1、直流开关稳压电源设计直流开关稳压电源设计 摘要 开关电源由于具有效率高、体积小、重量轻的特点,近年来获得了飞速发展。开关电源高频化是其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化、轻便化。本文主要以半桥变换电路为开关电源的主电路,设计一台品质优良的直流开关稳压电源。 主变压器的设计对开关稳压电源的工作影响很大,要求设计的变压器有较高的效率和较少的漏感。半桥变换电路中变压器的利用率高,本文对变压器进行了精心设计,对变压器漏抗进行了计算。 关于滤波电路的设计方法,各种不同的资料上均有介绍,本文采用付氏分析的方法,具有很
2、强的实用性。这种方法设计出的滤波电路效果良好。 本文对IGBT的特性及使用中应主意的问题做了概述,对三相全波整流电路中出现故障的现象进行了描述。 关键词: 直流开关稳压电源 半桥变换电路 ABSTRACT The switch power supply because of having the light characteristics of small weight of efficient and high physical volume to acquired to fly to develop soon in recent years. It is the direction hig
3、h frequency that it develop that high frequency of the switch power supply turn to make the switch power supply small scaled to turn and make the switch power supply enter more extensively applied realm, especially in the high new technique realm of applied pushed the high new technique product smal
4、l scaled to turn easy and convenient turn. The thesis mainly with the semi-bridge alternating circuit for the switch power supply of main electric circuit design one direct current switch of the set good quality steady press the power supply. Whether the switching stabilized voltage power supply wor
5、ks better or not mainly depends on the designing of the major transformer. It requires the transformer with higher efficiency andLower inductive leakage. The thesis designs the transformer carefully and calculates the leak resistance of the transformer. There are several different introductions in d
6、ifferent articles on the designing method of the filter circuit. It has strong applicability. The designing result using this method usually is satisfactory. The thesis recounts the feature of the IGBT and the issues that should be considered as IGBT used. It distinguishes and discusses all kinds of
7、 fault phenomena in the there-phase full wave rectifying circuit. Keywords: switching regulated DC power supply semi-bridge alternating circuit 1 绪论 11.2 开关电源的发展史21.3 本设计的技术指标 41.4 开关电源中的电力电子电路 4 1.4.1 非隔离型电路5 1.4.2 隔离型电路52 开关电源电路的设计102.1 输入整流电路的设计102.2 输入滤波电路的设计及计算112.3 半桥变换电路的设计及计算13 2.3.1 开关器件的设计
