1、ACDC反激式電源* AC-DC反激式電源課程設計引言開關電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產(chǎn)品的小型化、輕便化。開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IGBT和MOSFET構成。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術也在不斷地創(chuàng)新。目前，開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用幾乎所有的電子設備，是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。1設計分析1.1開關電源的組成部分開關電源就是采用功

2、率半導體器件作為開關元件，通過周期性通斷開關，控制開關元件的占空比來調整輸出電壓。其電路比較復雜，基本構成如圖1所示。輸入電路控制電路輸出電路220V DC圖1 開關電源基本構成功率變換電路12V、5V DC主要由以下5部分構成：輸入整流濾波器：包括從交流電到輸入整流濾波器的電路；功率功率管（VT）及高頻變壓器（T）；控制電路（PWM調制器），含振蕩器、基準電壓源、誤差放大器和PWM比較器，控制電路能產(chǎn)生脈寬調制信號，其占空比受反饋電路的控制；輸出整流濾波器；反饋電路。除此之外，還需增加偏置電路、保護電路等。其中，PWM調制器為開關電源的核心。1.2開關電源的工作過程交流電網(wǎng)電壓進入輸入電路后

3、，經(jīng)輸入電路中的線路濾波器、浪涌電流控制電路以及整流電路，變換成直流電壓。其中線路濾波器及浪涌電流控制電路的主要作用是削弱由電網(wǎng)電源線進入的外來噪聲以及抑制浪涌電流，整流電路則完成交流到直流的變換，可分為電容輸入型和扼流圈輸入型兩大類，開關電源中通常采用電容輸入型。功率變換電路是整個開關電源的核心器件，它將直流電壓變換成高頻矩形脈沖電壓，其電路主要由開關電路和變壓器組成。開關電路的驅動方式分為自激式和他激式兩大類；開關變壓器因是高頻工作，其鐵芯通常采用鐵氧體磁芯或非晶合金磁芯；開關晶體管通常采用開關速度高，導通和關斷時間短的晶體管，最典型的有功率晶體管（GTR）、功率場效應晶體管（MOSFET

4、）和絕緣柵型雙極晶體管（IGBT）等三種。輸出電路是將高頻變壓器次級方波電壓經(jīng)過高頻整流濾波電路整流成單向脈動直流，并將其平滑成設計要求的低紋波直流電壓，供給負載使用。1.3脈寬調制器的基本原理脈寬調制式開關電源的工作原理如圖2所示。220V交流電u首先經(jīng)過整流濾波電路變成直流電壓，再由功率開關管VT斬波、高頻變壓器T降壓，得到高頻矩形波電壓，最后通過整流濾波后后的所需要的直流輸出電壓。脈寬調制器能產(chǎn)生頻率固定而脈沖寬度可調的驅動信號，控制功率開關管的通、斷狀態(tài)，進而調節(jié)輸出電壓的高低，達到穩(wěn)壓目的。鋸齒波發(fā)生器用于提供始終信號。利用取樣電阻。誤差放大器和PWM比較器形成閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。輸出電壓

5、經(jīng)R1、R2取樣后，送至誤差放大器的反相輸入端，與加在同相輸入端的基準電壓進行比較，得到誤差電壓，再用的幅度去控制PWM比較器輸出的脈沖寬度，最后經(jīng)過功率放大和降壓式輸出電路使保持不變。為鋸齒波發(fā)生器的輸出信號?；鶞孰妷涸翠忼X波發(fā)生器電路圖脈寬調制式開關電源的工作原理比較器驅動信號輸出誤差放大器開關電源輸出采樣電壓2方案設計2.1設計要求初始條件：輸入交流電源：單相90V230V，要求完成的主要任務: 1、輸出直流電壓：12V。2、直流輸出電流5A。3、效率80%4.紋波系數(shù)0.42.2.2方案設計電源輸入，即單相交流電壓。輸出為：12V直流電壓，電流5A。交流電220V經(jīng)過一個整流濾波電路后

6、得到直流電壓，送入DC-DC降壓斬波電路，控制電路提供控制信號控制MOSFET管的關斷，調節(jié)直流電壓的占空比，最后經(jīng)過LC濾波電路得到所需電壓。通過對輸出電壓的取樣，比較和放大，調節(jié)控制脈沖的寬度，以達到穩(wěn)壓輸出的目的。開關電源原理框圖如圖3所示。整流濾波脈沖寬度調制（PWM）濾波220V AC圖 整體設計方框圖降壓斬波電路保護電路12VDC整流部分是利用具有單向導通性的二極管構成橋式電路來實現(xiàn)的；濾波部分是利用電容電感器件的儲能效應，構成LC電路來實現(xiàn)的；降壓部分是利用降壓斬波電路來實現(xiàn)，控制方式為脈寬調制控制（PWM），即在控制時對半導體開關器件的導通和關斷進行控制,使輸出端得到一系列幅值

