全桥式开关电源的研究与设计.docx

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全桥式开关电源的研究与设计

研究生课程考试答题册

学号2009201370

姓名刘俊飞

考试科目现代电源变换技术

考时日期2010.1.8

西北工业大学研究生院

全桥式开关电源的研究与设计

摘要

电源是所有用电设备的心脏，用电设备的可靠工作离不开质量可靠的电源的支持。

可一般情况下，电网电能并不能直接用于用电设备，而是要经过转换才能符合使用的需要。

这就需要运用电力变换技术对电力进行变换，以获取满足使用要求的电能，其中将交流电变换成直流电是其中的一种。

将交流电变换成直流电的技术叫做整流。

现代开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。

本篇论文对PWM型全桥式开关电源进行研究，阐述其变换拓扑，分析其工作的原理，并对全桥式开关技术的实现进行探索。

针对某一实际要求的开关电源技术指标，设计了一开关稳压电源电路，实现稳定的直流电压输出，并对开关电源技术的发展进行了展望。

关键词：

开关电源全桥式PWM技术SG3525A芯片

一、引言

现代开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。

开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。

开关电源电路运用现代电力电子技术，由脉冲宽度调制（PWM）控制IC进行脉冲宽度控制，调节占空比，以对MOSFET或其他的全控型开关器件的开通与关断进行控制，从而调节输出的电压，实现输出电压的稳定。

电源是所有用电设备的心脏，用电设备的可靠工作离不开质量可靠的电源的支持。

可一般情况下，电网电能并不能直接用于用电设备，而是要经过转换才能符合使用的需要。

这就需要运用现代电力变换技术对电力进行转换，以获取满足使用要求的电能，其中将交流电变换成直流电是其中的一种。

将交流电变换成直流电的技术叫做整流技术。

随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电力电子设备都离不开可靠的电源。

进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

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在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

因而开关电源技术十分重要。

但作为用电设备的动力源，电源的形式却并不单一。

电源特性的参数有电压、功率、频率、噪声及所带负载参数的变化等；在同一参数要求下，又有体积、重量、形态、功率、可靠性等指标。

那么在不同的领域，不同的工作场合，不同的设计指标下，如何进行电源的设计，以完美地满足客户的要求，是一个值得研究的课题。

因而对现代开关电源技术的研究是十分必要的。

开关电源的种类很多，其中桥式开关稳压电源以其能适应输入电压较高和输出功率较大等优点，得到了广泛的应用。

本文针对PWM型全桥式开关电源的变换方法进行研究。

桥式开关稳压电源电路的核心实际上就是一个桥式直流变换器电路。

桥式直流变换器电路主要包括半桥式直流变换器和全桥式直流变换器，他是由两个推挽式直流变换器电路组成的。

由于这种变换器克服了推挽式直流变换器电路中功率开关集电极承受电压高，集电极电流大，对磁芯材料要求严，功率开关变压器必须具有中心插头等缺点。

继承了推挽式直流变换器电路输出功率大，功率开关变压器磁滞回线利用率高，电路结构简单等优点，因此在许多领域获得了广泛的应用。

当电网电压作为供电电源，而且要求输出功率非常大的条件下，由于整流和滤波以后得到的直流供电电压比较高，因此就不能使用推挽式电路结构形式，也不能用单端式电路结构形式，而半桥式电路结构形式又有点勉强。

在这种情况下，只有选择使用全桥式电路的结构形式。

由于全桥式电路结构形式中的四个开关管被分成两组，每组中有两个开关管来各自分担一半的直流供电电压，因此比半桥式电路结构形式的输出功率提高了一倍。

。

本文在查阅近几年现代电源变换技术相关文献的基础上，结合本门课程的教学内容和讲授范围所相关的内容，针对PWM型全桥式开关电源的变换方法进行研究。

从理论上探讨了PWM型全桥式开关电源的一般原理、设计思想、控制方法、应用发展等。

通过此次设计加深了对现代电源技术的理解，培养了科研的能力。

二、工作原理

2.1主电路变换结构

本设计结合目前该领域的研究成果和自己的实际体会，采用PWM型全桥逆变电路。

主电路变换结构原理图如下图所示：

2.1主电路变换结构原理图

2.2工作原理

本设计采用如上图所示的电路变换图。

输入是交流电压信号，VD1~VD4，C1，C2构成一次整流滤波电路，对输入的交流电进行整流滤波，将交流电转换成直流电。

当一次整流电路稳定工作时，输出是稳定的直流电压。

输出的直流电压经过全桥逆变电路，逆变成交流电压。

全桥逆变电路的开关管的通断由PWM控制与驱动模块来控制。

交流电压经过变压器输出，输出端设计二次整流滤波电路，将交流电变换成直流电，设计变压器初级线圈和次级线圈的匝数比，可以调节输出电压。

为了保证输出的电压稳定，将输出电压反馈给PWM控制与驱动模块，调节开关管的占空比，调节输出电压稳定，实现稳定输出。

此电路基此实现符合要求的稳定电压输出。

电路的核心是由V1~V4构成的全桥式逆变电路，V1~V4也可以采用GTR开关器件，V1~V4的通断由PWM控制与驱动模块来控制。

图中的V1~V4选用MOSFET，它是电压驱动全控型器件，具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快以及安全工作区大等优点。

