辽 宁 工 业 大 学
电力电子技术课程设计（论文）
题目： 240W 半桥型开关稳压电源设计
院（系）： 工程技术学院 专业班级： 电气121 学 号： 12190** 学生姓名： 海**
指导教师： 李** （签字） 起止时间：2014-12-15至2014-12-26
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：工程技术学院 教研室：电气教研室 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘 要
应用即社会需求，社会需求是技术发展的原动力，开关电源的发展过程清楚地辨明了这一点。目前，计算机的发展十分迅速，以其为代表的小功率电子产品是开关电源的主要应用领域，而且正是由于在小功率领域的成功应用，似的软开关技术在小功率领域发展得最为成熟。本设计即为为实验室提供的大功率开关电源，主电路采用半桥型整流电路，先整流滤波、后经高频逆变得到高频交流电压，然后由高频变压器降压、再整流滤波的方法，该电源在开环时，它的负载特性较差，只有加入反馈，构成闭环控制后，当外加电源电压或负载变化时，均能自动控制PWM 输出信号的占空比，故控制电路以SG3525为核心构成，SG3525为美国Silicon General 公司生产的专用PWM 控制集成电路。它采用恒频脉宽调制控制方案，它适用于各开关电源、斩波器的控制。用SG3525很好的解决了负载特性差的缺点，得到了想要的输出电压。
关键词：开关电源；PWM 控制；整流电路；
目 录
第1章 绪论 .......................................................... 1
1.1 开关电源概况 ................................................. 1 1.2 本文设计内容 ................................................. 1 第2章 240W 半桥型开关稳压电源设计 ................................... 3
2.1 240W 半桥型开关稳压电源总体设计方案 . .......................... 3 2.2 具体电路设计 ................................................. 4
2.2.1 主电路设计 .......................................................................................... 4 2.2.2 控制电路设计 ...................................................................................... 5 2.2.3 保护电路设计 ...................................................................................... 6 2.2.4 整体电路设计 ...................................................................................... 7 2.3 元器件型号选择 ............................................... 8 2.4 系统调试或仿真、数据分析 .................................... 12 第3章 课程设计总结 ................................................. 13 参考文献 ............................................................ 14
1.1 开关电源概况
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比 率，维持稳定输出电压的一种电源。 随着电力电子技术的发展和创新，使得开关 电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。
随着开关电源在计算机、通信、家用电器等方面的广泛应用，人们对其需求量增长和效率、体积、重量及可靠性等方面要求更高。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。在半桥式变换器电路中, 变压器初级在整个周期中都流过电流, 磁芯利用得更加充分。 它克服了推挽式电路的缺点, 所使用的功率晶体管耐压要求较低；晶体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，半桥式变换器在高频开关电源设计中得到广泛的应用。
电源是将各种能源转换成为用电设备所需要的装置， 是所有靠电能工作的装 置的动力源泉。直流开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装 置，用于交流→直流或者直流→直流电能变换，通常称其为开关电源。 开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求， 利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。 开关电源的这一技术特点使得它具有，效率高、体积小、重量轻、频率高、电感、电容等滤波元件和变压器体积小。