8、及计算 14 2.3.2 主电路中R1C1、R2C2的设计及计算16 2.3.3 主电路中储能电容C3, C4的设计 16 2.3.4 主电路变压器的设计 17 2.3.5 主电路中整流二极管V5、V6的设计22 2.3.6 主电路中吸收电路R5C5、R6C6的设计 22 2.3.7 输出滤波电路的设计及计算 252.4 开关电源控制电路的设计27 2.4.1 电压型控制技术 27 2.4.2 电流型控制技术 28 2.4.3 PWM集成控制器的基本原理29 2.4.4 PWM集成控制器SG1525原理和应用302.5 保护电路的设计35 2.5.1 过流保护 35 2.5.2 过电压保护 3
9、5 2.5.3 欠电压保护 363 辅助电路设计373.1 CW317系列正压集成稳压器374 损失的计算 394.1 输出回路的损失计算39 4.1.1 二极管V5、V6损失的计算39 4.1.2 吸收电路R5C5、R6C6的设计40 4.1.3 输出回路的滤波电感及线路的损耗 414.2 变压器T1的损耗 41 4.2.1 变压器铁损的计算 41 4.2.2 变压器铜耗的计算 424.3 IGBT的损耗43 4.3.1 IGBT的损耗计算 43 4.3.2 IGBT吸收电路R1C1、R2C2的损耗计算44 4.3.3 续流二极管V3、V4的损失计算454.4 三相桥式整流电路的损失计算 4
10、54.5 效率的计算 465 结束语 47致谢 48参考文献 491绪论 电源,即提供电能的设备,主要分三类:一次电源(将其它能量转换为电能),二次电源和蓄电池。其中,二次电源指的是把输入电源(由电网供电)转换为电压、电流、频率、波形及在稳定性、可靠性(含电磁兼容,绝缘散热,不间断电源,智能控制)等方面符合要求的电能供给负载。电子设备都离不开可靠的电源。开关电源由于具有效率高、体积小、重量轻的特点,近年来获得了飞速发展。开关电源高频化是其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用
11、在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。 1.1 开关电源 开关电源是指电路中的电力电子器件工作在开关状态的稳压电源。如图1-1所示。开关电源的电路结构比较复杂,但是和线性电源相比有如下几个突出的优点: 图1-1 开关电源原理图 1功耗小,效率高。图1-1中,功率晶体管V在激励信号的激励下,交替工作在饱和导通与截止的开关状态,转换速度很快,频率一般在几十到几百kHz。这就使得功率晶体管的损耗较小,电源的效率可以大幅度地提高,其效率可以达到80%以上。 2体积小,重量轻。由于没有采用笨重的工频变压器,并且在功率晶体管上的耗散功率大幅降低后,又省去了较大的散热片,因此开关稳压电源的体积
12、和重量都可以得到减小。 3稳压范围宽。开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比或者激励信号的频率来调节的,输入电压的变化也可以通过变频或调宽来进行补偿。在工频电网电压有较大变化或负载有较大变化时,它仍能保证有较稳定的输出电压,所以稳压范围宽、稳压效果好。 4滤波的效率大为提高,使滤波电容的容量和体积大为减小。例如,若开关稳压电源的工作频率为50kHz,是线性稳压电源频率的1000倍,那么滤波电容的容量可以相应的缩小1000倍,这使滤波电路中元件的体积和重量得以减小很多,同时电源的成本也得到降低。1.2 开关电源的发展史 开关电源的前身是线性电源稳压电源。在开关电源出现以前,各种电子装置、电气
13、控制设备的工作电源都是采用线性电源提供的直流稳压电源。 传统的线性电源调整器件工作在线性区,元件损耗大,电源效率低,对于一定的输出功率体积和重量可观,无法满足社会发展的要求。60年代末,高反压的晶体管出现了,从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入,不再需要笨重的工频变压器降压了。在此基础上,诞生了无工频变压器的开关稳压电源。 新型电力电子器件的发展给开关电源的发展提供了物质条件。20世纪60年代末,垂直导电的高耐压、大电流的双极刑电力晶体管的出现,使得采用高工作频率的开关电源的以问世,那时确定的开关电源的基本结构一直沿用至今。 开关频率的提高有助于开关电源的体积减小、重量减轻。早期的
14、开关电源的开关频率仅为数千赫,随着开关器件以及磁性材料性能的不断改进,开关频率也逐步提高。但当频率高达10KHZ左右时,变压器、电感等磁性元件发出的噪声就变得很刺耳。为了减小噪声,并进一步减小体积,在20世纪70年代,开关频率终于突破了人耳听觉极限的20KHZ。这一变化甚至被称为“20KHZ”。后来随着电力MOSFET的应用,开关电源的开关频率进一步提高,使得电源体积更小,重量更轻,功率密度更进一步提高。 由于和线性稳压电源相比,开关电源在绝大多数性能上都具有很大的优势。因此,目前除了对直流输出电压的波纹要求极高的场合以外,开关电源已经全面取代了线性电源。计算机、电视机、各种电子仪器的电源几乎
