电力电子课程设计

直流开关电源的设计

一、设计目的

1、把从电力电子技术及其它先修课程（电工基础、电子技

术、电机学等）中所学到的理论和实践知识，在课程设计实践中全面综合的加以运用，使这些知识得到巩固、提高，并使理论知识与实践技能密切结合起来。

2、初步树立起正确的设计思想，掌握一般电力电子电路设计的基本方法和技能，培养观察、分析和解决问题及独立设计的能力，训练设计构思和创新能力。

3、培养具有查阅参考文献和技术资料的能力，能熟悉或较熟悉地应用相关手册、图表、国家标准，为今后成为一名合格的电气工程技术人员进行必须的基本技能和基本素质训练。

二、设计任务

设计要求：

1、设计主电路，建议主电路为：整流部分是桥式二极管整流，大电容滤波，DC/DC部分采用半桥变换器，主功率管用MOSFET；

2、选择主电路所有图列元件，并给出清单； 3、设计MOSFET驱动电路及控制电路；

4、绘制装置总体电路原理图，绘制：①单相桥式整流电路各点电压波形；②MOSFET驱动电压、全桥电路中各元件的电压、

电流以及输出电压波形（将①②波形分别汇总绘制，注意对应关系）；

5、编制设计说明书、设计小结。

三、主要技术参数；

技术参数：装置输入电源为单相工频交流电源（220V+20％），输出电压Vo=24V，输出电流Io=5A，最大输出纹波电压100mV，工作频率f=100kHz。 1、确定变比K KVi/2DVOVLFVD D0.85

Vo是输出电压，VD是输出整流二极管的通态压降，VLf是输出滤波电感上的直流压降 。VLf= 2、滤波电感的计算

经验算法一般选择输出滤波电感电流的脉动为最大输出电

流的20%，这样本模块电源的输出滤波电感电流的脉动可选为Io *20%，也就是当输出电流在IOmin= Io *10%时应保证输出滤波电感电流连续，输出滤波电感可按下式计算： LfVoVo[1]

2(2fs)IominVi/2KVLFVD3、滤波电容的计算

由下式确定输出滤波电容的大小： CfVoVo[1]28Lf(2fs)VVi/2KVLFVD

ΔV为输出电压的最大纹波值

四、设计内容

1、开关电源的基本原理

开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比调整输出电压，开关电源的基本构成如图1-1所示，DC-DC变换器是进行功率变换的器件，是开关电源的核心部件，此外还有启动电路、过流与过压保护电路、噪声滤波器等组成部分。反馈回路检测其输出电压，并与基准电压比较，其误差通过误差放大器进行放大，控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间，从而调整输出电压。其结构图如图1-1所示。

V1 V0 DC/DC变换器

驱动器 PWM 比较 放大 取样 参考 电压 图1-1 开关电源结构图

2、整流电路的设计

整流是将交流电变成脉动直流电的过程。电源变压器输出的交流电经整流电路得到一个大小变化但方向不变的脉动直流电。整流电路是由具有单向导电性的元件例如二极管、晶间管等整流元件组成的。 整流电路的选择

单相整流电路有两种：电容输入型电路和扼流圈输入型电路 两种基本电路的比较如下：(1)开关电源多采用脉宽调制方式，空载时开关晶体管的导通时间非常短。其导通时间随开关电

源的设计方法不同而异，也有采用控制开关晶体管电路的延时进行的间歇开关工作，这时，若采用扼流圈输入型整流电路，接近空载时，扼流固变为临界值，逆流电路由扼梳阂输入型变为业为电容输入型。为此，从满载到空载变动时，整流输出电压变动较大，空载时有可能进入间歇开关领域。(2)开关电源的特点是效率高而体积小，若使用扼流圈时，为提高负载调整率需要接入扼流圈以及阻尼电阻。(3) 扼流圈可能与次级侧滤波回路产生谐振。

因此，开关电源的输入整流电路采用电容输入型。

2.1.1单相半波整流电路

单相半波整流电路是最简单的整流电路如图2-1(a)所示，仅利用一个二极管来实现整流功能,其波形如图2-1（b）所示。

单相半波整流电路的输出电压平均值为：（U2为变压器副边输出电压的有效值） U0

图2-1（a） 单相半波整流电路

图2-1（b） 单相半波整流电路波形

1202Usint(t)2U0.45U2

2.1.2单相桥式整流电路

单相半波整流电路的缺点是只利用了电源的半个周期，输出电流较小，同时整流电压的脉动较大。全波整流电路可以克服这些缺点，其中最常用的是单相桥式整流电路，它是由四个二极管接成电桥的形式构成的。可以看到，四个二极管分为两组，正负半周轮流导通，但负载上电流方向不变，此即为全波整流。单相半波整流电路如图2-2（a）所示，其波形如图2-2（b）所示。