C1、C2中点的电压等于一次整流后直流电压的一半。

开关V1、V4或V2、V3交替导通就在变压器的次级形成交流方波电压。

通过调节开关的占空比，就能改变变压器二次侧整流输出平均电压V0。

R1、R2是并联均压电阻；C3是耦合电容，其作用是防止由于四个开关管的特性差异而造成变压器磁芯饱和，从而提高半桥逆变电路的抗不平衡能力，C3要选择ESR小的无极性电容。

通过PWM控制与驱动模块，可以很容易地调节开关器件的占空比，调节输出电压。

PWM控制与驱动模块通常可以采用专门的控制芯片，外接相应的外围电路来实现。

PWM控制与驱动模块的电能供应，可以由一次整流后产生的直流电构成辅助直流电源来提供。

2.3闭环控制

为了实现稳定的电压输出，保证输出电压精度，本设计采用闭环控制，即采用电压反馈，脉冲宽度调制（PWM）控制IC调节占空比，进而调节输出电压。

具体的电路如上图所示，输出的直流电压经电阻分压，经过耦合器给PWM控制与驱动部分一电压反馈信号，PWM控制与驱动模块控制占空比，调节开关管的通断，进而控制输出的电压，实现稳压输出。

2.4设计关键问题

本设计的关键技术问题有一次整流，二次整流电路设计、PWM控制与驱动模块的设计、变压器的设计等。

本设计的一次整流电路采用电容滤波的单相不可控整流电路。

单相不可控整流电路稳定输出时，输出电压为直流电压，为输出的根2倍。

二次整流电路采用单相全波整流滤波电路，使输出电压为稳定的直流电压。

对于PWM控制电路采用专门的PWM控制芯片设计相应的外围电路来实现。

可以采用美国通用电气公司的SG3525A控制芯片，用该芯片及其外围电路控制四个开关管的开通与关断。

变压器的设计则涉及开关频率的设定、磁芯的选定、原副边匝数确定、工作电流的计算等问题。

可以依据所要实现的电压输出要求，进行分析设计。

三、电路设计

3.1设计指标：

1.输入交流电压220V

2.输出直流电压15V

3.效率80%

4.输出电流12A

3.2系统的总体方案

本系统采用如下图所示的总体方案进行设计：

3.1系统总体方案设计方框图

3.3工作原理

本系统采用如上图所示的总体方案。

该方案把系统分成五个模块，即输入滤波模块、全桥逆变电路模块。

输出整流滤波模块、辅助直流电源模块、PWM控制模块等。

每个模块完成相应的功能，总体实现直流电压的稳定输出。

输入整流滤波模块实现输入交流电压的整流输出；全桥逆变电路则将一次整流输出地直流电压逆变成交流电；输出整流滤波将全桥逆变模块输出整流成直流输出；PWM模块为全桥逆变电路模块中的开关管提供控制驱动信号，控制其通断。

当输出电压不稳定时，接收输出电压反馈信号，对占空比进行调节，而辅助直流电源为其提供工作电压。

则对于输入交流电，经过输入整流滤波电路模块进行整流，转换成直流电。

其输出经过全桥逆变电路模块转换成交流输出，其中全桥逆变电路中开关管的通断由PWM控制模块进行控制，交流输出再经过二次整流滤波模块装换成直流输出。

为了使输出电压稳定采用闭环控制，将输出电压反馈到PWM控制模块，PWM控制模块依据反馈的电压信号对开关管的占空比进行调节，以使电压稳定输出。

PWM控制模块的电源由辅助直流电源模块提供。

电路的实际设计电路如下图所示

3.2系统实际设计图

3.4各部电路图设计

3.4.1一次整流滤波电路的设计

二极管峰值电压：

VD1~VD4承受的电压为输入电压的峰值

，取2倍的余量可以选用耐压为600V的二极管。

经过一次整流滤波之后，输出电压稳定在300V。

正向导通电流：

选取时取2~3倍的余量，为2A。

滤波电容的选择：

C1=C2=680μFC3=C4=1μFC1、C2、C3、C4的耐压值取为250V。

均压电阻：

R1=R2=33KΩ.

