the control circuit involved two parts: one is the circuit brings the p

5、ulse controls the swiches in main circuit, and the other is the protect circuit. and then detailedly recommended the designs of main circuit, control circuit and driving circuit, including selected components and calculated parameter. the cmos chip that is applied in the design is、pwm controller sg3

6、525、optical coupler circuit pc817、 half bridge drive chipir2110. the controlled feature of pwm controller sg3525a is fully utilized in the process of design, which has wide adjustable operating frequency and dead time, input under voltage lock function and twin channel output current. key words：swit

7、ch power supply；sg3525a；high-frequency transformer；mosfet摘要iabstracti1.引言11.1開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展概況11.2 開關(guān)電源的發(fā)展方向11.3 開關(guān)電源的基本概念11.4開關(guān)電源的分類11.5 開關(guān)電源的技術(shù)要點(diǎn)22.系統(tǒng)的整體方案分析與選擇22.1 整個(gè)課題的設(shè)計(jì)思路22.2 各個(gè)部分的工作原理和功能23. 開關(guān)電源的主回路設(shè)計(jì)43.1主電路結(jié)構(gòu)43.1電源的設(shè)計(jì)要求5（1）輸出電壓:額定工作電壓15v；53.2輸入整流回路的電路設(shè)計(jì)53.3 dc-ac逆變回路的設(shè)計(jì)63.4高頻變壓器設(shè)計(jì)103.5 輸出整流回路的設(shè)計(jì)13

8、4. mosfet驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)144.1 mosfet對驅(qū)動(dòng)電路通常要求14（1）觸發(fā)脈沖具有足夠快的上升和下降速度；144.2半橋驅(qū)動(dòng)芯片ir2110及其工作過程154.3半橋驅(qū)動(dòng)電路器件參數(shù)選擇174.4 ir2110 1腳7腳波形如圖（4-4）185. 開關(guān)電源控制電路的設(shè)計(jì)185.1 控制芯片sg3525內(nèi)部邏輯電路結(jié)構(gòu)195.2 內(nèi)部邏輯電路結(jié)構(gòu)分析195.3 sg3525的特點(diǎn)215.4 芯片管腳及其功能介紹215.5 sg3525波形225.6 反饋電路原理的設(shè)計(jì)246.輔助電源266.1輔助電源設(shè)計(jì)267.硬件調(diào)試267.1 輔助電源的調(diào)試267.2 控制電路調(diào)試277.3

9、驅(qū)動(dòng)電路調(diào)試277.4 主電路的調(diào)試27結(jié)束語27參考文獻(xiàn)28附錄：29致 謝311.引言開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，這為開關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。隨著開關(guān)電源在計(jì)算機(jī)、通信、家用電器等方面的廣泛應(yīng)用,人們對其需求量增長和效率、體積、重量及可靠性等方面要求更高。開關(guān)電源以其效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的線性電源。在半橋式變換器電路中,變壓器初級在整個(gè)周期中都流過電流,磁芯利用得更加充分。它克

10、服了推挽式電路的缺點(diǎn),所使用的功率晶體管耐壓要求較低；晶體管的飽和壓降減少到了最小;對輸入濾波電容使用電壓要求也較低，半橋式變換器在高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。 本文將介紹一款半橋式開關(guān)電源,所用開關(guān)器件為功率mosfet管, 開關(guān)工作頻率為45 khz,具有體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn)1。1.1開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展概況最早的開關(guān)電源出現(xiàn)在60年代，出現(xiàn)的是串聯(lián)型開關(guān)電源，功率晶體管用于開關(guān)狀態(tài)，后來脈寬調(diào)制(pwm)控制技術(shù)有了發(fā)展，用以控制開關(guān)變換器，得到pwm開關(guān)電源， pwm開關(guān)電源效率可達(dá)65%-70%，1974年研制成了工作頻率達(dá)到20khz的開關(guān)電源，在電源技術(shù)發(fā)展史上譽(yù)為2

11、0khz革命。1976年，美國硅通用公司首次生產(chǎn)出世界上第一片集成脈寬調(diào)制器，使開關(guān)電源的控制器得到簡化，系統(tǒng)的可靠性也大為增強(qiáng)。八十年代，國內(nèi)高頻開關(guān)電源只在個(gè)人計(jì)算機(jī)、電視機(jī)等若干設(shè)備上得到應(yīng)用。由于開關(guān)電源在重量、體積、用銅、用鐵及能耗等方面都比線性電源和相控電源有顯著減少，對整機(jī)多相指標(biāo)有良好影響，因此它的應(yīng)用得到了推廣。近年來越來越多領(lǐng)域應(yīng)用開關(guān)電源，取得顯著效益2。1.2 開關(guān)電源的發(fā)展方向一、頻率要高，這樣動(dòng)響應(yīng)才快，也是配合高速微處理器必須的；二、體積要減，變壓器、電感、電容都要減小體積；三、效率要高，產(chǎn)的熱能減少，散熱容易，容易達(dá)到高功率密度，進(jìn)而制造超大功率的高頻開電源；四