1.2 本文设计内容
开关电源在效率、体积和重量等方面都远远优于线性电源，因此已经基本取代了线性电源，成为电子热备供电的主要电源形式，受到人们的青睐。采用先整流滤波、后经高频逆变得到高频交流电压，然后由高频变压器降压、再整流滤波的方法。这种采用高频开关方式进行电能变换的电源称为开关电源。随着电子技术和应用迅速地发展，开关稳压电源的品种和类型也越来越多。本文设计的是为实验室电子设备提供的24V 稳压范围宽、大功率直流电源，以取代低效率的线性稳压电源。
其主要技术参数如下：
1、输入电压单相170 ~ 260V。 2、输入交流电频率45~65HZ。 3、输出直流电压24V 恒定。 4、输出直流电流10A 。 5、最大功率：250W 。
6、稳压精度：＜直流输出电压整定值的1％。 本文分别从以下几个方面进行了设计： 1. 总体电路设计； 2. 主电路设计； 3. 控制电路设计； 4. 保护电路设计； 5. 元器件型号的选择；
第2章 240W半桥型开关稳压电源设计
2.1 240W 半桥型开关稳压电源总体设计方案
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。交流输入、直流输出的开关电源将交流电转化为直流电供负载使用。整流电路普遍采用二极管构成的桥式电路，直流侧采用大电容滤波，该电路结构简单、工作可靠、成本低，效率也比较高。
首先，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。主电路采用先整流滤波、后经高频逆变得到高频交流电压，然后由高频变压器降压、在整流滤波的方法，该电源在开环时，它的负载特性较差，只有加入反馈，构成闭环控制后，当外加电源电压或负载变化时，均能自动控 制 PWM 输出信号的占空比， 以维持电源的输出直流电压在一定的范围内保持不变，达到了稳压的效果。其设计方案如图2.1所示。
2.2 具体电路设计为为
为了更直观的了解240W 推挽型开关稳压电源结构和基本原理，下面做了简单的介绍：
推挽式变换器电路属于双端式变换电路。其高频变压器工作于磁滞回线的两侧，是一种设计简单、工作合理的线路，适用范围比较广。其典型电路如图所示。开关晶体管VT l 、 VT2由基极驱动电路激励交替导通与截止，输入直流电压U i 变换成高频方波交流电压。VT l 导通时，U i 通过VT l 加到变压器T 1的初级绕组N 1上。由于变压器的作用，因此截止的晶体管VT 2将施加于2倍的输入电压，即2U ；。当基极激励消失时，VT l 、VT 2管均截止。其集电极施加的电压均为输入电压U i 。下半个周期，VT 2导通，VT l 截止，VT l 施加2倍的输入电压，接着又是两管截止，下一个周期重新开始。推挽式电路的主要缺点是开关晶体管的耐压要达到2倍的输入电源。电压的峰值，以220±10％V 的电网电压为例，稳态截止电压的最大值为680V ，加上动态过程中的尖峰电压，开关晶体管必须要承受800V 以上的电压，其推挽式开关稳压电源原理图如下：
图2.2
2.2.1主电路设计
半桥式开关电源主电路如图2.2.1所示。图中开关管S 1, S2选用MO SFET, 因为它是电压驱动全控型器件, 具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快及安全工作区大等优点。半桥式逆变电路一个桥臂由开关管S 1,S 2组成, 另一个桥臂由电容C 1, C2组成。高频变压器初级一端接在C 1, C2的中点, 另一端接在S 1, S2的公共连接端，C 1, C2中点的电压等于整流后直流电压的一半, 在半桥式逆变电路中，变
压器一次侧的两端分别连接在电容C 1,C 2的中点和 开关S 1, S 2中点。电容C 1,C 2的中点电压为U i 2 。S 1与S 2交替导通，使变压 器一次侧形成幅值为U i 2的交流电压，改变开关的占空比，就可以改变二次侧 整流电压U d 的平均值，也就改变了输出电压Uo 。逆变电路采用的电力电子器件为美国IR 公司生产的全控型电力MOSFET 管，其型号为IRFP450, 主要参数为：额定电流16A, 额定耐压500V ，通态电阻0.4Ω。两只MOSFET 管与 两只电容C 1、C 2组成一个逆变桥，在两路PWM 信号的控制下实现了逆变，将直流电压变换为脉宽可调的交流电压，并在桥臂两端输出开关频率约为26KHz 、占空比可调的矩形脉冲电压。然后通过降压、整流、滤波后获得可调的直流电源电压输出。该电源在开环时，它的负载特性较差，只有加入反馈，构成闭环控制后，当外加电源电压或负载变化时，均能自动控制PWM 输出信号的占空比，以维持电源的输出直流电压在一定的范围内保持不变，达到了稳压的效果。
图2.2.1 主电路
2.2.1 控制电路设计
控制电路以 SG3525 为核心构成，SG3525 为美国 Silicon General 公司生产的专用 PWM 控制集成电路。它采用恒频脉宽调制控制方案，其内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、 分频器和保护电路等。调节 Ur 的大小，在 A 、B 两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位 相互错开 180 度、占空比可调的矩形波（即 PWM 信号）。它适用于各开关电源、斩波器的控制。该芯片的输入电压工作范围是8～35 V , 通常可取+ 15 V; 振荡频率是100～ 500 kHz, 芯片的脚5和脚7间串联一个电阻Rd 就可以在较大范围内调节死区时间。另外, 它的软启动电路也非常容易设计, 只需在管脚8接一个软启动电容即可。SG3525
