W单端反激开关电源设计.doc

辽 宁 工 业 大 学 电力电子技术课程设计 论文 题目 20W单端反激开关电源设计 院 系 电气工程学院 专业班级 学 号 学生姓名 指导教师 签字 起止时间 2012 12 31至2012 1 11 课程设计 论文 任务及评语 院 系 电气工程学院 教研室 电气 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 学 号 学生姓名 专业班级 课程设计题目 20W单端反激开关电源设计 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 为小功率电子设备如影碟机 CD 机 移动硬盘等提供 12V 稳定的直 流电压 以取代低效率的线性稳压电源 减小电源的体积和重量 设计任务 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 通过计算选择器件的具体型号 5 驱动电路设计或选择 6 绘制相关电 路图 要求 1 文字在 4000 字左右 2 文中的理论分析与计算要正确 3 文中的图表工整 规范 4 元器件的选择符合要求 技术参数 1 输入电压单相170 260V 2 输入交流电频率45 65HZ 3 输出 直流电压12V恒定 4 输出直流电流2A 5最大功率 25W 6 稳压精度 直流输出电压整定值的1 进度计划 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 总成绩 指导教师签字 年 月 日 摘 要 摘要也称内容提要 概括研究题目的主要内容 特点 文字要精练 中文摘 要一般不少于 200 字 外文摘要的内容应与中文摘要相对应 关键词 关键词 1 关键词 2 关键词 3 关键词 4 注意 关键词不少于 2 个 黑体小二 居中 行间距 20 磅 小四宋体 小四黑体 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 电力电子技术概况 1 1 2 本文设计内容 1 第 2 章 20W 单端反激开关电源设计 2 2 1 20W 单端反激开关电源设计总体设计方案 2 2 2 具体电路设计 2 2 2 1 主电路设计 2 2 2 2 整流电路设计 3 2 2 3 单端反激电路设计 5 2 2 4 控制电路设计 7 2 2 5 保护电路设计 7 2 3 元器件型号选择 8 2 4 系统调试或仿真 数据分析 9 第 3 章 课程设计总结 10 参考文献 11 第 1 章 绪论 1 1 电力电子技术概况 结合设计概括发展技术 电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术 就是使用电力电子器件 如晶 闸管 GTO IGBT 等 对电能进行变换和控制的技术 电力电子技术所变换的 电力 功 率可大到数百 MW 甚至 GW 也可以小到数 W 甚至 1W 以下 和以信息处理为主的信息电 子技术不同电力电子技术主要用于电力变换 电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两 大分支 通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术 电力电子技术是应 用于电力领域的电子技术 具体的说 就是使用电力电子器件对电进行变换和控制的技术 目前所用的电力电子器件均用半导体制成 故也称为电力半导体器件 电力电子技术所变换 的 电力 功率可以大到数百 MW 甚至 GW 也可以小到数 W 甚至 1W 以下 信息电子技 术主要用于信息处理 而电力电子技术则主要用于电力变换 电力电子涉及由半导体开关启 动装置进行电源的控制与转换领域 半导体整流控制 半导体硅整的小型化等的出现 产生 一个新的电力电子应用领域 半导体硅整流 汞弧整流器应用于控制电源 但是这样的整流 回路只是工业电子的一部分 对于汞弧整流器应用范围而言是有局限的 半导体硅整流的应 用涉及很多领域 如汽车 电站 航空电子 高频变频器等 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 随着电力电子技术的发展和创新 使得开关电源技术也在不断地 创新 目前 开关电源以小型 轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子 设备 是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式 带隔离的直流 直流变流电路 同直流斩波电路相比 直流变流电路增加了 交流环节 因此也称直 交 直电路 该电路分为单端正激电路 单端反激电路 半桥电路 全桥电路 推挽电路五大类型 本文中将采用单端反激电路作为直流 直流部分的电力变换电路 1 2 本文设计内容 单端反激开关电路在日常生活中得到了广泛应用 为小功率电子设备如影碟 机 CD 机 移动硬盘等提供 12V 稳定的直流电压 以取代低效率的线性稳压电 