12、、電源系統(tǒng)的高度集成化2。1.3 開關(guān)電源的基本概念電源是將各種能源轉(zhuǎn)換成為用電設(shè)備所需要的裝置，是所有靠電能工作的裝置的動(dòng)力源泉。直流開關(guān)電源是一種由占空比控制的開關(guān)電路構(gòu)成的電能變換裝置，用于交流直流或者直流直流電能變換，通常稱其為開關(guān)電源。 開關(guān)電源的核心為電力電子開關(guān)電路，根據(jù)負(fù)載對電源提出的輸出穩(wěn)壓或穩(wěn)流特性的要求，利用反饋控制電路，采用占空比控制方法，對開關(guān)電路進(jìn)行控制。開關(guān)電源的這一技術(shù)特點(diǎn)使得它具有，效率高、體積小、重量輕、頻率高、電感、電容等濾波元件和變壓器體積小。1.4開關(guān)電源的分類開關(guān)電源可分為ac/dc和dc/dc兩大類dc/dc變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電

13、壓，也稱為直流斬波斬波器的工作方式有兩種：一、脈寬調(diào)制方式ts不變，改變ton（通用）；二、頻率調(diào)制方式，ton不變，改變ts（易產(chǎn)生干擾）。其具體的電路由以下幾類：（1） buck電路降壓斬波器。（2） boost電路升壓斬波器。（3） buck-boost電路降壓或升壓斬波器。（4） cuk電路降壓或升壓斬波器。ac/dc變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負(fù)載的稱為“整流”，功率流由負(fù)載返回電源的稱為“有源逆變”。 ac/dc變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全波電路。按電源相數(shù)可分為，單項(xiàng)、三相、多相。按電路工作象限可分為一象限、二象限、三象限、四象限3

14、。1.5 開關(guān)電源的技術(shù)要點(diǎn)開關(guān)電源技術(shù)包含以下幾個(gè)重要的組成部分：一、元器件技術(shù) 包括涉及開關(guān)器件的電力電子器件技術(shù)和涉及變壓器、電感等主要磁性元件的磁技術(shù)，以及涉及電容等其他無源元件的技術(shù)。二、電路技術(shù) 主要研究各種基本開關(guān)電路和相應(yīng)的軟開關(guān)電路，以及各種吸收電路等。三、控制技術(shù) 主要研究適用于開關(guān)電源的各種控制方法，如電壓模式控制和各種電流模式控制等。四、電磁兼容技術(shù) 研究開關(guān)電源中電磁干擾的產(chǎn)生、傳播和抑制等問題。五、散熱技術(shù) 利用傳熱學(xué)理論，分析和解決開關(guān)電源主要發(fā)熱元件的散熱問題。2.系統(tǒng)的整體方案分析與選擇2.1 整個(gè)課題的設(shè)計(jì)思路整個(gè)課題的設(shè)計(jì)，分為三部分。一、主電路的設(shè)計(jì)，包

15、括整流輸入濾波、半橋式逆變電路、高頻變壓輸出、輸出整流、輸出濾波。二、開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路。三、控制電路的設(shè)計(jì)，包括控制逆變電路開關(guān)管工作的脈沖輸出、軟啟動(dòng)、調(diào)占空比以及保護(hù)電路。2.2 各個(gè)部分的工作原理和功能2.2.1 電源主電路首先，電源流入輸入整流濾波回路將交流電通過整流模塊變換成含有脈動(dòng)成分的直流電，然后通過輸入濾波電容將脈動(dòng)直流電變?yōu)檩^平滑的直流電。其次，功率開關(guān)橋由控制電路提供觸發(fā)脈沖把濾波得到的直流電變換為高頻的方波電壓，通過高頻變壓器傳送到輸出側(cè)。最后，輸出整流濾波回路將高頻方波電壓濾波成為所需的直流電壓或電流。2.2.2 控制電路控制電路是整個(gè)電源系統(tǒng)重要部位，由它控制整個(gè)電源

16、的工作并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的保護(hù)功能。一般來說，控制電路應(yīng)具有以下功能:控制脈沖產(chǎn)生電路、電壓反饋控制電路、占空比可調(diào)、軟啟動(dòng)及各種保護(hù)電路等。根據(jù)電路功能的分工可將控制電路分為幾大部分：脈沖產(chǎn)生電路、觸發(fā)電路、電壓反饋控制電路、軟啟動(dòng)電路、保護(hù)電路等。脈沖產(chǎn)生電路是控制電路的核心。脈沖產(chǎn)生電路根據(jù)電壓反饋控制電路信號(hào)產(chǎn)生出所需的脈沖信號(hào)保護(hù)電路以及軟啟動(dòng)電路等提供的控制。電壓反饋控制電路通過檢測輸出電壓的大小，對輸出電壓進(jìn)行分壓采樣，然后將采樣電壓和參考電壓相比較得出誤差信號(hào)來調(diào)節(jié)輸出脈沖的脈寬達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。 控制電路要能提供出滿足開關(guān)元件要求的觸發(fā)脈沖。這就要求控制電路要有合適的觸發(fā)電路，

17、該觸發(fā)電路能將控制電路輸出脈沖放大到足以激勵(lì)高壓開關(guān)管，由于它所提供的脈沖幅度以及波形關(guān)系到晶體管的飽和壓降、存儲(chǔ)時(shí)間、開通和關(guān)斷瞬間電壓電流上升下降等運(yùn)行特性，從而將直接影響其損耗和發(fā)熱。因此，應(yīng)該合理設(shè)計(jì)觸發(fā)電路，實(shí)現(xiàn)功率元件的最佳開通與關(guān)斷。電源的輸出濾波電容較大，輸出電壓的突然建立將會(huì)形成非常大的電容充電電流，疊加在負(fù)載電流上，它不僅會(huì)使高壓開關(guān)管負(fù)擔(dān)過重而可能損壞，而且，由于持續(xù)時(shí)間長，往往會(huì)引起過流保護(hù)電路發(fā)生誤動(dòng)作。若為了避免由此引起的誤動(dòng)作而將保護(hù)電路搞得非常遲鈍，這將會(huì)增加過流保護(hù)的不安全性。輸出電壓在合閘時(shí)容易出現(xiàn)過沖，這種過沖，合閘時(shí)可能發(fā)生，在關(guān)閉電源時(shí)也可能發(fā)生，只要

