电力电子课程设计--开关电源设计.doc

课程设计

西安石油大学

课 程 设 计

电子工程 学院 自动化 专业 1101 班
题 目 开关电源设计
学 生
指导老师

二○一四年五月

《电力电子》课程设计任务书

题 目
开关电源设计
学生姓名

学号

专业班级
自动化1101
设
计
内
容
与
要
求

一 设计内容：
（1)输入交流电压范围：175~245V，50Hz；
（2)输出直流电压范围：0~24V；
（3)输出最大功率：500W；
（4)开关工作频率：20KHz ；
（5)输出电压稳定度：﹤0.3%；
（6)电源效率：h>85%;
二 设计要求：
（1）主电路的选型；
（2）主电路元器件参数的确定 ；
（3）控制和保护电路结构框图的设计;
（4）整理设计结果，提交设计报告.；
起止时间
2014年 4 月 28日 至 2014 年 5 月 3 日
指导教师签名
年 月 日
系（教研室）主任签名
年 月 日
学生签名
年 月 日

目录
任务书
1.课题任务……………………………………………………………… 4
1.1参数指标………………………………………………………… 4
1.2设计要求………………………………………………………… 4
2.设计内容与方案……………………………………………………… 4
2.1基本结构…………………………………………………………… 4
2.2输入整流电路设计………………………………………………… 4
2.2.1单相桥式输入整流电路设计…………………………………4
2.2.2变压器参数计算………………………………………………5
2.2.3整流管参数计算………………………………………………5
2.3 DC/DC变换器设计…………………………………………………5
2.3.1 DC/DC变换器总体概述………………………………………5
2.3.2 半桥式DC/DC典型电路………………………………………6
2.4输出滤波整流电路设计……………………………………………6
2.4.1输出整流电路图………………………………………………6
2.4.2 整流输出二极管计算…………………………………………7
2.5主电路原理图……………………………………………………… 7
3.主电路元器件清单………………………………………………………8
4控制和保护电路结构框图……………………………………………… 8
4.1.1PWM控制电路原理图………………………………………………8
4.1.2 PWM控制变换原理…………………………………………… 9
4.1.3 SG3525的封装图………………………………………………9
4.2保护电路………………………………………………………… 10
5设计总结………………………………………………………………… 10
6参考文献………………………………………………………………… 10 

1. 课题任务
1.1参数指标:
设计0~24V开关电源，原始数据及主要技术指标：
（1）输入交流电压范围：175~245V，50Hz；
（2）输出直流电压范围：0~24V；
（3）输出最大功率：500W；
（4）开关工作频率：20KHz ；
（5）输出电压稳定度：﹤0.3%；
（6）电源效率：h>85%
1.2设计要求：
（1）主电路的选型；
（2）主电路元器件参数的确定 ；
（3）控制和保护电路结构框图的设计;
（4）整理设计结果，提交设计报告.
2. 设计内容与方案
直流
输出
2.1基本结构
交流输入
整流输出
DC/DC变换器
整流滤波

反馈
保护电路
PWM控制
驱动器

2.2输入整流电路设计
2.2.1单相桥式输入整流电路设计
整流是将交流电变成脉动直流电的过程。电源变压器输出的交流电经整流电路得到一个大小变化但方向不变的脉动直流电。整流电路是由具有单向导电性的元件例如二极管、晶间管等整流元件组成的。
设计要求主电路为桥式二极管整流，单相桥式整流电路分为单相桥式半控整流电路和单相桥式全波整流电路两种，半控整流电路为了防止失控现象，必须加续流二极管，而单相桥式全控整流电路此电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象，也不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率高，基于以上优点，采用单相桥式全控电路，它是由四个二极管接成电桥的形式构成的，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，为全波整流。单相半波整流电路如图（一）所示

图（一)单相桥式整流滤波电路

2.2.2变压器参数计算
变压器一次侧输入为交流220V、50Hz，为U1，二次侧为U2，整流后的输出电压平均值为UO，根据单相桥式整流电路经验公式，UO = 1.2 U2。
输出直流电压为24V，输出功率PO=500W，则输出电流21A。电源效率为85%，则输入功率Pi=588W。
2.2.3整流管参数计算
二极管正向导通电压Ud =0.9×220V=198V 电流Id = Pi ÷ Ud =2.97A
二极管电流有效值Ivd = Id ÷ = 2.1A
二极管最大反向电压Urm = × U2 = 311.2V
在考虑安全裕量的情况下，二极管额定电压
622.3～933.4V
二极管额定电流 2~2.67A
根据以上数据，选用1N5404型号的整流二极管，最高反向工作电压为400V，额定工作电流为3.0A。
2.3 DC/DC变换器设计
2.3.1 DC/DC变换器总体概述
开关电源是用PWM DC/DC变换器作为开关调节器的，因此PWM DC/DC变换器是开关电源的主要组成部分，是开关电源的控制与功率转换核心。
PWM DC/DC变换器，它是由功率半导体器件（开关管和二极管）和储能元件（电感或电容）组成的，通过对其中开关管的PWM通断控制，讲一种数值的直流电压，转换成所需要的另一种数值的直流电压，并控制输入直流电源与负载之间的功率流动，把具有这种功能的转换器叫做PWM DC/DC转换器。PWM DC/DC转换器的组成有两种方式：一种是由两级转换电路组成的DC/AC/DC转换器，迁移级逆变，实现DC/AC转换，后一级为整流，实现AC/DC转换。另一种是由开关管和二极管开关组合成PWM开关，将输入直流电压经过斩波、滤波后，转换成另一种数值的直流电压输出。
由于本次设计要求DC/DC 变换器为半桥，所以属于隔离型电路。
半桥式PWM DC/DC变换器，是由半桥式逆变器、高频变压器、输出整流器和直流滤波器组成，因此属于直流-交流直流转换器。
2.3.2 半桥式DC/DC典型电路

