电力电子课程设计全桥型开关稳压电源设计.doc

电力电子课程设计说明书

全桥型开关稳压电源设计

院 、 部： 电气与电子工程信息学院
学生姓名：
指导教师： 职称 副教授
专 业： 电气工程及其自动化
班 级：
完成时间： 2014年6月

摘 要

本次课程设计了一台输出电压为48V稳压范围宽、大功率的全桥型开关稳压电源、并给出了设计波形图。
该课程设计主要运用了软开关PWM技术。给出了全桥整流电路、逆变电路驱动电路、控制电路的具体设计方法。本全桥型开关稳压电源最大功率达1000W，输出电流约为20A，设计采用了AC／DC／AC／DC变换方案。一次整流后的直流电压，经过有源功率因数校正环节以提高系统的功率因数，再经全桥变换电路逆变后，由高频变压器隔离降压，最后整流输出直流电压。
在设计中首先画出主电路图，主电路图由整流电路、逆变电路组成。全桥电路的开关元件使用的是MOSFET。全桥移相电路采用UC3875控制芯片，并作数据处理，MATLAB仿真作出了不同角度的仿真波形图。并说明其工作原理，再通过基本计算，选择触发电路和保护电路的结构以及晶闸管的型号和变压器的变比及容量，完成本设计的任务。

关键词 ：开关电源；全桥；PWM控制电路；整流；逆变；高频变压器

ABSTRACT

The curriculum design a output voltage 48V voltage wide range, high power full bridge switch regulated power supply and given the waveform diagram is designed.
This course design mainly uses the soft switch PWM technology. The design method of the circuit and the control circuit of the whole bridge rectifier circuit and the inverter circuit are given.. The full bridge switch regulated power supply maximum power up to 1000W, output current is about 20a, designed using AC / DC / AC / DC converter scheme. A rectified DC voltage, by means of active power factor correction link to improve the power factor of the system, again after full bridge converter inverter circuit, by the high frequency transformer isolated buck. Finally, the output DC voltage.
In the design, the main circuit diagram is drawn, the main circuit diagram is composed of the rectifier circuit and the inverter circuit.. The switching element of the whole bridge circuit is MOSFET. The full bridge phase shifted circuit uses UC3875 control chip, and data processing, MATLAB simulation to make a different angle of the simulation waveforms. And explain its working principle, again through the basic calculation, select trigger circuit and protection circuit structure and thyristor model and transformer ratio and capacity, complete the design task.
Key words switching power supply; full bridge; PWM control circuit; rectifier; inverter; HF transformer

目 录

第一章 绪论…………………………………………………………………………1
1.1 开关电源概况………………………………………………………………1
1.2 本文设计内容………………………………………………………………2
第二章 开关稳压电源电路设计……………………………………………………3
2.1 开关稳压电源总体设计方案……………………………………………3
2.1.1 全桥稳压电路总体结构图及其说明……………………………3
2.1.2 总体方案论证……………………………………………………3
2.2 开关稳压电源具体电路设计…………………………………………3
2.2.1 整流电路设计……………………………………………………3
2.2.2 逆变电路设计……………………………………………………4
2.2.3 驱动电路设计……………………………………………………5
2.2.4 全桥移相开关控制电路…………………………………………5
2.3 高频变压器变比及容量……………………………………………………8
2.4 系统仿真及波形……………………………………………………………9
2.4.1 MATLAB仿真软件介绍……………………………………………9
2.4.2 仿真电路图………………………………………………………10 2.4.3 仿真分析…………………………………………………………11
第三章 课程设计总结…………………………………………………………14
参考文献……………………………………………………………………………15
致谢…………………………………………………………………………………17

第一章 绪论

1.1开关电源概况

随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。
开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在安防监控，节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。
现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。直流开关电源的核心是DC/DC转换器。直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类：一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器；另一类是没有隔离的称为非隔离 式DC/DC转换器。
开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。
根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中，变压器式开关电源还可以进一步分成：推挽式、半桥式、全桥式等多种；根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、单激式和双激式等多种；如果从用途上来分，还可以分成更多种类。

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1.2本文设计内容
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。
开关型稳压电源是由全波整流器，开关管，激励信号，续流二极管，储能电感和滤波电容组成。实际上，开关稳压电源的核心部分是一个直流变压器。“开关型稳压电源”与“串联调整型稳压电源”相比，以其高效节能；适应市电变化能力强；输出电压可调范围宽；一只开关管可方便地获得多组电压等级不同的电源；体积小，重量轻等诸多优点，而被广泛地得到采用。
本实验由主电路、整流电路、逆变电路、控制电路、驱动电路组成。再设计中运用了电压驱动全控器件MOSFET来设计主电路，它具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快、开关频率高等优点。并配以整流电路和逆变电路。改变开关的占空比，就可以输出电压的平均值，我们知道当S1导通时，输出整流二极管D1导通；反之，S2导通时，二极管D2导通。当SI、S2都关断且电感电流连续时，D1、D2同时导通续流，开关元件断态时承受的峰值电压是Ure全桥电路不容易发生变压器的偏磁和直流饱和现象。

