课程设计
开关电源
课程设计报告
题目：基于半桥式隔离变
化器开关电源设计
班级：电信08-2
姓名：张磊
学号：0806110223
指导教师：任晓奎
成绩：
电子与信息工程学院
信息与通信工程系
基于半桥式隔离变换器的开关电源设计
绪论：
随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入 80 年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入 90 年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。
意义：了解Boost变换器的基本原理，理解DC-DC变换器与开关电源的区别，了解开关电源的设计过程
要求：
1、输入直流9V-12V，输出15V、40W。
2、开关振荡频率40KHz。
3、PWM调制方式，控制芯片自选。
4、所选电子元件参数要列在报告中。
5、设计过程中要有计算过程。
6、各元件参数应符合规范。
7.列出所用元件明细表。
8、注明元器件生产厂商、价格，计算出产品的成本。
1.Boost变换器的基本原理
1.1线路组成
线路由开关S、电感L、电容C组成，如图1所示，完成把电压V s升压到V o的功能。
图1.1
1.2工作原理
当开关S在位置a时，如图2(a)所示电流i L流过电感线圈L，电流线性增加，电能以磁能形式储在电感线圈L中。此时，电容C放电，R上流过电流I o，R两端为输出电压V o，极性上正下负。由于开关管导通，二极管阳极接V s负极，二极管承受反向电压，所以电容不能通过开关管放电。开关S转换到位置b时，构成电路如2(b)所示，由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，以保持i L不变。这样线圈L磁能转化成的电压V L 与电源V s串联，以高于V o电压向电容C、负载R供电。高于V o时，电容有充电电流；等于V o时，充电电流为零；当V o有降压趋势时，电容向负载R放电，维持V o不变。
图1.2Boost变换器电路工作过程
由于V L+V s向负载R供电时，V o高于V s，故称它为升压变换器。工作中输入电流i s=i L 是连续的。但流经二极管D1电流确实脉动的。由于有C的存在，负载R上仍有稳定、连续的负载电流I o。
2.半桥式DC-DC 变换器的工作原理
2.1半桥式DC-DC 变换器的基本电路图及工作原理
半桥式DC-DC 变换器是由Buck 基本变换器串入半桥式变压隔离器派生而来的。因为减小了原边开关管的电压应力，且电路结构简单，在中小功率上得到广泛应用，所以半桥式变换器是离线开关电源较好的拓扑结构。下边就对半桥DC-DC 变换器的工作原理进行分析。为了分析稳态特性，简化推导过程，首先假定：
（1）开关晶体管、二极管均为理想元件。也就是可以瞬间的导通和截止，而且导通时的
压降为零，截止时的漏电流为零。
（2）电感、电容是理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效
串联电阻为零。
（3）输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。
基本电路图如下：
图2.1 半桥式DC-DC 变换器基本电路图
电容器
1
C 、
2
C 与开关晶体管
1
r T 、
2
r T 组成桥,桥的对角线接变压器T 原边绕组,故称半
桥式变换器。 如果12
C C ,某一开关晶体管导通时,绕组上电压只有电源电压的一半。稳态
条件下, 1C =2
C ,当1r T 导通时,1C 上的1
2s
V 加在原边线圈上,1r T 流过负载电流p I 。电路通过开关管
1
r T 、原边绕组、电容
2
C 形成回路，此时原边绕组上下两端极性为上正下负，经过占
空比所定的时间后,
1
r T 关断。由于原边绕组存在，p
I 方向不变，值逐渐变小，此时B 点为
负电位，
4
D 导通，反激能量再生，对
2
C 充电。B 点连接点的电压在阻尼电阻的作用下以
振荡形式最后恢复到原来的中心值。1
r T 关闭一段时间后，给2
r T 一个触发脉冲，
2
r T 导通，
原边绕组黑点端变负。电路通过电容1C 、原边绕组、开关管
2
r T 形成回路，重复以前过程。
不同的是，
p
I 方向变反，
2
r T 关断时接点B 摆动到正，
3
D 导通，反激能量对1
C 充电。
副边电路的工作如下:当1
r T 导通时,副边绕组电压使1
D 导通,电流通过二极管
1
D 、电感L 、负
载R 构成回路，当
1
r T 关断,两个绕组电压变为零。
2
r T 导通时，
2
D 导通，负载上的电流与电
压方向没有发生改变，由此形成的方波电压，经过L 和3
C 构成的滤波环节产生稳定的输出
电压
o
V 。如图2.2
图2.2 原边开关管电压及输出电压波形
3. PWM 的调制方法
PWM 控制技术，是利用逆变器装置中半导体开关的开通和关断，把直流电压转化变成一定规律的电压脉冲序列，以实现调频、调压和消除谐波三个目的的技术。 本章利用的就是等脉宽PWM 法，利用直线与三角波进行比较，下图就是我们所需要的开关触法脉冲，
图3-7 原边开关管的电压和触发脉冲波形
4.变压器设计
1
22s s on o s p s
V D
V t V N n N T ??== (3.20)
式中
s V --原边绕组电压(V) p N --原边绕组匝数(匝) s N --副边绕组匝数(匝) D --其中一管导通的占空比on on
s on off
t t T t t ==+
T --工作周期(s)
120.8D D +=,所以由1
22s s on o s p s
V D
V t
V N n N T ??== 电路的输入电压9-12V ,输出电压15V ,且电路工作在连续模式,故得
Np/Ns=1/3
取原边线圈匝数100匝 副边两个绕组各取300匝。
5.其它参数的选取
在这个小功率变换器中，为了有利于控制性能，而又不引起太多损耗，在原边回路中串联一个电阻51110R -=?Ω，取12470C C F μ==。
变压隔离器（有的文献称为直流变压器）实际上是一个由开关和高频变压器电路组成的，它是组件不是单一的原件。开关的占空比固定不变，电压增益靠高频变压器原副边的匝数比来确定。
实际上,变压隔离器并不单独使用，而是插入到各种基本变换器中，达到输入/输出隔离的效果。这时电压增益M ，不单靠开关占空比调节，也可以通过绕组变化调节，使晶体管占空比在更合理的范围工作（不大也不小）。插入到某合适的地方，串联的开关可以简化为一个，电感L 可能成了电流源的原件，使输入电流近似为方波，消除因变压器漏电感造成的过电压。甚至有时移动后的晶体管驱动有了其他特点，如抗干扰性强，容易调试等。
