-

■Ba

■□D

■oa

■a?

■□o

〕■□a

」

口■0

■□□■n

目□■

口□0

■■

□■

□

■□

電力電子課程設(shè)計（總18頁）

□

--本頁僅作預(yù)覽文檔封面，使用時請刪除本頁--

□

□

□

直流開關(guān)電源的設(shè)計

一、設(shè)計目的

1、把從電力電子技術(shù)及其它先修課程（電工基礎(chǔ)、電子技

術(shù)、電機(jī)學(xué)等）中所學(xué)到的理論和實(shí)踐知識，在課程設(shè)計實(shí)踐

中全面綜合的加以運(yùn)用，使這些知識得到鞏固、提高，并使理

論知識與實(shí)踐技能密切結(jié)合起來。

2、初步樹立起正確的設(shè)計思想，掌握一般電力電子電路設(shè)計

的基本方法和技能，培養(yǎng)觀察、分析和解決問題及獨(dú)立設(shè)計的

能力，訓(xùn)練設(shè)計構(gòu)思和創(chuàng)新能力。

3、培養(yǎng)具有查閱參考文獻(xiàn)和技術(shù)資料的能力，能熟悉或較熟

悉地應(yīng)用相關(guān)手冊、圖表、國家標(biāo)準(zhǔn)，為今后成為一名合格的

電氣工程技術(shù)人員進(jìn)行必須的基本技能和基本素質(zhì)訓(xùn)練。

二、設(shè)計任務(wù)

設(shè)計要求：

1、設(shè)計主電路，建議主電路為：整流部分是橋式二極管整

流，大電容濾波，DC/DC部分采用半橋變換器，主功率管用

MOSFET；

2、選擇主電路所有圖列元件，并給出清單；

3、設(shè)計MOSFET驅(qū)動電路及控制電路；

4、繪制裝置總體電路原理圖，繪制：①單相橋式整流電路各

點(diǎn)電壓波形；②MOSFET驅(qū)動電壓、全橋電路中各元件的電

2

壓、電流以及輸出電壓波形(將①②波形分別匯總繪制，注意

對應(yīng)關(guān)系)；

5、編制設(shè)計說明書、設(shè)計小結(jié)。

三、主要技術(shù)參數(shù)；

技術(shù)參數(shù)：裝置輸入電源為單相工頻交流電源

(220V±20%),輸出電壓％=24V,輸出電流/°=5A,最大輸

出紋波電壓lOOmV,工作頻率戶100kHz。

1、確定變比K

￡>=0.85

Vo是輸出電壓，VD是輸出整流二極管的通態(tài)壓降，VLf是

輸出濾波電感上的直流壓降。VLf二

2、濾波電感的計算

經(jīng)驗(yàn)算法一般選擇輸出濾波電感電流的脈動為最大輸出電流

的20%,這樣本模塊電源的輸出濾波電感電流的脈動可選為Io

*20%,也就是當(dāng)輸出電流在lOmin=Io*10%時應(yīng)保證輸出濾波

電感電流連續(xù)，輸出濾波電感可按下式計算：

L-ri________________1

72x(27,)，*匕/2K-%-%

3、濾波電容的計算

由下式確定輸出濾波電容的大?。?/p>

VV

2

Cf=--------——[1---------------------]

/8L/.(2￡)2.M7Vi/2K-Vu.-VD

3

△V為輸出電壓的最大紋波值

四、設(shè)計內(nèi)容

1、開關(guān)電源的基本原理

開關(guān)電源就是采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件，通過周

期性通斷開關(guān)，控制開關(guān)元件的占空比調(diào)整輸出電壓，開關(guān)也

源的基本構(gòu)成如圖所示，DC-DC變換器是進(jìn)行功率變換的

器件，是開關(guān)電源的核心部件，此外還有啟動電路、過流與過

壓保護(hù)電路、噪聲濾波器等組成部分。反饋回路檢測其輸出電

壓，并與基準(zhǔn)電壓比較，其誤差通過誤差放大器進(jìn)行放大，控

制脈寬調(diào)制電路，再經(jīng)過驅(qū)動電路控制半導(dǎo)體開關(guān)的通斷時

間，從而調(diào)整輸出電壓。其結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示。

圖1-1開關(guān)電源結(jié)構(gòu)圖

2、整流電路的設(shè)計

整流是將交流電變成脈動直流電的過程。電源變壓器輸出

的交流電經(jīng)整流電路得到一個大小變化但方向不變的脈動直流

電。整流電路是由具有單向?qū)щ娦缘脑缍O管、晶間管

等整流元件組成的。

整流電路的選擇

單相整流電路有兩種：電容輸入型電路和扼流圈輸入型電

路

4

兩種基本電路的比較如下：（1）開關(guān)電源多采用脈寬調(diào)制方

式，空載時開關(guān)晶體管的導(dǎo)通時間非常短。其導(dǎo)通時間隨開關(guān)