图2-2（a） 单相桥式整流电路

图2-2（b） 单相桥式整流电路波形

单相桥式整流电压的平均值为：U00.9U2（U2为变压器副边输出电压的有效值）,比半波整流输出电压高。因此，整流电路选用单相桥式整流电路。 参数计算以及元器件的选型

输出功率

P05V24A120W

如果考虑变压器的效率80%，则整流电路的输出功率应为：

P0P/80%150W

'则可以设定整流电路输入电压U1220V，输出电压100V、电流1.5A。

2.3.1整流管参数计算

变压器副边输出电压的有效值，则

UD0.9220V198VPID00.76A

UD'

二极管的最大反向电压：

URM2220V311.2V

二极管平均电流：

IdvD11ID0.76A0.38A 22二极管的电流有效值：

IvDID0.760.54A 22在考虑安全裕量的情况下，二极管的额定电压：

UN(2~3)URM622.3~933.4V

二极管的额定电流：

IN(1.5~2)IVD0.52~0.69A 1.57选用1N4004/A整流二极管，最高反向工作电压为400V,额定工作电流为1.0A，正向压降为1V。

2.3.2 滤波电容参数计算

整流电路负载RL=U0/I0=198V/0.76A=260 在工程中，一般取

1TRLC55500.05S

22由于

RL260

则C/R0.05/260192F

选用C200F、耐压为200V的极性电解电容。

3、DC/DC

变换器的设计

DC/DC变换器进行功率变换，是采用功率半导体器件作为开

关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压，将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波，它是开关电源的核心部分，开关电源DC/DC变换器有多种电路方式，常有的有工作波形为方波的脉宽调制（PWM）变换器以及工作波形为正弦波的谐振变换器。基本工作原理如图3-1所示。

图3-1 DC/DC变换器的基本原理图

功率转换电路的选择

PWM型稳压电源功率转换电路有全桥、半桥等。

3.2.2 全桥式功率转换电路

工作原理是：当一组开关晶体管（例如VT1、VT4）)寻通时，

截止晶体管(VT2、VT3)上加的电压即为输入电压VI。当所有的晶体管截止时，同臂上的两只开关晶体管共同承受输入电压即VI/2。由高频变压器漏感引起的电压尖峰，当其超过输入电压时，反向并接在开关晶体管的集射之间的告诉续流二极管便导通，集电极电压被钳位在输入电压上。

全桥式功率转换电路如图3-2所示。它的缺点是：使用4只开关晶体管，需要4组彼此隔离的基极驱动电路，电路复杂，元器件多。

3.2.3 半桥式功率转换电路

工作原理是：当一对开关晶体管管截止时，若电容C01和C02

的容量相等而且电路对称，则电容中点A的电压为输入电压的—半，即为VC01=VC02=VI/2。当VT1被激励导通时，电容C01将通过VT1，和变压器T1的初级绕组N1放电，同时，电容C02则通过输入电源、VT1和VI的初级绕组Nl充电、中点A的电位在充放电过程中将按指数规律下降。在VTl导通终了时，VA将下降至VI/2—VI；接着是一对晶体管都截止的期间，此时，VCE1=VC01，VCE2=VC02都接近输入电源电压的一半；当VT2激励导通时，电容C01将被充电，电容C02将放电，中点A电位在VT2导通终了时将增至VI/2+VI，即中点A的电位在开关过程中将在VI/2的电位上以±VI的幅度作指数变化。

当一个晶体管导通时，截止晶体管上加的电压约为等于输入电压，晶体管由导通转为截止的过程中，漏感引起的尖峰电压被

二极管钳位，因此，开关管上承受的最高电压不超过电源电压。而且，晶体管的数量只是全桥式的一半，这是其优点。但要得全桥和推挽式电路相同的输出功率，开关晶体管必须流经两倍的电流，因此，一般适宜获得中等功率输出。

半桥式功率转换电路具有抗不平衡能力。为此，获得其广泛应用。本次课程设计也选用半桥式功率转换电路。

参数计算以及元器件的选型

3.2.1整流输出二极管参数计算

U2U02426.67A 0.90.9二极管的最大反向电压： URM二极管平均电流： IdVD1I02.5A 222U22226.67V75.43V

二极管的电流有效值： IVDID3.54A 2二极管的额定电压： UN(2~3)URM150.86~226.29V

二极管的额定电流： IN(1.5~2)IVD3.38~4.51A 1.57选用6A1的二极管，,额定工作电流为6A，正向压降为。

3.2.2确定变比K

KVi/2DVOVLFVD D0.85

Vo是输出电压，VD是输出整流二极管的通态压降，VLf是输出滤波电感上的直流压降 。VLf=

代入数据得：

KVi/2D198/20.853.3

VOVLFVD240.50.953.2.3滤波电感的计算

经验算法一般选择输出滤波电感电流的脉动为最大输出电流的20%，这样本模块电源的输出滤波电感电流的脉动可选为Io *20%= 1 A，也就是当输出电流在IOmin= Io *10%= 0.5 A时应保证输出滤波电感电流连续，输出滤波电感可按下式计算：