6.元器件明细
元件 数量 参数 厂商
价格 总计 R1 1 50Ω 沈阳虹润自动化仪表厂 0.1元 0.1元 R2 1 10Ω 沈阳虹润自动化仪表厂 0.1元 0.1元 R 1 48Ω 沈阳虹润自动化仪表厂 0.1元 0.1元 Rs 1 100Ω 沈阳虹润自动化仪表厂 0.1元 0.1元 C1 1 370μF 安泰电力电容器有限公
司
0.2元 C2 1 560μF 安泰电力电容器有限公司
0.2元 C3 1 450μF
安泰电力电容器有限公司
0.2元 CMOS 2 Id=10A 北京睿智奥恒科技有限
公司 8元 16元 D1-4 4 1W,15V 苏州市万达电子科技有
限公司 0.15元 0.60元 L
1
200μH
深圳良合电子有限公司
0.4元
产品成本：C=18元整
7.结束语
开关电源技术属于电力电子技术，它运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，可以满足各种用电要求。由于其高效节能可带来巨大经济效益，因而引起社会各方面的重视而得到迅速推广。开关电源的使用为国家节省了大量铜材、钢材和占地面积。由于变换效率提高，能耗减少，降低了电源周围环境的室温，改善了工作人员的环境。我国邮电通信部门广泛采用开关电源极大地推动了它在其它领域的广泛应用。值得指出的是，近两年来出现的电力系统直流操作电源，是针对国家投资 4000 亿元用于城网、农网的供电工程改造、提高输配电供电质量而推出的，它已开始采用开关电源以取代传统的相控电源。国内一些通信公司如中兴通讯等均已相继推出系列产品。随着人们生活水平的提高，科技的发展，电力变换在人们的生活中扮演着越来越重要的角色，对电力变换进行更进一步的研究已经也变得越来越重要。
本文设计了一种半桥式DC-DC变换器，实现了将9V恒定电压变换为15V稳定电压的功能。半桥式DC-DC变换器结构简单，原边开关管电压应力小，在中小功率场合有着广泛的应用范围。仿真结果表明它满足了各项稳态要求，具有一定的实用性。但是由于一些参数考虑过于理想化，没有考虑漏磁感、电容内阻等诸多因素的影响，今后还需要在这方面进行更多的研究。
相信随着电力电子器件和控制理论的不断发展，随之改进的DC-DC变换器将更加完善，具有更多的优点，更广泛的应用在我们生产、生活的方方面面，发挥更大的作用。
参考文献
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. . 摘要 电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展，新技术的出现又会使许多应用产品更新换代，还会开拓更多更新的应用领域。要求电子元件体积更小，耗能更低。开关电源作为电子设备中不可或缺的组成部分也在不断的改进，高频化、高效率、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化等，成了开关电源的发展方向，这也标志着这些技术将不断地发展而变得越来越成熟和稳定，同时实现高效率用电和高品质用电的相互结合。 脉宽调制器SG3525具有欠压锁定、系统故障关闭、软起动、延时PWM 驱动等功能，因而得到广泛应用。 本设计介绍了一种基于SG3525的半桥式开关电源变换器，对其各电路工作原理进行了分析，并设计了过流保护电路。为了提高效率，辅助电源采用了UC3843为主控芯片的反激变换器。为了减低输入电磁干扰，输入端设置了EMI滤波电路。对各参数进行了计算，通过实物制作与调试证明了方案的可行性。 该电源结构简单，思路清晰，运行稳定性好，有效降低了成本。 关键词半桥SG3525 过流保护
. . Abstract Technology for power electronics and switching power supply is going ahead continuously in practice．The emergence of new technology will make replacement in many application products as well as open up more and more new fields．At the same time components are required to have the smaller volume and lower losses，as an important parts of electronic devices power supply is getting some improvements，for high-frequency，for high efficiency，for high reliability，for low losses，for small noise，for anti-interference，for module and so on．These are becoming a development direction for power supply，which show that these technologies will become more mature and stable，it will achieve the combinability between high-efficiency and high quality to use electric energy. The pulse width modulator SG3525 has been used in various areas for its functions such as locking for the lack of pressure, closing system fault, soft starting, delaying PWM drive and so on. This design introduces a half-bridge based on SG3525 switch power converte -r, the working principle of the circuit is analyzed and designed over-current protec -tion circuit. In order to improve efficiency, auxiliary power for the main chip used UC3843 flyback converter. To reduce the input of electromagnetic interference, EMI input filter circuit is set. each parameter was calculated, through the producti -on and commissioning physical proof the feasibility of the project. The power structure is simple, clear, running stability, and effectively reducing the cost of it. Key words: half-bridge SG3525 overcurrent protection
