半桥型开关稳压电源的设计与应用

《电力电子技术》课程设计说明书

题目

学院：电气与信息工程学院

学生姓名：

指导教师：董恒职称/学位助教

专业：自动化

班级：

学号：

完成时间：2015.12.28

湖南工学院电力电子课程设计课题任务书

学院：电气与信息工程学院专业：电气工程及其自动化专业\自动化专业

1、总体设计方案 (5)

1.1输入整流滤波电路设计 (5)

1.2逆变电路设计 (6)

1.3驱动电路设计 (7)

1.4 整体电路设计 (8)

1.5过流保护 (9)

1.6过压保护 (10)

2、器件的选择 (11)

2.1输入整流器件 (11)

2.2输出整流器件 (11)

2.3元件选择 (11)

2.4保护电路器件选择 (13)

3、MATLAB电路仿真 (14)

3.1MATLAB简介 (14)

3.2仿真电路图 (14)

致谢 (16)

参考文献 (17)

随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用，人们对其需求量日益增长。开关电源是现代电力电子设备不可或缺的组成部分，其质量的优劣直接影响子设备性能，其体积的大小也直接影响到电子设备整体的体积。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源。这次介绍一种半桥电路的开关电源，是输入为单相交流170～260V，输入频率45~65HZ，输出直流电压24v，输出直流电流10A ，最大功率250w。重点介绍该电源的构思、理论、工作原理及特点。

关键词：开关稳压电源；整流电路；半桥

1、总体设计方案

开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压。整个课题的设计，分为三部分。

1、主电路的设计，包括整流输入滤波、半桥式逆变电路、输出整流、输出滤波。

2、开关管的驱动电路。

3、控制电路的设计，包括控制逆变电路开关管工作的脉冲输出、软启动、调占空比以及保护电路。

半桥型开关稳压电源设计方案遵循开关电源的变换框图。如1.1图所示：

图1.1开关电源变换

先是由工频交流经桥式整流电路得到直流电流，再由半桥开开关逆变得到高频交流电，经整流滤波后得到所需直流电。可供电子设备使用。

然后，电源流入输入整流滤波回路将交流电通过整流模块变换成含有脉动成分的直流电，然后通过输入滤波电容将脉动直流电变为较平滑的直流电。

其次，功率开关桥由控制电路提供触发脉冲把滤波得到的直流电变换为高频的方波电压，通过高频变压器传送到输出侧。

最后，输出整流滤波回路将高频方波电压滤波成为所需的直流电压或电流。

1.1输入整流滤波电路设计

整流滤波回路是开关电源的重要组成部分，它可以提高电压、电流的稳定度，减小干扰。按其所在的位置不同，分为输入和输出整流滤波回路。

这次研究的电源额定工作状态的技术要求为:输出电压24V,输出电流10A，输出功率约240w，为了减小电源的输入滤波电容等原因，用电源电路采用单相桥式整流。

对每个导电回路进行控制，相对于全控桥而言少了一个控制器件，用二极管代替，有利于降低损耗！如果不加续流二极管，当α突然增大至180°或出发脉冲丢失时，由于电感储能不经变压器二次绕组释放，只是消耗在负载电阻上，会发生一个晶闸管导通而两个二极管轮流导通的情况，这使Ud成为正弦半波，即半周期Ud为正弦，另外半周期为Ud为零，其平均值保持稳定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，即为失控。所以必须加续流二极管，以免发生失控现象。电路简图如下：

图1 整流电路

当负载中电感很大，且电路已工作于稳态。在U2正半周，触发角α处给晶闸管D1加触发脉冲，U2经D1和D4向负载供电。U2过零变负时，因电感作用使电流连续，D1继续导通。但因a点电位低于b点电位，使得电流从D4转移至D2，D4关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是由D1和D2续流。此阶段,忽略器件的通态压降，则Ud=0。

1.2逆变电路设计

半桥逆变电路原理如图，它有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的连接点便成为直流电源的中点。负载连接在直流电源中点和两个桥臂连接点之间。

当可控器件不具有门极可关断能力的晶闸管时，必须附加强迫换流电路才能正常工作。

半桥逆变电路的优点是简单，适用器件少。缺点是输出交流电压的幅值Um 仅为Ud的二分之一，且直流侧需要两个电容串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。因此半桥电路常用于几千瓦以下的小功率逆变电源。

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图2 逆变电路图

开关器件V1和V2的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏,且二者互补。当负载为感性时，输出电压为矩形波。当V1或V2为通态时，负载电流和电压同方向，直流侧向负载提供能量；而当VD1或VD2为通态时，负载电流和电压反向，负载电感中储存的能量向直流侧反馈，即负载电感将其吸收的无功能量返回直流侧。反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中，直流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用。VD1、VD2称为反馈二极管，又叫续流二极管。

1.3驱动电路设计

MOSFET的驱动可采用脉冲变压器，它具有体积小，价格低的优点，但直接驱动时，脉冲的前沿与后沿不够陡，影响MOSFET的开关速度。在此，采用了IR2304芯片，

1)芯片体积小(DIP8)，集成度高(可同时驱动同一桥臂的上、下两只开关器件)。

2)动态响应快，通断延迟时间220／220 ns(典型值)、内部死区时间1000ns、匹配延迟时间50ns。

3)驱动能力强，可驱动600v主电路系统，具有61 mA／130mA输出驱动能力，栅极驱动输入电压宽达10～20V。

4)工作频率高，可支持100 kHz或以下的高频开关。

5)输入输出同相设计，提供高端和低端独立控制驱动输出，可通过两个兼容3．3v、5v和15v输入逻辑的独立CMOS或LSTFL输入来控制，为设计带来了很大的灵活性。

6)低功耗设计，坚固耐用且防噪效能高。IR2304采用高压集成电路技术，整合设计既降低成本和简化电路，又降低设计风险和节省电路板的空间，相比于