20W單端反激開關電源設計.doc

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1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學 電力電子技術電力電子技術課程設計（論文）課程設計（論文） 題目：題目：20W20W單端反激開關電源設計單端反激開關電源設計 院（系）：院（系）： 電氣工程學院電氣工程學院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 學學 號：號： 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： （簽字） 起止時間：起止時間：202012-12-31至至2012-1-11 本科生課程設計（論文） 課程設計（論文）任務及評語課程設計（論文）任務及評語 院（系）：電氣工程學院 教研室： 電氣 學 號學生姓名專業(yè)班級 課程設計題目20W20W單端反激開關電源設計 課程設計（論文）任務 課題完成的設計任務及功

2、能、要求、技術參數(shù)課題完成的設計任務及功能、要求、技術參數(shù) 實現(xiàn)功能實現(xiàn)功能 為小功率電子設備如影碟機、CD 機、移動硬盤等提供 12V 穩(wěn)定的直 流電壓，以取代低效率的線性穩(wěn)壓電源，減小電源的體積和重量。 設計任務設計任務 1、方案的經(jīng)濟技術論證。2、整流電路設計。3、逆變電路設計。4、 通過計算選擇器件的具體型號。5、驅(qū)動電路設計或選擇。6、繪制相關電 路圖。 要求要求 1、文字在 4000 字左右。 2、文中的理論分析與計算要正確。 3、文中的圖表工整、規(guī)范。 4、元器件的選擇符合要求。 技術參數(shù)技術參數(shù) 1、輸入電壓單相170 260V。2、輸入交流電頻率4565HZ。3、輸出 直流電

3、壓12V恒定。4、輸出直流電流2A。5最大功率：25W。6、穩(wěn)壓精度： 直流輸出電壓整定值的1 進度計劃 第 1 天：集中學習；第 2 天：收集資料；第 3 天：方案論證；第 4 天：輸 入整流濾波電路設計；第 5 天：逆變電路設計；第 6 天：確定高頻變壓器 變比及容量；第 7 天：輸出整流濾波電路設計；第 8 天：控制電路設計； 第 9 天：總結(jié)并撰寫說明書；第 10 天：答辯 指導教師評語及成績 平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日 本科生課程設計（論文） I 注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算 本科生課程設計（論文） II 摘 要

4、 摘要也稱內(nèi)容提要，概括研究題目的主要內(nèi)容、特點，文字要精練。中文摘 要一般不少于 200 字，外文摘要的內(nèi)容應與中文摘要相對應。 關鍵詞：關鍵詞 1；關鍵詞 2；關鍵詞 3；關鍵詞 4 注意：關鍵詞不少于 2 個 黑體小二，居中 行間距 20 磅，小四宋體 小四黑體 本科生課程設計（論文） III 目 錄 第 1 章 緒論 1 1.1 電力電子技術概況 .1 1.2 本文設計內(nèi)容 .1 第 2 章 20W 單端反激開關電源設計.2 2.1 20W 單端反激開關電源設計總體設計方案 2 2.2 具體電路設計 .2 2.2.1 主電路設計.2 2.2.2 整流電路設計.3 2.2.3 單端反激電

5、路設計.5 2.2.4 控制電路設計.7 2.2.5 保護電路設計7 2.3 元器件型號選擇 .8 2.4 系統(tǒng)調(diào)試或仿真、數(shù)據(jù)分析 .9 第 3 章 課程設計總結(jié) .10 參考文獻 11 本科生課程設計（論文） 0 第 1 章 緒論 1.1 電力電子技術概況 結(jié)合設計概括發(fā)展技術 電力電子技術是一門新興的應用于電力領域的電子技術，就是使用電力電子器件（如晶 閘管，GTO，IGBT 等）對電能進行變換和控制的技術。電力電子技術所變換的“電力”功 率可大到數(shù)百 MW 甚至 GW，也可以小到數(shù) W 甚至 1W 以下，和以信息處理為主的信息電 子技術不同電力電子技術主要用于電力變換。電子技術包括信息

6、電子技術和電力電子技術兩 大分支。通常所說的模擬電子技術和數(shù)字電子技術都屬于信息電子技術。電力電子技術是應 用于電力領域的電子技術。具體的說，就是使用電力電子器件對電進行變換和控制的技術。 目前所用的電力電子器件均用半導體制成，故也稱為電力半導體器件。電力電子技術所變換 的“電力” ，功率可以大到數(shù)百 MW 甚至 GW，也可以小到數(shù) W 甚至 1W 以下。信息電子技 術主要用于信息處理，而電力電子技術則主要用于電力變換。電力電子涉及由半導體開關啟 動裝置進行電源的控制與轉(zhuǎn)換領域。半導體整流控制、半導體硅整的小型化等的出現(xiàn)，產(chǎn)生 一個新的電力電子應用領域。半導體硅整流、汞弧整流器應用于控制電源，