18、達(dá)到足夠的幅度將會(huì)給負(fù)載造成損害，而且，反復(fù)的大電流沖擊對電容器本身亦不利，同時(shí)還會(huì)引起干擾，因此，開關(guān)電源必須具備輸出電壓軟啟動(dòng)的功能。軟啟動(dòng)電路在電源合閘和重新啟動(dòng)時(shí)提供一個(gè)逐漸建立的電壓給脈沖產(chǎn)生電路，從而使控制電路的輸出脈沖有一個(gè)逐漸建立的過程。2.2.3 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路是控制電路與主電路的接口，同開關(guān)電源的可靠性、效率等性能相關(guān)。驅(qū)動(dòng)電路需要有很高的快速性，能提供一定的驅(qū)動(dòng)功率，并且有較高的看干擾和隔離噪聲能力。2.2.4高頻開關(guān)變換器的基本原理用一個(gè)半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，使帶有濾波器(l或/和c)的負(fù)載線路與直流電壓一會(huì)相接，一會(huì)斷開，則負(fù)載上也得到另一個(gè)直流電壓。這就使dc-

19、dc的基本手段。一個(gè)周期ts內(nèi)，電子開關(guān)接通時(shí)間ton所占整個(gè)周期ts的比例，稱作接通占空比d。很明顯，接通占空比越大，負(fù)載上電壓越大; 1ts=fs稱作開關(guān)頻率，fs越高，負(fù)載上電壓也越高。這中dc-dc變換器中的開關(guān)都在某一固定的頻率下工作，這種保持開關(guān)頻率恒定但改變接通時(shí)間長短(即脈沖的寬度)，使負(fù)載變化時(shí)，負(fù)載上電壓變化不大的方法，稱脈寬調(diào)制法pulse width modulation)。由于電子開關(guān)按外加控制脈沖而通斷，控制本身流過的電流、二端所加的電壓無關(guān)，因此，電子開關(guān)稱為硬開關(guān)。凡是脈寬調(diào)制方式控制電子開關(guān)的開關(guān)變換器，稱為pwm開關(guān)變換器。它是以使用硬開關(guān)為主要特征的。2.

20、2.5 整流濾波回路的選擇整流濾波回路是開關(guān)電源的重要組成部分，它可以提高電壓、電流的穩(wěn)定度，減小干擾。按其所在的位置不同，分為輸入和輸出整流濾波回路。2.2.5.1 輸入整流濾波回路本文研究的電源額定工作狀態(tài)的技術(shù)要求為:輸出電壓15v,輸出電流1a，輸出功率約15w了減小電源的輸入濾波電容等原因，本文實(shí)驗(yàn)用電源電路采用單相橋式整流。2.2.5.2 輸出整流濾波回路電源的能量輸出通過高頻變壓器實(shí)現(xiàn)，其主要作用是電壓變換、功率傳遞和實(shí)現(xiàn)輸入輸出之間的隔離，與普通電力變壓器的功能相仿。然而，它與比較脆弱的器件-高壓開關(guān)管相連后施加較高的輸入電壓，其性能的優(yōu)劣就不只是涉及變壓器本身的效率、發(fā)熱，而

21、將決定整個(gè)電源的技術(shù)性能，甚至?xí)?dǎo)致高壓開關(guān)管的損壞。因此，在繞制高頻變壓器時(shí)要盡量減小原、副邊的漏感，從而減小功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓，降低損耗，提高效率。在副邊使用全波整流的方式，然后由濾波電感和濾波電容共同完成輸出濾波功能，使輸出達(dá)到設(shè)計(jì)要求。3. 開關(guān)電源的主回路設(shè)計(jì)3.1主電路結(jié)構(gòu)半橋式開關(guān)電源主電路如圖3-1所示。圖中開關(guān)管q1、q2選用mosfet。因?yàn)樗请妷候?qū)動(dòng)全控型器件,具有驅(qū)動(dòng)電路簡單、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快及安全工作區(qū)大等優(yōu)點(diǎn)。半橋式逆變電路一個(gè)橋臂由開關(guān)管q1、q2組成,另一個(gè)橋臂由電容c1、c2組成。高頻變壓器初級一端接在c1、c2的中點(diǎn),另一端接在q1、q2的公

22、共連接端,q1、q2中點(diǎn)的電壓等于整流后直流電壓的一半,開關(guān)q1、q2交替導(dǎo)通就在變壓器的次級形成幅值為的交流方波電壓。通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比,就能改變變壓器二次側(cè)整流輸出平均電壓v o。q1、q2斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均為vi，變壓器原邊并聯(lián)的r7、c3、vd1組成rcd吸收電路，c5和r9用來吸收高頻尖峰。圖3-13.1電源的設(shè)計(jì)要求（1）輸出電壓:額定工作電壓15v；（2）輸出電流:額定工作電流1a；（3）輸入條件:50hz，交流220v；（4）紋波電壓vor為20mv。3.2輸入整流回路的電路設(shè)計(jì)3.2.1 輸入整流回路的結(jié)構(gòu)圖3-2輸入整流回路的結(jié)構(gòu)圖（3-2）3.2.2 輸入整流回路