7、相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。本次設計的開關電源控制時首先保持主電路開關元件的恒定工作周期（），再由輸出信號與基準信號的差值來控制閉環(huán)反饋，以調節(jié)導通時間，最終控制輸出電壓（或電流）的穩(wěn)定。2.3整流濾波部分 整流電路工作原理：在輸入交流電壓的正半周期，二極管D1、D4承受正向電壓導通，D2、D3承受反向電壓截至，整流輸出電壓等于輸入電壓；在輸入交流電壓的負半周期，二極管D2、D3承受正向電壓導通，二極管D1、D4承受反向電壓截至，輸出電流是輸入電流的相反數(shù)。整流電路工作時的波形如圖5所示。 由圖5可知，經(jīng)過二極管整流橋后，輸入的正弦電壓成了正的電壓，同時由

8、于電容電感的儲能效應，整流橋輸出的電壓和電流會進一步變的平直。當然電容量越大，濾波效果越好，輸出波形越趨于平滑，輸出電壓也越高。但是，電容量達到一定值以后，再加大電容量對提高濾波效果已無明顯作用。通常應根據(jù)負載電壓和輸出電流的大小選擇最佳電容。本電路選擇470uF電容即可。圖5整流部分電路圖2.4降壓斬波電路圖6 基本降壓斬波電路將整流后得到的直流電壓輸入降壓斬波電路通過脈寬調制控制調節(jié)輸出電壓平均值，在經(jīng)過LC濾波電路是電壓穩(wěn)定。脈寬調制控制型號有IGBT驅動電路發(fā)出；RCD保護電路用以緩沖IGBT在高頻工作環(huán)境下關斷時因為正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。本設計中電路圖

9、如圖7所示。電路中采用兩級RL濾波電路使輸出電壓穩(wěn)定。圖7 降壓斬波電路2.5脈寬調制電路本設計選用TL494作為脈寬調制電路的主要芯片。其典型應用電路圖如圖8所示。TL494是一種固定頻率脈寬調制電路，它包含了開關電源控制所需的全部功能，廣泛應用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關電源。這是一個固定頻率的脈沖寬度調制電路，內置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可以通過外部的一個電阻和一個電容進行調節(jié)。輸出電容的脈沖其實是通過電容上的正極性鋸齒波電壓與另外2個控制信號進行比較來實現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當雙穩(wěn)觸壓器的時鐘信號為低電平時才會被通過，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被

10、選通。當控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小?？刂菩盘栍杉呻娐吠獠枯斎?，一路送至時間死區(qū)時間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時間比較器具有120mV的輸入補償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時間約等于鋸齒波的周期4%，當輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時，占空比為48%。當把死區(qū)時間控制輸入端接上固定的電 壓，即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時間。圖8 TL494典型電路圖脈沖寬度調制比較器為誤差放大器調節(jié)輸出脈寬提供了一個手段：當反饋電壓從0.5V變化到 3.5時，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導通百分比時間中下降為零。誤差放大器的輸出端常處于高電平，它與脈沖寬度調智

11、器的反相輸入端進行“或”運算，正是這種電路結構，放大器只需最小的輸出即可支配控制電路。照典型電路圖修改后得到本次設計的電路圖，如圖9所示。2.6 MOSFET管的驅動電路本次課設選用美國IR公司的IR2110S芯片。用于IGBT或功率MOSFET驅動的集成芯片模塊中，應用技術比較成熟的有東芝LP250、富士EXB8系列、三菱M579系列等，但是這些模塊都是單驅動，如果要驅動全橋結構的逆變電路則需要4個隔離的驅動模塊，不但費用高、而且體積大。美國IR公司推出的高壓浮動驅動集成模塊IR2110S是一種新型的功率MOSFET或IGBT驅動模塊，它本身允許驅動信號的電壓上升率達50 V/s，極大地減小

12、了功率開關器件的開關損耗。此外，由于IR2110S采用自舉法實現(xiàn)高壓浮動柵極雙通道驅動，因此可以驅動500 V以內的同一相橋臂的上下兩個開關管，減小了裝置體積，節(jié)省了成本。圖9 脈寬調制電路IR2110S采用HVIC和鎖抗干擾CMOS制造工藝，雙列直插14腳封裝。具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達500V，dv/dt=50V/ns，15V下靜態(tài)功耗僅116mW；輸出的電源端（腳3,即功率器件的柵極驅動電壓）電壓范圍1020V；邏輯電源電壓范圍（腳9）515V，可方便地與TTL，CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有5V的偏移量；工作頻率高，可達