7、但是這樣的整流 回路只是工業(yè)電子的一部分，對于汞弧整流器應用范圍而言是有局限的。半導體硅整流的應 用涉及很多領域，如汽車、電站、航空電子、高頻變頻器等。 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(diào)制（PWM）控制 IC 和 MOSFET 構(gòu)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。 帶隔離的直流直流變流電路，同直流斬波電路相比，直流變流電路增加了 交流環(huán)節(jié)，因此也稱直交直電

8、路。該電路分為單端正激電路、單端反激電路、 半橋電路、全橋電路、推挽電路五大類型。本文中將采用單端反激電路作為直流 直流部分的電力變換電路。 本科生課程設計（論文） 1 1.2 本文設計內(nèi)容 單端反激開關電路在日常生活中得到了廣泛應用，為小功率電子設備如影碟 機、CD 機、移動硬盤等提供 12V 穩(wěn)定的直流電壓，以取代低效率的線性穩(wěn)壓電 源，減小電源的體積和重量。本文在設計中，將包括：方案的經(jīng)濟技術論證、整 流電路設計、逆變電路設計、通過計算選擇器件的具體型號、驅(qū)動電路設計或選 擇、繪制相關電路圖，共六部分。其中，輸入電壓單相 170260V，在此選擇 220V。輸入交流電頻率 4565Hz，

9、在此選擇 50Hz。輸出直流電壓 12V 恒定。輸 出直流電流 2A。最大功率：25W。穩(wěn)壓精度：直流輸出電壓整定值的 1 本科生課程設計（論文） 2 R1 1k D1 2N1595 D2 2N1595 D3 2N1595 D4 2N1595 T1 NLT_PQ_4_10 V1 220 Vrms 50 Hz 0 L1 1GH 7 6 5 4 3 C1 1F T2 NLT_PQ_4_10 D5 1BH62C2 1F XSC1 A B Ext Trig + + _ _ + _ Q1 2N6975 11 10 12 8 1 2 第 2 章 20W 單端反激開關電源設計 2.1 20W 單端反激開關電

10、源設計總體設計方案 整流 電路 高頻 逆變 直流 高頻交流 變壓 器 高頻交流 交流 整流 電路 脈動直流 濾波 器 直流 圖圖 2.1 20W 單端反激開關電源設計總體設計方案圖單端反激開關電源設計總體設計方案圖 輸入端輸入電壓為 220V，頻率為 50Hz 的交流電，經(jīng)過單相橋式整流橋整流 后產(chǎn)生低頻直流電壓，再經(jīng)高頻逆變電路產(chǎn)生高頻交流電壓，通過高頻變壓器， 輸出高頻交流信號，再次由整流電路整流后輸出脈動直流信號，最后經(jīng)電容濾波 器濾波后，產(chǎn)生最終所需要的 12V 直流電信號，用以驅(qū)動負載。 具體的，整流電路部分由單相橋式整流電路整流，輸出直流電信號后，通過 帶隔離的直流直流變流電路中的

11、單端反激電路，最終輸出 12V 直流電信號。 2.2 具體電路設計 2.2.1 主電路設計 2.2.1.1 主電路電路圖 圖圖 2.2.1 主電路電路圖主電路電路圖 本科生課程設計（論文） 3 R1 1k D1 2N1595 D2 2N1595 D3 2N1595 D4 2N1595 T1 NLT_PQ_4_10 1 2 V1 220 Vrms 50 Hz 0 3 4 L1 1GH 5 10 11 2.2.1.2 主電路說明 由函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生出 220V，50Hz 的正弦電信號，經(jīng)變壓器變壓后，通 過單相橋式整流電路后產(chǎn)生直流信號，經(jīng) R=1k，L 趨于無窮大的電感負載后， 整流完畢。 主

12、電路后部分為單端反激電路，其開關 S 由一個晶閘管 VT5 代替，并對晶閘 管施加空占比為 50%的方波脈沖信號，以觸發(fā)晶閘管導通。變壓器 T2 為高頻變 壓器，輸出高頻交流信號經(jīng) VT6 整流為脈動直流，再經(jīng)電容 C2 濾波后，即輸出 12V 直流信號。 2.2.2 整流電路設計 2.2.2.1 整流電路設計圖 圖圖 2.2.2.1 整流電路電路圖整流電路電路圖 2.2.2.2 整流電路說明 在單相橋式全控整流電路中，晶閘管 VT1、VT4 和晶閘管 VT2、VT3 各組成 一對橋臂。在 U2正半周，若 4 個晶閘管均不導通，負載電流 iVT為零，uVT 也為 零，VT1、VT4 串聯(lián)承受電