23、的器件的計(jì)算選型輸入整流濾波電路，主要有兩部分組成: 整流橋； 輸入濾波電路。3.2.2.1 整流橋輸入為50hz交流電，電壓為220v 1. 整流橋的耐壓: 整流二極管的峰值電壓可用公式（3-1）計(jì)算:u=220×(1+25%)×1.414=388.85v 公式（3-1）取裕量，整流橋的耐壓選為1000v.2. 整流橋的額定電流: 因?yàn)殡娫吹妮斎牍β孰S效率變化，所以應(yīng)取電源效率最差時(shí)的值。在此，我們按一般開關(guān)電源的效率取值，取min=0.8電源的輸入功率可用公式（3-2）計(jì)算:pin= =18.75 （w） 公式（3-2）最大輸入線電流可用公式（3-3）計(jì)算:imax=p

24、= =0.1218a 公式（3-3）考慮瞬間沖擊電流，留裕量取整流橋的額定電流為8a。最后選擇整流橋rs8083.2.2.2 輸入濾波電容輸入電容器cin決定于輸出保持時(shí)間和直流輸入電壓的紋波電壓的大小，而且要在計(jì)算流入電容器的紋波電流是否完全達(dá)到電容器的容許值的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過直流輸入電路的平均電流可用公式（3-4）計(jì)算：idc= =0.0744 (a) 公式（3-4 ） e為輸入電壓最低時(shí)輸入整流電路的輸出平均電壓。計(jì)算單相全波整流電路濾波電容的經(jīng)驗(yàn)公式（3-5）計(jì)算:cin=（400600）×idc 公式（3-5）=（400600）×0.0744=29.7644.

25、64 （uf）實(shí)際用兩個(gè)470uf/250v的電解電容串聯(lián)，放電電阻為兩個(gè)r1=100k/1w電阻并聯(lián)在電容上。3.3 dc-ac逆變回路的設(shè)計(jì)3.3.1 半橋電路的結(jié)構(gòu)與工作過程在半橋式逆變電路中，變壓器一次側(cè)的兩端分別連接在電容c1,c2的中點(diǎn)和開關(guān)s1, s2中點(diǎn)。電容c1,c2的中點(diǎn)電壓為。s1與s2交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為的交流電壓，改變開關(guān)的占空比，就可以改變二次側(cè)整流電壓ud的平均值，也就改變了輸出電壓uo。半橋式電路的結(jié)構(gòu)如圖3-3:圖3-3具體的工作過程敘述如圖（3-4）所示:（a）(b) (c)(d)圖（3-4） 文字分析如下：s1導(dǎo)通時(shí)，二極管vd1處于通態(tài)如圖

26、（3-4）（a）示；s2導(dǎo)通時(shí)，二極管vd2處于通態(tài)如圖（3-4）（c）示，當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，變壓器繞組w1中的電流為零，根據(jù)變壓器的磁勢平衡方程，繞組w2和w3中的電流大小相等，方向相反，所以vd1和vd2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流如圖（3-4）（b）（d）示。s1或s2導(dǎo)通是電感l(wèi)的電流逐漸上升，兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，電感l(wèi)的電流逐漸下降。s1和s2斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均為ui。由于電容的隔直作用，半橋型電路對由于兩個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間不對稱而造成的變壓器一次電壓的直流分量具有自動(dòng)平衡作用，因此該電路不容易發(fā)生變壓器偏磁和直流磁飽和的問題，無須另加隔直電容。值得注意的是，在半橋電路中，占空比定

27、義如公式（3-6） d= 公式（3-6）圖（3-5）s1、s2開通關(guān)斷時(shí)間及其電壓電流波形何對應(yīng)的vd1、vd2波形如圖（3-5），其中（a）（b）分別為s1和s2波形，（c）（d）分別為us1和us2波形，（e）（f）分別為is1和is2的波形，（g）（h）分別為id1和id2波形。t0到t1時(shí)段：s1導(dǎo)通s2截止，t1到t2時(shí)間s1和s2截止，t2到t3時(shí)段s1截止，s2導(dǎo)通。3.3.2 主要功率器件的選型3.3.2.1 幾種功率器件的比較幾種功率器件的優(yōu)缺點(diǎn)如表(3-1)表（3-1）器件優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)gtr耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，通流能力強(qiáng)，飽和壓降低開關(guān)速度低，為電流驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率大

28、，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，存在二次擊穿問題gto電壓、電流容量大，適用于大功率場合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)電流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流大，開關(guān)速度低，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，開關(guān)頻率低mosfet開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kw的電力電子裝置igbt開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小開關(guān)速度低于電力mosfet,電壓，電流容量不及gto3.3.2.2 功率器件的選擇在高頻的開關(guān)電源設(shè)計(jì)中用的功率器件種類有i

29、gbt和mosfet，但是考慮到工作在高頻的igbt成本較高，在本次設(shè)計(jì)選用mosfet器件。3.3.2.3 mosfet參數(shù)的確定（1） mosfet額定電流ice的選擇mosfet額定電流ice的選擇，要根據(jù)實(shí)際電路中最大額定電流ie、負(fù)載類型、允許過載的程度等因數(shù)。在一般性電阻性負(fù)載的電壓變換裝置中，若實(shí)際電路中電流最大有效值為ie，則要選mosfet的ice1.5ie。本電路中ice的選擇為8a。（2）電壓vcer的選擇考慮電網(wǎng)電壓瞬間尖峰，電壓波動(dòng)，開關(guān)電源引起電壓尖峰等，一般如果穩(wěn)態(tài)時(shí)候，加在mosfet之間的電壓最高為vm，則可選擇的耐壓值vcer2.5vm。本電路中選擇vcer