15、都是开关电源的一统天下。 作为电子装置的供电电源,线性稳压电源主要用于小功率范围。因此,在20世纪80年代以前,作为线性稳压电源的更新换代产品,开关电源也主要用于小功率场合。那时,大中功率直流电源仍以晶闸管相控整流电源为主。但是,20世纪80年代起,由于IGBT的出现,打破了这一格局。 IGBT可以看成是MOSFET和GTR复合而成的器件。和GTR相同,它们都主要用于中等功率场合。但是和GTR相比,IGBT工作频率更高,且属于电压驱动型器件,易于驱动,具有突出的优点而没有明显的缺点。因此,IGBT迅速取代了GTR,而成为中等功率范围的主流器件,并且不断向大功率方向拓展其生存空间。 IGBT的出
16、现,使得开关电源的容量不断增大,在许多中等容量范围内,迅速取代了相控电源。在通信领域,早期的48V基础电源几乎都是采用晶闸管相控电源,现在也逐步被开关电源所取代。电力系统的操作用直流电源,以前也是采用晶闸管相控电源,目前开关电源已经成为主流电源。此外,电焊机,电镀装置等传统的晶闸管相控电源的应用范围,也逐步被开关电源所蚕食。 另外,开关频率的提高也使得电源的开关损耗和电磁干扰问题变得突出起来,为了解决这一问题,20世纪80年代,出现了采用准谐振技术和零电压开关电路和零电流开关电路,这种技术被称为软开关技术。应用软开关技术使得开关电源进一步向体积小、重量轻、效率高、功率密度大的方向发展。 以上是
17、开关电源的发展史,开关电源的发展过程清楚的表明了:社会需求是技术发展的原动力。目前,开关电源最主要的市场还是小功率领域,但在中等功率以至较大功率领域,开关电源的优势已十分明显,并以为市场所接受。1.3 本设计的技术指标 本文主要设计一台直流3KW、28V可供机场地面使用的开关电源,其技术指标如下: 输入电压:机场供电三相四线制 相电压115V 线电压200V 输入电压的变化范围115V5% 输入电压频率 400Hz5% 输出电压:28V DC 变化范围:282V,输出电压中所含纹波电压峰值小于0.5V负载额定电流:100A效率:?80%1.4 开关电源中的电力电子电路 开关电源中的电力电子电路
18、,也就是常说的主电路,是开关电源的核心电路。根据电路是否具备电能回馈能力,输出端与的输入端是否电气隔离以及电路结构形式等三个原则,可以将开关电源中的电力电子电路按图1-2分类: 各种不同的电路有各自不同的特点和应用场合。总得来说,非回馈型电路比回馈型电路结构简单,成本低,而绝大多数应用场合不需要开关电源具备回馈能力,因此,非回馈型电路应用远比回馈型电路广泛。非隔离型电路比隔离型电路结构简单,成本低,但大多数应用需要开关电源的输入输出隔离,或需要多组相互隔离的输出,所以,隔离型电路应用广泛。 所以在以下介绍主电路结构中将重点分析非回馈隔离型。 图1-2 开关电源中电力电子电路的分类1.4.1 非
19、隔离型电路 输入为直流电压,晶体管工作在开关状态,经脉宽调制再滤波,在输出端得到一个稳定的直流电压,输入输出不隔离,这种电路通常被称为斩波电路Chopper Circuit。如果以开关工作时输入和输出不需要隔离而言,或者按照开关、电感、负载在电路中的相对位置,开关稳压电源的基本组态有四种:1 Buck型变换电路;2 Boost型变换电路;3Buck-Boos型变换电路;4 CUK型变换电路。1.4.2 隔离型电路 升压和降压变换器,它们可以完成直流电压的变换。但是,它们实际上存在着功能上的局限性,例如,输入输出不隔离,输入输出电压比或电流比不能过大以及无法实现多路输出等。这种局限性只能用另外一
20、种开关变换器的?变压隔离器来克服。理想变压隔离器的特征理想变压隔离器的特征如下:1从输入到输出能通过所有信号的频率,即从理想的直流到不理想的直流都能变换。 2变换时可以不考虑能量损耗; 3变换中能提供任何选定的电压电流变比; 4能使输入和输出之间完全隔离;5变换时,无论从原边到副边,或从副边到原边,都是一样方便有效; 显然,像这种完美的变压器,实际上是不存在的。然而,许多和这种理想变压器特性像近似的电路确是存在的。最常见的是用在开关变换器中的变压隔离器即开关变压器。变压隔离器的连接方式: 在开关电源的电路中,变压隔离器的连接方式有各种各样,但其基本类型实际上只有5种,即单端正激式、单端反激式、
21、推挽式、半桥式和全桥式变换器。单端正激式变换电路: 下图所示为单端正激型变换电路,当功率晶体管T导通时,整流二极管D1也同时导通。输入电能通过整流二极管D1传递给负载,同时将部分能量储存在输出回路中的储能电感L中,故这种电路称为单端正激式电路。当功率晶体管T截止时,电感L中的储能流经负载并通过二极管D2续流释放。 图1-3 单端正激式变压隔离电路 2、单端反激式变换电路 下面分析一下隔离式单端反激式变换器电路,其电路结构如图1-4所示. 图1-4 单端反激式变压隔离电路原理图 电路工作过程如下:当开关S导通时,它在变压器初级电感线圈中储存能量,与变压器次级相连的二级管VD处于反偏压状态,所以二
22、极管VD截止。在变压器次级无电流流过,即没有能量传递给负载。当S截止时,变压器次级电感线圈中的电压极性反过来,使VD导通,给输出电容C充电,同时负载RL上也有了电流I流入。3、推挽式变换电路: 如图1-5,当两个单端变换电路并联时即构成该电路。开关S1和S2交替导通,在绕组和两端分别形成相位相反的交流电压。S1导通时,二极管VD1处于通态,S2导通时,二极管VD2处于通态,当两个开关都断开时,二极管VD1和VD2都处于通态,各分担电感电流的一半。S1或S2导通时,电感L的电流逐渐上升;两个开关都关断时,电感电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍的输入电压。 图 1-5推挽式变压隔