的振荡
频率可表示为fs =
1
C o (017R o + 3R d)
式中: C o , R o 分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻; R d 是与脚7相连的放电端电阻值。该芯片外围电路简单, 11和14脚输出采用图腾柱, 电流驱动能力强, 可直接控制半桥逆变器的上下功率管S 1, S 2, 其外围电路如图2.2.22所示。
2.2.2 保护电路设计
在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt保护和di/dt保护也是必要的。
电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。在选择快熔时应考虑：
1）电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。
2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小电容装置中也可串接与阀侧交流母线或直流母线中。
3）快熔断I 2t 值应小于被保护器件的允许I 2t 值。
4）为保证熔体在正常过载情况下不熔断，应考虑其时间-电流特性。
本设计即采用快速熔断器对主电路进行过电流保护，对SG3525集成芯片的保护则采用如图2.2.3所示的电路。
2.2.3 整体电路设计
整体电路由主电路、控制电路和保护电路组成，具体电路图如图2.2.4所示。
2.3 元器件型号选择
半桥式变压器开关电源的两个控制开关K 1、K 2的占空比必须要小于0.5；故选取占空比为0. 5进行参数计算。
1. 输入整流二极管的选择
设输入交流电压为： u i =2sin wt 则经过桥式整流后的平均电压为：
u
d
=
1
π
⎰
π
2sin wtd (wt ) =
2
π
=198V
1
二极管两端承受的最大反相电压为： 2⨯=155.54V
U N =(2~3) ⨯155.54=311.08V ~466.62V
所以根据实际情况即可选择整流二极管：IN4007 2. 变压器的设计 1) 设定开关频率
开关频率对电源的体积、重量等影响很大。开关频率越高, 变压器磁芯就会选得更小, 输出滤波电感和电容体积也会减小, 但开关损耗增加, 效率下降, 散热器体积加大。综合考虑两方面, 设定其工作频率为fs =100kHz 。
2) 选磁芯
磁芯选用R2KB 软磁铁氧体材料, 其饱和磁感应强度B s = 4700 Gs, 考虑到高温时B s 会下降, 同时为防止合闸瞬间变压器饱和, 设定最大工作磁密
B m = B s/3=1500 Gs。对半桥变换器, 当脉冲波形近似为方波时, 可按式(1)来确定磁芯的大小。
式中: A p 为磁芯的面积乘积, cm 4; A e 为磁芯的截面积, cm 2; A w 为磁芯的窗口面积, cm 2; P o 为输出功率,W; η为变压器效率, 一般可取80%; f s 为变 换器工作频率,Hz; B m 为磁芯最大工作磁密, Gs; J 为导线的电流密体, 一般取2～ 3A /mm 2; 取K c= 1; K u 为窗口的铜填充系数, 一般K u= 0.2～0.4。本设
Po ⨯106
Ap =Ae ⨯Aw =
2ηfsBmJKcKu
250⨯106
=
2⨯0.8⨯100⨯103⨯1500⨯10-4⨯2⨯1⨯0.2=2.60(cm 4)
（1）
计选用PC40EI60-Z 型铁氧体磁芯, 由手册知其参数为: A e = 247mm 2, A w = 109
mm 2, 则A e ×A w = 26900mm 4, 大于A p 的计算值。
3) 计算原边匝数
按最低输入电压和满载输出的极端情况来计算。已知最小输入交流电压为170V , 减去20V 的直流纹波电压和整流器的压降, 最小直流电压为Vin min =170×1.4- 20= 218 V 。半桥式电路变压器原边绕组所加电压等于输入电压的一半, 即
U 1min = 109 V。则原边绕组匝数
U 1
N 1=4fsBmAe
式中:U 1 为变压器原边电压,V 。由(2) 式计算得N 1= 28.6 匝, 经实验实际取值为34匝。
4) 核算最大输入交流电压时的最大磁密B m
利用计算出来的变压器初级匝数, 核算变压器在最大输入交流电压Vin max 时的B m , 看磁芯是否饱和。由于Vin max = 260×1.4= 364 V。故半桥式电路变压器原边绕组所加电压U 1max = 182 V , 由式(2) 变形可得
U 1182Bm ===0.21(T ) 3-6 4fsN 1Ae 4⨯50⨯10⨯34⨯127⨯10
计算可知, 在输入交流电压最大时B m
5) 计算副边匝数
副边电路采用带有中间抽头的全波整流滤波电路, 副边匝数为
2UoN 12⨯24⨯34N 21=N 22===8(匝)
Ui 2206) 计算原边最大工作电流
在最低交流输入电压为170V 时, 变压器原边通过的电流一定是最大可能的工作电流, 由经验公式可得, 原边最大工作电流为
7) 选择导线