30、=500v。所以選擇ir公司的ifrp8403.3.2.4 irfp840主要參數(shù)irfp840主要參數(shù)如表（3-2）：表（3-2）typevdssrdsidqgirf840500v0.858a75nc3.3.3 mosfet的開關(guān)特性mosfet在感性負(fù)載下的開通過程。 階段主要是cos的充電過程，使vgs電壓達(dá)到門檻電壓； 階段主要是cgs的充電過程，當(dāng)vgs電壓超過門檻電壓后，漏極電流開迅上升； 階段主要是cgd的充電過程，cgd又稱為密勒電容，由于vgd的電壓很高，本階段需要很大的驅(qū)動(dòng)電流，才能降vgd電壓拉下來； 階段主要是cgs的充電過程，使vgs上升到最后的驅(qū)動(dòng)電壓，上升的vgs

31、使漏源電阻rds(on)減小，mosfet進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。關(guān)斷過程與開通過程的順序相反，過程類似。3.4高頻變壓器設(shè)計(jì)（1)設(shè)定開關(guān)頻率。開關(guān)頻率對電源的體積、重量等影響很大。開關(guān)頻率越高,變壓器磁芯就會(huì)選得更小,輸出濾波電感和電容體積也會(huì)減小,但開關(guān)損耗增加,效率下降,散熱器體積加大。綜合考慮兩方面,設(shè)定其工作頻率為f s=45khz。（2)選磁芯磁芯規(guī)格的選取通常先估算變壓器的效率，然后又輸出功率和估算效率計(jì)算出變壓器的輸入功率，再根據(jù)生產(chǎn)廠家給出的磁芯規(guī)格和傳送功功率的關(guān)系數(shù)據(jù)來選擇。磁芯選用r2kb軟磁鐵氧體材料,其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度bs=4700 gs,考慮到高溫時(shí)bs會(huì)下降,同時(shí)為防止合

32、閘瞬間變壓器飽和,設(shè)定最大工作磁密bm= = 1500 g s。對半橋變換器,當(dāng)脈沖波形近似為方波時(shí),可按式（3-7）來確定磁芯的大小。ap =ae×aw= 公式（3-7）式中:ap為磁芯的面積乘積,cm4;ae為磁芯的截面積,cm2;aw為磁芯的窗口面積,cm 2;po為輸出功率,w; 為變壓器效率,一般可取80%;fs為變換器工作頻率,hz;bm為磁芯最大工作磁密,gs;j為導(dǎo)線的電流密度,一般取23a /mm2;kc為磁芯的填充系數(shù),對鐵氧體,取kc=1;ku為窗口的銅填充系數(shù),一般ku=0.20.4。則由公式（3-7）得：ap =0.154（cm4） 。假設(shè)本設(shè)計(jì)選用ei40

33、型鐵氧體磁芯,由手冊知其參數(shù)如表（3-3）：表（3-3）型號(hào)磁芯截面積ae（cm2）le(cm)ve（cm3）窗口面積aw (cm2)ei401.487.711.3310.8ei40的磁芯的面積乘積有公式（3-8）：apei= ae×aw=1.48×310.8=459.984 （cm4） 公式（3-8）apeiap證明選ei40能滿足設(shè)計(jì)要求。（3)計(jì)算原邊匝數(shù)按最低輸入電壓和滿載輸出的極端情況來計(jì)算。已知最小輸入交流電壓為180v,減去20v的直流紋波電壓和整流器的壓降,最小直流電壓可由公式（3-9）求的： v 1min=180×1.4-20=232 v 公式（

34、3-9）半橋式電路變壓器原邊繞組所加電壓等于輸入電壓的一半可由公式（3-10）求得：,u 1min=116 (v) 公式（3-10）則原邊繞組匝數(shù)可由公式（3-11）求得：n 1= 公式（3-11）式中:u 1為變壓器原邊電壓。由公式（3-12）計(jì)算得： n 1=30(匝) 公式（3-12）實(shí)際取值為35匝。（4)核算最大輸入交流電壓時(shí)的最大磁密b 。利用計(jì)算出來的變壓器初級匝數(shù),核算變壓器在最大輸入交流電壓v inmax時(shí)的b m,看磁芯是否飽和。最大輸入交流電壓v inmax可由公式（3-13）求得：v inmax=260×114=364 (v) 公式（3-13）半橋式電路變壓器

35、原邊繞組所加電壓可由公式（3-14）求得： u 1max=182 (v) 公式（3-14）則b m由公式(3-11)變形可得公式（3-15）b m = 公式（3-15）=0.22(t)計(jì)算可知,在輸入交流電壓最大時(shí)b m=0.22<=0.235(t) 公式（3-16）公式（3-16）可知，原邊繞組匝數(shù)n 1=35匝的選擇是合適的。（5)計(jì)算副邊匝數(shù)。副邊電路采用帶有中間抽頭的全波整流濾波電路,設(shè)輸出方波脈沖占空比=0.8,輸出回路二極管壓降為v d、扼流圈壓降為v c,取v d+v c=1.5v,則變壓器副邊電壓u 2可由公式（3-17）求得：u 2= =20.625(v) 公式（3-1