3.4.2直流逆变器的设计

V1~V4选用MOSFET，它是电压驱动全控型器件，具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快以及安全工作区大等优点。

桥式全控整流电路开关管承受的电压为输入电压值，即300V，可以选用IRF450，其漏源击穿电压为500V，满足使用要求。

其

所以在其门极和源极之间连接15V稳压二极管，保护MOSFET不受损坏。

MOSFET的通断由PWM控制电路实现。

3.4.3高频变压器的设计

1）变压器的计算功率

将

=15V，

=12A，

=80%带入算得

=405W。

2）变压器的设计输出能力

变压器的输出功率或传输功率与磁芯材料的性质、几何形状以及尺寸之间的关系可以采用磁芯面积的乘积

来表示，其计算公式为

其中

为磁芯面积乘积，单位为

；

为磁芯的截面积，单位为

；

为磁芯窗口的截面积，单位为

；

为变压器的计算功率，单位为W；

为工作磁感应强度，单位为T,取；

为工作频率，单位为

；

为变压器磁芯窗口的占空系数，取0.2；

为变压器的电流密度系数，取468；

开关频率对电源的体积、重量等影响很大。

开关频率越高，变压器磁芯就会选得更小，输出滤波电感和电容体积也会减小，但开关损耗增加，效率下降，散热器体积加大。

综合考虑两方面，设定其工作频率

=50KHz。

磁芯选择R2KB软磁铁氧体材料，其饱和磁感应强度

=4700Gs。

选定工作磁感应强度

时，应满足温升对损耗的限制，使磁芯不饱和。

工作磁感应强度若选的太低，则变压器的体积和重量就要增加很多，并且由于匝数的增多就会造成分布电容漏感干的增加。

工作磁密取

=1500，算得

。

本设计选用EE-40型铁氧体磁芯，其参数为

，

，满足要求。

3）绕组匝数的计算

变压器绕组匝数的计算主要包括初级绕组匝数的计算和次级绕组匝数的计算。

初级绕组匝数的计算：

按最低输入电压和满载输出的严酷情况来计算。

已知最小输入交流电压为180V，减去20V的直流纹波电压和整流器的压降，最小直流电压为Vinmin＝180×1.4－20＝232V。

全桥式电路变压器原边绕组所加电压等于输入电压，即U1min=232V。

则由原边绕组匝数

计算得N1＝61匝，经实验实际取值为65匝。

次级绕组匝数的计算：

副边电路采用带有中间抽头的全波整流滤波电路，设输出方波脉冲占空比

＝0.8，输出回路二极管压降VD及扼流圈压降VL取VD+VL=1.5V，则变压器副边电压U2为：

故副边匝数为：

4）核算最大输入交流电压时的最大磁密

利用计算出来的变压器初级匝数，核算变压器在最大输入交流电压Vinmax时的

，看磁芯是否饱和。

由于Vinmax＝260×1.4＝364V。

故全桥式电路变压器原边绕组所加电压U1max=364V，由原边匝数计算式变形可得：

计算可知，在输入交流电压最大时

<

所以，原边绕组匝数N1＝65匝的选择是合适的。

5）原边最大工作电流计算

在最低交流输入电压为180V时，变压器原边通过的电流一定是最大可能的工作电流，由经验公式可得，原边最大工作电流为：

6）选择导线

由于变压器的工作频率为50kHz，在此频率下铜导线的穿透深度为Δ=0.2956mm，考虑到趋肤效应的影响，一般所选的导线铜芯直径要小于2Δ，即导线直径要小于0.5914mm。

另外，考虑铜线的电流密度可取3～6A/mm2，由原、副边最大工作电流就可确定出各自所需导线的截面积，进而选择合适的导线。

这里原边采用铜芯直径为0.53mm的漆包线进行2股并绕，副边采用16股线径为0.21mm的漆包线绞结而成的4根并绕。

3.5PWM控制电路设计

全桥式直流变换器中的PWM电路与它激型半桥式直流变换器电路中的PWM电路一样，能够成它激型半桥式直流变换器的PWM电路，就能构成全桥式直流变换器。

PWM控制电路采用美国硅通用电气公司的SG3525A控制芯片（图3.3）。

该芯片的输入电压工作范围是8～35V，通常可取+15V；振荡频率是100～500kHz，芯片的脚5和脚7间串联一个电阻RD就可以在较大范围内调节死区时间。

另外，它的软启动电路也非常容易设计，只需在管脚8接一个软启动电容即可。

SG3525A的振荡频率可表示为：

该芯片的11脚和14脚输出连接相应的外围电路来驱动MOSFET开关管V1~V4。

V1，V4共用11脚输出的控制信号，V2V3共用14脚输出的控制信号。

3.3PWM控制电路外围接线

3.6波形分析

输入电压为220V，经过一次整流滤波可以实现300V的直流输出，然后经过PWM控制的全桥逆变电路，将直流电转换成交流电，再经过变压器以及输出整流滤波电路，实现15V的直流输出。

