1、 電力電子技術課程設計說明書 題 目 學 院： 電氣與信息工程學院 學生姓名： 指導教師： 董恒 職稱/學位 助教專 業： 自動化 班 級： 學 號： 完成時間： 2015.12.28 湖南工學院電力電子課程設計課題任務書學院： 電氣與信息工程學院 專業：電氣工程及其自動化專業自動化專業 指導教師董恒學生姓名課題名稱半橋型開關穩壓電源設計內容及任務一、設計任務設計一個半橋型開關穩壓電源，已知輸入電壓單相：170260V，輸入交流電頻率4565HZ，輸出直流電壓24V恒定，輸出直流電流10A，最大功率250W，穩壓精度：小于直流輸出電壓整定值的1%。二、設計內容1、關于本課程學習情況簡述；2、主

2、電路的設計、原理分析和器件的選擇；3、控制電路的設計；4、保護電路的設計；5、利用MATLAB軟件對自己的設計進行仿真。主要參考資料1 王兆安,王俊編.電力電子技術(第5版).北京:機械工業出版社,20122 黃俊,秦祖蔭編.電力電子自關斷器件及電路.北京:機械工業出版社,19913 李序葆,趙永健編.電力電子器件及其應用.北京:機械工業出版社,1996教研室意見 教研室主任：（簽字）年 月 日3目錄1、總體設計方案51.1輸入整流濾波電路設計51.2逆變電路設計61.3驅動電路設計71.4 整體電路設計81.5過流保護91.6過壓保護102、器件的選擇11 2.1輸入整流器件11 2.2輸出

3、整流器件11 2.3元件選擇11 2.4保護電路器件選擇133、MATLAB電路仿真14 3.1MATLAB簡介14 3.2仿真電路圖14致謝16參考文獻17摘要隨著開關電源在計算機、通信、航空航天、儀器儀表及家用電器等方面的廣泛應用，人們對其需求量日益增長。開關電源是現代電力電子設備不可或缺的組成部分，其質量的優劣直接影響子設備性能，其體積的大小也直接影響到電子設備整體的體積。開關電源以其效率高、體積小、重量輕等優勢在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的線性電源。這次介紹一種半橋電路的開關電源，是輸入為單相交流170260V，輸入頻率4565HZ，輸出直流電壓24v，輸出直流電流10A ，最

4、大功率250w。重點介紹該電源的構思、理論、工作原理及特點。關鍵詞：開關穩壓電源；整流電路；半橋1、總體設計方案 開關電源采用功率半導體器件作為開關器件，通過周期性間斷工作，控制開關器件的占空比來調整輸出電壓。整個課題的設計，分為三部分。1、主電路的設計，包括整流輸入濾波、半橋式逆變電路、輸出整流、輸出濾波。2、開關管的驅動電路。3、控制電路的設計，包括控制逆變電路開關管工作的脈沖輸出、軟啟動、調占空比以及保護電路。半橋型開關穩壓電源設計方案遵循開關電源的變換框圖。如1.1圖所示：半橋逆變電路輸入濾波電路輸出整流濾波輸入整流電路 圖1.1開關電源變換 先是由工頻交流經橋式整流電路得到直流電流，

5、再由半橋開開關逆變得到高頻交流電，經整流濾波后得到所需直流電。可供電子設備使用。然后，電源流入輸入整流濾波回路將交流電通過整流模塊變換成含有脈動成分的直流電，然后通過輸入濾波電容將脈動直流電變為較平滑的直流電。其次，功率開關橋由控制電路提供觸發脈沖把濾波得到的直流電變換為高頻的方波電壓，通過高頻變壓器傳送到輸出側。最后，輸出整流濾波回路將高頻方波電壓濾波成為所需的直流電壓或電流。1.1輸入整流濾波電路設計整流濾波回路是開關電源的重要組成部分，它可以提高電壓、電流的穩定度，減小干擾。按其所在的位置不同，分為輸入和輸出整流濾波回路。這次研究的電源額定工作狀態的技術要求為:輸出電壓24V,輸出電流1

6、0A，輸出功率約240w，為了減小電源的輸入濾波電容等原因，用電源電路采用單相橋式整流。 對每個導電回路進行控制，相對于全控橋而言少了一個控制器件，用二極管代替，有利于降低損耗！如果不加續流二極管，當突然增大至180°或出發脈沖丟失時，由于電感儲能不經變壓器二次繞組釋放，只是消耗在負載電阻上，會發生一個晶閘管導通而兩個二極管輪流導通的情況，這使Ud成為正弦半波，即半周期Ud為正弦，另外半周期為Ud為零，其平均值保持穩定，相當于單相半波不可控整流電路時的波形，即為失控。所以必須加續流二極管，以免發生失控現象。電路簡圖如下：圖1 整流電路當負載中電感很大，且電路已工作于穩態。在U2正半周