36、7）故副邊匝數(shù)可由公式（3-18）求得：n 21=n22= =7 (匝) 公式（3-18）實(shí)際選8匝。（6)計(jì)算原邊最大工作電流。在最低交流輸入電壓為180v時(shí),變壓器原邊通過的電流一定是最大可能的工作電流,由經(jīng)驗(yàn)公式原邊最大工作電流可由公式（3-19）求得：ip= =0.194 (a) 公式（3-19）7）選擇導(dǎo)線副邊繞組導(dǎo)線截面積可由公式（3-20）求得：ac2=0.333mm2 公式（3-20）考慮到高頻下銅線的趨膚效應(yīng)，銅線的趨膚深度可由公式（3-21）求得：=0.312（mm） 公式（3-21）所以允許采取的最大線徑可由公式（3-22）求得：dmax=2=2×0.312=0

37、.624mm 公式（3-22）取0.4mm的公制漆包線，需要的股數(shù)可由公式（3-23）求得：n2=2.65（股） 公式（3-23）取3股并繞同理，對變壓器原邊，其繞組導(dǎo)線截面積可由公式（3-24）求得：ac1=0.054（mm2 ） 公式（3-24）取0.4mm的公制漆包線變壓器原邊的股數(shù)可由公式（3-25）求得：n1=0.43（股） 公式（3-25）取1股。在繞制變壓器時(shí)，原邊與副邊的絕緣及變壓器的漏感問題要非常注重。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)變壓器原邊的波形如圖（3-6）。圖（3-6）3.5 輸出整流回路的設(shè)計(jì)輸出整流濾波電路是通過快恢復(fù)整流二極管的整流和濾波電感及濾波電容將高頻變壓器輸出的高頻交變電壓

38、或電流變換成符合要求的輸出電壓或電流。高頻變壓器副邊選用全橋式整流，以提高安全可靠性。下面對輸出整流電路的各部分進(jìn)行一下分析與計(jì)算。3.5.1 輸出整流回路的結(jié)構(gòu)圖（3-7）輸出整流回路的結(jié)構(gòu)如圖（3-7）。3.5.2 整流回路器件的選擇3.5.2.1 整流二極管的選擇因?yàn)檩敵稣鞫O管工作于高頻狀態(tài)(45 khz)，所以應(yīng)選用快恢復(fù)二極管。1.輸出整流二極管的耐壓。高頻變壓器副邊的輸出最高電壓峰值用公式（3-26）可求得:v2max= 公式（3-26）=110×(1+25%)××=44.44（v）為變壓器的變比。取一倍的裕量voutmax=88.88v。2. 輸

39、出整流二極管的電流因?yàn)檩敵稣鞫O管工作于高頻狀態(tài)(45khz)， 所以應(yīng)選用快恢二極管或肖特基二極管。輸出整流二極管流出的電流為1a。根據(jù)以上的分析，同時(shí)考慮一定的裕量，選her307快恢復(fù)二極管，二極管的耐壓為800v,額定電流為3a。3.5.2.2 濾波電感的選擇（1）濾波電感的計(jì)算。電感選擇應(yīng)保證輸出電流在額定電流的1/10時(shí)，電感電流也保持連續(xù)。流電流等于電感電流斜坡峰-峰值一半時(shí)對應(yīng)臨界連續(xù)，所以i為20%的額定輸出直流。濾波電感值可由公式（3-27）確定：=113.75 (uh) 公式（3-27）實(shí)際取200uh（2）濾波電感的制作。選ee骨架用0.4mm的銅線繞12匝，用電感表

40、測198 uh滿足條件。3.5.2.3濾波電容的選擇輸出電容c的選擇應(yīng)滿足最大輸出紋波電壓的要求，濾波電容的大小對輸出直流電源的紋波大小有決定作用。知，輸出紋波幾乎完全由濾波電容的等效串聯(lián)電阻rc的大小來確定，而不是電容本身的大小決定。本設(shè)計(jì)最大紋波電壓vo為20mv，出濾波電容的大小可由公式（3-28）求得： 公式（3-28）=15.78uf所選電容的耐壓值為50v，使用一個(gè)2200uf/50v的電容?；蜻x用值較小的幾個(gè)電容并聯(lián)，這樣寄生電阻更小，濾波效果更好。4. mosfet驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)功率mosfet是電壓型驅(qū)動(dòng)器件，沒有少數(shù)載流子的存貯效應(yīng)，輸入阻抗高，因而開關(guān)速度可以很高，驅(qū)動(dòng)功

41、率小，電路簡單。4.1 mosfet對驅(qū)動(dòng)電路通常要求（1）觸發(fā)脈沖具有足夠快的上升和下降速度；（2）開通時(shí)以低電阻為柵極電容充電，關(guān)斷時(shí)為柵極提供低電阻放電回路，以提高功率mosfet 的開關(guān)速度；（3）為了使功率mosfet 可靠觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開啟電壓，為了防止誤導(dǎo)通，在其截止時(shí)應(yīng)提供足夠負(fù)的反向柵源電壓；（4）功率開關(guān)管開關(guān)時(shí)所需驅(qū)動(dòng)電流為柵極電容的充放電電流，功率管極間電容越大，所需電流越大，即帶負(fù)載能力越大。4.2半橋驅(qū)動(dòng)芯片ir2110及其工作過程4.2.1 ir2110內(nèi)部框圖（4-1）及封裝圖（4-2）1ir2110內(nèi)部框圖圖（4-1）ir2110封裝圖如圖

