24V5A半桥式直流开关电源设计报告.docx
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24V5A半桥式直流开关电源设计报告
24V5A半桥式直流开关电源设计报告
电力电子课程设计报告
直流开关电源的设计
学 院：
信息科学与工程学院 专 业：
电气工程及其自动化 班 级：
姓 名：
学 号：
指导教师：
日 期：
20XX年8月21日
目录
1.课题任务介绍................................................................................................................................1
技术参数：
.......................................................................................................................1设计要求：
.......................................................................................................................12.直流开关电源总体认知...............................................................................................................1
开关电源的概念................................................................................................................1直流开关电源基本结构....................................................................................................1直流开关电源的工作原理................................................................................................23.直流开关电源设计流程...............................................................................................................2
输入整流电路设计............................................................................................................2
单相桥式输入整流电路设计................................................................................2变压器参数计算：
................................................................................................3整流管参数计算....................................................................................................3滤波电容计算........................................................................................................3DC/DC变换器设计............................................................................................................4
DC/DC变换器总体概述........................................................................................4半桥式DC/DC典型电路如下...............................................................................4PWMDC/DC变换器的工作原理............................................................................5DC/DC变换器参数计算........................................................................................5输出滤波整流电路设计....................................................................................................9
输出整流电路图.....................................................................................................9输出电感的设计....................................................................................................9输出电容的计算..................................................................................................10整流输出二极管计算..........................................................................................11驱动电路设计.................................................................................................................12
MOSFET管的基本工作原理................................................................................12IR2110芯片介绍................................................................................................13半桥驱动电路分析图如下.................................................................................14半桥驱动器器件参数选择.................................................................................16PWM控制电路设计..........................................................................................................16
PWM控制变换原理..............................................................................................16SG3525的封装图................................................................................................17SG3525芯片介绍................................................................................................18SG3525参数计算................................................................................................18反馈电路设计.................................................................................................................184.电路原理图与波形图汇总.......................................................................................................19
电路原理图.....................................................................................................................19
主电路原理图.....................................................................................................19PWM控制电路原理图..........................................................................................19驱动电路原理图.................................................................................................20各部分电路波形图.........................................................................................................20
单相桥式整流电路电压波形图.........................................................................20MOSFET驱动电路波形........................................................................................21
5.主电路元器件清单...................................................................................................................21
6.电路仿真...................................................................................................................................22