Lf代入数据得：

LfVoVo[1]2(2fs)IominVi/2KVLFVDVoVo[1]

2(2fs)IominVi/2KVLFVD 2424[1]

2(2100103)0.5198/23.30.50.9519.2uH3.2.4滤波电容的计算

规定输出电压的最大纹波值为ΔV= 100 mV，则可由下式确定输出滤波电容的大小：

Cf 代入数据得：

CfVoVo[1]8Lf(2fs)2VVi/2KVLFVD

VoVo[1]28Lf(2fs)VVi/2KVLFVD 2424[1] 552381.9210(210)10010198/23.30.50.956.25uF3.2.5开关管的选择

开关电源的开关管有功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOS FET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。

绝缘栅双极晶体管（IGBT）集功率晶体管（GTR）和功率场效应晶体管（MOS FET）的优点于一身，既有功率晶体管（GTR）的输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单等优点，又具有功率场效应晶体管（MOS FET）的通态电压低、耐压高和承受电流大等优点。因此，选用绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为开关元件。

4、驱动电路的设计

功率MOSFET驱动特点与类型

4.1.1栅极驱动的特点

功率场效应晶体管(Power MOSFET)，是一种多子导电的单极型电压控制器件，具有开关速度快，高频性能好，输入阻抗高，驱动功率小，热稳定性优良，无二次击穿问题，安全工作区宽和跨导线、性度高等显著特点，在线性放大技术领域及各类巾小功率开关电路中得到极为广泛的应用。

功率MOSFET的栅极输入端相当于一个容性网络，因而功率 MOSFET导通后即不再需要驱动电流。理想栅极驱动电路的等效电

路如图4一l所示。图中Sl为等效开通开关．SI闭合后接通充电回路。S2为等效关断开关，S2控制输入电容C。的放电过程。Sj和S2在任意时刻总是处在一个闭合，另一个断开的相反状态。不管开通时电路的等效电阻R。和关断时的电路等效电阻凡Ir的大小，也不管充电速度如何，开通期间传输的能量及关断时的能量损耗．完全由器件输入电容Ci。和栅源间电压UGs的大小所决定，而与R。值和栅极电流的大小无关。

图4-1 理想栅极驱动电路的等效电路

功率MOSFET对栅极驱动电路的要求主要有：

(1)触发脉冲要有足够快的上升和下降速度，即脉冲前后沿要求陡峭；

(2)开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电荷提供低电阻放电回路，以提高功率MOSFET的开关速度；

(3)为了使功率MOSFET可靠触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压。为了防止误导通，在功率MOSFET截止时最好能提供负的栅源电压：功率MOSFET开关时所需要的驱动电流为栅极电容的充放电电流。功率MOSFET的极间电容越大，在开关驱动中所需的驱动电流也越大。为了使开关波形具有足够的上升和下降速度，驱动电流要有较大的数值。

4.1.2驱动电路的类型

栅极驱动电路有多种形式，以驱动电路与栅极的连接方式来

分则有：直接驱动和隔离驱动。直接驱动分为TTL和CMOS两种驱动方式，隔离驱动分为电磁隔离和光耦隔离两种。

SG3525--常规PWM控制器

4.2.1 引脚封装

SG3525引脚封装排列如图4-2所示。

图4-2 SG3525引脚排列图

4.2.2 引脚功能

各引脚功能如下：1、2引脚分别为互差放大器的反相输入端和同相输入端，3脚为同步输出端，4脚为振荡器输出，5、6脚分别接内部振荡器的时基电容和电阻，7脚接放电电阻，8脚为软启动，9脚为误差放大器的频率补偿端，lO脚为关断控制端，用于实现限流控制，11、14脚为输出端，l2脚为接地端，l3脚接输出管集电极电源，l5脚接SG3525的工作电源，l6脚为5．1v基准电压引出端。

4.2.3 SG3525工作波形图

控制及驱动电路的设计

采用SG3525的PWM控制器作为控制芯片，其外围电路如图

4-3所示。

图4-3 SG3525及外围电路

SG3525的11、14引脚输出两路互补的PWM波，后接放大电路、驱动MOSFET管，其电路图如图4-4所示。

图4-4 驱动电路

四、设计小结

为期两周的课程设计将要结束了。在这两周的学习中，我学到了很多，也找到了自己身上的不足。感受良多，获益匪浅。

这次的课程设计对于我来说有着深刻的意义。这种意义不

光是自己能够独立完成了设计任务，更重要的是在这段时间内使自己深刻感受到设计工作的那份艰难。而这份艰难不仅仅体现在设计内容与过程中为了精益求精所付出的艰辛，更重要的是背负恶劣的天气所付出的决心与毅力!

通过这次课程设计，使我懂得了理论与实际相结合

五、参考文献