一种基于SG3525的半桥高频开关电源 唐军，尹斌，马利军 河海大学电气工程学院，江苏南京（210098 ） E-mail：jeefrain@https://www.doczj.com/doc/7811914463.html, 摘 要：文中简要介绍了SG3525芯片的功能及内部结构，介绍了一款基于SG3525芯片的半桥高频开关电源。给出了高频变压器、PWM 控制电路的设计方法，并给出了实验结果。 关键词： SG3525、开关电源、半桥、高频变压器 1. 引言 随着PWM技术的不断发展和完善，开关电源以其高的性价比得到了广泛的应用。开关电源的电路拓扑结构很多, 常用的电路拓扑有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。其中, 在半桥电路中, 变压器初级在整个周期中都流过电流, 磁芯利用充分，且没有偏磁的问题，所使用的功率开关管耐压要求较低，开关管的饱和压降减少到了最小，对输入滤波电容使用电压要求也较低。由于以上诸多原因, 半桥式变换器在高频开关电源设计中得到广泛的应用。2. SG3525芯片的工作原理 PWM控制芯片SG3525 具体的内部引脚结构如图1及图2所示。其中，脚16 为SG3525 的基准电压源输出，精度可以达到（5.1±1％）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。脚5、脚6、脚7 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70dB 左右。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9 和脚1 之间一般要添加适当的反馈补偿网络。 图1 SG3525的引脚 1
移相全桥大功率软开关电源的设计 移相全桥大功率软开关电源的设计 1引言 在电镀行业里，一般要求工作电源的输出电压较低，而电流很大。电源的功率要求也比较高，一般都是几千瓦到几十千瓦。目前，如此大功率的电镀电源一般都采用晶闸管相控整流方式。其缺点是体积大、效率低、噪音高、功率因数低、输出纹波大、动态响应慢、稳定性差等。 本文介绍的电镀用开关电源，输出电压从0~12V、电流从0~5000A连续可调，满载输出功率为60kW.由于采用了ZVT软开关等技术，同时采用了较好 的散热结构，该电源的各项指标都满足了用户的要求，现已小批量投入生产。 2主电路的拓扑结构 鉴于如此大功率的输出，高频逆变部分采用以IGBT为功率开关器件的全桥拓扑结构，整个主电路，包括：工频三相交流电输入、二极管整流桥、EMI滤波器、滤波电感电容、高频全桥逆变器、高频变压器、输出整流环节、输出LC滤波器等。 隔直电容Cb是用来平衡变压器伏秒值，防止偏磁的。考虑到效率的问题，谐振电感LS只利用了变压器本身的漏感。因为如果该电感太大，将会导致过高 的关断电压尖峰，这对开关管极为不利，同时也会增大关断损耗。另一方面，还会造成严重的占空比丢失，引起开关器件的电流峰值增高，使得系统的性能降低。 图1主电路原理图 3零电压软开关 高频全桥逆变器的控制方式为移相FB2ZVS控制方式，控制芯片采用Unitrode公司生产的UC3875N。超前桥臂在全负载范围内实现了零电压软开关，滞后桥臂在75%以上负载范围内实现了零电压软开关。图2为滞后桥臂IGBT的驱动电压和集射极电压波形，可以看出实现了零电压开通。
开关频率选择20kHz,这样设计一方面可以减小IGBT的关断损耗，另一方面又可以兼顾高频化，使功率变压器及输出滤波环节的体积减小。 图2IGBT驱动电压和集射极电压波形图 4容性功率母排 在最初的实验样机中，滤波电容C5与IGBT模块之间的连接母排为普通的功率母排。在实验中发现IGBT上的电压及流过IGBT的电流均发生了高频震荡，图3为满功率时采集的变压器初级的电压、电流波形图。原因是并联在IGBT模块上的突波吸收电容与功率母排的寄生电感发生了高频谐振。满载运行一小时后，功率母排的温升为38℃，电容C5的温升为24℃。 图3使用普通功率母排时变压器初级电压、电流波形 为了消除谐振及减小功率母排、滤波电容的温升，我们最终采用了容性功率母排，图4为采用容性功率母排后满功率时采集的变压器初级的电压、电流波形图。从图中可以看出，谐振基本消除，满载运行一小时后，无感功率母排的温升为11℃，电容C5的温升为10℃。 图4使用容性功率母排后变压器初级电压和电流波形 5采用多个变压器串并联结构，使并联的输出整流二极管之间实现自动均流为了进一步减小损耗，输出整流二极管采用多只大电流（400A）、耐高电压（80V）的肖特基二极管并联使用。而且，每个变压器的次级输出采用了全波整流方式。这样，每一次导通期间只有一组二极管流过电流。同时，次级整流二极管配上了RC吸收网络，以抑止由变压器漏感和肖特基二极管本体电容引起 的寄生震荡。这些措施都最大限度地减小了电源的输出损耗，有利于效率的提高。 对于大电流输出来说，一般要把输出整流二极管并联使用。但由于肖特基二极管是负温度系数的器件，并联时一般要考虑它们之间的均流。二极管的并联方
开关电源PCB设计流程及布线技巧在任何开关电源设计中，PCB板的物理设计都是最后一个环节，如果设计方法不当，PCB可能会辐射过多的电磁干扰，造成电源工作不稳定，以下针对各个步骤中所需注意的事项进行分析： 一、从原理图到PCB的设计流程 建立元件参数－》输入原理网表-》设计参数设置-》手工布局-》手工布线-》验证设计－》复查-》cam输出。 二、参数设置 相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压，在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距，一般情况下将走线间距设为8mil。焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm，这样可以避免加工时导致焊盘缺损。当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不容易起皮，而是走线与焊盘不易断开。 如图：