電源的設(shè)計方法不同而異，也有采用控制開關(guān)晶體管電路的延

時進(jìn)行的間歇開關(guān)工作，這時，若采用扼流圈輸入型整流電

路，接近空載時，扼流固變?yōu)榕R界值，逆流電路由執(zhí)梳閡輸入

型變?yōu)闃I(yè)為電容輸入型。為此，從滿載到空載變動時，整流輸

出電壓變動較大，空載時有可能進(jìn)入間歇開關(guān)領(lǐng)域。（2）開關(guān)電

源的特點(diǎn)是效率高而體積小，若使用扼流圈時，為提高負(fù)載調(diào)

整率需耍接入扼流圈以及阻尼電阻。（3）扼流圈可能與次級側(cè)濾

波回路產(chǎn)生諧振。

因此，開關(guān)電源的輸入整流電路采用電容輸入型。

單相半波整流電路

單相半波整流電路是最簡單的整流電路如圖2-l（a）所示，

僅利用一個二極管來實(shí)現(xiàn)整流功能，其波形如圖2-1（b）所示。

單相半波整流電路的輸出電壓平均值為：（力為變壓器副

邊輸出電壓的有效值）

Uo=；141Usincot（cot）=-U=0.45U2

5

圖2-1(a)單相半波整流電路

圖2-1(b)單相半波整流電路波形

單相橋式整流電路

單相半波整流電路的缺點(diǎn)是只利用了電源的半個周期，輸

出電流較小，同時整流電壓的脈動較大。全波整流電路可以克

服這些缺點(diǎn)，其中最常用的是單相橋式整流電路，它是由四個

二極管接成電橋的形式構(gòu)成的?？梢钥吹?，四個二極管分為兩

組，正負(fù)半周輪流導(dǎo)通，但負(fù)載上電流方向不變，此即為全波

整流。單相半波整流電路如圖2-2(a)所示，其波形如圖2-2

(b)所示。

6

圖2-2(b)單相橋式整流電路波形

單相橋式整流電壓的平均值為：4產(chǎn)0.9力(力為變壓器副

邊輸出電壓的有效值)，比半波整流輸出電壓高。因此，整流電

路選用單相橋式整流電路。

參數(shù)計算以及元器件的選型

輸出功率

4=5Vx24A=120W

如果考慮變壓器的效率80%,則整流電路的輸出功率應(yīng)為：

庶=尸/80%=150W

則可以設(shè)定整流電路輸入電壓G=220V,輸出電壓100V、電

流。

整流管參數(shù)計算

變壓器副邊輸出電壓的有效值4=220〃，則

U力=0.9x220V=198V

7

/n=-^=0.76A

UD

二極管的最大反向電壓：

UR7=V2x220V=311.2V

二極管平均電流：

般LKX0.76A=°.38A

二極管的電流有效值：

鋁*0.54A

在考慮安全裕量的情況下，二極管的額定電壓:

6=(2~3)xURM=622.3~933AV

二極管的額定電流:

人=(1.5~2)x乩=0.52~0.69A

八1.57

選用1N4004/A整流二極管，最高反向工作電壓為400V,額

定工作電流為，正向壓降為IV。

濾波電容參數(shù)計算

整流電路負(fù)載RL=UO/IO=198V/=26OQ

在工程中，一般取

"=54=5啜=。。5s

由于RL=260Q

貝|JC="R=0.05/260=192〃尸

選用c=200”、耐壓為200V的極性電解電容。

8

3、DC/DC變換器的設(shè)計

DC/DC變換器進(jìn)行功率變換，是采用功率半導(dǎo)體器件作為

開關(guān)元件，通過周期性通斷開關(guān)，控制開關(guān)元件的占空比來調(diào)

