半桥型开关稳压电源设计.docx

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半桥型开关稳压电源设计

电力电子技术课程设计（论文）

题目：

半桥型开关稳压电源设计

院（系）：

专业班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

（签字）

起止时间：

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

电气工程学院教研室：

注：

平时：

20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

学号

090303040

学生姓名

金戈

专业班级

电气092班

设计题目

半桥型开关稳压电源设计

课程设计（论文）任务

课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数

实现功能

为实验室电子设备提供24V稳压范围宽、大功率直流电源，以取代低效率的线性稳压电源。

设计任务于要求

1、方案的经济技术论证。

2、整流电路设计。

3、逆变电路设计。

4、确定高频变压器变比及容量；

5、通过计算选择器件的具体型号。

6、控制电路设计或选择。

7、绘制相关电路图。

8、在实验室进行模拟调试或matlab仿真。

9、完成4000字左右说明书。

技术参数

1、输入电压单相1870~242V。

2、输入交流电频率45~65HZ。

3、输出直流电压24V恒定。

4、输出直流电流10A。

5最大功率：

250W。

6、稳压精度：

±1％

工作计划

第1天：

集中学习；第2天：

收集资料；第3天：

方案论证；第4天：

输入整流滤波电路设计；第5天：

逆变电路设计；第6天：

确定高频变压器变比及容量；第7天：

输出整流滤波电路设计；第8天：

控制电路设计；第9天：

总结并撰写说明书；第10天：

答辩

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

指导教师签字：

总成绩：

年月日

摘要

开关电源是现代电力电子设备不可或缺的组成部分，其质量的优劣直接影响子设备性能，其体积的大小也直接影响到电子设备整体的体积。

本设计根据设计任务进行了方案设计，设计了相应的硬件电路，研制了250我半桥开关电源。

整个系统包括主电路、控制电路和驱动电路三部分内容。

系统主电路包括单相输入整流、半桥式逆变、高频交流输出、输出整流、输出滤波几部分。

控制电路包括主电路开关管控制脉冲的产生和保护电路。

论文具体地介绍了主电路、控制电路、驱动电路等各部分的设计及实验过程，包括元器件的选取以及参数计算本文介绍一种半桥电路的开关电源，是输入为单相交流170~260v，输入频率45~65HZ，输出直流电压24v，输出直流电流10A，最大功率250w。

重点介绍该电源的构思、理论、工作原理及特点。

关键词：

开关稳压电源；半桥；高频变压器

第1章绪论1

1.1电力电子发展史1

1.2半桥型开关稳压电源概括2

1.2.1开关电源的概念2

1.2.2开关电源的分类2

1.3本文设计内容2

第2章半桥稳压电源设计4

2.1总体设计方案4

2.2电路设计4

2.2.1输入整流滤波电路设计4

2.2.2逆变回路设计5

1.高频开关变换器的基本原理5

2.逆变回路的基本原理5

2.2.3输出整流滤波设计6

2.2.4主电路设计7

2.2.5保护电路7

2.2.6控制电路8

2.2.7总体电路图10

第3章数据分析计算11

3.1器件的选择11

3.1.1输入整流器件11

3.1.2输出整流器件11

3．1.3元件选择11

3.1.4保护电路器件选择12

3.2具体参数设计13

3.4MATLAB电路仿真13

3.4.1MATLAB简介13

3.4.2仿真电路图13

第4章设计总结15

第4章设计总结15

参考文献16

第1章绪论

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

随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

随着开关电源在计算机、通信、家用电器等方面的广泛应用,人们对其需求量增长和效率、体积、重量及可靠性等方面要求更高。

开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源。

在半桥式变换器电路中,变压器初级在整个周期中都流过电流,磁芯利用得更加充分。

它克服了推挽式电路的缺点,所使用的功率晶体管耐压要求较低；晶体管的饱和压降减少到了最小;对输入滤波电容使用电压要求也较低，半桥式变换器在高频开关电源设计中得到广泛的应用。

本文将介绍一款半桥式开关电源,所用开关器件为功率MOSFET管,开关工作频率为45~65Hz,具有体积小、重量轻、成本低等特点。

1.1电力电子发展史

最早的开关电源出现在60年代，出现的是串联型开关电源，功率晶体管用于开关状态，后来脉宽调制（PWM）控制技术有了发展，用以控制开关变换器，得到PWM开关电源，PWM开关电源效率可达65%-70%，1974年研制成了工作频率达到20kHz的开关电源，在电源技术发展史上誉为20kHZ革命。

1976年，美国硅通用公司首次生产出世界上第一片集成脉宽调制器，使开关电源的控制器得到简化，系统的可靠性也大为增强。

八十年代，国内高频开关电源只在个人计算机、电视机等若干设备上得到应用。

由于开关电源在重量、体积、用铜、用铁及能耗等方面都比线性电源和相控电源有显著减少，对整机多相指标有良好影响，因此它的应用得到了推广。

近年来越来越多领域应用开关电源，取得显著效益。

电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。

现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。

它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。

例如，将交流电能变换成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换为设备所需频率的电源；在正常交流电源中断时，用逆变器（见电力变流器）将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。

