基于MOSFET的半桥型开关电源设计.docx

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基于MOSFET的半桥型开关电源设计

课程设计（论文）任务书

电气与信息工程院（部）

学号

学生姓名

专业（班级）

题目

基于MOSFET的半桥型开关电源设计

设计

技术

参数

1、输入电压：

AC220V,50Hz

2、输出电压：

12V

3、输出电流：

2～20A

4、开关频率：

100kHz

5、输出纹波电压≤1%

设计

要求

1、熟悉半桥DC/DC变换电路的基本原理，能够运用所学的理论知识分析设计任务；

2、正确设计主电路，画出电路图，分析工作原理，描绘波形图，并进行相关参数的计算及器件的选型；

3、正确设计控制电路，选择控制芯片，并对其工作原理进行分析与说明；

4、按时完成课程设计任务，认真、正确地书写课程设计报告。

工

作

量

1、完成一份设计说明书（15页左右）；

2、绘制系统总接线图（A4）一张。

工作

计划

1、查资料2天

2、总体方案设计2天

3、单元电路设计4天（画原理图，参数计算）

4、撰写设计说明书及答辩2天

参考

资料

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术（第五版）[M].机械工业出版社，2009.

[2]张兴，黄海宏.电力电子技术（第二版）[M].科学出版社，2018.

[3]辛伊波.开关电源基础与应用（第二版）[M].西安电子科技大学出版社，2011.

[4]祝龙记.电气工程与自动化控制系统的MATLAB仿真[M].中国矿业大学出版社，2014.

指导教师签字

系主任签字

年月日

基于MOSFET的半桥型开关电源设计

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。

本设计介绍了一种基于MOSFET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和过压保护电路。

本次电路分为主电路，控制电路和保护电路；主电路采用全桥整流，半桥DC-DC，输出LC滤波；控制电路采用SG3525芯片，该芯片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。

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：

MOSFET，SG3525，电流保护，电压保护

1绪论

1.1课题的目的和意义

电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器。

随着电子技术的发展，电子系统的应用领域越来越广泛，我们的衣食住行离不开电源，科学研究、工农业生产、办公学习、文化娱乐、交通、国防建设、教育、环境保护、宇宙探索等等，哪一样也少不了电源。

而电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。

传统的晶体管串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源，这种传统稳压技术比较成熟。

并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性好、输出纹波电压小、使用可靠等特点。

但调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射集之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右，另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，于是它很难满足电子设备发展的要求。

从而促成了高效率、体积小、重量轻的开关电源的迅速发展。

开关型稳压电源就是采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。

开关电源就是以其效率高、功率密度高而在电源领域中占主导地位。

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。

1.2开关电源的现状及应用

1994年我国原邮电部做出重大决策，要求通信领域推广使用开关电源以取代相控电源。

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。

如今，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100KHz、用MOSFET制成的500KHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。

要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。

然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。

这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。

其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。

不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。

这种开关方式称为谐振式开关。

现在对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。

当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。

1.3课题的设计内容

设计一个半桥式开关电源变换器，内容包括整个电路框图的确定、电路的设计、控制电路的设计与选择、相关元器件参数的计算与选型、撰写设计论文。

设计目标：

1、输入电压：

AC220V,50Hz；

2、输出电压：

12V；

3、输出电流：

2～20A；

4、开关频率：

100kHz；

5、输出纹波电压≤1%。

2半桥式开关电源主电路的设计

2.1半桥式开关电源电路系统的结构介绍

半桥式开关电源主电路如图2-1所示。

图中开关管Q1、Q2选用MOSFET，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Q1、Q2组成，另一个桥臂由电容C6、C7组成。

高频变压器初级一端接在C6、C7的中点，另一端接在Q1、Q2的公共连接端，Q1、Q2中点的电压等于整流后直流电压的一半，开关Q1、Q2交替导通就在变压器的次级形成幅值为

的交流方波电压。

通过调节开关管的占空比，就能改变变压器二次侧整流输出平均电压

。

Q1、Q2断态时承受的峰值电压均为

，由于电容的隔直作用，半桥型电路对由于两个开关管导通时间不对称而造成的变压器一次电压的直流分量具有自动平衡作用，因此该电路不容易发生变压器偏磁和直流磁饱和的问题，无须另加隔直电容。

图2-1半桥式开关电源系统主电路

2.2主电路分析

2.2.1整流部分

设计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，它是由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。

整流电路如图2-2所示。

图2-2整流电路

2.2.2DC-DC变换器部分

在半桥式逆变电路中,变压器-.次侧的两端分别连接在电容C1,C2的中点和开关Q1,Q2中点。

电容C1,C2的中点电压为

。

Q1与Q2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为

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

的平均值，也就改变了输出电压

。

半桥式电路的结构如图2-3所示。

Ql导通时，二极管V5处于通态;Q2导通时，二极管V6处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕组W1中的电流为零，根据变压器的磁势平衡方程，绕组W2和W3中的电流大小相等，方向相反，所以V5和V6都处于通态，各分担一半的电流。

