电力电子专业课程设计.doc

直流开关电源设计一、设计目 1、把从电力电子技术及其他先修课程（电工基本、电子技术、电机学等）中所学到理论和实践知识，在课程设计实践中全面综合加以运用，使这些知识得到巩固、提高，并使理论知识与实践技能密切结合起来。 2、初步树立起对的设计思想，掌握普通电力电子电路设计基本办法和技能，培养观测、分析和解决问题及独立设计能力，训练设计构思和创新能力。 3、培养具备查阅参照文献和技术资料能力，能熟悉或较熟悉地应用有关手册、图表、国标，为此后成为一名合格电气工程技术人员进行必要基本技能和基本素质训练。二、 设计任务 设计规定：1、设计主电路，建议主电路为：整流某些是桥式二极管整流，大电容滤波，DC/DC某些采用半桥变换器，主功率管用MOSFET；2、选取主电路所有图列元件，并给出清单；3、设计MOSFET驱动电路及控制电路； 4、绘制装置总体电路原理图，绘制：单相桥式整流电路各点电压波形；MOSFET驱动电压、全桥电路中各元件电压、电流以及输出电压波形（将波形分别汇总绘制，注意相应关系）； 5、编制设计阐明书、设计小结。三、 重要技术参数； 技术参数：装置输入电源为单相工频交流电源（220V+20），输出电压Vo=24V，输出电流Io=5A，最大输出纹波电压100mV，工作频率f=100kHz。1、 拟定变比K Vo是输出电压，VD是输出整流二极管通态压降，VLf是输出滤波电感上直流压降 。VLf=0.5V2、 滤波电感计算 经验算法普通选取输出滤波电感电流脉动为最大输出电流20%，这样本模块电源输出滤波电感电流脉动可选为Io *20%，也就是当输出电流在IOmin= Io *10%时应保证输出滤波电感电流持续，输出滤波电感可按下式计算： 3、 滤波电容计算由下式拟定输出滤波电容大小： V为输出电压最大纹波值四、设计内容1、开关电源基本原理开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件占空比调节输出电压，开关电源基本构成如图1-1所示，DC-DC变换器是进行功率变换器件，是开关电源核心部件，此外尚有启动电路、过流与过压保护电路、噪声滤波器等构成某些。反馈回路检测其输出电压，并与基准电压比较，其误差通过误差放大器进行放大，控制脉宽调制电路，再通过驱动电路控制半导体开关通断时间，从而调节输出电压。其构造图如图1-1所示。DC/DC变换器V1 V0取样 比较放大参照电压PWM驱动器 图1-1 开关电源构造图2、 整流电路设计整流是将交流电变成脉动直流电过程。电源变压器输出交流电经整流电路得到一种大小变化但方向不变脉动直流电。整流电路是由具备单向导电性元件例如二极管、晶间管等整流元件构成。2.1整流电路选取单相整流电路有两种：电容输入型电路和扼流圈输入型电路两种基本电路比较如下：(1)开关电源多采用脉宽调制方式，空载时开关晶体管导通时间非常短。其导通时间随开关电源设计办法不同而异，也有采用控制开关晶体管电路延时进行间歇开关工作，这时，若采用扼流圈输入型整流电路，接近空载时，扼流固变为临界值，逆流电路由扼梳阂输入型变为业为电容输入型。为此，从满载到空载变动时，整流输出电压变动较大，空载时有也许进入间歇开关领域。(2)开关电源特点是效率高而体积小，若使用扼流圈时，为提高负载调节率需要接入扼流圈以及阻尼电阻。(3) 扼流圈也许与次级侧滤波回路产生谐振。因而，开关电源输入整流电路采用电容输入型。2.1.1单相半波整流电路单相半波整流电路是最简朴整流电路如图2-1(a)所示，仅运用一种二极管来实现整流功能,其波形如图2-1（b）所示。单相半波整流电路输出电压平均值为：（为变压器副边输出电压有效值） 图2-1（a） 单相半波整流电路图2-1（b） 单相半波整流电路波形2.1.2单相桥式整流电路单相半波整流电路缺陷是只运用了电源半个周期，输出电流较小，同步整流电压脉动较大。全波整流电路可以克服这些缺陷，其中最惯用是单相桥式整流电路，它是由四个二极管接成电桥形式构成。可以看到，四个二极管分为两组，正负半周轮流导通，但负载上电流方向不变，此即为全波整流。单相半波整流电路如图2-2（a）所示，其波形如图2-2（b）所示。 