半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書 題 目 學(xué) 院： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 董恒 職稱/學(xué)位 助教專 業(yè)： 自動化 班 級： 學(xué) 號： 完成時間： 2015.12.28 湖南工學(xué)院電力電子課程設(shè)計(jì)課題任務(wù)書學(xué)院： 電氣與信息工程學(xué)院 專業(yè)：電氣工程及其自動化專業(yè)自動化專業(yè) 指導(dǎo)教師董恒學(xué)生姓名課題名稱半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源，已知輸入電壓單相：170260V，輸入交流電頻率4565HZ，輸出直流電壓24V恒定，輸出直流電流10A，最大功率250W，穩(wěn)壓精度：小于直流輸出電壓整定值的1%。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、關(guān)于本課程學(xué)習(xí)情況簡述；2、主

2、電路的設(shè)計(jì)、原理分析和器件的選擇；3、控制電路的設(shè)計(jì)；4、保護(hù)電路的設(shè)計(jì)；5、利用MATLAB軟件對自己的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真。主要參考資料1 王兆安,王俊編.電力電子技術(shù)(第5版).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20122 黃俊,秦祖蔭編.電力電子自關(guān)斷器件及電路.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19913 李序葆,趙永健編.電力電子器件及其應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996教研室意見 教研室主任：（簽字）年 月 日3目錄1、總體設(shè)計(jì)方案51.1輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)51.2逆變電路設(shè)計(jì)61.3驅(qū)動電路設(shè)計(jì)71.4 整體電路設(shè)計(jì)81.5過流保護(hù)91.6過壓保護(hù)102、器件的選擇11 2.1輸入整流器件11 2.2輸出

3、整流器件11 2.3元件選擇11 2.4保護(hù)電路器件選擇133、MATLAB電路仿真14 3.1MATLAB簡介14 3.2仿真電路圖14致謝16參考文獻(xiàn)17摘要隨著開關(guān)電源在計(jì)算機(jī)、通信、航空航天、儀器儀表及家用電器等方面的廣泛應(yīng)用，人們對其需求量日益增長。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。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。這次介紹一種半橋電路的開關(guān)電源，是輸入為單相交流170260V，輸入頻率4565HZ，輸出直流電壓24v，輸出直流電流10A ，最

4、大功率250w。重點(diǎn)介紹該電源的構(gòu)思、理論、工作原理及特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：開關(guān)穩(wěn)壓電源；整流電路；半橋1、總體設(shè)計(jì)方案 開關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)器件，通過周期性間斷工作，控制開關(guān)器件的占空比來調(diào)整輸出電壓。整個課題的設(shè)計(jì)，分為三部分。1、主電路的設(shè)計(jì)，包括整流輸入濾波、半橋式逆變電路、輸出整流、輸出濾波。2、開關(guān)管的驅(qū)動電路。3、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、調(diào)占空比以及保護(hù)電路。半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案遵循開關(guān)電源的變換框圖。如1.1圖所示：半橋逆變電路輸入濾波電路輸出整流濾波輸入整流電路 圖1.1開關(guān)電源變換 先是由工頻交流經(jīng)橋式整流電路得到直流電流，

5、再由半橋開開關(guān)逆變得到高頻交流電，經(jīng)整流濾波后得到所需直流電。可供電子設(shè)備使用。然后，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成分的直流電，然后通過輸入濾波電容將脈動直流電變?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。1.1輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)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。這次研究的電源額定工作狀態(tài)的技術(shù)要求為:輸出電壓24V,輸出電流1

6、0A，輸出功率約240w，為了減小電源的輸入濾波電容等原因，用電源電路采用單相橋式整流。 對每個導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，相對于全控橋而言少了一個控制器件，用二極管代替，有利于降低損耗！如果不加續(xù)流二極管，當(dāng)突然增大至180°或出發(fā)脈沖丟失時，由于電感儲能不經(jīng)變壓器二次繞組釋放，只是消耗在負(fù)載電阻上，會發(fā)生一個晶閘管導(dǎo)通而兩個二極管輪流導(dǎo)通的情況，這使Ud成為正弦半波，即半周期Ud為正弦，另外半周期為Ud為零，其平均值保持穩(wěn)定，相當(dāng)于單相半波不可控整流電路時的波形，即為失控。所以必須加續(xù)流二極管，以免發(fā)生失控現(xiàn)象。電路簡圖如下：圖1 整流電路當(dāng)負(fù)載中電感很大，且電路已工作于穩(wěn)態(tài)。在U2正半周

7、，觸發(fā)角處給晶閘管D1加觸發(fā)脈沖，U2經(jīng)D1和D4向負(fù)載供電。U2過零變負(fù)時，因電感作用使電流連續(xù)，D1繼續(xù)導(dǎo)通。但因a點(diǎn)電位低于b點(diǎn)電位，使得電流從D4轉(zhuǎn)移至D2，D4關(guān)斷，電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由D1和D2續(xù)流。此階段,忽略器件的通態(tài)壓降，則Ud=0。1.2逆變電路設(shè)計(jì)半橋逆變電路原理如圖，它有兩個橋臂，每個橋臂由一個可控器件和一個反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個電容的連接點(diǎn)便成為直流電源的中點(diǎn)。負(fù)載連接在直流電源中點(diǎn)和兩個橋臂連接點(diǎn)之間。當(dāng)可控器件不具有門極可關(guān)斷能力的晶閘管時，必須附加強(qiáng)迫換流電路才能正常工作。半橋逆變電路的優(yōu)點(diǎn)是簡單，適用器件少