23、离电路4、半桥变换电路: 如图1-6,在半桥型电路中,变压器一次侧两端分别连接在电容C1、C2的连接点和开关S1和S2的连接点。电容的电压分别为。S1与S2交替导通,使变压器一次侧形成幅值为的交流电压。改变开关的占空比,就可以改变整流电压的平均值,也就改变了输出电压。S1和S2断态时承受的峰值电压均为。 图1-6 半桥变压隔离电路5、全桥变换电路: 图1-7所示为全桥电路,全桥型电路中的逆变电路由4个开关组成,互为对角的两个开关同时导通,而同一侧半桥上下两个开关交替导通,将直流电压逆变成幅值为的交流电压,加在变压器一次侧。改变开关的占空比,就可以改变整流电压的平均值,也就改变了输出电压。每个开
24、关断态时承受的峰值电压均为。 图 1-7 全桥电路原理图 选择功率变换电路的形式主要应考虑输入电压的数值、变换功率。如果输入电压较高则不宜选择单端电路和推挽电路,因为这种电路会造成开关管反向电压成倍增加,本来输入电压就己很高,成倍增加后,开关管的反向电压就会更高;如果变换电路的输出功率大,就要选择全桥电路:如果输出电压要求精度较高,就应该选择推挽或全桥变换电路。因为这两种变换电路属于全控电路,对电路整个运行过程进行控制,不像其他变换电路那样,只对电路运行的部分时间进行控制而对另一部分时间不控制。 经过以上分析比较再结合本设计的具体要求,选择半桥变换电路为开关电源的主电路。 2 开关电源电路的设
25、计2.1 输入整流电路的设计该电源的供电体制为机场供电三相四线制,相电压115V,线电压200V,为了得到较为平直的直流电压,为了使整流后的电压中的谐波电压易于滤除,整流电源的主电路采用三相桥式整流电路。电路图见图2-1。图2-1 输入整流滤波电路 图2-1中UA,UB,UC为三相相电压,UAB,UBC,UCA为三相线电压。L1与C1C4组成形滤波电路,主要滤除400Hz62400Hz的纹波电压。L2与C5,C6组成滤波电路,其作用主要是消除对半桥变换电路输入端的影响。 三相桥式整流电路的六只二极管为普通整流二极管,最高反向电压为:200282V,如果该电源的输出功率3KW计,(28V1OOA
26、2.8KW,效率按75%计,则输入功率为4KW。每相输入功率为4KW/3l.3KW,每相电流等于线电流为1.3KW/115V11.3A,因此V1V6,整流二极管可选用2CZ40整流二极管。2CZ40的具体参数如下:反向电压UR=400V ,通态平均电流为IF40A,通态平均压降O.55V。 三相桥式整流电路输出电压Ud的计算 式中m:整流相数,m6 :输入三相线电压数值, 2.2 输入滤波电路的设计及计算 形滤波电路的设计 图2-1中,L1与C1C4组成形滤波电路,形滤波电路的作用是滤除线电压UAB,UBC,UCA经三相桥式整流后的输出电压UD的纹波电压,在图2-1中三相电流电路中三相线电压U
27、AB,UBC,UCA和同阳极组整流器V1,V2、V3组成的整流电路,为正电压输出整流电路,输出电压的波形为图3上包线电压,同理UAB,UBC,UCA和同阴极组V4, V5, V6组成的整流电路,为负电压输出整流电路,UA-UBUAB 式中UAM为相电压UA的峰值,UAB的最大值出现在t300处,UAB超前UA300,UAB的最大值也是Ud的最大值,Ud电压脉动部分的最小值出现在t600处数值为UAB3/2UAM,这样Ud的脉动部分的幅值为(-3/2)UM,电压Ud中的脉动部分,因此Ud两个分量组成,直流分量为3/2UAM脉动分量:脉动分量幅值为(-3/2)UM,脉动分量的频率为2400Hz。
28、对脉动分量进行付氏分析: (2-1) 由(2-1)式可以看出付氏分析的结果电压U中只有偶次谐波,二次谐波电压幅值 四次谐波的幅值四次以上的谐波略去不计式中UAM为相电压幅值UAM163V,则: U2m0.0985UAM1.6V U4m0.0179UAM3.12V设Ud总谐波电压的幅值为,Um16.42V,滤波电路的输出纹波电压按16.42计。 滤波电路设计的依据是,总谐波电压Ud经滤波电路后衰减100倍。二次谐波的频率为2400Hz24800Hz。 设C2C3C4500F 则 则: L1的设计: L1所选用的铁心为XE型,形状见图2-2。具体尺寸如下:020 120 80 H70 h50 B20。设L1的空气间隙=1mm,L1的匝数计算如下: 式中:N为L1的匝数 0空气磁导率,0410-7H/m S:磁路面积m2, S410-4m2 :空气间隙总长度m, 0.001m(2-2)将数值代入(2-2)式:匝校验磁路是否饱和:L1流过电流磁势磁阻(2-3)代入数值得:磁通 韦伯磁通密度B L1=0.22特斯拉而Bs1.5特斯拉,远未饱和。图2-2 L1所用铁芯 至此,输入整流滤波电路设计完毕。有几点说明如下:设计计算时未考虑C1的影响,如果考虑C1的影响,设计计算将变的很复杂L2是高频电感,铁芯用铁氧体。C5可选样和C6同样的滤波电容,C6为瓷介质电容器2000V,6800P。