42、（4-2）4.2.2 ir2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)ir2110內(nèi)部框圖由三個(gè)部分組成：邏輯輸入，電平平移及輸出保護(hù)。（1）具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道。 （2）懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)500v。 （3）輸出的電源端（腳3）的電壓范圍為1020v。 （4）邏輯電源的輸入范圍（腳9）515v，可方便的與ttl，cmos電平相匹配， 而且邏輯電源地和功率電源地之間允許有 v的便移量。 （5）工作頻率高，可達(dá)500khz。 （6）開通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns。 （7）圖騰柱輸出峰值電流2a。 4.2.3 ir2110半橋驅(qū)動(dòng)電路原理如圖（4-3）半橋驅(qū)動(dòng)電路原理圖（4-3

43、）（a）（b）半橋驅(qū)動(dòng)電路分析圖（4-3）ir2110用于驅(qū)動(dòng)半橋的電路如圖（4-3）所示。圖（4-3）（a）（b）為ir2110的兩種工作狀態(tài)。圖中c1、vd1分別為自舉電容和快恢復(fù)二極管，c2為vcc的濾波電容。假定在s1關(guān)斷期間c1已充到足夠的電壓（vc1vcc）。當(dāng)hin為高電平時(shí)vm1開通，vm2關(guān)斷，vc1加到s1的門極和發(fā)射極之間，c1通過vm1，rg1和s1門極柵極電容cgc1放電，cgc1被充電。此時(shí)vc1可等效為一個(gè)電壓源。當(dāng)hin為低電平時(shí)，vm2開通，vm1斷開，s1柵電荷經(jīng)rg1、vm2迅速釋放，s1關(guān)斷。經(jīng)短暫的死區(qū)時(shí)間（td）之后，lin為高電平，s2開通，vcc

44、經(jīng)vd1，s2給c1充電，迅速為c1補(bǔ)充能量。如此循環(huán)反復(fù)。4.3半橋驅(qū)動(dòng)電路器件參數(shù)選擇4.3.1自舉電容的選取mosfet開通時(shí)，需要在極短的時(shí)間內(nèi)向門極提供足夠的柵電荷。假定在器件開通后，自舉電容兩端電壓比器件充分導(dǎo)通所需要的電壓（10v，高壓側(cè)鎖定電壓為8.7/8.3v）要高；再假定在自舉電容充電路徑上有1.5v的壓降（包括vd1的正向壓降）；最后假定有1/2的柵電壓（柵極門檻電壓vth通常35v）因泄漏電流引起電壓降。綜合上述條件，此時(shí)對應(yīng)的自舉電容可用下式表示。工程應(yīng)用可由公式（4-1）求得：=17.6 nf 公式（4-1）實(shí)際選取104無極性瓷片電容。4.3.2快恢復(fù)二級管的選擇

45、自舉二極管是一個(gè)重要的自舉器件，它應(yīng)能阻斷直流干線上的高壓，二極管承受的電流是柵極電荷與開關(guān)頻率之積。為了減少電荷損失，應(yīng)選擇反向漏電流小的快恢復(fù)二極管。選取her307。4.3.2.1 her307主要參數(shù)her307的參數(shù)如表（4-1）：表（4-1）型號(hào)最大反向峰值電壓最大平均正向電流最大正向浪涌電流最大反向漏電電流最大正向電壓最大反向恢復(fù)時(shí)間外形尺寸prvi0tlifmirifmvfmtrrd0 201advpkaavapkuadcapkvpknsher3078003.0150103.01.8570測試條件if=0.5a, ir =1.0a， irr =0.25a4.4 ir2110 1

46、腳7腳波形如圖（4-4）ir2110 1腳和7腳波形如圖（4-4）5. 開關(guān)電源控制電路的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)電路的控制電路是整個(gè)電路的主要部分。目前實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用中有各種典型的控制電路,鑒于對電源和驅(qū)動(dòng)的要求,結(jié)合本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇sg3525。5.1 控制芯片sg3525內(nèi)部邏輯電路結(jié)構(gòu) sg3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（5-1）sg3525a的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖（5-1）。由基準(zhǔn)電壓調(diào)整器、振蕩器、誤差放大器、比較器、鎖存器、欠壓鎖定電路、閉鎖控制電路、軟起動(dòng)電路、輸出電路構(gòu)。5.2 內(nèi)部邏輯電路結(jié)構(gòu)分析5.2.1 pwm鎖存與輸出當(dāng)高電平到來時(shí)。t觸發(fā)器轉(zhuǎn)變成兩個(gè)相位相反的方波脈沖，高電平還分別送至u1、u2二個(gè)或非

47、門使之無輸出，rs觸發(fā)器置“0”，對或非門無影響當(dāng)振蕩器輸出低電平時(shí)。rs觸發(fā)進(jìn)入保持狀態(tài)，即輸出“0”，t觸發(fā)器q輸出的“0”送至或非門u1，此時(shí)u1的四個(gè)輸入端均為0，故輸出的“1”使t1飽和導(dǎo)通，t1則截止，11腳輸出高電平，而u2則因t觸發(fā)器輸出的“1”而維持t2截止，t2飽和，14腳無輸出。振蕩器輸出的鋸齒波送至a1同相端與9腳電壓比較，當(dāng)高于此電壓時(shí)，a1輸出“1”，使發(fā)器置“1”，該輸出信號(hào)又使u1輸出信號(hào)反相，t1截止而t1飽和則，11腳恢復(fù)無輸出。當(dāng)振蕩器輸出的下一個(gè)脈沖到來時(shí)。u2可以輸出，而u1則禁止輸出，rs觸發(fā)器置“0”，對u1、u2輸出無影響，當(dāng)?shù)碗娖降絹頃r(shí)，經(jīng)u2