三、元器件布局 实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。例如，如果印制板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声；由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，因此，在设计印制电路板的时候，应注意采用正确的方法。每一个开关电源都有四个电流回路： （1）电源开关交流回路 （2）输出整流交流回路 （3）输入信号源电流回路 （4）输出负载电流回路输入回路 通过一个近似直流的电流对输入电容充电，滤波电容主要起到一个宽带储能作用；类似地，输出滤波电容也用来储存来自输出整流器的高频能量，同时消除输出负载回路的直流能量。所以，输入和输出滤波电容的接线端十分重要，输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源；如果在输入/输出回
600W半桥型开关稳压电源设计 600W半桥型开关稳压电源设计 摘要 本次设计主要是设计一个600W半桥型开关稳压电源，从而为负载供 电。 电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。由于开关电源本身消耗的能量低，电源效率比普通线性稳压电源提高一倍，被广泛用于电子计算机、通讯、家电等各个行业。它的效率可达85％以上，稳压范围宽，除此之外，还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点，是一种较理想的稳压电源。本文介绍了一种采用半桥电路的开关电源，其输入电压为单相170 ~ 260V，输出电压为直流12V恒定，最大电流50A。从主电路的原理与主电路图的设计、控制电路器件的选取、保护电路方案的确定以及计算机仿真图形的绘制与波形分析等方面的研究。 关键词：半桥变换器；功率MOS管；脉宽调制；稳压电源； 第1章绪论1.1 电力电子技术概况 电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术属于信息电子技术。电力电子技术是应用于电
力领域的电子技术，它是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的新兴学科。目前所用的电力电子器件采用半导体制成，故称电力半导体器件。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换。电力电子技术的发展是以电力电子器件为核心，伴随变换技术和 控制技术的发展而发展的。 电力电子技术可以理解为功率强大，可供诸如电力系统那样大电流、高电压场合应用的电子技术，它与传统的电子技术相比，其特殊之处不仅仅因为它能够通过大电流和承受高电压，而且要考虑在大功率情况下，器件发热、运行效率的问题。为了解决发热和效率问题，对于大功率的电子电路，器件的运行都采用开关方式。这种开关运行方式就是电力电 子器件运行的特点。 电力电子学这一名词是20世纪60年代出现的，“电力电子学”和“电力电子技术”在内容上并没有很大的不同，只是分别从学术和工程技术这2个不同角度来称呼。电力电子学可以用图1的倒三角形来描述，可以认为电力电子学由电力学、电子学和控制理论这3个学科交叉而形成 的。这一观点被全世界普遍接受。 电力电子技术与电子学的关系是显而易见的。电子学可分为电子器件和电子电路两大部分，它们分别与电力电子器件和电力电子电路相对应。从电子和电力电子的器件制造技术上进两者同根同源，从两种电路的分析方法上讲也是一致的，只是两者应用的目的不同，前者用于电力变换， 后者用于信息处理。
开关电源设计步骤 步骤1 确定开关电源的基本参数 ① 交流输入电压最小值u min ② 交流输入电压最大值u max ③ 电网频率F l 开关频率f ④ 输出电压V O （V ）：已知 ⑤ 输出功率P O （W ）：已知 ⑥ 电源效率η：一般取80％ ⑦ 损耗分配系数Z ：Z 表示次级损耗与总损耗的比值，Z=0表示全部损耗发生在初级， Z=1表示发生在次级。一般取Z=0.5 步骤2 根据输出要求，选择反馈电路的类型以及反馈电压V FB 步骤3 根据u ，P O 值确定输入滤波电容C IN 、直流输入电压最小值V Imin ① 令整流桥的响应时间tc=3ms ② 根据u ，查处C IN 值 ③ 得到V imin 步骤4 根据u ，确定V OR 、V B ① 根据u 由表查出V OR 、V B 值 ② 由V B 值来选择TVS 步骤5 根据Vimin 和V OR 来确定最大占空比Dmax V OR D m a x = ×100％ V OR +V I m i n －V D S (O N ) ① 设定MOSFET 的导通电压V DS(ON) ② 应在u=umin 时确定Dmax 值，Dmax 随u 升高而减小 步骤6 确定C IN ,V Imin 值
步骤7 确定初级波形的参数 ① 输入电流的平均值I A VG P O I A VG= ηV Imin ② 初级峰值电流I P I A VG I P = (1－0.5K RP )×Dmax ③ 初级脉动电流I R ④ 初级有效值电流I RMS I RMS =I P √D max ×(K RP 2/3－K RP +1) 步骤8 根据电子数据表和所需I P 值 选择TOPSwitch 芯片 ① 考虑电流热效应会使25℃下定义的极限电流降低10％，所选芯片的极限电流最小值 I LIMIT(min)应满足：0.9 I LIMIT(min)≥I P 步骤9和10 计算芯片结温Tj ① 按下式结算： Tj ＝[I 2RMS ×R DS(ON)+1/2×C XT ×(V Imax +V OR ) 2 f ]×R θ＋25℃ 式中C XT 是漏极电路结点的等效电容，即高频变压器初级绕组分布电容 ② 如果Tj ＞100℃，应选功率较大的芯片 步骤11 验算I P IP=0.9I LIMIT(min) ① 输入新的K RP 且从最小值开始迭代，直到K RP =1 ② 检查I P 值是否符合要求 ③ 迭代K RP =1或I P =0.9I LIMIT(min) 步骤12 计算高频变压器初级电感量L P ，L P 单位为μH 106P O Z(1－η)+ η L P = × I 2P ×K RP (1－K RP /2)f η 步骤13 选择变压器所使用的磁芯和骨架，查出以下参数： ① 磁芯有效横截面积Sj （cm 2），即有效磁通面积。 ② 磁芯的有效磁路长度l （cm ） ③ 磁芯在不留间隙时与匝数相关的等效电感AL(μH/匝2) ④ 骨架宽带b （mm ） 步骤14 为初级层数d 和次级绕组匝数Ns 赋值 ① 开始时取d ＝2（在整个迭代中使1≤d ≤2） ② 取Ns=1(100V/115V 交流输入)，或Ns=0.6(220V 或宽范围交流输入) ③ Ns=0.6×(V O +V F1) ④ 在使用公式计算时可能需要迭代 步骤15 计算初级绕组匝数Np 和反馈绕组匝数N F ① 设定输出整流管正向压降V F1 ② 设定反馈电路整流管正向压降V F2 ③ 计算N P