整輸出電壓，將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱

為直流斬波，它是開關(guān)電源的核心部分，開關(guān)電源DC/DC變換

器有多種電路方式，常有的有工作波形為方波的脈寬調(diào)制

（PWM）變換器以及工作波形為正弦波的諧振變換器。基本工

作原理如圖3-1所示。

平

洞

也

珞

圖3-1DC/DC變換器的基本原理圖

功率轉(zhuǎn)換電路的選擇

PWM型穩(wěn)壓電源功率轉(zhuǎn)換電路有全橋、半橋等。

全橋式功率轉(zhuǎn)換電路

工作原理是：當(dāng)一組開關(guān)晶體管（例如VI、VT4））尋通

時，截止晶體管（\叮2、VT3）上加的電壓即為輸入電壓V1。當(dāng)所

有的晶體管截止時，同臂上的兩只開關(guān)晶體管共同承受輸入電

壓即V/2。由高頻變壓器漏感引起的電壓尖峰，當(dāng)其超過輸入

電壓時，反向并接在開關(guān)晶體管的集射之間的告訴續(xù)流二極管

便導(dǎo)通，集電極電壓被鉗位在輸入電壓上。

9

全橋式功率轉(zhuǎn)換電路如圖3-2所示。它的缺點(diǎn)是：使用4

只開關(guān)晶體管，需要4組彼此隔離的基極驅(qū)動電路，電路復(fù)

雜，元器件多。

半橋式功率轉(zhuǎn)換電路

工作原理是：當(dāng)一對開關(guān)晶體管管截止時，若電容Coi和

C02的容量相等而且電路對稱，則電容中點(diǎn)A的電壓為輸入電壓

的一半，即為Vc。尸VCO2=VI/20當(dāng)VTI被激勵導(dǎo)通時,電容Coi

將通過VTi,和變壓器Ti的初級繞組Ni放電，同時，電容C02

則通過輸入電源、VTi和Vi的初級繞組Ni充電、中點(diǎn)A的電位

在充放電過程中將按指數(shù)規(guī)律下降。在V1導(dǎo)通終了時，VA將

下降至Vi/2—AVI；接著是一對晶體管都截止的期間，此時，

VCEI=VCOI,VcE2=Vco2都接近輸入電源電壓的一半；當(dāng)VT2激勵

導(dǎo)通時，電容Coi將被充電，電容C02將放電，中點(diǎn)A電位在

VT2導(dǎo)通終了時將增至VJ/2+AVI,即中點(diǎn)A的電位在開關(guān)過程

中將在Vi/2的電位上以土AVi的幅度作指數(shù)變化。

當(dāng)一個晶體管導(dǎo)通時，截止晶體管上加的電壓約為等于輸

入電壓，晶體管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止的過程中，漏感引起的尖峰電

壓被二極管鉗位，因此，開關(guān)管上承受的最高電壓不超過電源

電壓。而且，晶體管的數(shù)量只是全橋式的一半，這是其優(yōu)點(diǎn)。

但要得全橋和推挽式電路相同的輸出功率，開關(guān)晶體管必須流

經(jīng)兩倍的電流，因此，一般適宜獲得中等功率輸出。

1()

半橋式功率轉(zhuǎn)換電路具有抗不平衡能力。為此，獲得其廣

泛應(yīng)用。本次課程設(shè)計也選用半橋式功率轉(zhuǎn)換電路。

參數(shù)計算以及元器件的選型

整流輸出二極管參數(shù)計算

，二"=絲=26.674

-0.90.9

二極管的最大反向電壓：

URM=2同2=2A/2X26.67V=75.43V

二極管平均電流:

=2.54

二極管的電流有效值：

"%=3.54A

二極管的額定電壓:

UN=(2?3)x%=150.86-226.29V

二極管的額定電流:

IN=(1.5?2)乂懸=3.38~4.5\A

選用6A1的二極管,，額定工作電流為6A,正向壓降為。

確定變比K

。=0.85

11

V。是輸出電壓，VD是輸出整流二極管的通態(tài)壓降，VLf

是輸出濾波電感上的直流壓降。VLf二

代入數(shù)據(jù)得：

“V./2D198/2x0.85

K=-----------------=---------=3o3o

%+%/+匕)24+0.5+0.95

濾波電感的計算

經(jīng)驗(yàn)算法一般選擇輸出濾波電感電流的脈動為最大輸出電流

的20%,這樣本模塊電源的輸出濾波電感電流的脈動可選為Io

*20%=1A,也就是當(dāng)輸出電流在IOmin=Io*10%=A時應(yīng)保

證輸出濾波電感電流連續(xù)，輸出濾波電感可按下式計算：

vv

L=---------e--------[r1--------------e---------]

f

2x(20?人nVi/2K-VLF-VD

代入數(shù)據(jù)得：

L=―匕_n________匕_____]

z

2x(2￡)?&加Vi/2K-VLF-VD

=---------------------------[1------------------------------]