13、壓 U2，設 VT1 和 VT4 的漏電阻相等，則各承受 U2一 半的電壓。若在觸發(fā)角 a 處給 VT1、VT4 加觸發(fā)脈沖，VT1、VT4 即導通，電流 從電源 a 端經(jīng) VT1、R、VT4 流回電源 b 端。當 U2過零時，流經(jīng)晶閘管的電流也 降低到零，VT1 和 VT4 關斷。 在 U2負半周，任然在觸發(fā)角 a 處觸發(fā) VT2、VT3，VT2、VT3 導通，電流從 電源 b 端經(jīng) VT3、R、VT2 流回電源 a 端。當 U2過零時，流經(jīng)晶閘管 的電流也降低到零，VT2 和 VT3 關 斷。此后有事 VT1 和 VT4 導通，如此循環(huán)地工作下去，整流電壓 UVT和晶閘管 2 2 2 U

14、本科生課程設計（論文） 4 VT1、VT4 兩端電壓波形分別如下圖所示，晶閘管承受的最大正向電壓和反向電 壓分別為 和。 2 2U 波形圖： 圖圖 2.2.2.2 橋式整流電路輸出波形圖橋式整流電路輸出波形圖 本科生課程設計（論文） 5 VUUd198*220*9 . 0cos9 . 0 2 C1 1F T1 NLT_PQ_4_10 D1 1BH62C2 1F 2 XSC1 A B Ext Trig + + _ _ + _ 4 Q1 2N6975 5 6 1 3 整流電路將幅值為 220V，頻率 50Hz 的正弦交流電轉(zhuǎn)換成直流信號。其電壓 幅值為： 2.2.3 單端反激電路設計 2.2.3.

15、1 單端反激電路說明 圖圖 2.2.3.1 反激電路原反激電路原理圖理圖 本科生課程設計（論文） 6 圖圖 2.2.3.1 反激電路工作波形反激電路工作波形 上圖為單端反激電路原理圖及波形圖。反激電路中的變壓器起著儲能元件的 作用，可以看作是一對相互耦合的電感。 IGBT 導通后，D1 處于斷態(tài)，繞組 W1 的電流線性增長，電感儲能增加； IGBT 關斷后，繞組 W1 的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過繞組 W2 和 D1 向輸出端釋放。IGBT 關斷后的電壓為： 反激電路可以工作在電流斷續(xù)和電流連續(xù)兩種模式： （1） 、如果當 IGBT 開通時，繞組 W2 中的電流尚未下降到零，則成電路工

16、 作于電流連續(xù)模式。 （2） 、如果 IGBT 開通前，繞組 W2 中的電流已經(jīng)下降到零，則稱電路工作 于電流斷續(xù)模式。 當工作于電流連續(xù)模式時： 當電路工作在斷續(xù)模式時，輸出電壓高于上式的計算值，并隨負載減小而升 高，在負載為零的極限情況下，Uo趨向無窮，這將損壞電路中的元件，因此反激 電路不應該工作于負載開路狀態(tài)。 2.2.3.2 單端反激電路參數(shù)計算 ois U N N UU 2 1 off on i o t t N N U U 1 2 本科生課程設計（論文） 7 2.2.4 控制電路設計 控制電路以專用 PWM 控制芯片 SG3525 為核心構(gòu)成，控制電路輸出占空比 可調(diào)的矩形波，其占

17、空比受 Uco控制。SG3525 是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通 用性強的單片集成 PWM 控制芯片，它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動為推 拉輸出形式，增加了驅(qū)動能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM 鎖存器，有過流保護功能，頻率可調(diào)，同時能限制最大占空比。 直流電源 Vs 從腳 15 接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準電 壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的元器件作為電源。振蕩器腳 5 須外接電容 CT， 腳 6 須外接電阻 RT。振蕩器頻率由外接電阻 RT 和電容 CT 決定， 振蕩器的 輸出分為兩路，一路以時鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個或非門；另一路以 鋸齒波形式送至比

18、較器的同相輸入端，比較器的反向輸入端接誤差放大器的輸出， 誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進行比較，輸出一個隨誤差放大器輸 出電壓高低而改變寬度的方波脈沖，再將此方波脈沖送到或非門的一個輸入端。 或非門的另兩個輸入端分別為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩 個輸出互補，交替輸出高低電平，將 PWM 脈沖送至三極管 VT1 及 VT2 的基極， 鋸齒波的作用是加入死區(qū)時間，保證 VT1 及 VT2 不同時導通。最后，VTl 及 VT2 分別輸出相位相差為 180的 PWM 波。 本電源輸入電壓是由帶隔離變壓器的+30V 電源提供， 選用 SG3525 設計 的 DCDC 直流變換