由于变压器的工作频率为50 kHz, 在此频率下铜导线的穿透深度∆= 0.2956 mm , 考虑到趋肤效应的影响, 一般所选的导线铜芯直径要小于2∆, 即导线直径要小于0.5914mm 。另外, 考虑铜线的电流密度可取3～ 6A /mm 2, 由原、副边最
Ip =
3Po 3⨯150
==2.06(A )
Vin min 218
大工作电流就可确定出各自所需导线的截面积, 进而选择合适的导线。这里原边采用铜芯直径为0.53mm 的漆包线进行2 股并绕, 副边采用16股线径为0.21 mm 的漆包线, 绞结成4 根并绕。
3. 输出滤波电感的设计
ΔI 为允许的电感电流最大纹波峰峰值，取最大输出电流的20%即2A 。根据公式电感量为
L ≥=
nU 1N 2U 1
=
6fsI 06N 1fsI 0
8⨯110
6⨯34⨯100000⨯10=4.31μH
选定电感铁心：I 1=10+10*20%*0.5=11A
A e A w ≥
LI m a x I 1B m a x k c d c
6
4. 4⨯1-0⨯1⨯011=0. 3⨯0. ⨯5⨯4610=800mm 4
4. 输出滤波电容的设计
根据标准，输出电压的峰峰值ΔV opp
根据具体情况可以选择一个270μF/25V铝电解电容并联使用。
5. 功率管的选择
考虑到功率器件的开关速度和驱动电路的简洁，本电源拟选用MOSFET 作为功率开关管来构成半桥电路。
整流滤波后的最大电压值为368V ，功率开关管的额定电压一般要求高于直流电压的两倍，则功率开关管的额定电压选为800V 。
输出滤波电感电流的最大值为11A ，那么变压器原边电流最大值为
C f =
U o m i n U o m i n
[1-]2
N 28L f (2f s ) ∆U OPP
U i m a x -∆U N 1
2424
=[1-]-632-3
8⨯4. 4⨯10⨯(2⨯0010⨯) ⨯5010⨯364-234
=244μF
11A/6=1.8A，这也是功率开关管中流过的最大电流。考虑到2倍余量2*1.8A=3.6A。
根据实际情况选择IRFBE30，其参数为800V/4.1A。 6. 变压器二次侧整流二极管的设计 （1）额定电压
变压器副边是双半波整流电路，加在整流二极管上的反相电压为
U D =
2N 2V in max 2⨯8⨯364
=
=172V N 134
在整流管开关时，有一定的电压震荡，因此要考虑2倍余量，可以选用2*172V=344V的整流管。 （2）额定电流
在双半波整流电路中，在一个开关周期内，整流管的开关情况是：当变压器副边有电压时，只有一个整流管导通；当变压器副边电压为零时，两个整流管同时导通，可近似认为它们流过的电流相等，即为平均负载电流的一半，可近似计算整流管的电流为：
整流管中流过的最大电流：
I D =
==
=6.8A
1∆I f 2
=10+0. 5*2=11A
元器件选择一览表 I DMAX =I OMAX +
名称 铁氧体磁芯 芯片 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻
位号 R1/R4 R2 R3 R5 R6 R7
型号 PC40EI60-Z SG3525
大小 单位 数量
10K 30K 27K 200 4.7K 2.8K
Ω Ω Ω Ω Ω Ω
1 1 1 1 1 1 1 1
电阻 电阻 电阻 电解电容 电解电容 电解电容 电解电容 电解电容 电解电容 电解电容 电解电容 电感 熔断器
R8 VD1-VD5 V1-V2 C1 C2/C3 C4 C4 C5 C6 C7 C8 L
1N4007 IRFBE30
10 270 470 220 300 50 1 0.01 0.1 4.4
Ω μf μf pf pf pf μf μf μf μH
1 4 2 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1
2.4 系统调试或仿真、数据分析
经过以上分析和计算, 本文设计了一款半桥式开关电源, 其额定输出电压 +24V , 额定输出电流1 0 A ,图2.4是实测波形。
第3章 课程设计总结
高频开关稳压电源的变换电路形式有单端正激、单端反激、全桥和半桥等形式。本文设计的半桥型开关稳压电源采用性能稳定的常用PWM 芯片SG3525来进行反馈调整, 电路具有开关管承受的耐压低, 开关器件少, 驱动电路简单等优点。变压器初级在整个周期中都流过电流, 磁芯利用得更充分，它克服了推挽式电路的缺点, 所使用的功率半导体器件耐压要求低、功率半导体器件饱和压降减少到最小、对输入滤波电容使用电压要求也较低。通过搜集开关电源的相关资料，了解电源的相关制作方法，并通过控制电路与驱动电路的选择，针对设计任务提出了可行方案。
在设计方案中，结合芯片SG3525的特点，用半桥的结构来设计开关电源。根据设计方案，详细地阐述了SG3525的控制原理。设计了相应的硬件电路。虽然做了以上几方面工作，但由于时间和实验条件的限制等原因，所做工作还有很多需要完善的地方。本文所做的研究只是开关电源中的一小部分，在本文研究基础上，可继续研究。
参考文献
[1] 王兆安主编. 电力电子技术. 第四版. 北京：机械工业出版社,2003 [2] 郝万新主编. 电力电子技术. 化学工业出版社, 2002 [3] 原田耕介主编. 开关电源手册. 机械工业出版社, 2004.8 [4] 杨旭主编. 开关电源技术. 北京：机械工业出版社，2004