8、。缺點(diǎn)是輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud的二分之一，且直流側(cè)需要兩個電容串聯(lián)，工作時還要控制兩個電容器電壓的均衡。因此半橋電路常用于幾千瓦以下的小功率逆變電源。, 圖2 逆變電路圖開關(guān)器件V1和V2的柵極信號在一個周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏,且二者互補(bǔ)。當(dāng)負(fù)載為感性時，輸出電壓為矩形波。當(dāng)V1或V2為通態(tài)時，負(fù)載電流和電壓同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；而當(dāng)VD1或VD2為通態(tài)時，負(fù)載電流和電壓反向，負(fù)載電感中儲存的能量向直流側(cè)反饋，即負(fù)載電感將其吸收的無功能量返回直流側(cè)。反饋回的能量暫時儲存在直流側(cè)電容器中，直流側(cè)電容器起著緩沖這種無功能量的作用。VD1、VD2稱為反饋二極管，又叫續(xù)流二極管。

9、1.3驅(qū)動電路設(shè)計(jì)MOSFET的驅(qū)動可采用脈沖變壓器，它具有體積小，價格低的優(yōu)點(diǎn)，但直接驅(qū)動時，脈沖的前沿與后沿不夠陡，影響MOSFET的開關(guān)速度。在此，采用了IR2304芯片，1) 芯片體積小(DIP8)，集成度高(可同時驅(qū)動同一橋臂的上、下兩只開關(guān)器件)。 2)動態(tài)響應(yīng)快，通斷延遲時間220220 ns(典型值)、內(nèi)部死區(qū)時間1000ns、匹配延遲時間50ns。 3)驅(qū)動能力強(qiáng)，可驅(qū)動600v主電路系統(tǒng)，具有61 mA130mA輸出驅(qū)動能力，柵極驅(qū)動輸入電壓寬達(dá)1020V。 4)工作頻率高，可支持100 kHz或以下的高頻開關(guān)。 5)輸入輸出同相設(shè)計(jì)，提供高端和低端獨(dú)立控制驅(qū)動輸出，可通過

10、兩個兼容33v、5v和15v輸入邏輯的獨(dú)立CMOS或LSTFL輸入來控制，為設(shè)計(jì)帶來了很大的靈活性。 6)低功耗設(shè)計(jì)，堅(jiān)固耐用且防噪效能高。IR2304采用高壓集成電路技術(shù)，整合設(shè)計(jì)既降低成本和簡化電路，又降低設(shè)計(jì)風(fēng)險和節(jié)省電路板的空間，相比于其它分立式、脈沖變壓器及光耦解決方案，IR2304更能節(jié)省組件數(shù)量和空間，并提高可靠性。 7)具有電源欠壓保護(hù)和關(guān)斷邏輯，IR2304有兩個非倒相輸入及交叉?zhèn)鲗?dǎo)保護(hù)功能，整合了專為驅(qū)動電機(jī)的半橋MOSFET或IGBT電路而設(shè)的保護(hù)功能。當(dāng)電源電壓降至47v以下時，欠壓鎖定(UVL0)功能會立即關(guān)掉兩個輸出，以防止直通電流及器件故障。當(dāng)電源電壓大于5v時則

11、會釋放輸出(綜合滯后一般為0.3v)。過壓(HVIC)及防閉鎖CMOS技術(shù)使IR2304非常堅(jiān)固耐用。另外，IR2304還配備有大脈沖電流緩沖級，可將交叉?zhèn)鲗?dǎo)減至最低；同時采用具有下拉功能的施密特(Sohmill)觸發(fā)式輸入設(shè)計(jì)，可有效隔絕噪音，以防止器件意外開通。如下圖所示為IR2304的連線圖圖3驅(qū)動電路圖可以看出，IR2304具有連線簡單，外圍元器件少的優(yōu)點(diǎn)。其中VCC由主電路中OUT自供電，LIN和HIN分別接UC3825的兩個輸出端，VD要采用快恢復(fù)二極管，C1為濾電容，C2為自舉電容，最好采用性能好的鉭電容，R1和R2為限流電阻。1.4 整體電路設(shè)計(jì)為了提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，整流環(huán)節(jié)

12、不能采用二極管整流，采用了UC3854AB控制芯片組成功率因數(shù)校正電路。UC3854ABUnitrode公司一種新的高功率因數(shù)校正器集成控制電路芯片，是在UC3854基礎(chǔ)上的改進(jìn)，其特點(diǎn)是采用平均電流控制，功率因數(shù)接近1，高帶寬，限制電網(wǎng)電流失真3。圖2.6是由UC3854AB控制的有源功率因數(shù)校正電路。圖4整體電路圖該電路由兩部分組成。UC3854AB及外圍元器件構(gòu)成控制部分，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)側(cè)輸入電流和輸出電壓的控制。功率部分由L2，Cs，S等元器件構(gòu)成Boost升壓電路。開關(guān)管S選擇SKM75GBl23D模塊，其工作頻率選在35 kHz。升壓電感L2為2mH20A。C5采用兩個450V470F的