19、器原理圖。性能指標是：輸入電壓為 DC2435V 可調(diào)，輸 入額定電壓為 30V，輸出為 5V/lA。本系統(tǒng)由 SG3525 產(chǎn)生兩路反向方波來控制 MOSFET 的導通與關閉，MOSFET 驅(qū)動采用推挽方式，本設計在變壓器的中心 抽頭加入 30V 直流電壓，輸出部分采用全波整流，在輸出點上有分壓電阻給 TL431 提供參考電壓，并通過光電隔 離反饋到 SG3525，以調(diào)節(jié)控制輸出方 波占空比來穩(wěn)定輸出電壓。由于本設計采用推挽式功率變換電路，在輸入回路中 僅有一個開關的通態(tài)壓降，而半橋和全橋電路有 2 個，因此在同樣的條件下，產(chǎn) 生的通態(tài)損耗較小，這種拓撲特別適合輸入電壓較低的場合，這也是本設

20、計為什 么采用推挽變換器的原因。其中的變壓器可同時實現(xiàn)直流隔離和電壓變換的功能， 磁性元件數(shù)目較少，成本較低。 本科生課程設計（論文） 8 下圖為 SG3525 控制電路電路原理圖： 圖圖 2.2.4.1 SG3525 控制電路原理圖控制電路原理圖 本科生課程設計（論文） 9 2.2.5 保護電路設計 抑制過電壓的方法：用非線性元件限制過電壓的副度，用電阻消耗生產(chǎn)過電 壓的能量，用儲能元件吸收生產(chǎn)過電壓的能量。 對于非線性元件，不是額定電壓小，使用麻煩，就是不宜用于抑制頻繁出現(xiàn) 過電壓的場合。所以我們選用用儲能元件吸收生產(chǎn)過電壓的能量的保護。使用 RC 吸收電路，這種保護可以把變壓器繞組中釋放

21、出的電磁能量轉(zhuǎn)化為電容器的 電場能量儲存起來。由于電容兩端電壓不能突變，所以能有效抑制過電壓，串聯(lián) 電阻消耗部分產(chǎn)生過電壓的能量，并抑制 LC 回路的震動。 晶閘管的過電壓保護晶閘管的過電壓保護 晶閘管的過電壓能力較差，當它承受超過反向擊穿電壓時，會被反向擊穿而 損壞。如果正向電壓超過管子的正向轉(zhuǎn)折電壓，會造成晶閘管硬開通，不僅使電 路工作失常，且多次硬開關也會損壞管子。因此必須抑制晶閘管可能出現(xiàn)的過電 壓，常采用簡單有效的過電壓保護措施。 對于晶閘管的過電壓保護可參考主電 路的過電壓保護，我們使用阻容保護，如圖 2.2.5.1 所示。 圖圖 2.2.5.1 阻容保護阻容保護 晶閘管的過電流保

22、護晶閘管的過電流保護 常見的過電流保護有：快速熔斷器保護，過電流繼電器保護，直流快速開關 過電流保護。 快速熔斷器保護是最有效的保護措施；過電流繼電器保護中過電流繼電器開 關時間長（只有在短路電流不大時才有用；直流快速開關過電流保護功能很好， 但造價高，體積大，不宜采用。如圖 2.2.5.2 所示。 本科生課程設計（論文） 10 圖圖 2.2.5.2 快速熔斷器保護電路快速熔斷器保護電路 2.3 元器件型號選擇 本科生課程設計（論文） 11 2.4 系統(tǒng)調(diào)試或仿真、數(shù)據(jù)分析 本科生課程設計（論文） 12 第 3 章 課程設計總結(jié) 本科生課程設計（論文） 13 參考文獻 1 王兆安主編.電力電子技術.第四版.北京：機械工業(yè)出版社,2003 2 郝萬新主編.電力電子技術.化學工業(yè)出版社, 2002 3 孟志強主編.電力電子技術.晶閘管中頻感應逆變電源的附加振蕩啟動方法, 2003.6 4 呂宏主編.電力電子技術.感應加熱電源的 PWM-PFM 控制方法, 2003.1 5 吳雷主編.電力電子技術.基于 VTSP 大功率中頻感應焊機的研究, 2003.4 6 李金剛主編電力電子技術.基于 VTSP 感應加熱電源頻率跟蹤控制的實現(xiàn), 2003.4