[5] 曲学礼主编. 新编高频开关稳压电源[M]. 北京：电子工业出版社.2005 [6] 赵世平主编. 模拟电子技术基础[M].中国电力出版社.2009 [7] 何方白，柏咏菊主编. 通信电源[M].科学技术文献出版社，1997 [8] 周志敏主编. 开关电源的分类及应用. 山东莱芜铜铁集团，2001 [9] 辛尹波主编. 开关电源基础与应用. 西安电子科技大学出版社. 2009.10 [10] 胡存生主编. 集成开关电源的设计制作调试与维修, 人民邮电出版社, 1994
辽 宁 工 业 大 学
电力电子技术课程设计（论文）
题目： 240W 半桥型开关稳压电源设计
院（系）： 工程技术学院 专业班级： 电气121 学 号： 12190** 学生姓名： 海**
指导教师： 李** （签字） 起止时间：2014-12-15至2014-12-26
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：工程技术学院 教研室：电气教研室 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘 要
应用即社会需求，社会需求是技术发展的原动力，开关电源的发展过程清楚地辨明了这一点。目前，计算机的发展十分迅速，以其为代表的小功率电子产品是开关电源的主要应用领域，而且正是由于在小功率领域的成功应用，似的软开关技术在小功率领域发展得最为成熟。本设计即为为实验室提供的大功率开关电源，主电路采用半桥型整流电路，先整流滤波、后经高频逆变得到高频交流电压，然后由高频变压器降压、再整流滤波的方法，该电源在开环时，它的负载特性较差，只有加入反馈，构成闭环控制后，当外加电源电压或负载变化时，均能自动控制PWM 输出信号的占空比，故控制电路以SG3525为核心构成，SG3525为美国Silicon General 公司生产的专用PWM 控制集成电路。它采用恒频脉宽调制控制方案，它适用于各开关电源、斩波器的控制。用SG3525很好的解决了负载特性差的缺点，得到了想要的输出电压。
关键词：开关电源；PWM 控制；整流电路；
目 录
第1章 绪论 .......................................................... 1
1.1 开关电源概况 ................................................. 1 1.2 本文设计内容 ................................................. 1 第2章 240W 半桥型开关稳压电源设计 ................................... 3
2.1 240W 半桥型开关稳压电源总体设计方案 . .......................... 3 2.2 具体电路设计 ................................................. 4
2.2.1 主电路设计 .......................................................................................... 4 2.2.2 控制电路设计 ...................................................................................... 5 2.2.3 保护电路设计 ...................................................................................... 6 2.2.4 整体电路设计 ...................................................................................... 7 2.3 元器件型号选择 ............................................... 8 2.4 系统调试或仿真、数据分析 .................................... 12 第3章 课程设计总结 ................................................. 13 参考文献 ............................................................ 14
1.1 开关电源概况
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比 率，维持稳定输出电压的一种电源。 随着电力电子技术的发展和创新，使得开关 电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。
随着开关电源在计算机、通信、家用电器等方面的广泛应用，人们对其需求量增长和效率、体积、重量及可靠性等方面要求更高。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。在半桥式变换器电路中, 变压器初级在整个周期中都流过电流, 磁芯利用得更加充分。 它克服了推挽式电路的缺点, 所使用的功率晶体管耐压要求较低；晶体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，半桥式变换器在高频开关电源设计中得到广泛的应用。