仿真技术总体简介.........................................................................................................22SPICE和PSPICE仿真程序介绍....................................................................................22仿真图表.........................................................................................................................23
平均整流输入电压如下.....................................................................................23交流输入均方根电压如下.................................................................................23平均桥二极管Pd...............................................................................................24峰值到峰值输出纹波电压.................................................................................24频率.....................................................................................................................25效率.....................................................................................................................25总输出功率.........................................................................................................26
7.设计总结与感想.......................................................................................................................278.致谢...........................................................................................................................................279.
直流开关电源的分类。
直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离分为隔离式和非隔离式转换器。
开关电源大致主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部分组成。
直流开关电源的工作原理
PWM开关电源的工作过程是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在晶体管上的伏安乘积是很小的，通过斩波把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。
脉冲的占空比开关电源的控制器来调节。
一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。
通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。
最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。
3.直流开关电源设计流程
输入整流电路设计
单相桥式输入整流电路设计
整流是将交流电变成脉动直流电的过程。
电源变压器输出的交流电经整流电路得到一个大小变化但方向不变的脉动直流电。
整流电路是具有单向导电性的元件例如二极管、晶间管等整流元件组成的。
设计要求主电路为桥式二极管整流，单相桥式整流电路分为单相桥式半控整流电路和单相桥式全波整流电路两种，半控整流电路为了防止失控现象，必须加续流二极管，而单相桥式全控整流电路此电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象，也不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率高，基于以上优点，采用单相桥式全控电路，它是四个二极管接成电桥的形式构成的，四个二极管分为两组，正负半周轮流导通，但负载上电流方向不变，为全波整流。
单相半波整流电路如图所示
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图和储能元件组成的，通过对其中开关管的PWM通断控制，讲一种数值的直流电压，转换成所需要的另一种数值的直流电压，并控制输入直流电源与负载之间的功率流动，把具有这种功能的转换器叫做PWMDC/DC转换器。
PWMDC/DC转换器的组成有两种方式：
一种是两级转换电路组成的DC/AC/DC转换器，迁移级逆变，实现DC/AC转换，后一级为整流，实现AC/DC转换。
另一种是开关管和二极管开关组合成PWM开关，将输入直流电压经过斩波、滤波后，转换成另一种数值的直流电压输出。
于本次设计要求DC/DC变换器为半桥，所以属于隔离型电路。
半桥式PWMDC/DC变换器，是半桥式逆变器、高频变压器、输出整流器和直流滤波器组成，因此属于直流-交流-直流转换器。
半桥式DC/DC典型电路如下
上图为输出是全波整流电路的半桥式PWMDC/DC转换器的主电路，此电路实
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际上是两个正激式PWMDC/DC转换器的组合，每个正激式转换器的输入电压为
1，输出电压为Uo。
变压器初级绕组的匝数为W1，两个次级绕组的匝数相Ui2等，即W21=W22=W2，变压器初次级绕组的匝数比K=W1。
PWMDC/DC变换器的工作原理当开关管V1导通时，变压器初级绕组上的电压为uAB1，绕组感应电2Ui动势端为正极性，故整流二极管DR1导通，DR2反偏置截止，输出滤波电感电流iLf增加。
在tTon时刻开关管V1关断，于电流iLf继续按照原来的方向流动，故次级绕组W21和初级绕组W1中的电流也仍然按照原来的方向流动，电流
iS1iDR1从W21的“*”端流出，电流iP则从“*”端流入，于是二极管D2续
流，因此，电压uAB的极性反转，使二极管DR2导通。
于两个整流二极管同时导通，将变压器的次级电压钳位在零位，则初级电位也为零，因此电压uAB0，这是iP0。
而电流iS2iDR2立即增加到iS2W22iS1W21，此时绕组i1中的电流为零，二极管D2截止。
因为W21W22，故iW22iW211Ts～。
在Ton期22iLf间，电流iLf在电压Uo的作用下下降，所以iW22iW21也相应下降。
在tTS时。
2开关管V2导通，电压uAB反向，变压器绕组电动势“*”端为负、电流iP从零反向增加到W2iLf。
电流iDR1从
W111降到零，从iDR22iLf2iLfTsTs~增加到iLf。
在2Ton2期间，电流iLf又增加，故电流iDR2和iW1也相应
增加。
在tTonTs时，开关管V2关断，工作原理与开关管V1关断时相似。
DC/DC变换器参数计算忽略损耗，输出电压VO按下式计算
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12DVSVO2nVtNNTSonPSS，式中
VS——原边绕组电压——原边绕组匝数——副边绕组匝数
NNPSD——其中一导管的占空比=
tTonStontoffton
Ts——工作周期
串联耦合电容的选择
变压器耦合电容是一种无极性薄膜电容器。
为了减少电流作用下的升温，必须使用具有较低等效串联电阻的电容器，或者为了达到一定的电容值，必须使用多个电容器并联连接，以降低其等效串联电阻。
初算电容量
耦合电容器C和电感L折算到原边的电感LR组成了一个串联谐振电路，其谐振频率为
fR12LRC2kHz
NpLNsRLH 式中
LR——副边电感L折算至原边的电感值
PSNN——变压器原、副边匝数比
C——耦合电容F，带入可解得
C10NP4fRNS2262HL
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为了使耦合电容器充电线性，必须很好的选定谐振频率
fR。
一般选定
fR，式中
fS——半桥变换器的开关频率
Vs（V）——原边线圈电压Vp2ton——导通时间s
B——导通期间磁感应强度的增量
2Ae——铁心最小面积
求出每匝电压系数，即
VNpmpp比值
计算副边绕组的匝数。
输出电压应加上绕组和二极管压降，除以没匝电压系数即可求得副边绕组的匝数。
副边绕组匝数半匝是不合理的。
除非用特别方法绕制，否则会导致变压器一边饱和。
所以副边实际匝数可在计算值上浮或下浮取整匝数。
如果下浮取整，则必须按比例减小原边的匝数，以保证输出电压符合要求，因为脉宽不能大于50%。
原边匝数的减小会导致铁心磁密的增大，容易达到饱和。
因此，副边线圈上浮取整较好。
这时，原边匝数和最大磁通密度可以不变，只要减小脉宽就可以保证输出电压达到额定值。
这样，当输出电压为最小值Vs（min）时，导通占空比小于50%。
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如果输出电压偏高，占空比更可小于50%。
从而，可用控制线路把脉宽限定在一定的范围，形成的死区，有利于防止直通发生。
本次设计要求输出功率为120W，输出电压为24V，输出电流5A，开关频率100kHz，效率设为80%，允许温升限为40℃，计算本次设计的半桥变换器参数：
①输入功率
PsPoIVoo120XX0W②查阅磁心传送功率与尺寸各种形式关系图，得知，150W应选
RM14或EC41磁心
③从FX3730变压器在自然通风时总损耗与温升关系曲线图可知，允许温升
40℃，确定总损耗为，因最佳效率，确定铁损
2④从《FX3730变压器在100℃以下，考虑磁滞和涡流损耗与总磁通的函数
关系图》可知，损耗对应的磁通在开关100kHz时为8Wb
⑤因FX3730的
Ae中心磁极面积为106mm，得
22BoptA8Wb106mm
⑥磁感应强度增量B2Bopt
B2
⑦原边最少匝数
Nmpp依式计算。
式中ton11001035s
VVac220V，电压范围为±20%考虑，则倍压整流电压Vs
s220
ponetVNBAmppVt2BAsonopt136匝
e⑧每匝电压系数
/2136⑨副边绕组及二极管压降设为1V，故副边
V's24125V
副边绕组匝数NS
V'匝，上浮，取16匝。
根据情况，可计算上
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浮后对应原边匝数。
输出滤波整流电路设计
输出整流电路图
输出电感的设计
主输出和辅输出的输出电感都不允许进入不连续工作模式。
不连续工作模式是从电感阶梯谐波电流的阶梯下降至零开始的，这种情况会在直流电流下降至斜
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