2x(2xl00xl0?)x0.5198/2x3.3-0.5-0.95

=\9.2uH

濾波電容的計算

規(guī)定輸出電壓的最大紋波值為AV=100mV,則可由下式確

定輸出濾波電容的大?。?/p>

c.匕匕

2

/8Lr(2/v)-AVVi/2K-VLr-VD

代入數(shù)據(jù)得：

12

Ch匕[I匕]

'8L/.（2￡）2.AVVj/2K-VLF-VD

=---------------------------[1-------------------]

8xl.92x105x（2xl05）2xl00xl0-3198/2X3.3-0.5-0.95

=6.25〃/

開關(guān)管的選擇

開關(guān)電源的開關(guān)管有功率晶體管（GTR）、功率場效應(yīng)晶

體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等。

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）集功率晶體管（GTR）和功率

場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的優(yōu)點(diǎn)于一身，既有功率晶體管

（GTR）的輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單

等優(yōu)點(diǎn)，又具有功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的通態(tài)電壓

低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)。因此，選用絕緣柵雙極晶體

管（IGBT）作為開關(guān)元件。

4、驅(qū)動電路的設(shè)計

功率MOSFET驅(qū)動特點(diǎn)與類型

柵極驅(qū)動的特點(diǎn)

功率場效應(yīng)晶體管（PowerMOSFET）,是一種多子導(dǎo)電的單

極型電壓控制器件，具有開關(guān)速度快，高頻性能好，輸入阻抗

高，驅(qū)動功率小，熱穩(wěn)定性優(yōu)良，無二次擊穿問題，安全工作

區(qū)寬和跨導(dǎo)線、性度高等顯著特點(diǎn)，在線性放大技術(shù)領(lǐng)域及各

類巾小功率開關(guān)電路中得到極為廣泛的應(yīng)用。

功率MOSFET的柵極輸入端相當(dāng)于一個容性網(wǎng)絡(luò)，因而功率

MOSFET導(dǎo)通后即不再需要驅(qū)動電流。理想柵極驅(qū)動電路的等

效電路如圖4—1所示。圖中S1為等效開通開關(guān).SI閉合后接通充

電回路。S2為等效關(guān)斷開關(guān)，S2控制輸入電容C。的放電過

13

程。Sj和S2在任意時刻總是處在一個閉合，另一個斷開的相反

狀態(tài)。不管開通時電路的等效電阻R。和關(guān)斷時的電路等效電阻

凡Ir的大小，也不管充電速度如何，開通期間傳輸?shù)哪芰考瓣P(guān)斷

時的能量損耗.完全由器件輸入電容Ci。和柵源間電壓UGs的

大小所決定，而與R。值和柵極電流的大小無關(guān)。

圖4-1理想柵極驅(qū)動電路的等效電路

功率MOSFET對柵極驅(qū)動電路的耍求主要有：

(1)觸發(fā)脈沖要有足夠快的上升和下降速度，即脈沖前后沿要

求陡峭；

(2)開通時以低電阻對柵極電容充電，關(guān)斷時為柵極電荷提供

低電阻放電回路，以提高功率MOSFET的開關(guān)速度；

(3)為了使功率MOSFET可靠觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高

于管子的開啟電壓。為了防止誤導(dǎo)通，在功率MOSFET截止時

最好能提供負(fù)的柵源電壓：功率MOSFET開關(guān)時所需要的驅(qū)動

電流為柵極電容的充放電電流。功率MOSFET的極間電容越

大，在開關(guān)驅(qū)動中所需的驅(qū)動電流也越大。為了使開關(guān)波形具

有足夠的上升和下降速度，驅(qū)動電流要有較大的數(shù)值。

14

驅(qū)動電路的類型

柵極驅(qū)動電路有多種形式，以驅(qū)動電路與柵極的連接方式

來分則有：直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動。直接驅(qū)動分為TTL和CMOS兩

種驅(qū)動方式，隔離驅(qū)動分為電磁隔離和光耦隔離兩種。

SG3525??常規(guī)PWM控制器

引腳封裝

SG3525引腳封裝排列如圖4-2所示。

反相輸入1

非反相輸入II

同步叵B-

振讖器輸出叵SO3525回集電極電壓

?G區(qū)

即叵田輸出A

放電巨