半桥式DC-DC变换器设计 【摘要】近年来，随着电力电子器件、控制理论的发展和人们对电源性能要求的提高，电力电子技术引起了学者们的广泛关注。目前一些发达国家正逐渐把电力变换技术广泛应用于民用工业领域，我国在这一领域的研究起步较晚，但随着国民经济的发展，适合于不同要求的各种变换器越来越引起科研人员的关注。 本文通过对Buck变换器的电路结构和工作原理进行分析，设计出一种半桥式DC-DC变换器，并采用闭环控制方法，将恒定的400V直流输入变为稳定5V的直流输出，保证了系统的供电性能。最后利用Matlab工具对所设计的电路进行仿真,仿真结果验证了所设计系统的有效性。半桥式DC-DC变换器由于电路结构简单，功率器件少且功率管上受到的电压应力小，在中小功率场合得到了较为广泛的应用。本文为进一步研究和开发相关产品提供借鉴。 【关键词】Buck 半桥DC-DC MATLAB 【ABSTRACT】In recent years, with the development of power electronic devices，control theory and the increasing demand of high-quality power supply, power electronics technology has aroused widely attention from scholars. Power electronics technology is used gradually in civilian industrial areas in some developed countries. With the national economic development, the various converters for different requirements are developed and the related technology is studied by scientist and scholar.
引言 近年来，随着电子技术的发展，邮电通信、交通设施、仪器仪表、工业设施、家用电器等越来越多地应用开关电源，随着科学技术的不断进步，对大功率电源的需求也就越来越大。与此同时大量集成电路、超大规模集成电路等电子通信设备日益增多，要求电源的发展趋势是小型化、轻量化。通常滤波电感、电容和变压器的体积和重量比较大，因此主要是靠减少它们的体积来实现小型化、轻量化。 我们可以通过减少变压器的绕组匝数和金减小铁心尺寸来提高工作频率，但在提高开关频率的同时，开关损耗会随之增加，电路效率会严重下降。针对这些问题出现了软开关技术，它利用以谐振为主的辅助换流手段，解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关电源能高频高效地运行，从20世纪70年代以来国内外就开始不断研究高频软开关技术，目前已比较成熟，下面以2KW的电源为例进行设计。 1.设计内容和方法 1.1主电路型式的选择 变换电路的型式主要根据负载要求和给定电源电压等技术条件进行选择。在几种常用的变换电路中，因为半桥、全桥变换电路功率开关管承受的电压比推挽变换电路低一倍，由于市电电压较高，所以不选推挽变换电路。半桥变换电路与全桥变换电路在输出同样功率时，半桥变换电路的功率开关管承受二倍的工作电流，不易选管，输出功率较全桥小，所以采用全桥变换电路。 传统的全桥变换电路开关元件在电压很高或电流很大的条件下，在门极的控制下开通或关断，开关过程中电压、电流均不为零，出现重叠，导致了开关损耗。开关损耗随开关频率增加而急剧上升，使电路效率下降，阻碍了开关频率的提高。在移相控制技术的基础上，利用功率管的输出电容和输出变压器的漏电感作为谐振元件，使全桥变换器四个开关管依次在零电压下导通，实现恒频软开关。由于减少了开关过程损耗，变换效率可达80%-90%，并且不会发生开关应力过大。所以选用移相控制全桥型零电压开关脉宽调制（PSC FB ZVS-PWM）变换电路。 移相控制全桥变换电路是目前应用最为广泛的软开关电路之一，它的特点是电路简单，与传统的硬开关电路相比，并没有增加辅助开关等元件。原理如图1所示，主要由四个相同的功率管和一个高频变压器压器组成。E为输入直流电压， T1～T4 为开关管， D1～D4 为体内二极管，C1 ～C4 为开关的输出电容。以第一个桥臂为例介绍，利用变压器漏感和功率输出电容C1 谐振，漏感储能向电容 C1释放过程中，使电容上的电压逐步下降到零，体内二极管D1开通，创造了T1 的ZVS条件。
半桥式D C D C变换器 设计 公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08]
半桥式DC-DC变换器设计 【摘要】近年来，随着电力电子器件、控制理论的发展和人们对电源性能要求的提高，电力电子技术引起了学者们的广泛关注。目前一些发达国家正逐渐把电力变换技术广泛应用于民用工业领域，我国在这一领域的研究起步较晚，但随着国民经济的发展，适合于不同要求的各种变换器越来越引起科研人员的关注。 本文通过对Buck变换器的电路结构和工作原理进行分析，设计出一种半 桥式DC-DC变换器，并采用闭环控制方法，将恒定的400V直流输入变为稳定5V 的直流输出，保证了系统的供电性能。最后利用Matlab工具对所设计的电路进行仿真,仿真结果验证了所设计系统的有效性。半桥式DC-DC变换器由于电路结构简单，功率器件少且功率管上受到的电压应力小，在中小功率场合得到了较为广泛的应用。本文为进一步研究和开发相关产品提供借鉴。 【关键词】Buck 半桥 DC-DC MATLAB 【ABSTRACT】In recent years, with the development of power electronic devices，control theory and the increasing demand of high-quality power supply, power electronics technology has aroused widely attention from scholars. Power electronics technology is used gradually in civilian industrial areas in some developed countries. With the national economic development, the various