电源是将各种能源转换成为用电设备所需要的装置， 是所有靠电能工作的装 置的动力源泉。直流开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装 置，用于交流→直流或者直流→直流电能变换，通常称其为开关电源。 开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求， 利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。 开关电源的这一技术特点使得它具有，效率高、体积小、重量轻、频率高、电感、电容等滤波元件和变压器体积小。
1.2 本文设计内容
开关电源在效率、体积和重量等方面都远远优于线性电源，因此已经基本取代了线性电源，成为电子热备供电的主要电源形式，受到人们的青睐。采用先整流滤波、后经高频逆变得到高频交流电压，然后由高频变压器降压、再整流滤波的方法。这种采用高频开关方式进行电能变换的电源称为开关电源。随着电子技术和应用迅速地发展，开关稳压电源的品种和类型也越来越多。本文设计的是为实验室电子设备提供的24V 稳压范围宽、大功率直流电源，以取代低效率的线性稳压电源。
其主要技术参数如下：
1、输入电压单相170 ~ 260V。 2、输入交流电频率45~65HZ。 3、输出直流电压24V 恒定。 4、输出直流电流10A 。 5、最大功率：250W 。
6、稳压精度：＜直流输出电压整定值的1％。 本文分别从以下几个方面进行了设计： 1. 总体电路设计； 2. 主电路设计； 3. 控制电路设计； 4. 保护电路设计； 5. 元器件型号的选择；
第2章 240W半桥型开关稳压电源设计
2.1 240W 半桥型开关稳压电源总体设计方案
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。交流输入、直流输出的开关电源将交流电转化为直流电供负载使用。整流电路普遍采用二极管构成的桥式电路，直流侧采用大电容滤波，该电路结构简单、工作可靠、成本低，效率也比较高。
首先，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。主电路采用先整流滤波、后经高频逆变得到高频交流电压，然后由高频变压器降压、在整流滤波的方法，该电源在开环时，它的负载特性较差，只有加入反馈，构成闭环控制后，当外加电源电压或负载变化时，均能自动控 制 PWM 输出信号的占空比， 以维持电源的输出直流电压在一定的范围内保持不变，达到了稳压的效果。其设计方案如图2.1所示。
2.2 具体电路设计为为
为了更直观的了解240W 推挽型开关稳压电源结构和基本原理，下面做了简单的介绍：
推挽式变换器电路属于双端式变换电路。其高频变压器工作于磁滞回线的两侧，是一种设计简单、工作合理的线路，适用范围比较广。其典型电路如图所示。开关晶体管VT l 、 VT2由基极驱动电路激励交替导通与截止，输入直流电压U i 变换成高频方波交流电压。VT l 导通时，U i 通过VT l 加到变压器T 1的初级绕组N 1上。由于变压器的作用，因此截止的晶体管VT 2将施加于2倍的输入电压，即2U ；。当基极激励消失时，VT l 、VT 2管均截止。其集电极施加的电压均为输入电压U i 。下半个周期，VT 2导通，VT l 截止，VT l 施加2倍的输入电压，接着又是两管截止，下一个周期重新开始。推挽式电路的主要缺点是开关晶体管的耐压要达到2倍的输入电源。电压的峰值，以220±10％V 的电网电压为例，稳态截止电压的最大值为680V ，加上动态过程中的尖峰电压，开关晶体管必须要承受800V 以上的电压，其推挽式开关稳压电源原理图如下：
图2.2
2.2.1主电路设计
半桥式开关电源主电路如图2.2.1所示。图中开关管S 1, S2选用MO SFET, 因为它是电压驱动全控型器件, 具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快及安全工作区大等优点。半桥式逆变电路一个桥臂由开关管S 1,S 2组成, 另一个桥臂由电容C 1, C2组成。高频变压器初级一端接在C 1, C2的中点, 另一端接在S 1, S2的公共连接端，C 1, C2中点的电压等于整流后直流电压的一半, 在半桥式逆变电路中，变
压器一次侧的两端分别连接在电容C 1,C 2的中点和 开关S 1, S 2中点。电容C 1,C 2的中点电压为U i 2 。S 1与S 2交替导通，使变压 器一次侧形成幅值为U i 2的交流电压，改变开关的占空比，就可以改变二次侧 整流电压U d 的平均值，也就改变了输出电压Uo 。逆变电路采用的电力电子器件为美国IR 公司生产的全控型电力MOSFET 管，其型号为IRFP450, 主要参数为：额定电流16A, 额定耐压500V ，通态电阻0.4Ω。两只MOSFET 管与 两只电容C 1、C 2组成一个逆变桥，在两路PWM 信号的控制下实现了逆变，将直流电压变换为脉宽可调的交流电压，并在桥臂两端输出开关频率约为26KHz 、占空比可调的矩形脉冲电压。然后通过降压、整流、滤波后获得可调的直流电源电压输出。该电源在开环时，它的负载特性较差，只有加入反馈，构成闭环控制后，当外加电源电压或负载变化时，均能自动控制PWM 输出信号的占空比，以维持电源的输出直流电压在一定的范围内保持不变，达到了稳压的效果。
图2.2.1 主电路
2.2.1 控制电路设计