7、，觸發角處給晶閘管D1加觸發脈沖，U2經D1和D4向負載供電。U2過零變負時，因電感作用使電流連續，D1繼續導通。但因a點電位低于b點電位，使得電流從D4轉移至D2，D4關斷，電流不再流經變壓器二次繞組，而是由D1和D2續流。此階段,忽略器件的通態壓降，則Ud=0。1.2逆變電路設計半橋逆變電路原理如圖，它有兩個橋臂，每個橋臂由一個可控器件和一個反并聯二極管組成。在直流側接有兩個相互串聯的足夠大的電容，兩個電容的連接點便成為直流電源的中點。負載連接在直流電源中點和兩個橋臂連接點之間。當可控器件不具有門極可關斷能力的晶閘管時，必須附加強迫換流電路才能正常工作。半橋逆變電路的優點是簡單，適用器件少

8、。缺點是輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud的二分之一，且直流側需要兩個電容串聯，工作時還要控制兩個電容器電壓的均衡。因此半橋電路常用于幾千瓦以下的小功率逆變電源。, 圖2 逆變電路圖開關器件V1和V2的柵極信號在一個周期內各有半周正偏，半周反偏,且二者互補。當負載為感性時，輸出電壓為矩形波。當V1或V2為通態時，負載電流和電壓同方向，直流側向負載提供能量；而當VD1或VD2為通態時，負載電流和電壓反向，負載電感中儲存的能量向直流側反饋，即負載電感將其吸收的無功能量返回直流側。反饋回的能量暫時儲存在直流側電容器中，直流側電容器起著緩沖這種無功能量的作用。VD1、VD2稱為反饋二極管，又叫續流二極管。

9、1.3驅動電路設計MOSFET的驅動可采用脈沖變壓器，它具有體積小，價格低的優點，但直接驅動時，脈沖的前沿與后沿不夠陡，影響MOSFET的開關速度。在此，采用了IR2304芯片，1) 芯片體積小(DIP8)，集成度高(可同時驅動同一橋臂的上、下兩只開關器件)。 2)動態響應快，通斷延遲時間220220 ns(典型值)、內部死區時間1000ns、匹配延遲時間50ns。 3)驅動能力強，可驅動600v主電路系統，具有61 mA130mA輸出驅動能力，柵極驅動輸入電壓寬達1020V。 4)工作頻率高，可支持100 kHz或以下的高頻開關。 5)輸入輸出同相設計，提供高端和低端獨立控制驅動輸出，可通過

10、兩個兼容33v、5v和15v輸入邏輯的獨立CMOS或LSTFL輸入來控制，為設計帶來了很大的靈活性。 6)低功耗設計，堅固耐用且防噪效能高。IR2304采用高壓集成電路技術，整合設計既降低成本和簡化電路，又降低設計風險和節省電路板的空間，相比于其它分立式、脈沖變壓器及光耦解決方案，IR2304更能節省組件數量和空間，并提高可靠性。 7)具有電源欠壓保護和關斷邏輯，IR2304有兩個非倒相輸入及交叉傳導保護功能，整合了專為驅動電機的半橋MOSFET或IGBT電路而設的保護功能。當電源電壓降至47v以下時，欠壓鎖定(UVL0)功能會立即關掉兩個輸出，以防止直通電流及器件故障。當電源電壓大于5v時則

11、會釋放輸出(綜合滯后一般為0.3v)。過壓(HVIC)及防閉鎖CMOS技術使IR2304非常堅固耐用。另外，IR2304還配備有大脈沖電流緩沖級，可將交叉傳導減至最低；同時采用具有下拉功能的施密特(Sohmill)觸發式輸入設計，可有效隔絕噪音，以防止器件意外開通。如下圖所示為IR2304的連線圖圖3驅動電路圖可以看出，IR2304具有連線簡單，外圍元器件少的優點。其中VCC由主電路中OUT自供電，LIN和HIN分別接UC3825的兩個輸出端，VD要采用快恢復二極管，C1為濾電容，C2為自舉電容，最好采用性能好的鉭電容，R1和R2為限流電阻。1.4 整體電路設計為了提高系統的功率因數，整流環節

12、不能采用二極管整流，采用了UC3854AB控制芯片組成功率因數校正電路。UC3854ABUnitrode公司一種新的高功率因數校正器集成控制電路芯片，是在UC3854基礎上的改進，其特點是采用平均電流控制，功率因數接近1，高帶寬，限制電網電流失真3。圖2.6是由UC3854AB控制的有源功率因數校正電路。圖4整體電路圖該電路由兩部分組成。UC3854AB及外圍元器件構成控制部分，實現對網側輸入電流和輸出電壓的控制。功率部分由L2，Cs，S等元器件構成Boost升壓電路。開關管S選擇SKM75GBl23D模塊，其工作頻率選在35 kHz。升壓電感L2為2mH20A。C5采用兩個450V470F的