工程硕士学位论文 大功率移相全桥软开关电源的设计 THE DESIGN ON SOFT SWITCHING POWER SUPPLY WITH HIGH POWER PHASE-SHIFTED FULL-BRIDGE 雷连方 哈尔滨工业大学 2006年12月
国内图书分类号 : TM92 国际图书分类号: 621.38 工程硕士学位论文 大功率移相全桥软开关电源的设计 硕士研究生：雷连方 导师：刘瑞叶 教授 副导师：肖连存 高工 申请学位：工程硕士 学科、专业：电气工程 所在单位：中国科工集团第三总体设计部 答辩日期：2006年12 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学
Classified Index: TM92 U.D.C: 621.38 Dissertation for the Master Degree in Engineering THE DESIGN ON SOFT SWITCHING POWER SUPPLY WITH HIGH POWER PHASE-SHIFTED FULL-BRIDGE C a n d i d a t e：Lei Lianfang Supervisor：Prof. Liu Ruiye Associate Supervisor：Senior Engineer Xiaolianchun Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Electrical Engineering Affiliation：The 3rd Headquarters of China Aerospace Science Industry Company Date of Defence：December,2006 Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of technology
. 摘要 电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展，新技术的出现又会使许多应用产品更新换代，还会开拓更多更新的应用领域。要求电子元件体积更小，耗能更低。开关电源作为电子设备中不可或缺的组成部分也在不断的改进，高频化、高效率、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化等，成了开关电源的发展方向，这也标志着这些技术将不断地发展而变得越来越成熟和稳定，同时实现高效率用电和高品质用电的相互结合。 脉宽调制器SG3525具有欠压锁定、系统故障关闭、软起动、延时PWM驱动等功能，因而得到广泛应用。 本设计介绍了一种基于SG3525的半桥式开关电源变换器，对其各电路工作原理进行了分析，并设计了过流保护电路。为了提高效率，辅助电源采用了UC3843为主控芯片的反激变换器。为了减低输入电磁干扰，输入端设置了EMI滤波电路。对各参数进行了计算，通过实物制作与调试证明了方案的可行性。 该电源结构简单，思路清晰，运行稳定性好，有效降低了成本。 关键词半桥 SG3525 过流保护
. Abstract Technology for power electronics and switching power supply is going ahead continuously in practice．The emergence of new technology will make replacement in many application products as well as open up more and more new fields．At the same time components are required to have the smaller volume and lower losses，as an important parts of electronic devices power supply is getting some improvements，for high-frequency，for high efficiency，for high reliability，for low losses，for small noise，for anti-interference，for module and so on．These are becoming a development direction for power supply，which show that these technologies will become more mature and stable，it will achieve the combinability between high-efficiency and high quality to use electric energy. The pulse width modulator SG3525 has been used in various areas for its functions such as locking for the lack of pressure, closing system fault, soft starting, delaying PWM drive and so on. This design introduces a half-bridge based on SG3525 switch power converte -r, the working principle of the circuit is analyzed and designed over-current protec -tion circuit. In