第16课 半桥式电源原理设计
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2020/11/16
半桥开关电源
概述 半桥式变换器是离线开关电源比较好的结构形式，
初级开关管电压应力由于是两个管子来承担因而可以 减少一半。
在相同的基极脉冲宽度的触发下，如一个管子较慢 的关断而另一个管子较快的关断，在第一个管子的连 接处的电压将会受到影响，这会影响第一只管子延迟 关闭，如这种不平衡去驱动变压器，将会发生偏磁， 导致磁芯出现饱和、增大开关管D极电流降低效率，使 开关管烧坏。串一电容可解决这问题。
2020/11/16
主要功能描述
交流EMI滤波及整流滤波电路
2020/11/16
主要百度文库能说明
电子设备的电源线是电磁干扰（EMI）出入电子设备的一个重 要途径，在设备电源线入口处安装电网滤波器可以有效地切断这 条电磁干扰传播途径，本电源滤波器由带有IEC插头电网滤波器 和PCB电源滤波器组成。IEC插头电网滤波器主要是阻止来自电网 的干扰进入电源机箱。PCB电源滤波器主要是抑制功率开关转换 时产生的高频噪声。
2020/11/16
功能原理图
2020/11/16
半桥式功率变换器
该电源采用半桥式变换电路，如下 图所示，其工作频率50kHz，在初级一侧 的主要部分是Q4和Q5功率管及C34和 C35电容器。Q4和Q5交替导通、截止， 在高频变压器初级绕组N1两端产生一幅 值为U1/2的正负方波脉冲电压。能量通 过变压器传递到输出端，Q4和Q5采用高 电压IRFP460功率MOS管。
2020/11/16
磁芯选用
计算并确定磁芯型号 ： 磁芯的几何截面积Ae和磁芯的窗口面积Ac与输出功率Po存在一定的函数
关系。对于半桥变换器，当脉冲波形近似为方波时为： Ae×Ac=Po×104/2.6η×fs×Bmax×d×Kc×Ku （1） 式中η——效率；
d——电流密度，一般取300～500A/cm2 ； Kc——磁芯的填充系数，对于铁氧体Kc=1； Ku——铜的填充系数，Ku与导线线径及绕制的工艺及绕组数量等有关，一 般为0.1～0.5左右。 各参数的单位是： Po—W，Ae—cm2，Ac—cm2，Bmax—T，fs—Hz，d—A/cm2。 取Po=640W，Ku=0.3，d=300A/cm2，η=0.8，Bmax=0.15T，代入式（1）得 Ae×Ac=4.558cm4
交流输入220V时，整流采用桥式整流电路。如果将JTI跳线短 连时，则适用于110V交流输入电压。由于输入电压高，电容器容 量大，因此在接通电网瞬间会产生很大的浪涌冲击电流，一般浪 涌电流值为稳态电流的数十倍。这可能造成整流桥和输入保险丝 的损坏，也可能造成高频变压器磁芯饱和损坏功率器件，造成高 压电解电容使用寿命降低等。所以在整流桥前加入由电阻R1和继 电器K1组成的输入软启动电路。
匝比用下公式计算： Np/Ns=Upmin/Vop
这里的Vop由三方面决定：Vout=Vo+Vo×10%=17.6V； 二极管压降：Vd=1V；
滤波电感压降：VL=0.2V； 输出占空比为：0.8，则： Vop=（Vout+Vd+VL）/0.8=23.5V，所以： Ns=Np×Vop/Upmin=10×23.5/105.6=2.3这里取2匝。
对于半桥电路、功率变压器初级绕组上施加的 电压等于输入电压的一半，即： Upmin=Udcmin/2=105.6V 设最大占定比：Dmax=0.9，则： Tonmax=T×Dmax=20×0.9=18μs
2020/11/16
计算原副边绕组匝数2
可以用下公式计算： Np=（Upmin×105）/4×fs×Bmax×Ae =105.6×105/4×50×103×1.5×3.54 =9.9=10
由厂家手册知，EE55磁芯的Ae=3.54cm2，Ac=3.1042cm2,则 Ae×Ac=10.9cm4，EE55磁芯的Ae×Ac值大于计算值，选定该磁芯。
2020/11/16
计算原副边绕组匝数1