应用电力电子技术还能实现非电能与电能之间的转换。

例如，利用太阳电池将太阳辐射能转换成电能。

与电子技术不同，电力电子技术变换的电能是作为能源而不是作为信息传感的载体。

因此人们关注的是所能转换的电功率。

1.2半桥型开关稳压电源概括

1.2.1开关电源的概念

电源是将各种能源转换成为用电设备所需要的装置，是所有靠电能工作的装置的动力源泉。

直流开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置，用于交流→直流或者直流→直流电能变换，通常称其为开关电源。

开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。

开关电源的这一技术特点使得它具有，效率高、体积小、重量轻、频率高、电感、电容等滤波元件和变压器体积小。

1.2.2开关电源的分类

开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换是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

斩波器的工作方式有两种：

一、脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用）。

二、频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。

其具体的电路由以下几类：

（1）Buck电路——降压斩波器。

（2）Boost电路——升压斩波器。

（3）Buck-Boost电路——降压或升压斩波器。

（4）Cuk电路——降压或升压斩波器。

AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。

AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。

按电源相数可分为单项、三相、多相。

按电路工作象限可分为一象限、二象限、三象限、四象限。

1.3本文设计内容

随着科学技术的日益发展,人们对电路的要求也越来越高,由于在生产实际中的需要。

需要提供不同的稳压电源。

本文为实验室电子设备提供24V稳压范围宽、大功率直流电源，以取代低效率的线性稳压电源。

首先进行总体方案的分析，整流电路的设计，逆变电路的设计，主电路和输出整流回路的设计。

由工频交流经桥式整流电路得到直流电流，再由半桥开关逆变得到高频交流电，经整流滤波后得到所需直流电。

可供电子设备使用。

其中桥式整流采用四个二极管，逆变电路由两个串联的电容和两个串联的MOS管构成，输出回路由电容电感和二极管构成。

为确保电路的可靠运行本文增加保护电路设计。

过压保护采用电阻电感串联吸收网络。

过流保护采用快速熔断器保护。

其次是参数计算，分析各性能指标，选择器件，通过仿真分析波形。

确定最终结论。

上述过程可为实验设备提供24V范围的电压，可以取代线性的不稳定电压，为实验的可靠进行提供确实保障。

第2章半桥稳压电源设计

2.1总体设计方案

整个课题的设计，分为三部分。

一、主电路的设计，包括整流输入滤波、半桥式逆变电路、输出整流、输出滤波。

二、开关管的驱动电路。

三、控制电路的设计，包括控制逆变电路开关管工作的脉冲输出、软启动、调占空比以及保护电路。

半桥型开关稳压电源设计方案遵循开关电源的变换框图。

如2.1图所示：

图2.1开关电源变换

由工频交流经桥式整流电路得到直流电流，再由半桥开开关逆变得到高频交流电，经整流滤波后得到所需直流电。

可供电子设备使用。

首先，电源流入输入整流滤波回路将交流电通过整流模块变换成含有脉动成分的直流电，然后通过输入滤波电容将脉动直流电变为较平滑的直流电。

其次，功率开关桥由控制电路提供触发脉冲把滤波得到的直流电变换为高频的方波电压，通过高频变压器传送到输出侧。

最后，输出整流滤波回路将高频方波电压滤波成为所需的直流电压或电流。

2．2电路设计

2.2.1输入整流滤波电路设计

整流滤波回路是开关电源的重要组成部分，它可以提高电压、电流的稳定度，减小干扰。

按其所在的位置不同，分为输入和输出整流滤波回路。

本文研究的电源额定工作状态的技术要求为:

输出电压24V,输出电流10A，输出功率约240w，为了减小电源的输入滤波电容等原因，本文实验用电源电路采用单相桥式整流。

由工频170~260V，45~65HZ交流电，如图2.2所示。

图2.2输入整流滤波电路图

输入整流滤波电路，主要有两部分组成，

（1）整流桥；

（2）输入滤波电路。

2.2.2逆变回路设计

1.高频开关变换器的基本原理

用一个半导体功率器件作为开关，使带有滤波器（L或/和C）的负载线路与直流电压一会相接，一会断开，则负载上也得到另一个直流电压。

这就使DC-DC的基本手段。

一个周期Ts内，电子开关接通时间ton所占整个周期Ts的比例，称作接通占空比D。

很明显，接通占空比越大，负载上电压越大;1∕TS=fs称作开关频率，fs越高，负载上电压也越高。

这中DC-DC变换器中的开关都在某一固定的频率下工作，这种保持开关频率恒定但改变接通时间长短（即脉冲的宽度），使负载变化时，负载上电压变化不大的方法，称脉宽调制法〔PulseWidthModulation）。

由于电子开关按外加控制脉冲而通断，控制本身流过的电流、二端所加的电压无关，因此，电子开关称为硬开关。

2.逆变回路的基本原理

在半桥式逆变电路中，变压器一次侧的两端分别连接在电容C1,C2的中点和开关S1,S2中点。

电容C1,C2的中点电压为。

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，就可以改变二次侧整流电压Ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。

半桥式电路的结构如图2.3所示。

S1导通时，二极管VD1处于通态；S2导通时，二极管VD2处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕组W1中的电流为零，根据变压器的磁势平衡方程，绕组W2和W3中的电流大小相等，方向相反，所