order to improve efficiency, auxiliary power for the main chip used UC3843 flyback converter. To reduce the input of electromagnetic interference, EMI input filter circuit is set. each parameter was calculated, through the producti -on and commissioning physical proof the feasibility of the project. The power structure is simple, clear, running stability, and effectively reducing the cost of it. Key words: half-bridge SG3525 overcurrent protection
1 开关电源变换器的性能指标 开关电源变换器的部分原理图如图1所示。 其主要技术参数如下： 电路形式半桥式； 整流形式全波整流； 工作频率f=38kHz； 变换器输入直流电压Ui=310V； 变换器输出直流电压Ub=14.7V； 输出电流Io=25A； 工作脉冲的占空度D=0.25～O.85； 转换效率η≥85％； 变压器允许温升△τ=50℃； 变换器散热方式风冷； 工作环境温度t=45℃～85℃。 2 变压器磁芯的选择以及工作磁感应强度的确定 2.1 变压器磁芯的选择 目前，高频开关电源变压器所用的磁芯材料一般有铁氧体、坡莫合金材料、非晶合金和超微晶材料。这些材料中，坡莫合金价格最高，从降低电源产品的成本方面来考虑不宜采用。非晶合金和超微晶材料的饱和磁感应强度虽然高，但在假定的测试频率和整个磁通密度的测试范围内，它们呈现的铁损最高，因此，受到高功率密度和高效率的制约，它们也不宜采用。虽然铁氧体材料的损耗比坡莫合金大些，饱和磁感应强度也比非晶合金和超微晶材料低，但铁氧体材料价格便宜，可以做成多种几何形状的铁芯。对于
大功率、低漏磁变压器设计，用E-E型铁氧体铁芯制成的变压器是最符合其要求的，而且E-E型铁芯很容易用铁氧体材料制作。所以，综合来考虑，变换器的变压器磁芯选择功率铁氧体材料，E-E型。 2.2 工作磁感应强度的确定 工作磁感应强度Bm是开关电源变压器设计中的一个重要指标，它与磁芯结构形式、材料性能、工作频率及输出功率的因素有关关。若工作磁感应强度选择太低，则变压器体积重量增加，匝数增加，分布参数性能恶化；若工作磁感应强度选择过高，则变压器温升高，磁芯容易饱和，工作状态不稳定。一般情况下，开关电源变压器的Bm值应选在比饱和磁通密度Bs低一些，对于铁氧体材料，工作磁感应强度选取一般在0.16T到0.3T之间。在本设计中，根据特定的工作频率、温升、工作环境等因素，把工作磁感应强度定在0.2 T。 3 变压器主要设计参数的计算 3.1 变压器的计算功率 开关电源变压器工作时对磁芯所需的功率容量即为变压器的计算功率，其大小取决于变压器的输出功率和整流电路的形式。变换器输出电路为全波整流，因此 式中：Pt为变压器的计算功率，单位为W； Po为变压器的输出功率，单位为W； 3.2 磁芯设计输出能力的确定 磁芯材料确定后，磁芯面积的乘积反映了变压器输出功率的能力。其磁芯面积为 式中：Ap为磁芯截面积乘积，单位为cm4；
毕业论文 题目基于SG3525的半桥高频 开关电源设计 专业 班级 学生姓名 指导教师 答辩日期
学院毕业论文任务书 系：机电工程系专业：电气自动化技术班学号：姓名： 指导教师：教研室主任：
目录 第1章绪论 (1) 1.1 课题背景 (1) 1.1.1开关电源原理 (1) 一、开关电源的电路组成： (1) 二、输入电路的原理及常见电路： (2) 2、 DC输入滤波电路原理： (3) 第2章 SG3525芯片的工作原理 (4) 2.1 本章PWM控制芯片SG3525功能简介： (4) 2.1.1 SG3525引脚功能及特点简介： (4) 2.1.2 SG3525的工作原理 (6) 第3章电源系统介绍 (7) 3.1 主电路结构及其工作原理 (7) 3.2 控制电路 (8) 第4章高频变压器的设计 (9) 4.1 原副边电压比n (9) 4.2 磁芯的选取及变压器的结构 (9) 4.3 变压器初、次级匝数 (9) 4.4 确定绕组的导线线径和导线股数 (10) 结论 (10) 致谢： (13) 参考文献： (14)
第1章绪论 1.1 课题背景 随着PWM技术的不断发展和完善，开关电源具有体积小、效率高等一系列 优点，在各类电子产品中得到广泛的应用。但由于开关电源的控制电路比较复杂、输出纹波电压较高，所以开关电源的应用也受到一定的限制。 电子装置小型轻量化的关键是供电电源的小型化，因此需要尽可能地降低电源电路中的损耗。开关电源中的调整管工作于开关状态，必然存在开关损耗，而且损耗的大小随开关频率的提高而增加。另一方面，开关电源中的变压器、电抗器等磁性元件及电容元件的损耗，也随频率的提高而增加。 目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十kHz；采用MOSFET的开关电源转换频率可达几百kHz。为提高开关频率必须 采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，原理上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。 开关电源的集成化与小型化已成为现实。然而，把功率开关管与控制电路都集成在同一芯片上，必须解决电隔离和热绝缘的问题。 开关电源以其高的性价比得到了广泛的应用。开关电源的电路拓扑结构很多, 常用的电路拓扑有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。其中, 在半桥电路中, 变压器初级在整个周期中都流过电流, 磁芯利用充分，且没有偏磁的问题，所使用的功率开关管耐压要求较低，开关管的饱和压降减少到了最小，对输入滤波电容使用电压要求也较低。由于以上诸多原因, 半桥式变换器在高频开关电源设计中得到广泛的应用。 1.1.1开关电源原理 一、开关电源的电路组成： 开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。