控制电路以 SG3525 为核心构成，SG3525 为美国 Silicon General 公司生产的专用 PWM 控制集成电路。它采用恒频脉宽调制控制方案，其内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、 分频器和保护电路等。调节 Ur 的大小，在 A 、B 两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位 相互错开 180 度、占空比可调的矩形波（即 PWM 信号）。它适用于各开关电源、斩波器的控制。该芯片的输入电压工作范围是8～35 V , 通常可取+ 15 V; 振荡频率是100～ 500 kHz, 芯片的脚5和脚7间串联一个电阻Rd 就可以在较大范围内调节死区时间。另外, 它的软启动电路也非常容易设计, 只需在管脚8接一个软启动电容即可。SG3525
的振荡
频率可表示为fs =
1
C o (017R o + 3R d)
式中: C o , R o 分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻; R d 是与脚7相连的放电端电阻值。该芯片外围电路简单, 11和14脚输出采用图腾柱, 电流驱动能力强, 可直接控制半桥逆变器的上下功率管S 1, S 2, 其外围电路如图2.2.22所示。
2.2.2 保护电路设计
在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt保护和di/dt保护也是必要的。
电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。在选择快熔时应考虑：
1）电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。
2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小电容装置中也可串接与阀侧交流母线或直流母线中。
3）快熔断I 2t 值应小于被保护器件的允许I 2t 值。
4）为保证熔体在正常过载情况下不熔断，应考虑其时间-电流特性。
本设计即采用快速熔断器对主电路进行过电流保护，对SG3525集成芯片的保护则采用如图2.2.3所示的电路。
2.2.3 整体电路设计
整体电路由主电路、控制电路和保护电路组成，具体电路图如图2.2.4所示。
2.3 元器件型号选择
半桥式变压器开关电源的两个控制开关K 1、K 2的占空比必须要小于0.5；故选取占空比为0. 5进行参数计算。
1. 输入整流二极管的选择
设输入交流电压为： u i =2sin wt 则经过桥式整流后的平均电压为：
u
d
=
1
π
⎰
π
2sin wtd (wt ) =
2
π
=198V
1
二极管两端承受的最大反相电压为： 2⨯=155.54V
U N =(2~3) ⨯155.54=311.08V ~466.62V
所以根据实际情况即可选择整流二极管：IN4007 2. 变压器的设计 1) 设定开关频率
开关频率对电源的体积、重量等影响很大。开关频率越高, 变压器磁芯就会选得更小, 输出滤波电感和电容体积也会减小, 但开关损耗增加, 效率下降, 散热器体积加大。综合考虑两方面, 设定其工作频率为fs =100kHz 。
2) 选磁芯
磁芯选用R2KB 软磁铁氧体材料, 其饱和磁感应强度B s = 4700 Gs, 考虑到高温时B s 会下降, 同时为防止合闸瞬间变压器饱和, 设定最大工作磁密
B m = B s/3=1500 Gs。对半桥变换器, 当脉冲波形近似为方波时, 可按式(1)来确定磁芯的大小。
式中: A p 为磁芯的面积乘积, cm 4; A e 为磁芯的截面积, cm 2; A w 为磁芯的窗口面积, cm 2; P o 为输出功率,W; η为变压器效率, 一般可取80%; f s 为变 换器工作频率,Hz; B m 为磁芯最大工作磁密, Gs; J 为导线的电流密体, 一般取2～ 3A /mm 2; 取K c= 1; K u 为窗口的铜填充系数, 一般K u= 0.2～0.4。本设
Po ⨯106
Ap =Ae ⨯Aw =
2ηfsBmJKcKu
250⨯106
=
2⨯0.8⨯100⨯103⨯1500⨯10-4⨯2⨯1⨯0.2=2.60(cm 4)
（1）
计选用PC40EI60-Z 型铁氧体磁芯, 由手册知其参数为: A e = 247mm 2, A w = 109
mm 2, 则A e ×A w = 26900mm 4, 大于A p 的计算值。
3) 计算原边匝数
按最低输入电压和满载输出的极端情况来计算。已知最小输入交流电压为170V , 减去20V 的直流纹波电压和整流器的压降, 最小直流电压为Vin min =170×1.4- 20= 218 V 。半桥式电路变压器原边绕组所加电压等于输入电压的一半, 即
U 1min = 109 V。则原边绕组匝数
U 1
N 1=4fsBmAe
式中:U 1 为变压器原边电压,V 。由(2) 式计算得N 1= 28.6 匝, 经实验实际取值为34匝。
4) 核算最大输入交流电压时的最大磁密B m
利用计算出来的变压器初级匝数, 核算变压器在最大输入交流电压Vin max 时的B m , 看磁芯是否饱和。由于Vin max = 260×1.4= 364 V。故半桥式电路变压器原边绕组所加电压U 1max = 182 V , 由式(2) 变形可得
U 1182Bm ===0.21(T ) 3-6 4fsN 1Ae 4⨯50⨯10⨯34⨯127⨯10
计算可知, 在输入交流电压最大时B m
5) 计算副边匝数
副边电路采用带有中间抽头的全波整流滤波电路, 副边匝数为