源 减小电源的体积和重量 本文在设计中 将包括 方案的经济技术论证 整 流电路设计 逆变电路设计 通过计算选择器件的具体型号 驱动电路设计或选 择 绘制相关电路图 共六部分 其中 输入电压单相 170 260V 在此选择 220V 输入交流电频率 45 65Hz 在此选择 50Hz 输出直流电压 12V 恒定 输 出直流电流 2A 最大功率 25W 稳压精度 直流输出电压整定值的 1 R11k D12N1595 D22N1595 D32N1595 D42N1595 T1 NLT PQ 4 10 V1 220 Vrms 50 Hz 0 L11GH 7 6 5 4 3 C11F T2 NLT PQ 4 10 D5 1BH62 C21F XSC1 A B Ext Trig Q12N6975 1110 12 8 1 2 第 2 章 20W 单端反激开关电源设计 2 1 20W 单端反激开关电源设计总体设计方案 整流 电路 高频 逆变 直流 高频交流 变压 器 高频交流交流 整流 电路 脉动直流 滤波 器 直流 图 2 1 20W 单端反激开关电源设计总体设计方案图 输入端输入电压为 220V 频率为 50Hz 的交流电 经过单相桥式整流桥整流 后产生低频直流电压 再经高频逆变电路产生高频交流电压 通过高频变压器 输出高频交流信号 再次由整流电路整流后输出脉动直流信号 最后经电容滤波 器滤波后 产生最终所需要的 12V 直流电信号 用以驱动负载 具体的 整流电路部分由单相桥式整流电路整流 输出直流电信号后 通过 带隔离的直流 直流变流电路中的单端反激电路 最终输出 12V 直流电信号 2 2 具体电路设计 2 2 1 主电路设计 2 2 1 1 主电路电路图 图 2 2 1 主电路电路图 R11k D12N1595 D22N1595 D32N1595 D42N1595 T1 NLT PQ 4 10 1 2 V1 220 Vrms 50 Hz 0 3 4 L11GH 5 10 11 2 2 1 2 主电路说明 由函数信号发生器产生出 220V 50Hz 的正弦电信号 经变压器变压后 通 过单相桥式整流电路后产生直流信号 经 R 1k L 趋于无穷大的电感负载后 整流完毕 主电路后部分为单端反激电路 其开关 S 由一个晶闸管 VT5 代替 并对晶闸 管施加空占比为 50 的方波脉冲信号 以触发晶闸管导通 变压器 T2 为高频变 压器 输出高频交流信号经 VT6 整流为脉动直流 再经电容 C2 滤波后 即输出 12V 直流信号 2 2 2 整流电路设计 2 2 2 1 整流电路设计图 图 2 2 2 1 整流电路电路图 2 2 2 2 整流电路说明 在单相桥式全控整流电路中 晶闸管 VT1 VT4 和晶闸管 VT2 VT3 各组成 一对桥臂 在 U2 正半周 若 4 个晶闸管均不导通 负载电流 iVT 为零 u VT 也为 零 VT1 VT4 串联承受电压 U2 设 VT1 和 VT4 的漏电阻相等 则各承受 U2 一 半的电压 若在触发角 a 处给 VT1 VT4 加触发脉冲 VT1 VT4 即导通 电流 从电源 a 端经 VT1 R VT4 流回电源 b 端 当 U2 过零时 流经晶闸管的电流也 降低到零 VT1 和 VT4 关断 在 U2 负半周 任然在触发角 a 处触发 VT2 VT3 VT2 VT3 导通 电流从 电源 b 端经 VT3 R VT2 流回电 源 a 端 当 U2 过零时 流经晶闸管 的电流也降低到零 VT2 和 VT3 关 断 此后有事 VT1 和 VT4 导通 如此循环地工作下去 整流电压 UVT 和晶闸管 2 VT1 VT4 两端电压波形分别如下图所示 晶闸管承受的最大正向电压和反向电 压分别为 和 2U 波形图 图 2 2 2 2 桥式整流电路输出波形图 整流电路将幅值为 220V 频率 50Hz 的正弦交流电转换成直流信号 其电压 VUd198 20 cos9 02 C11F T1 NLT PQ 4 10 D1 1BH62 C21F 2 XSC1 A B Ext Trig 4 Q12N6975 5 6 1 3 幅值为 2 2 3 单端反激电路设计 2 2 3 1 单端反激电路说明 图 2 2 3 1 反激电路原理图 图 2 2 3 1 反激电路工作波形 上图为单端反激电路原理图及波形图 反激电路中的变压器起着储能元件的 作用 可以看作是一对相互耦合的电感 IGBT 导通后 D1 处于断态 绕组 W1 的电流线性增长 电感储能增加 IGBT 关断后 绕组 W1 的电流被切断 变压器中的磁场能量通过绕组 W2 和 D1 向输出端释放 IGBT 关断后的电压为 反激电路可以工作在电流断续和电流连续两种模式 1 如果当 IGBT 开通时 绕组 W2 中的电流尚未下降到零 则成电路工 作于电流连续模式 2 如果 IGBT 开通前 绕组 W2 中的电流已经下降到零 则称电路工作 于电流断续模式 当工作于电流连续模式时 当电路工作在断续模式时 输出电压高于上式的计算值 并随负载减小而升 高 在负载为零的极限情况下 U o 趋向无穷 