图2-2（a） 单相桥式整流电路 图2-2（b） 单相桥式整流电路波形单相桥式整流电压平均值为：（为变压器副边输出电压有效值）,比半波整流输出电压高。因而，整流电路选用单相桥式整流电路。2.3 参数计算以及元器件选型输出功率如果考虑变压器效率80%，则整流电路输出功率应为：则可以设定整流电路输入电压，输出电压100V、电流1.5A。2.3.1整流管参数计算变压器副边输出电压有效值，则 二极管最大反向电压：二极管平均电流：二极管电流有效值： 在考虑安全裕量状况下，二极管额定电压： 二极管额定电流： 选用1N4004/A整流二极管，最高反向工作电压为400V,额定工作电流为1.0A，正向压降为1V。 2.3.2 滤波电容参数计算整流电路负载RL=U0/I0=198V/0.76A=260 在工程中，普通取由于则选用、耐压为200V极性电解电容。3、 DC/DC变换器设计 DC/DC变换器进行功率变换，是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件占空比来调节输出电压，将固定直流电压变换成可变直流电压，也称为直流斩波，它是开关电源核心某些，开关电源DC/DC变换器有各种电路方式，常有有工作波形为方波脉宽调制（PWM）变换器以及工作波形为正弦波谐振变换器。基本工作原理如图3-1所示。 图3-1 DC/DC变换器基本原理图 3.1 功率转换电路选取PWM型稳压电源功率转换电路有全桥、半桥等。 3.2.2 全桥式功率转换电路工作原理是：当一组开关晶体管（例如VT1、VT4）)寻通时，截止晶体管(VT2、VT3)上加电压即为输入电压VI。当所有晶体管截止时，同臂上两只开关晶体管共同承受输入电压即VI/2。由高频变压器漏感引起电压尖峰，当其超过输入电压时，反向并接在开关晶体管集射之间告诉续流二极管便导通，集电极电压被钳位在输入电压上。全桥式功率转换电路如图3-2所示。它缺陷是：使用4只开关晶体管，需要4组彼此隔离基极驱动电路，电路复杂，元器件多。3.2.3 半桥式功率转换电路工作原理是：当一对开关晶体管管截止时，若电容C01和C02容量相等并且电路对称，则电容中点A电压为输入电压半，即为VC01=VC02=VI/2。当VT1被勉励导通时，电容C01将通过VT1，和变压器T1初级绕组N1放电，同步，电容C02则通过输入电源、VT1和VI初级绕组Nl充电、中点A电位在充放电过程中将按指数规律下降。在VTl导通终了时，VA将下降至VI/2VI；接着是一对晶体管都截止期间，此时，VCE1=VC01，VCE2=VC02都接近输入电源电压一半；当VT2勉励导通时，电容C01将被充电，电容C02将放电，中点A电位在VT2导通终了时将增至VI/2+VI，即中点A电位在开关过程中将在VI/2电位上以VI幅度作指数变化。当一种晶体管导通时，截止晶体管上加电压约为等于输入电压，晶体管由导通转为截止过程中，漏感引起尖峰电压被二极管钳位，因而，开关管上承受最高电压不超过电源电压。并且，晶体管数量只是全桥式一半，这是其长处。但要得全桥和推挽式电路相似输出功率，开关晶体管必要流经两倍电流，因而，普通适当获得中档功率输出。半桥式功率转换电路具备抗不平衡能力。为此，获得其广泛应用。本次课程设计也选用半桥式功率转换电路。3.2 参数计算以及元器件选型 3.2.1整流输出二极管参数计算 二极管最大反向电压： 二极管平均电流： 二极管电流有效值： 二极管额定电压： 二极管额定电流： 选用6A1二极管，,额定工作电流为6A，正向压降为0.95V。 3.2.2拟定变比K Vo是输出电压，VD是输出整流二极管通态压降，VLf是输出滤波电感上直流压降 。VLf=0.5V代入数据得：3.2.3滤波电感计算 经验算法普通选取输出滤波电感电流脉动为最大输出电流20%，这样本模块电源输出滤波电感电流脉动可选为Io *20%= 1 A，也就是当输出电流在IOmin= Io *10%= 0.5 A时应保证输出滤波电感电流持续，输出滤波电感可按下式计算： 代入数据得： 3.2.4滤波电容计算 规定输出电压最大纹波值为V= 100 mV，则可由下式拟定输出滤波电容大小： 代入数据得： 3.2.5开关管选取开关电源开关管有功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOS FET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。