移相全桥为主电路的软开关电源设计详解 2014-09-11 11:10 来源：电源网作者：铃铛 移相全桥变换器可以大大减少功率管的开关电压、电流应力和尖刺干扰，降低损耗，提高开关频率。如何以UC3875为核心，设计一款基于PWM软开关模式的开关电源?请见下文详解。 主电路分析 这款软开关电源采用了全桥变换器结构，使用MOSFET作为开关管来使用，参数为1000V/24A。采用移相ZVZCSPWM控制，即超前臂开关管实现ZVS、滞后臂开关管实现ZCS。电路结构简图如图1，VT1~VT4是全桥变换器的四只MOSFET开关管，VD1、VD2分别是超前臂开关管VT1、VT2的反并超快恢复二极管，C1、C2分别是为了实现VTl、VT2的ZVS设置的高频电容，VD3、VD4是反向电流阻断二极管，用来实现滞后臂VT3、VT4的ZCS，Llk为变压器漏感，Cb为阻断电容，T 为主变压器，副边由VD5~VD8构成的高频整流电路以及Lf、C3、C4等滤波器件组成。 图1 1.2kw软开关直流电源电路结构简图 其基本工作原理如下： 当开关管VT1、VT4或VT2、VT3同时导通时，电路工作情况与全桥变换器的硬开关工作模式情况一样，主变压器原边向负载提供能量。通过移相控制，在关断VT1时并不马上关断VT4，而是根据输出反馈信号决定移相角，经过一定时间后再关断VT4，在关断VT1之前，由于VT1导通，其并联电容C1上电压等于VT1的导通压降，理想状况下其值为零，当关断VT1时刻，C1开始充电，由于电容电压不能突变，因此，VT1即是零电压关断。 由于变压器漏感L1k以及副边整流滤波电感的作用，VT1关断后，原边电流不能突变，继续给Cb充电，同时C2也通过原边放电，当C2电压降到零后，VD2自然导通，这时开通VT2，则VT2即是零电压开通。 当C1充满电、C2放电完毕后，由于VD2是导通的，此时加在变压器原边绕组和漏感上的电压为阻断电容Cb两端电压，原边电流开始减小，但继续给Cb 充电，直到原边电流为零，这时由于VD4的阻断作用，电容Cb不能通过VT2、
开关电源的制作流程 开关电源（Switch Mode Power Supply，SMPS）具有高效率、低功率、体积小、重量轻等显著优点，代表了稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源的设计与制作要求设计者具有丰富的实践经验，既要完成设计制作，又要懂得调试、测试与分析等。本文章介绍开关电源组成及制作、调试所需的基本步骤和方法。 第一节开关电源的电路组成 开关电源一般是指输入与输出隔离的电源变换器，包括AC/DC电源变换器和DC/DC电源变换器，也称为AC/DC开关电源和DC/DC开关电源。非隔离式DC/DC变换器也属于开关电源，通常称之为开关稳压器。 1、AC/DC开关电源的组成 AC/DC开关电源的典型结构如图1-1-1所示。电源由输入电磁干扰（EMI）滤波器、输入整流/滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流/滤波电路和输出电压反馈电路组成。 图1-1-1 AC/DC开关电源的典型结构 其中输入整流/滤波电路、功率变换电路、输出整流/滤波电路和PWM控制器电路是主要电路，其他为辅助电路。有些开关电源中还有防雷击电路、输入过压/欠压保护电路、输出过压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等其他辅助电路。 2. DC/DC开关电源的组成 DC/DC开关电源的组成相对AC/DC开关电源要简单一点，其典型结构如图1-1-2所示。电源由输入滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流/滤波电路和输出电压反馈电路组成。当然，有些DC/DC开关电源也会包含其他辅助电路。 图1-1-2 DC/DC开关电源的典型结构
第二节开关电源的制作流程 开关电源的设计与制作要从主电路开始，其中功率变换电路是开关电源的核心。功率变换电路的结构也称开关电源拓扑结构，该结构有多种类型。拓扑结构也决定了与之配套的PWM控制器和输出整流/滤波电路。下面介绍开关电源设计与制作一般流程。 1.解定电路结构(DC/DC变换器的结构) 无论是AC/DC开关电源还是DC/DC开关电源，其核心都是DC/DC变换器。因此，开关电源的电路结构就是指DC/DC变换器的结构。开关电源中常用的DC/DC变换器拓扑结构如下: (1)降压式变换器，亦称降压式稳压器。 (2)升压式变换器，亦称升压式稳压器。 (3)反激式变换器。 (4)正激式变换器。 (5)半桥式变换器。 (6)全桥式变换器。 (7)推挽式变换器。 降压式变换器和升压式变换器主要用于输入、输出不需要隔离的DC/DC变换器中；反激式变换器主要用于输入、输出需要隔离的小功率AC/DC或DC/DC变换器中；正激式变换器主要用于输入/输出需要隔离的较大功率AC/DC或DC/DC变换器中；半桥式变换器和全桥式变换器主要用于输入/输出需要隔离的大功率AC/DC或DC/DC变换器中，其中全桥式变换器能够提供比半桥式变换器更大的输出功率；推挽式变换器主要用于输入/输出需要隔离的较低输入电压的DC/DC或DC/AC变换器中。 顾名思义，降压式变换器的输出电压低于输入电压，升压式变换器的输出电压高于输入电压。在反激式、正激式、半桥式、全桥式和推挽式等具有隔离变压器的DC/DC变换器中，可以通过调节高频变压器的一、二次匝数比，很方便地实现电源的降压、升压和极性变换。此类变换器既可以是升压型，也可以是降压型号，还可以是极性变换型。在设计开关电源时，首先要根据输入电压、输出电压、输出功率的大小及是否需要电气隔离，选择合适的电路结构。 2.选择控制电路(PWM) 开关电源是通过控制功率晶体管或功率场效应管的导通与关断时间来实现电压变换的，其控制方式主要有脉冲宽度调制、脉冲频率调制和混合调制三种。脉冲宽度调制方式，简称脉宽度调制，缩写为PWM；脉冲频率调制方式，简称脉频调制，缩写PFM；混合调制方式，是指脉冲宽度与开关频率均不固定，彼此都能改变的方式。 PWM方式，具有固定的开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比，因此开关周期也是固定的，这就为设计滤波电路提供了方便，所以应用最为普通。目前，集成开关电源大多采用此方式。为便于开关电源的设计，众多厂家将PWM控制器设计成集成电路，以便用户选择。开关电源中常用的PWM控制器电路如下: (1)自激振荡型PWM控制电路。 (2)TL494电压型PWM控制电路。 (3)SG3525电压型PWM控制电路。 (4)UC3842电流型PWM控制电路。 (5)TOPSwitch-II系列的PWM控制电路。 (6)TinySwitch系列的PWM控制电路。 3.确定辅助电路