2UoN 12⨯24⨯34N 21=N 22===8(匝)
Ui 2206) 计算原边最大工作电流
在最低交流输入电压为170V 时, 变压器原边通过的电流一定是最大可能的工作电流, 由经验公式可得, 原边最大工作电流为
7) 选择导线
由于变压器的工作频率为50 kHz, 在此频率下铜导线的穿透深度∆= 0.2956 mm , 考虑到趋肤效应的影响, 一般所选的导线铜芯直径要小于2∆, 即导线直径要小于0.5914mm 。另外, 考虑铜线的电流密度可取3～ 6A /mm 2, 由原、副边最
Ip =
3Po 3⨯150
==2.06(A )
Vin min 218
大工作电流就可确定出各自所需导线的截面积, 进而选择合适的导线。这里原边采用铜芯直径为0.53mm 的漆包线进行2 股并绕, 副边采用16股线径为0.21 mm 的漆包线, 绞结成4 根并绕。
3. 输出滤波电感的设计
ΔI 为允许的电感电流最大纹波峰峰值，取最大输出电流的20%即2A 。根据公式电感量为
L ≥=
nU 1N 2U 1
=
6fsI 06N 1fsI 0
8⨯110
6⨯34⨯100000⨯10=4.31μH
选定电感铁心：I 1=10+10*20%*0.5=11A
A e A w ≥
LI m a x I 1B m a x k c d c
6
4. 4⨯1-0⨯1⨯011=0. 3⨯0. ⨯5⨯4610=800mm 4
4. 输出滤波电容的设计
根据标准，输出电压的峰峰值ΔV opp
根据具体情况可以选择一个270μF/25V铝电解电容并联使用。
5. 功率管的选择
考虑到功率器件的开关速度和驱动电路的简洁，本电源拟选用MOSFET 作为功率开关管来构成半桥电路。
整流滤波后的最大电压值为368V ，功率开关管的额定电压一般要求高于直流电压的两倍，则功率开关管的额定电压选为800V 。
输出滤波电感电流的最大值为11A ，那么变压器原边电流最大值为
C f =
U o m i n U o m i n
[1-]2
N 28L f (2f s ) ∆U OPP
U i m a x -∆U N 1
2424
=[1-]-632-3
8⨯4. 4⨯10⨯(2⨯0010⨯) ⨯5010⨯364-234
=244μF
11A/6=1.8A，这也是功率开关管中流过的最大电流。考虑到2倍余量2*1.8A=3.6A。
根据实际情况选择IRFBE30，其参数为800V/4.1A。 6. 变压器二次侧整流二极管的设计 （1）额定电压
变压器副边是双半波整流电路，加在整流二极管上的反相电压为
U D =
2N 2V in max 2⨯8⨯364
=
=172V N 134
在整流管开关时，有一定的电压震荡，因此要考虑2倍余量，可以选用2*172V=344V的整流管。 （2）额定电流
在双半波整流电路中，在一个开关周期内，整流管的开关情况是：当变压器副边有电压时，只有一个整流管导通；当变压器副边电压为零时，两个整流管同时导通，可近似认为它们流过的电流相等，即为平均负载电流的一半，可近似计算整流管的电流为：
整流管中流过的最大电流：
I D =
==
=6.8A
1∆I f 2
=10+0. 5*2=11A
元器件选择一览表 I DMAX =I OMAX +
名称 铁氧体磁芯 芯片 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻
位号 R1/R4 R2 R3 R5 R6 R7
型号 PC40EI60-Z SG3525
大小 单位 数量
10K 30K 27K 200 4.7K 2.8K
Ω Ω Ω Ω Ω Ω
1 1 1 1 1 1 1 1
电阻 电阻 电阻 电解电容 电解电容 电解电容 电解电容 电解电容 电解电容 电解电容 电解电容 电感 熔断器
R8 VD1-VD5 V1-V2 C1 C2/C3 C4 C4 C5 C6 C7 C8 L
1N4007 IRFBE30
10 270 470 220 300 50 1 0.01 0.1 4.4
Ω μf μf pf pf pf μf μf μf μH
1 4 2 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1
2.4 系统调试或仿真、数据分析
经过以上分析和计算, 本文设计了一款半桥式开关电源, 其额定输出电压 +24V , 额定输出电流1 0 A ,图2.4是实测波形。
第3章 课程设计总结
高频开关稳压电源的变换电路形式有单端正激、单端反激、全桥和半桥等形式。本文设计的半桥型开关稳压电源采用性能稳定的常用PWM 芯片SG3525来进行反馈调整, 电路具有开关管承受的耐压低, 开关器件少, 驱动电路简单等优点。变压器初级在整个周期中都流过电流, 磁芯利用得更充分，它克服了推挽式电路的缺点, 所使用的功率半导体器件耐压要求低、功率半导体器件饱和压降减少到最小、对输入滤波电容使用电压要求也较低。通过搜集开关电源的相关资料，了解电源的相关制作方法，并通过控制电路与驱动电路的选择，针对设计任务提出了可行方案。
在设计方案中，结合芯片SG3525的特点，用半桥的结构来设计开关电源。根据设计方案，详细地阐述了SG3525的控制原理。设计了相应的硬件电路。虽然做了以上几方面工作，但由于时间和实验条件的限制等原因，所做工作还有很多需要完善的地方。本文所做的研究只是开关电源中的一小部分，在本文研究基础上，可继续研究。
参考文献
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