按输入电压最低及输出满载的情况（此时占空 比最大）来计算原副边绕组匝数，已知 Uinmin=176V经整流滤波后直流输入电压 Udcmin=1.2×176=211.2V；
2020/11/16
主要技术指标
1）交流输入电压AC220V±20％； 2）直流输出电压4～16V可调； 3）输出电流0～40A； 4）输出电压调整率≤1％； 5）纹波电压Up p≤50mV； 6）显示与报警具有电流/电压显示功能及
故障告警指示。
2020/11/16
基本工作原理及原理框图
220V交流电压经过EMI滤波及整流滤波后，得到约300V 的直流电压加到半桥变换器上，用脉宽调制电路产生的双列 脉冲信号去驱动功率MOS管，通过功率变压器的耦合和隔离 作用在次级得到准方波电压，经整流滤波反馈控制后可得到 稳定的直流输出电压。
2020/11/16
功率变压器的设计
工作频率对电源的体积、重量及电 路特性影响很大。工作频率高，输出滤 波电感和电容体积减小，但开关损耗增 高，热量增大，散热器体积加大。因此 根据元器件及性价比等因素，将电源工 作频率进行优化设计。
本电路的频率为：fs=50kHz，则 T=1/fs=1/50kHz=20μs
半桥开关电源的设计
在科研、生产、实验等应用场合，经常用 到电压在5～15V，电流在5～40A的电源。而 一般实验用电源最大电流只有5A、10A。为此 专门开发了电压4V～16V连续可调，输出电流 最大40A的开关电源。它采用了半桥电路，所 选用开关器件为功率MOS管，开关工作频率为 50kHz，具有重量轻、体积小、成本低等特点。
2020/11/16
计算原副边绕组线径
原边绕组的线径： Irms=2.79Po/Upmin=2.79×640/105.6 =17A
2020/11/16
磁芯选用
选取磁芯材料和磁芯结构 ： 选用R2KB铁氧体材料制成的EE型铁氧体磁
芯。其具有品种多，引线空间大，接线操作方 便，价格便宜等优点。 确定工作磁感应强度Bmax ：
R2KB软磁铁氧体材料的饱和磁感应强度 Bsat=0.47T，考虑到高温时Bsat会下降，同时 为防止合闸瞬间高频变压器饱和，选定磁感应 强度Bmax=Bsat/3=0.15T。
半桥开关电源
概述 半桥式变换器是离线开关电源比较好的结构形式，
初级开关管电压应力由于是两个管子来承担因而可以 减少一半。
在相同的基极脉冲宽度的触发下，如一个管子较慢 的关断而另一个管子较快的关断，在第一个管子的连 接处的电压将会受到影响，这会影响第一只管子延迟 关闭，如这种不平衡去驱动变压器，将会发生偏磁， 导致磁芯出现饱和、增大开关管D极电流降低效率，使 开关管烧坏。串一电容可解决这问题。
2020/11/16
主要功能描述
交流EMI滤波及整流滤波电路
2020/11/16
主要百度文库能说明
电子设备的电源线是电磁干扰（EMI）出入电子设备的一个重 要途径，在设备电源线入口处安装电网滤波器可以有效地切断这 条电磁干扰传播途径，本电源滤波器由带有IEC插头电网滤波器 和PCB电源滤波器组成。IEC插头电网滤波器主要是阻止来自电网 的干扰进入电源机箱。PCB电源滤波器主要是抑制功率开关转换 时产生的高频噪声。
2020/11/16
功能原理图
2020/11/16
半桥式功率变换器
该电源采用半桥式变换电路，如下 图所示，其工作频率50kHz，在初级一侧 的主要部分是Q4和Q5功率管及C34和 C35电容器。Q4和Q5交替导通、截止， 在高频变压器初级绕组N1两端产生一幅 值为U1/2的正负方波脉冲电压。能量通 过变压器传递到输出端，Q4和Q5采用高 电压IRFP460功率MOS管。
2020/11/16
磁芯选用
计算并确定磁芯型号 ： 磁芯的几何截面积Ae和磁芯的窗口面积Ac与输出功率Po存在一定的函数
关系。对于半桥变换器，当脉冲波形近似为方波时为： Ae×Ac=Po×104/2.6η×fs×Bmax×d×Kc×Ku （1） 式中η——效率；