13、500khz；開通、關斷延遲小，分別為120ns和94ns；圖騰柱輸出峰值電流為2A。 本次設計采用的MOSFET管驅動電路如圖10所示。從TL494芯片出來的OUT信號，輸入到IR2110S來驅動MOSFET，最終使輸出電壓穩(wěn)定在5V或12V。圖10 MOSFET的驅動電路2.7 總電路圖整個電路的總電路圖用Altium Designer 制作，如下圖所示3主電路參數(shù)設定3.1變壓器、二極管、MOSFET管選擇由于是單相電，所以必須使用單相變壓器，原邊額定電壓，副邊額定電壓約為，額定電流大于等于1A。對于整流濾波電路中的四個二極管D1、D2、D3、D4，它們承受的反向最大峰值電壓為變壓器相電

14、壓的峰值，即為；承受的正向最大峰值電壓為，流過的最大平均電流約為1A。所以我們可以選擇正向平均電流I大于1A，反向重復峰值電壓大于4.2V的電力二極管用來構成單相整流電路。對于斬波電路中的電力二極管VD，承受的最大反向重復峰值電壓約為4V，最大正向平均電流I約為1A，所以我們可以選擇正向平均電流I大于1A，反向重復峰值電壓大于4V的電力二極管作為續(xù)流二極管。對于斬波電路中的MOSFET，漏極與源極之間承受的最大電壓約為4V，流過的最大電流值約為1A，則最大耗散功率約為4W。所以我們可以選擇最大漏極與源極之間電壓大于4V，流過最大電流大于1A，功耗大于4W的MOSFET，如IRF540型號。斬波

15、電路中的電感盡量取大，以避免電流過大，磁路飽和。 綜上所述，主電路的主要參數(shù)如下：所用電力二極管和MOSFET的導通壓降約為0.8V，電感壓降約為0.2V。1. 整流濾波電路部分： 輸入電壓：單相220V交流 輸出電壓：30V直流 電力二極管D1、D2、D3、D4參數(shù)： 正向平均電流大于1A，反向重復峰值電壓大于4V。2. 降壓斬波電路部分： 輸入電壓：4V直流 輸出電壓：5V和12V穩(wěn)壓直流 電力二極管： 正向平均電流大于1A，反向重復峰值電壓大于4V MOSFET管取IRF540型號。3.2 反饋回路的設計 由于加入反饋回路，輸出電壓不再像教材中那樣有單一占空比的PWM來控制，而是由時刻變

16、化著的PWM來控制，所以其電壓也就不能由公式來推出。 在輸出端并聯(lián)一個分壓電路，50K電阻和200K滑動變阻器串接，并從中間引出一個信號電壓作為反饋點Feedback。將Feedback輸入TL494控制電路，于是反饋點一直和TL494內部基準源比較，影響輸出的PWM的占空比，若大于5V，占空比將減小，若小于5V，占空比將增大，這樣控制MOSFET得導通與關斷，直到保持反饋點電壓保持5V，輸出電壓按比例可以算出為525V。PWM的頻率由外接阻容決定。電路圖如圖11所示。計算過程： ， 其中恒為5V，所以當R1=0是，；R1=200K時，。圖11 反饋電路當R1跳到0K 時，輸出電壓為5V，當R

17、1滑到70K時，輸出電壓為12V，即為所求的值。3.3 MOSFET的驅動設計由于選用大功率MOSFET，如何驅動該管也成了一個問題。從TL494出來的WM信號電壓電流不能直接用來控制MOSFET的通斷，于是在兩者之間加一個驅動電路。該驅動電路主要由IR2110構成，IR2110輸出的電壓可達20V,電流可達幾安培，可以用來驅動本設計選用的MOSFET管。結束語通過本次課程設計讓我學到了很多東西，受益匪淺，使我更加深刻地理解了直流斬波電路以及開關電源，了解了開關電源的基本結構、設計過程和實現(xiàn)的功能。使我了解到開關電源在電子設備、電力設備和通信系統(tǒng)的直流供電中得到廣泛應用，在高頻開關電源中，DC-DC變換是其核心。隨著半導體技術的發(fā)展，高集成度，功能強大的大規(guī)模集成電路不斷出現(xiàn)，使電子設備不斷縮小，重量不斷減輕，相應地要求系統(tǒng)供電電源的體積和重量相應減小，如何減小開關電源的體積，提高其效率，是將在在設計開關電源的過程需要著重考慮的一個方面。設計過程中不僅要求