48、控制，t2飽和、t1截止，14腳輸出高電平同樣當(dāng)鋸齒波的高度高于9腳電壓a1又輸出高電平，使rs觸發(fā)器置“1”，又使14腳輸出低電平，由此可知，在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，u1、u2只允許一個(gè)有輸出，另一個(gè)則被鎖定，即11、14腳在一個(gè)周期內(nèi)只有一個(gè)可以輸出高電平，完成鎖定功能，同時(shí)可知11、14腳輸出高電平時(shí)間取決于振蕩器輸出方波脈沖的下降沿到來時(shí)間，而輸出低電平時(shí)間則取決于9腳電壓。5.2.2 自激振蕩電路sg3525的自激振蕩電路圖（5-2）sg3525的自激振蕩電路如圖（5-2）。5腳接一定時(shí)電容，6腳接一定時(shí)電阻，7腳與5腳間接一定時(shí)電阻構(gòu)成振蕩電路，其中6腳上的電阻決定5腳上電容的充電時(shí)間，

49、7腳上的電阻決定5腳電容的放電時(shí)間，即5腳上的電阻決定鋸齒波的上升時(shí)間，7腳上的電阻決定鋸齒波的下降時(shí)間。振蕩器輸出的方波脈沖對應(yīng)于鋸齒波的下降時(shí)間，7腳上的電阻同時(shí)決定該方波的寬度，振蕩頻率公式如公式（5-1）： 公式（5-1）振蕩器輸出的鋸齒波送至pwm比較器a1，而輸出的方波一方面送到pwm鎖存器，另一個(gè)方面有4腳輸出作為其他芯片的同步信號(hào)，另外振蕩器可由3腳送來的脈沖信號(hào)控制，便于多個(gè)芯片同步使用。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，取ct=0.01uf，rt=2.9k，rd=100則由公式（5-1）得： =45k5.2.3 脈沖寬度調(diào)節(jié)由于11腳14腳輸出低電平時(shí)間取決于9腳電壓，而9腳電壓又取決于誤差放

50、大器輸出電壓，故人為改變sg3525 1腳或2腳電位，即可改變9腳電壓，9腳電壓變低時(shí)，a1提前輸出“1”，使11腳或14腳輸出脈沖寬度變窄，而9腳電壓上升時(shí)則與上相反，完成對輸出脈寬的控制由圖可知，1腳電位與輸出脈沖寬度成反比，而2腳電位則與輸出脈沖寬度成正比在開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)中，反饋電壓可加于1腳或2腳。本人使用2腳加一可調(diào)電阻調(diào)占空比。5.3 sg3525的特點(diǎn)sg3525脈寬調(diào)制型控制器是美國通用電氣公司的產(chǎn)品。它的主要特點(diǎn)是：1、 輸出級采用推挽輸出，雙通道輸出。2、 占空比0-50%可調(diào)。3、每一通道的驅(qū)動(dòng)電流最大值可達(dá)200ma，灌拉電流峰值可達(dá)500ma?？芍苯域?qū)動(dòng)功率mos管

51、。4、工作頻率高達(dá)400khz。5、具有欠壓鎖定、過壓保護(hù)和軟啟動(dòng)等功能。6、可正常工作的溫度范圍是0-700。7、基準(zhǔn)電壓為5.1 v士1%。8、工作電壓范圍很寬，為8v到35v。5.4 芯片管腳及其功能介紹sg3525采用16端雙列直插dip封裝，封裝如圖（5-3）引腳圖及各端子功能介紹如下：sg3525封裝圖（5-3）1、inv.input(反相輸入端1)：誤差放大器的反相輸入端，該誤差放大器的增益標(biāo)稱值為80db，大小由反饋或輸出負(fù)載來決定，輸出負(fù)載可以是純電阻，也可以是電阻性元件和電容元件組合。該誤差放大器共模輸入電壓范圍1. 5v-5. 2v。此端通常接到與電源輸出電壓相連接的電阻

52、分壓器上。負(fù)反饋控制時(shí)，將電源輸出電壓分壓后與基準(zhǔn)電壓相比較。2、ni.nput（同相輸入端2)：此端通常接到基準(zhǔn)電壓16腳的分壓電阻上，取得2. 5v的基準(zhǔn)比較電壓與inv. input端的取樣電壓相比較。3、 sync(同步端3)：為外同步用。需要多個(gè)芯片同步工作時(shí)，每個(gè)芯片有各自的震蕩頻率，可以分別他們的4腳和3腳相連，這時(shí)所有芯片的工作頻率以最快的芯片工作頻率同步。也可以使單個(gè)芯片以外部時(shí)鐘頻率工作。   4、osc.output(同步輸出端4)：同步脈沖輸出。作為多個(gè)芯片同步工作時(shí)使用。但幾個(gè)芯片的工作頻率不能相差太大，同步脈沖頻率應(yīng)比震蕩頻率低一些。如不需多個(gè)芯片同步工作時(shí)，3腳和4腳懸空。4腳輸出頻率為輸出脈沖頻率的2倍。輸出鋸齒波電壓范圍為0. 6v到3. 5v。5、 cr(震蕩電容端5)：震蕩電容接至5腳，另一端直接接至地端。其取值范圍為0.001u f到0. 1 u f。正常工作時(shí)，在cr兩端可以得到一個(gè)從0.6v到3. 5v變化的鋸齒波。6、(震蕩電阻端6)：震蕩電阻一端接至6腳，另一端直接接至地端。 的阻值決定了內(nèi)部恒流值對cr充電。其取值范圍為2k歐到150k歐 和cr越大充電時(shí)間越長，反之則充電時(shí)間短。7、 dischatge rd(放電端7