13、電解電容并聯(lián)。為了提高電路在功率較小時的效率，所設(shè)計(jì)的PFC電路在輕載時不進(jìn)行功率因數(shù)校正，當(dāng)負(fù)載較大時功率因數(shù)校正電路自動投入使用。此部分控制由圖1中的比較器部分來實(shí)現(xiàn)。R10及R11是負(fù)載檢測電阻。當(dāng)負(fù)載較輕時，R10及R11上檢測的信號輸入給比較器，使其輸出端為低電平，D5導(dǎo)通，給ENA(使能端)低電平使UC3854AB封鎖。在負(fù)載較大時ENA為高電平才讓UC3854AB工作。D6接到SS(軟啟動端)，在負(fù)載輕時D6導(dǎo)通，使SS為低電平；當(dāng)負(fù)載增大要求UC3854AB工作時，SS端電位從零緩慢升高，控制輸出脈沖占空比慢慢增大實(shí)現(xiàn)軟啟動。1.5過流保護(hù)當(dāng)電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時

14、，可能會發(fā)生過電流。當(dāng)器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低、缺相等，均可引起過流。由于電力電子器件的電流過載能力相對較差，必須對變換器進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^流保護(hù)。本文采用快速熔斷保險絲在輸入端進(jìn)行保護(hù)。1.6過壓保護(hù) 過壓護(hù)要根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的保護(hù)電路，當(dāng)達(dá)到定電壓值時，自動開通保護(hù)電路，使過壓通過保護(hù)電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關(guān)器件上，保護(hù)了電力電子器件。為了達(dá)到保護(hù)效果，可以使用阻容保護(hù)電路來實(shí)現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時，電容

15、兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，2、器件的選擇2.1輸入整流器件輸入為4565HZ交流電，電壓為170260V ,下面計(jì)算取電壓為170V。1. 二極管的耐壓: 整流二極管的峰值電壓可用公式計(jì)算如下。 U=170×1.414=240.38V 額定電壓： 2. 二極管的額定電流:因?yàn)殡娫吹妮斎牍β孰S效率變化，所以應(yīng)取電源效率最差時的值。在此，我們按一般開關(guān)電源的效率取值，取=0.8電源的輸入功率可用(31)公式計(jì)算: Pin =p/min (21) W (22) 流過每個二極管的有效值 (23

16、) 額定電流： 2.2輸出整流器件電感選擇100 H；電容選擇1000F /50V；二極管選擇；二極管的峰值電壓，u=24*=33.9v額定電壓 ： 額定電流 ： 2.3元件選擇1開關(guān)器件選擇。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，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(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)斷時門極負(fù)脈沖電流大，開關(guān)速度低，驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(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)動功率小且驅(qū)動電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿

17、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，驅(qū)動功率小開關(guān)速度低于電力MOSFET,電壓，電流容量不及GTO表1幾種功率器件的優(yōu)缺點(diǎn)比較表在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中用的功率器件種類有IGBT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。主要參數(shù)選擇，額定電流16A，額定電壓500V，通態(tài)電阻0.4歐姆。在功率半導(dǎo)體器件中，MOSFET以高速、低開關(guān)損耗、低驅(qū)動損耗在各種功率變換，特別是高頻功率變換中起著重要作用。在低壓領(lǐng)域，MOSFET沒有競爭

18、對手，但隨著MOS的耐壓提高，導(dǎo)通電阻隨之以2.4-2.6次方增長，其增長速度使MOSFET制造者和應(yīng)用者不得不以數(shù)十倍的幅度降低額定電流，以折中額定電流、導(dǎo)通電阻和成本之間的矛盾。即便如此，高壓MOSFET在額定結(jié)溫下的導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的導(dǎo)通壓降仍居高不下，耐壓500V以上的MOSFET的額定結(jié)溫、額定電流條件下的導(dǎo)通電壓很高，耐壓800V以上的導(dǎo)通電壓高得驚人，導(dǎo)通損耗占MOSFET總損耗的2/3-4/5，使應(yīng)用受到極大限制。 2.4保護(hù)電路器件選擇1.過壓保護(hù)電路由3.1.1節(jié)可知輸入電流為1.176A，即流過MOS管的電流為1.176A。查表可得保護(hù)電路的電容為：0.04 F 電阻為：50

19、0歐姆2.過流保護(hù) >=(1.21.5) （3-4）則=/2=0.70560.7644A1）變壓器變比 (35)設(shè)占空比為 0.5則0.5k=24/170*1.2 K=0.235即變壓器的變比為0.2352）變壓器容量 =UI=14*10w=240W3、MATLAB電路仿真3.1MATLAB簡介MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fort