d——电流密度，一般取300～500A/cm2 ； Kc——磁芯的填充系数，对于铁氧体Kc=1； Ku——铜的填充系数，Ku与导线线径及绕制的工艺及绕组数量等有关，一 般为0.1～0.5左右。 各参数的单位是： Po—W，Ae—cm2，Ac—cm2，Bmax—T，fs—Hz，d—A/cm2。 取Po=640W，Ku=0.3，d=300A/cm2，η=0.8，Bmax=0.15T，代入式（1）得 Ae×Ac=4.558cm4
交流输入220V时，整流采用桥式整流电路。如果将JTI跳线短 连时，则适用于110V交流输入电压。由于输入电压高，电容器容 量大，因此在接通电网瞬间会产生很大的浪涌冲击电流，一般浪 涌电流值为稳态电流的数十倍。这可能造成整流桥和输入保险丝 的损坏，也可能造成高频变压器磁芯饱和损坏功率器件，造成高 压电解电容使用寿命降低等。所以在整流桥前加入由电阻R1和继 电器K1组成的输入软启动电路。
匝比用下公式计算： Np/Ns=Upmin/Vop
这里的Vop由三方面决定：Vout=Vo+Vo×10%=17.6V； 二极管压降：Vd=1V；
滤波电感压降：VL=0.2V； 输出占空比为：0.8，则： Vop=（Vout+Vd+VL）/0.8=23.5V，所以： Ns=Np×Vop/Upmin=10×23.5/105.6=2.3这里取2匝。
对于半桥电路、功率变压器初级绕组上施加的 电压等于输入电压的一半，即： Upmin=Udcmin/2=105.6V 设最大占定比：Dmax=0.9，则： Tonmax=T×Dmax=20×0.9=18μs
2020/11/16
计算原副边绕组匝数2
可以用下公式计算： Np=（Upmin×105）/4×fs×Bmax×Ae =105.6×105/4×50×103×1.5×3.54 =9.9=10
由厂家手册知，EE55磁芯的Ae=3.54cm2，Ac=3.1042cm2,则 Ae×Ac=10.9cm4，EE55磁芯的Ae×Ac值大于计算值，选定该磁芯。
2020/11/16
计算原副边绕组匝数1
按输入电压最低及输出满载的情况（此时占空 比最大）来计算原副边绕组匝数，已知 Uinmin=176V经整流滤波后直流输入电压 Udcmin=1.2×176=211.2V；
2020/11/16
主要技术指标
1）交流输入电压AC220V±20％； 2）直流输出电压4～16V可调； 3）输出电流0～40A； 4）输出电压调整率≤1％； 5）纹波电压Up p≤50mV； 6）显示与报警具有电流/电压显示功能及
故障告警指示。
2020/11/16
基本工作原理及原理框图
220V交流电压经过EMI滤波及整流滤波后，得到约300V 的直流电压加到半桥变换器上，用脉宽调制电路产生的双列 脉冲信号去驱动功率MOS管，通过功率变压器的耦合和隔离 作用在次级得到准方波电压，经整流滤波反馈控制后可得到 稳定的直流输出电压。
2020/11/16
功率变压器的设计
工作频率对电源的体积、重量及电 路特性影响很大。工作频率高，输出滤 波电感和电容体积减小，但开关损耗增 高，热量增大，散热器体积加大。因此 根据元器件及性价比等因素，将电源工 作频率进行优化设计。
本电路的频率为：fs=50kHz，则 T=1/fs=1/50kHz=20μs
半桥开关电源的设计
在科研、生产、实验等应用场合，经常用 到电压在5～15V，电流在5～40A的电源。而 一般实验用电源最大电流只有5A、10A。为此 专门开发了电压4V～16V连续可调，输出电流 最大40A的开关电源。它采用了半桥电路，所 选用开关器件为功率MOS管，开关工作频率为 50kHz，具有重量轻、体积小、成本低等特点。
2020/11/16
计算原副边绕组线径
原边绕组的线径： Irms=2.79Po/Upmin=2.79×640/105.6 =17A
2020/11/16
磁芯选用
选取磁芯材料和磁芯结构 ： 选用R2KB铁氧体材料制成的EE型铁氧体磁
芯。其具有品种多，引线空间大，接线操作方 便，价格便宜等优点。 确定工作磁感应强度Bmax ：
R2KB软磁铁氧体材料的饱和磁感应强度 Bsat=0.47T，考虑到高温时Bsat会下降，同时 为防止合闸瞬间高频变压器饱和，选定磁感应 强度Bmax=Bsat/3=0.15T。