上图为输出是全波整流电路的半桥式PWM DC/DC转换器的主电路，此电路实际上是两个正激式PWM DC/DC转换器的组合，每个正激式转换器的输入电压为，输出电压为。变压器初级绕组的匝数为，两个次级绕组的匝数相等，即 = = ，变压器初次级绕组的匝数比K = 。
2.4输出滤波整流电路设计
2.4.1输出整流电路图

2.4.2 整流输出二极管计算

二极管的最大反向电压：

二极管平均电流：
IADV=0.5I0=10.5A
二极管的电流有效值：
IVD=ID/2 =14.8A
二极管的额定电压：

二极管的额定电流：
A
2.5主电路原理图

3.主电路元器件清单
元器件名称：输入整流二极管 型号：1N5404 规格：反向工作电压400V，电流3A
元器件名称：滤波电容 规格：容量300，耐压值25V
元器件名称：N沟道MOSFET
元器件名称：高频变压器 规格：磁心FX3730，原副线圈匝数比136：16
元器件名称：输出整流二极管 规格：电流为6A，正向压降为0.95V
元器件名称：输出整流滤波电感 规格：19.2
元器件名称：输出整流滤波电容 规格：6.25
4控制和保护电路结构框图
4.1.1PWM控制电路原理图

4.1.2 PWM控制变换原理
PWM控制方式必须要求有产生恒定频率的震荡源作为比较的基准，这种震荡器称为“时钟震荡器”。此外还必须要有脉冲宽度调制电路，也就是说，检测比较放大电路将误差电压信号放大后，必须将该电压信号变换成脉冲宽度信号，完成这种功能的电路称为“电压—脉宽转换”电路（用V/W电路表示）。然后由基极驱动电路激励高压开关晶体，调节导通脉冲宽度以实现稳压。比如，由于某种原因（负载电流减小或电网电压上升）使高频变压器副边输出电压的平均值增大，电源输出电压也将随之升高，反馈检测电路将这一电压变化量由电压-脉冲转换电路转换成脉冲宽度的变化，使脉冲宽度变窄，亦即使脉冲的占空比减小，高频变压器输出电压的平均值下降，从而使输出电压达到稳定；反之，若电源输出电压由于某种原因下降时，控制回路的输出脉宽将增大，高频变压器输出电压的平均值提高，使电源输出电压又回升到原来的数值。这便是PWM控制变换器型开关电源的基本稳压原理。
本次PWM控制器设计采用的IC是SG3525芯片。
4.1.3 SG3525的封装图

引脚功能介绍
各引脚功能如下:
1脚、2脚分别为误差放大器的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脚、6脚分别外接内部振荡器的时基电容和电阻;
7脚接放电电阻;
8脚为软启动;
9脚为误差放大器的频率补偿端;
10脚为关断控制端,用于实现限流控制;
11脚、14脚为输出端;
12脚为接地端;
13脚接输出管集电极电源;
15脚接SG3525的工作电源,
16脚为5.1V基准电压;

4.2保护电路

如上图，当Uo1输出升高，稳压管（Z3）击穿导通，可控硅（SCR1）的控制端得到触发电压，因此可控硅导通。Uo2电压对地短路，过流保护电路或短路保护电路就会工作，停止整个电源电路的工作。当输出过压现象排除，可控硅的控制端触发电压通过R对地泄放，可控硅恢复断开状态。

5设计总结
经过这几天的课程设计，我收获颇丰。这次做的课题是开关稳压电源，
涉及到很多模拟电路方面的知识。经过这次设计，让我对模拟电路的知识又
重新系统的温习了一遍，让我对模拟技术知识有了更深的理解。
由于这次设计时间有点紧，在网上查了很多资料，对这个课题有了一些
初步的认识。上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。
  由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指
教我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。

6参考文献 
【1】《开关电源设计与应用》  科学出版社  何希才 主编
【2】《实用电子电路手册 》 高等教育出版社 孙肖子 主编 
【3】 《开关电源外围元器件选择与检测》 中国电力电子出版社 沙占友、庞志峰编

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