13、電解電容并聯。為了提高電路在功率較小時的效率，所設計的PFC電路在輕載時不進行功率因數校正，當負載較大時功率因數校正電路自動投入使用。此部分控制由圖1中的比較器部分來實現。R10及R11是負載檢測電阻。當負載較輕時，R10及R11上檢測的信號輸入給比較器，使其輸出端為低電平，D5導通，給ENA(使能端)低電平使UC3854AB封鎖。在負載較大時ENA為高電平才讓UC3854AB工作。D6接到SS(軟啟動端)，在負載輕時D6導通，使SS為低電平；當負載增大要求UC3854AB工作時，SS端電位從零緩慢升高，控制輸出脈沖占空比慢慢增大實現軟啟動。1.5過流保護當電力電子電路運行不正常或者發生故障時

14、，可能會發生過電流。當器件擊穿或短路、觸發電路或控制電路發生故障、出現過載、直流側短路、可逆傳動系統產生環流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低、缺相等，均可引起過流。由于電力電子器件的電流過載能力相對較差，必須對變換器進行適當的過流保護。本文采用快速熔斷保險絲在輸入端進行保護。1.6過壓保護 過壓護要根據電路中過壓產生的不同部位，加入不同的保護電路，當達到定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓通過保護電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關器件上，保護了電力電子器件。為了達到保護效果，可以使用阻容保護電路來實現。將電容并聯在回路中，當電路中出現電壓尖峰電壓時，電容

15、兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產生振蕩，2、器件的選擇2.1輸入整流器件輸入為4565HZ交流電，電壓為170260V ,下面計算取電壓為170V。1. 二極管的耐壓: 整流二極管的峰值電壓可用公式計算如下。 U=170×1.414=240.38V 額定電壓： 2. 二極管的額定電流:因為電源的輸入功率隨效率變化，所以應取電源效率最差時的值。在此，我們按一般開關電源的效率取值，取=0.8電源的輸入功率可用(31)公式計算: Pin =p/min (21) W (22) 流過每個二極管的有效值 (23

16、) 額定電流： 2.2輸出整流器件電感選擇100 H；電容選擇1000F /50V；二極管選擇；二極管的峰值電壓，u=24*=33.9v額定電壓 ： 額定電流 ： 2.3元件選擇1開關器件選擇。器件優點缺點GTR耐壓高，電流大，開關特性好，通流能力強，飽和壓降低開關速度低，為電流驅動，所需驅動功率大，驅動電路復雜，存在二次擊穿問題GTO電壓、電流容量大，適用于大功率場合，具有電導調制效應，其通流能力很強電流關斷增益很小，關斷時門極負脈沖電流大，開關速度低，驅動功率大，驅動電路復雜，開關頻率低MOSFET開關速度快，輸入阻抗高，熱穩定性好，所需驅動功率小且驅動電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿

17、問題電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置IGBT開關速度高，開關損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅動，驅動功率小開關速度低于電力MOSFET,電壓，電流容量不及GTO表1幾種功率器件的優缺點比較表在開關電源設計中用的功率器件種類有IGBT和MOSFET，但是考慮到工作在高頻的IGBT成本較高，在本次設計選用MOSFET器件。主要參數選擇，額定電流16A，額定電壓500V，通態電阻0.4歐姆。在功率半導體器件中，MOSFET以高速、低開關損耗、低驅動損耗在各種功率變換，特別是高頻功率變換中起著重要作用。在低壓領域，MOSFET沒有競爭

18、對手，但隨著MOS的耐壓提高，導通電阻隨之以2.4-2.6次方增長，其增長速度使MOSFET制造者和應用者不得不以數十倍的幅度降低額定電流，以折中額定電流、導通電阻和成本之間的矛盾。即便如此，高壓MOSFET在額定結溫下的導通電阻產生的導通壓降仍居高不下，耐壓500V以上的MOSFET的額定結溫、額定電流條件下的導通電壓很高，耐壓800V以上的導通電壓高得驚人，導通損耗占MOSFET總損耗的2/3-4/5，使應用受到極大限制。 2.4保護電路器件選擇1.過壓保護電路由3.1.1節可知輸入電流為1.176A，即流過MOS管的電流為1.176A。查表可得保護電路的電容為：0.04 F 電阻為：50

19、0歐姆2.過流保護 >=(1.21.5) （3-4）則=/2=0.70560.7644A1）變壓器變比 (35)設占空比為 0.5則0.5k=24/170*1.2 K=0.235即變壓器的變比為0.2352）變壓器容量 =UI=14*10w=240W3、MATLAB電路仿真3.1MATLAB簡介MATLAB是由美國mathworks公司發布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統非交互式程序設計語言（如C、Fort