第二章 开关稳压电源电路设计
2.1开关稳压电源总体设计方案
2.1.1全桥稳压电路总体结构图及其说明
高频
整流
高频
逆变
整流
电路

滤波器
变压器

图2.1 全桥型开关稳压电源的基本结构
电流经过整流后变为直流，再经过高频逆变变为交流，再经过高频整流到直流，最后经过滤波得到所需的直流。
2.1.2总体方案论证
由于开关稳压电源的调整工作于开关状态，导通时管压降很小截止电流几乎为零，因此工作时管耗很小使开关电源的效率很高，通常在8O%左右，而线性电源一般效率低于50%。由于开关电源的开关元件的工作频率很高，通常在几十KHz至几百KHz范围，因此电路中所使用的都是高频变压器其体积重量都很小，而且大多数开关电源都省去工频变压器由电网工频直接整流滤波，所以开关电源比同功率的线性电源其体积重量都小得多。由丁开关电源的输出电压是由脉冲波形的占空比调节的，受输入电压幅度的影响较小，所以它的稳定范围很宽，对电网电压要求较低一般电网电压从140V--260V开关电源均可工作而线性电源一般允许电网电压波动正负10%，另电网电压频率变化4%时开关电源仍可工作。
2.2开关稳压电源具体电路设计
2.2.1整流电路设计

图2.2 输入整流滤波电路图
整流滤波电路，主要有两部分组成：整流桥和滤波电路。
2.2.2逆变电路设计

图2.3 逆变电路设计图
如图2-2，采用电压型逆变电路，它有四个桥，可以看成由两个半桥电路组合而成，把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，组成的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180度，其特点为：直流侧为电压源或并联有大电容，交流侧输出波形为方波，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。
2.2.3驱动电路设计

图2.4 驱动电路图

电流经过整流后变为直流，再经过高频逆变变为交流，再经过高频整流变为直流，最后经过滤波得到想要的直流，再传给负载。
2.2.4全桥移相开关控制电路

图2.5 全桥移相开关控制电路图

在DC/DC变换器中，则多采用以全桥移相控制软开关PWM变换器，它是直流电源实现高频化的理想拓扑之一，尤其是在中、大功率变换器应用场合。用软开关技术实现的DC/DC变换器其效率可达90%以上。
UC3875控制芯片：UC3875是用于移相全桥型软开关电源控制的集成PWM控制器，可对全桥型开关的相位进行相位移动，实现定频脉宽调制控制。UC3875其外形有20引脚封装和28引脚封装，
UC3875内部结构方框图如下：

图2.6 UC3875内部结构方框图

UC3875外接控制电路：

图2.7 UC3875外部控制电路图

UC3875软开关电源移项PWM控制集成电路，对两个半桥开关电路的相位进行移动控制，实现半桥功率级的恒频PWM控制，借助开关器件的输出电容充放电，在输出电容放电结束的状态下完成零电压开通。相位控制的特点体现在UC3875的4个输出端分别驱动A/B、C/D两个半桥，都能单独进行导通延时的调节控制，在该死区时间内确保下一个导通管的输出电容放电完毕，为即将导通的开关管提供零电压开通条件。在全桥拓扑下移项控制的优点得到了充分的体现，UC3875在电压模式下电流模式下均可工作，并具有一个独立的过电流关断电路以实现故障的快速保护。
芯片的保护功能包括：欠电压锁定，即芯片的偏置电压达到闸值之前，其4个输出端均保持低的有源输出状态；内置的1.5V滞后使工作可靠；具有过电流保护，一旦出现事故该保护电路可在70NS之内关断所有输出端；故障处理可在全周期范围内再启动。
该芯片的其它功能包括：带宽超过7MHZ的误差放人器；一个5V的基准电压；软启动；一个斜坡电压发生器和斜率补偿电路。

图2.8 UC3875控制集成电路图

PWM移相控制电路如下

图2.9 PWM移相控制电路图

2.3高频变压器变比及容量
当1000W全桥软开关电源采用PQ50/50芯片时先给出主功率变压器原边绕组的圈数计算公式和计算过程。考虑到UC3875的最佳工作频率，又因为采用了高频开关特性良好的MOSFET功率管，所以选取开关频率为100KHZ。
首先根据功率容量Ap乘积公式来进行估算。为了多留些余地，可再减小主功率变压器的最大工作磁通密度Bm=1000GS，由计算式得到