这将损坏电路中的元件 因此反激 电路不应该工作于负载开路状态 2 2 3 2 单端反激电路参数计算 oisUN21 ofniotNU12 2 2 4 控制电路设计 控制电路以专用 PWM 控制芯片 SG3525 为核心构成 控制电路输出占空比 可调的矩形波 其占空比受 Uco 控制 SG3525 是一种性能优良 功能齐全和通 用性强的单片集成 PWM 控制芯片 它简单可靠及使用方便灵活 输出驱动为推 拉输出形式 增加了驱动能力 内部含有欠压锁定电路 软启动控制电路 PWM 锁存器 有过流保护功能 频率可调 同时能限制最大占空比 直流电源 Vs 从脚 15 接入后分两路 一路加到或非门 另一路送到基准电 压稳压器的输入端 产生稳定的元器件作为电源 振荡器脚 5 须外接电容 CT 脚 6 须外接电阻 RT 振荡器频率由外接电阻 RT 和电容 CT 决定 振荡器的 输出分为两路 一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门 另一路以 锯齿波形式送至比较器的同相输入端 比较器的反向输入端接误差放大器的输出 误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较 输出一个随误差放大器输 出电压高低而改变宽度的方波脉冲 再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端 或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波 双稳态触发器的两 个输出互补 交替输出高低电平 将 PWM 脉冲送至三极管 VT1 及 VT2 的基极 锯齿波的作用是加入死区时间 保证 VT1 及 VT2 不同时导通 最后 VTl 及 VT2 分别输出相位相差为 180 的 PWM 波 本电源输入电压是由带隔离变压器的 30V 电源提供 选用 SG3525 设计 的 DC DC 直流变换器原理图 性能指标是 输入电压为 DC24 35V 可调 输 入额定电压为 30V 输出为 5V lA 本系统由 SG3525 产生两路反向方波来控制 MOSFET 的导通与关闭 MOSFET 驱动采用推挽方式 本设计在变压器的中心 抽头加入 30V 直流电压 输出部分采用全波整流 在输出点上有分压电阻给 TL431 提供参考电压 并通过光电隔 离反馈到 SG3525 以调节控制输出方 波占空比来稳定输出电压 由于本设计采用推挽式功率变换电路 在输入回路中 仅有一个开关的通态压降 而半桥和全桥电路有 2 个 因此在同样的条件下 产 生的通态损耗较小 这种拓扑特别适合输入电压较低的场合 这也是本设计为什 么采用推挽变换器的原因 其中的变压器可同时实现直流隔离和电压变换的功能 磁性元件数目较少 成本较低 下图为 SG3525 控制电路电路原理图 图 2 2 4 1 SG3525 控制电路原理图 2 2 5 保护电路设计 抑制过电压的方法 用非线性元件限制过电压的副度 用电阻消耗生产过电 压的能量 用储能元件吸收生产过电压的能量 对于非线性元件 不是额定电压小 使用麻烦 就是不宜用于抑制频繁出现 过电压的场合 所以我们选用用储能元件吸收生产过电压的能量的保护 使用 RC 吸收电路 这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的 电场能量储存起来 由于电容两端电压不能突变 所以能有效抑制过电压 串联 电阻消耗部分产生过电压的能量 并抑制 LC 回路的震动 晶闸管的过电压保护 晶闸管的过电压能力较差 当它承受超过反向击穿电压时 会被反向击穿而 损坏 如果正向电压超过管子的正向转折电压 会造成晶闸管硬开通 不仅使电 路工作失常 且多次硬开关也会损坏管子 因此必须抑制晶闸管可能出现的过电 压 常采用简单有效的过电压保护措施 对于晶闸管的过电压保护可参考主电 路的过电压保护 我们使用阻容保护 如图 2 2 5 1 所示 图 2 2 5 1 阻容保护 晶闸管的过电流保护 常见的过电流保护有 快速熔断器保护 过电流继电器保护 直流快速开关 过电流保护 快速熔断器保护是最有效的保护措施 过电流继电器保护中过电流继电器开 关时间长 只有在短路电流不大时才有用 直流快速开关过电流保护功能很好 但造价高 体积大 不宜采用 如图 2 2 5 2 所示 图 2 2 5 2 快速熔断器保护电路 2 3 元器件型号选择 2 4 系统调试或仿真 数据分析 第 3 章 课程设计总结 参考文献 1 王兆安主编 电力电子技术 第四版 北京 机械工业出版社 2003 2 郝万新主编 电力电子技术 化学工业出版社 2002 3 孟志强主编 电力电子技术 晶闸管中频感应逆变电源的附加振荡启动方法 2003 6 4 吕宏主编 电力电子技术 感应加热电源的 PWM PFM 控制方法 2003 1 5 吴雷主编 电力电子技术 基于 VTSP 大功率中频感应焊机的研究 2003 4 6 李金刚主编 电力电子技术 基于 VTSP 感应加热电源频率跟踪控制的实现 2003 4