绝缘栅双极晶体管（IGBT）集功率晶体管（GTR）和功率场效应晶体管（MOS FET）长处在一身，既有功率晶体管（GTR）输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简朴等长处，又具备功率场效应晶体管（MOS FET）通态电压低、耐压高和承受电流大等长处。因而，选用绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为开关元件。4、 驱动电路设计 4.1 功率MOSFET驱动特点与类型 4.1.1栅极驱动特点功率场效应晶体管(Power MOSFET)，是一种多子导电单极型电压控制器件，具备开关速度快，高频性能好，输入阻抗高，驱动功率小，热稳定性优良，无二次击穿问题，安全工作区宽和跨导线、性度高等明显特点，在线性放大技术领域及各类巾小功率开关电路中得到极为广泛应用。 功率MOSFET栅极输入端相称于一种容性网络，因而功率MOSFET导通后即不再需要驱动电流。抱负栅极驱动电路等效电路如图4一l所示。图中Sl为等效开通开关SI闭合后接通充电回路。S2为等效关断开关，S2控制输入电容C。放电过程。Sj和S2在任意时刻总是处在一种闭合，另一种断开相反状态。不论开通时电路等效电阻R。和关断时电路等效电阻凡Ir大小，也不论充电速度如何，开通期间传播能量及关断时能量损耗完全由器件输入电容Ci。和栅源间电压UGs大小所决定，而与R。值和栅极电流大小无关。 图4-1 抱负栅极驱动电路等效电路 功率MOSFET对栅极驱动电路规定重要有： (1)触发脉冲要有足够快上升和下降速度，即脉冲先后沿规定陡峭； (2)开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电荷提供低电阻放电回路，以提高功率MOSFET开关速度；(3)为了使功率MOSFET可靠触发导通，触发脉冲电压应高于管子启动电压。为了防止误导通，在功率MOSFET截止时最佳能提供负栅源电压：功率MOSFET开关时所需要驱动电流为栅极电容充放电电流。功率MOSFET极间电容越大，在开关驱动中所需驱动电流也越大。为了使开关波形具备足够上升和下降速度，驱动电流要有较大数值。4.1.2驱动电路类型栅极驱动电路有各种形式，以驱动电路与栅极连接方式来分则有：直接驱动和隔离驱动。直接驱动分为TTL和CMOS两种驱动方式，隔离驱动分为电磁隔离和光耦隔离两种。4.2 SG3525-常规PWM控制器4.2.1 引脚封装SG3525引脚封装排列如图4-2所示。 图4-2 SG3525引脚排列图4.2.2 引脚功能各引脚功能如下：1、2引脚分别为互差放大器反相输入端和同相输入端，3脚为同步输出端，4脚为振荡器输出，5、6脚分别接内部振荡器时基电容和电阻，7脚接放电电阻，8脚为软启动，9脚为误差放大器频率补偿端，lO脚为关断控制端，用于实现限流控制，11、14脚为输出端，l2脚为接地端，l3脚接输出管集电极电源，l5脚接SG3525工作电源，l6脚为51v基准电压引出端。 4.2.3 SG3525工作波形图4.3 控制及驱动电路设计采用SG3525PWM控制器作为控制芯片，其外围电路如图4-3所示。 图4-3 SG3525及外围电路 SG352511、14引脚输出两路互补PWM波，后接放大电路、驱动MOSFET管，其电路图如图4-4所示。 图4-4 驱动电路四、设计小结 为期两周课程设计将要结束了。在这两周学习中，我学到了诸多，也找到了自己身上局限性。感受良多，获益匪浅。 这次课程设计对于我来说有着深刻意义。这种意义不光是自己可以独立完毕了设计任务，更重要是在这段时间内使自己深刻感受到设计工作那份艰难。而这份艰难不但仅体当前设计内容与过程中为了精益求精所付出艰辛，更重要是背负恶劣天气所付出决心与毅力!通过这次课程设计，使我懂得了理论与实际相结合五、参照文献