（2-1）
当最大磁通密度选用1500GS时，功率容量降低到3.7。若开关频率降低到50KHZ，则功率容量乘机增大一倍约11.12，余量就小了。
PQ50/50铁氧体磁芯的有效中心柱截而积为Ae=3.1416cm2它的磁芯窗口而积为Aq=4.18 cm2，因此PQ50/50的功率容量乘积为
（2-2）
可见，在开关频率为100KHZ时，采用PQ50/50铁氧体磁芯做1000W主功率变压器，它的功率容量是合理的。
再来计算原边绕组的匝数值：
计算方法之一
（2-3）
取原边绕组匝数28 匝。当最大磁通密度选用1500GS时，则Np=18 匝，根据经验判断，这个原边匝数取值过小了。
计算方法之二
（2-4）
取原边绕组匝数28 匝，结果与上式相同。
计算副边绕组匝数，计算式
（2-5）
Vop是副边整流滤波输出电压的副值，它由三项数值相加之和：一是考虑脉动值V=5V*15*10%=6.5二是整流器二极管的正向压降，Vd=1.2V直流压降。三是滤波电感的直流压降假设为VL=0.2V。IC控制系统时一般都加上外围分立元件驱动电路，增大驱动电流功率，减小IC功率的温升提高电源整机的可靠性

2.4系统仿真及波形
2.4.1MATLAB仿真软件介绍
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。
MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。
MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。
2.4.2仿真电路图如下

图2.10 单相桥式全控整流电路仿真(电阻性负载)

2.4.3仿真分析
（1）下图是用示波器观察仿真结果晶闸管VT的电流波形和电压波形，电源电压波形，α=0°时负载电阻两端的电压波形和电流波形。

图2.11 α=0°波形图

（2）下图是用示波器观察仿真结果晶闸管VT的电流波形和电压波形，电源电压波形，α=30°时负载电阻两端的电压波形和电流波形。

图2.12 α=30°时波形图

（3）下图是用示波器观察仿真结果晶闸管VT的电流波形和电压波形，电源电压波形，α=60°时负载电阻两端的电压波形和电流波形。

图2.13 α=60°时波形图
（4）下图是用示波器观察仿真结果晶闸管VT的电流波形和电压波形，电源电压波形，α=90°时负载电阻两端的电压波形和电流波形。

图2.14 α=90°时波形图
单相桥式全控整流电路(电阻性负载)是典型的单相桥式全控整流电路，共用4个晶闸管，2只晶闸管接成共阳极，2只晶闸管接成共阴极，每只晶闸管是一个桥臂，桥式整流电路的工作方式特点是整流元件必须成对构成回路，负载为电阻性。

第三章 课程设计总结

《电力电子技术》这门课程结束了从中我收获了很多，基本上达到了课程设计的目的。首先我对课本的相关的知识点重新的复习了一遍，而且带着课程设计的问题来复习所以效果非常好，将老师以前在课堂讲的东西有了一个更深的认识，对以前似懂非懂的东西弄懂了，并且能更深体会哪个部分是实践中更需要的哪个部分是理论可以做到心中有数。其次在我做课设的过程中也翻阅了许多相关的书籍使我的眼界有了很大的拓宽，此刻也更感到自己所学的东西如此不足以做好一个课程设计，加上还得运用计算机软件仿真。这让我我对计算机软件的应用也更为熟练，这样是我在这次设计当中所收获的。
通过这次课程设计，让我们有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中，在我对单相桥式整流电路、逆变电路，变压器，滤波器、滤波电路，DC/DC直流变换，PWM整流电路、PWM滤波电路移相全桥型零电压开关PWM电路，软开关技术都有了更深的了解。并通过对知识的综合运用，进行必要的分析、比较。从而进一步验证了所学的理论知识。在此次课程设计过程中，我更进一步地熟悉了单相交流调压电路的原理和驱动电路的设计。当然，在这个过程中我也遇到了困难，查阅资料，通过和做同样课题的同学相互讨论、学习和帮助让我受益很大。我准确地找出了设计中的错误精益求精的书写课程设计报告，这让我为毕业设计做好铺垫，不但使我进一步提高了实践的能力，也让自己在以后的工作学习有了更大的信心。通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合，从实践中得出结论，从而提高了自己的实际动手能力和独立思考的能力。通过这次我把以前所学的知识重新温故，巩固了所学的知识，让我受益匪浅。当然我还是觉得没做好一件事最重要的是心态、耐心还有细心。
最后感谢在此次课程设计中给予我大力支持和帮助的老师和做同学，是我们的团队合作让此次设计取得成功，谢谢。

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致谢

对于这次课程设计的顺利完成，我首先要感谢董恒老师和肖文英老师，是他们上课细心的给我讲解了许多关于DC/DC转换器，二极管等电子元器件的相关知识并在设计过程中所遇到的难题都给了非常重要的意见，导师渊博的知识、严谨的治学态度、崇高的敬业精神与为人师表的风范，使我受益匪浅，在此，谨向董老师肖老师表示我最衷心的感谢。同时，在我的设计过程中得到的学校许多的同学的热情的指导和详细的说明。此外，在遇到许多的不解困难的时候自己班里的同学也给我提供的最详细的解答，没有以上的每一个人的帮助，我的电力电子课程设计很难顺利的完成，在此，我对于在我的设计过程中给予我帮助的每一个人一并表示感谢。

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