24V5A半桥式直流开关电源设计_课程设计报告.doc

电力电子课程设计报告直流开关电源的设计 学 院： 信息科学与工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 2013年8月21日 目 录1.课题任务介绍 11.1 技术参数： 11.2 设计要求： 12.直流开关电源总体认知 12.1开关电源的概念 12.2直流开关电源基本结构 12.3直流开关电源的工作原理 23.直流开关电源设计流程 23.1输入整流电路设计 23.1.1单相桥式输入整流电路设计 23.1.2变压器参数计算： 33.1.3整流管参数计算 33.1.4滤波电容计算 33.2 DC/DC变换器设计 43.2.1 DC/DC变换器总体概述 43.2.2 半桥式DC/DC典型电路如下 43.2.3 PWM DC/DC变换器的工作原理 53.2.4 DC/DC变换器参数计算 53.3输出滤波整流电路设计 93.3.1输出整流电路图 93.3.2 输出电感的设计 93.3.3 输出电容的计算 103.3.4 整流输出二极管计算 113.4 驱动电路设计 123.4.1 MOSFET管的基本工作原理 123.4.2 IR2110芯片介绍 133.4.3 半桥驱动电路分析图如下 143.4.4 半桥驱动器器件参数选择 163.5 PWM控制电路设计 163.5.1 PWM控制变换原理 163.5.2 SG3525的封装图 173.5.3 SG3525芯片介绍 183.5.4 SG3525参数计算 183.6 反馈电路设计 184. 电路原理图与波形图汇总 194.1 电路原理图 194.1.1 主电路原理图 194.1.2 PWM控制电路原理图 194.1.3 驱动电路原理图 204.2 各部分电路波形图 204.2.1 单相桥式整流电路电压波形图 204.2.2 MOSFET驱动电路波形 215. 主电路元器件清单 216. 电路仿真 226.1 仿真技术总体简介 226.2 SPICE和PSPICE仿真程序介绍 226.3 仿真图表 236.3.1 平均整流输入电压如下 236.3.2 交流输入均方根电压如下 236.3.3 平均桥二极管 Pd 246.3.4 峰值到峰值输出纹波电压 246.3.5 频率 256.3.6 效率 256.3.7 总输出功率 267. 设计总结与感想 278. 致谢 279. 参考文献 27 1.课题任务介绍1.1 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。

1.2 设计要求：1) 设计主电路，建议主电路为：整流部分是桥式二极管整流，大电容滤波，DC/DC 部分采用半桥变换器，主功率管用MOSFET；2) 选择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：①单相桥式整流电路各点电压波形；②MOSFET 驱动电压、全桥电路中各元件的电压、电流以及输出电压波形（将①②波形分别汇总绘制，注意对应关系）；5) 利用仿真软件分析电路的工作过程6) 编制设计说明书、设计小结2.直流开关电源总体认知2.1开关电源的概念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构成直流开关电源功能是将电能质量较差的原生态电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的直流电压（精电）2.2直流开关电源基本结构直流输出输出整流DC/DC变换器整流滤波220V交流输入取样反馈PWM驱动器直流开关电源的核心是DC/DC转换器因此DC/DC转换器的分类基本上就是直流开关电源的分类直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离分为隔离式和非隔离式转换器。

开关电源大致由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部分组成2.3直流开关电源的工作原理PWM开关电源的工作过程是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在晶体管上的伏安乘积（即功率半导体器件上所产生的损耗）是很小的，通过斩波把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压3.直流开关电源设计流程3.1输入整流电路设计3.1.1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3.1.2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，输出电流为5A，则输出功率PO= 24 × 5 =120W，设变压器效0.8率为80%，则输入功率Pi = 120 ÷ 0.8 = 150W3.1.3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 = 0.76A二极管电流有效值Ivd = Id ÷ = 0.54A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 0.52～0.69A根据以上数据，选用1N4004/A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1.0A3.1.4滤波电容计算因为桥式电路整流后的电压是脉动电压，需要滤波根据UO = 1.2 U2，可知电容C的取值满足， = 150滤波电容的容量为 200～333变压器副边电压有效值为 = 12.5V电容的耐压值为 19.5V根据以上数据，实际选取容量为300，耐压为25V的电容作为输入滤波电容。

3.2 DC/DC变换器设计3.2.1 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3.2.2 半桥式DC/DC典型电路如下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 = 3.2.3 PWM DC/DC变换器的工作原理当开关管导通时，变压器初级绕组上的电压为，绕组感应电动势端为正极性，故整流二极管导通，反偏置截止，输出滤波电感电流增加在时刻开关管关断，由于电流继续按照原来的方向流动，故次级绕组和初级绕组中的电流也仍然按照原来的方向流动，电流从的“*”端流出，电流则从“*”端流入，于是二极管续流，因此，电压的极性反转，使二极管导通由于两个整流二极管同时导通，将变压器的次级电压钳位在零位，则初级电位也为零，因此电压，这是而电流立即增加到，此时绕组中的电流为零，二极管截止因为，故在期间，电流在电压的作用下下降，所以也相应下降在时，开关管导通，电压反向，变压器绕组电动势“*”端为负、电流从零反向增加到（不考虑铁心磁化电流）电流从降到零，从增加到在期间，电流又增加，故电流和也相应增加在时，开关管关断，工作原理与开关管关断时相似3.2.4 DC/DC变换器参数计算忽略损耗，输出电压按下式计算，式中——原边绕组电压（V）——原边绕组匝数（匝）——副边绕组匝数（匝） ——其中一导管的占空比 = ——工作周期（S）串联耦合电容的选择变压器耦合电容是一种无极性薄膜电容器。

为了减少电流作用下的升温，必须使用具有较低等效串联电阻的电容器，或者为了达到一定的电容值，必须使用多个电容器并联连接，以降低其等效串联电阻初算电容量耦合电容器C和电感L折算到原边的电感组成了一个串联谐振电路，其谐振频率为 式中——副边电感L折算至原边的电感值（）——变压器原、副边匝数比——耦合电容，带入可解得为了使耦合电容器充电线性，必须很好的选定谐振频率一般选定，式中——半桥变换器的开关频率（kHz)变压器设计参数计算变压器尺寸选择要满足在工作频率下、温升在允许范围内、输出额定功率的要求根据功率选定磁芯型号，其次确定磁感应强度的摆幅值找到铁心温升与损耗关系曲线，，可以按以下方法设计以最小电压值下能提供额定输出功率为前提，在脉宽最大时计算出最少的原边线圈匝数 式中——磁密双摆工作时原边线圈最少匝数（匝） ——原边线圈电压 ——导通时间 ——导通期间磁感应强度的增量（mT)——单相最佳磁感应强度摆幅（mT） ——铁心最小面积（）求出每匝电压系数，即比值计算副边绕组的匝数输出电压应加上绕组和二极管压降，除以没匝电压系数即可求得副边绕组的匝数副边绕组匝数半匝是不合理的除非用特别方法绕制，否。