波形的分析如下图

3.4波形分析

四、分析与结论

本设计采用PWM型全桥式开关电路，适合应用于输出功率高的场合。

和推挽式变换电路相比，电路比较复杂。

电路中所用功率开关集电极所承受的所能承受的耐压是推挽式直流变换器电路中功率开关的两倍，因此选用功率开关时集电极的额定电压值就为推挽式直流变换器电路中功率开关的二分之一。

这样在相同的成本和输入条件下，半桥式直流变换器的输出功率就为推挽式直流变换器的两倍，全桥式直流变换器的4倍。

本设计对PWM型全桥式开关电源进行理论设计。

对设计中只对PWM发生器、变压器等相应的参数进行设计，PWM的外围电路没有设计，在实际设计中应该设计PWM外围电路驱动四个开关管，同时考虑电气隔离。

在设计完成之后，应该用相应的仿真软件进行仿真。

最后按照设计连接电路，对电路的实际效能进行检验，调节相应的参数，进行连接调试，以检验该设计是否能满足设计要求，本设计没有涉及这项内容。

现阶段，开关电源技术快速的发展。

功率半导体器件、软开关技术、有源功率因数校正技术等技术促进了电源技术的飞速发展。

可以想见随着电力电子产品的深入生活，其相应的电源技术就会越来越发挥更加重要的作用。

现代电源技术包括面很宽，技术的实现方法也很多，单端正激、反激，推挽式开关稳压电源、半桥式开关稳压电源、全桥式开关稳压电源等。

这些不同的实现技术，适应于不同的设计要求领域，有着相应的特点。

或是电路实现简单，容易实现；或是价格低廉，成本较低。

而全桥式开关稳压电路作为一种重要的变换技术，其特点也十分突出。

当电网电压作为供电电源，而且要求输出功率非常大的条件下，由于整流和滤波以后得到的直流供电电压比较高，因此就不能使用推挽式电路结构形式，也不能用单端式电路结构形式，而半桥式电路结构形式又有点勉强。

在这种情况下，只有选择使用全桥式电路的结构形式。

由于全桥式电路结构形式中的四个开关管被分成两组，每组中有两个开关管来各自分担一半的直流供电电压，比半桥式电路结构形式的输出功率提高了一倍。

因此在一些要求输出功率较高的领域，全桥式开关电源变换技术占有者十分重要的地位。

所以对全桥式开关电源变换技进行研究十分有必要，有着很广阔的应用前景。

参考文献

[1]开关稳压电路—原理、设计及实用电路王水平史俊杰田庆安编著西安电子科技大学出版社

[2]电力电子技术王兆安黄俊编著机械工业出版社

[3]开关电源的原理与设计张占松蔡宣三编著电子工业出版社

[4]开关电源功率变压器的设计方法张乃国清华大学

[5]开关稳压电源性能的改进张乒欧谷平湖南大学

[6]一种高效率低功耗开关电源的实现胡黎强林争辉李林森上海交通大学

[7]开关电源的原理与设计郝奇伟李树华内蒙古大学

[8]开关电源的新技术及其应用沙占有王彦明葛家怡赵立志河北科技大学

[9]开关电源用电力电子集成模块的研究杨旭陈文洁王兆安西安交通大学

[10]开关电源的隔离技术陶生桂同济大学

[11]开关电源的电压波形及其参数分析仲元昌重庆大学

[12]电流控制PWM开关电源俞阿龙江苏淮阴师范学院

[13]0～10kV连续可调PWM稳压开关电源的设计叶强修吉平华中科技大学

[14]大屏幕彩电开关电源的发展趋势李良光周莉安徽理工大学

[15]基于TOP224Y芯片的单端反激式开关电源潘腾林明耀李强东南大学

[16]新型电源电路应用实例薛永毅电子工业出版社

[17]一种大功率开关电源的设计及效能分析孟亚峰黄考利军械工程学院

[18]高精度PWM稳压电源控制电路的设计刘玲顺鲁芳姜忠山海军航空工程学院

[19]电压型PWM逆变器输出误差分析及其补偿陈硕薛朝武福州大学

[20]18V/1000A大功率开关电源的研制林志光石新春华北电力大学

[21]INF450参数说明文档