Q1或Q2导通是电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降。

Q1和Q2断态时承受的峰值电压均为

。

值得注意的是，在半桥电路中，占空比定义公式如下：

图2-3DC-DC变换器部分

2.2.3输出整流滤波部分

如图2-4所示。

输出滤波电路包括电感、电容和两个二极管。

经过整流滤波后即可得到所需直流稳压电源。

输出整流滤波电路是通过快恢复整流二极管的整流和滤波电感及滤波电容将高频变压器输出的高频交变电压或电流变换成符合要求的输出电压或电流。

高频变压器副边选用全桥式整流，以提高安全可靠性。

图2-4输出整流滤波电路

2.3主电路参数计算

2.3.1变压器参数的计算

变压器一次侧输入为交流220V、50Hz，二次侧为

，整流后的输出电压平均值为

，根据单相桥式整流电路经验公式，得：

输出直流电压为12V，输出电流为20A，则输出功率

为：

设变压器效率为80%，则输入功率

为：

2.3.2整流管参数计算

二极管正向导通电压

；

电流

；

二极管电流有效值

；

二极管最大反向电压

；

在考虑安全裕量的情况下，二极管的额定电压

；

二极管的额定电流

；

∴根据以上数据，选用IN5395/A型号的整流二极管，最高反向工作电压为400V，额定工作电流为1.5A。

2.3.3滤波电容的计算

因为经桥式电路整流后的电压是脉动电压，因此需要滤波。

假定变压器变比为85:

12则根据

，可知电容C的取值满足如下关系：

滤波电容的容量为：

变压器副边电压有效值为：

电容器的耐压值为

，∴根据以上数据，选择容量为

，耐压为25V的电容作为输入滤波电容。

2.3.4输出电感的计算

选择输出滤波电感电流的脉动为最大输出电流的20%，这样输出整流滤波模块电源的输出滤波电感电流的脉动可选为

，也就是当输出电流在如下的情况时应保证输出滤波电感电流连续：

输出滤波电感可按下式计算：

代入数据，得：

2.3.5输出电容的计算

设计中规定输出电压的最大纹波电压为

，则可由下式确定输出滤波电容的大小：

代入数据，得：

3控制电路的设计

3.1SG3525控制芯片原理介绍

3.1.1SG3525控制芯片简介

SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。

SG3525芯片的封装图和内部框图如图3-1、图3-2所示。

图3-1SG3525封装图

图3-2SG3525内部框图

SG3525引脚功能介绍如下：

1脚、2脚分别为误差放大器的反相输入端和同相输入端；

3脚为同步输出端；

4脚为振荡器输出；

5脚、6脚分别外接内部振荡器的时基电容和电阻；

7脚接放电电阻；

8脚为软启动；

9脚为误差放大器的频率补偿端；

10脚为关断控制端,用于实现限流控制；

11脚、14脚为输出端；

12脚为接地端；

13脚接输出管集电极电源；

15脚接SG3525的工作电源；

16脚为5.1V基准电压。

3.2.2SG3525控制芯片原理

PWM控制芯片SG3525具体的内部引脚结构如图5和图6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。

3.2驱动和控制电路的设计

控制电路是开关电源的核心部分，控制环节的好坏直接影响电路的整体性能，在这个电路中采用的是以SG3525芯片为核心的控制电路。

控制电路如图3-3所示。

采用恒频脉宽调制控制方式。

误差放大器的输入信号是电压反馈信号，是由输出电压经分压电路获取,与普通误差放大器的接法不同的是该电压反馈接成射极跟随器形式，反馈信号比较精确，因而可以精确地控制占空比调节输出电压，提高了稳压精度。

SG3525芯片振荡频率的设定范围为100~500kHz,芯片的脚5和脚7间串联一个电阻R7就可以在较大范围内调节死区时间。

SG3525的振荡频率可表示为：

式中:

C4,R6分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻;R7是与脚7相连的放电端电阻值。

取值分别为

，即频率为100kHz。

管脚8接一个电容的作用是用来软启动,减少功率开关管的开机冲击。

PWM控制信号由SG3525的11，14脚即内部两路驱动级NPN管的发射极引出端发出。

这俩组信号再经变压器放大，使其具有较强的驱动能力，输出PWM控制信号的驱动脉冲，从而驱动VT1，VT2。

图3-3SG3525控制电路

3.3保护电路的设计

3.3.1过压保护设计

如图3-4所示，比较器同相端接到负载端，反相端接到一个基准电压上，输出端接到SG3525芯片10脚，当输出端电压达到一定的值，当同相端的电压高于反相端的电压，经比较器输出高电平输入到10引脚，PWM锁存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容开始放电，如果高电平一直持续，软起动电容持续放电，直到关断信号结束，进而重新进入软起动，从而实现过压保护。

比较器反向端接SG35255.1V基准电压，比较器的电压应在5V以内，本设计中输出电压为24V，设定同相端比较电压为4V，则：

由此可得，取

反向端基准电压为：

图3-4电压保护电路

3.3.2过电流保护

当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。

当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均会引起过流。

由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。

过流保护的方法比较多，比较简单的方法是一般采用添加FU熔断器来限制电流的过大，防止MOSFET的破坏以及对电路中其他元件的保护。

还有一种方法也是利用控制电路芯片的10引脚。

在主电路的负载端串接一个很小取样电阻，把它接到放人器进行放大，后再利用比较器，运用过压保护原理同样能实现过流保护。

电阻的取值，电流的取样电阻一般都很小，所以取样电阻端所获得的电压为零点几伏，需要通过运算放大器把电压放大到几伏左右，由放大器运算公式:

，则

两端的电压为2V，故取放大倍数为10倍，即1+R11/R10=20，所以取

，放大后把它接到比较器中比较，若使得比较器输出端电位为高电平，则PWM锁存器将立即动作，禁止SG3525的输出，与过压保护一样原理，如图3-5所示。

图3-5过流保护电路

总结

基于MOSFET的半桥型开关电源设计主要分为三个部分，分别为主电路部分、控制电路部分、驱动部分。

为了对电力电子器件的保护，还设计了电流保护和电压保护。

本电路也存在着部分问题，SG3525的控制信号不一定都能直接驱动开关管件，有时需要加设驱动电路来对控制信号进行放大以便于控制开关管件。

在实际的应用过程中还要注意以下问题：

（1）系统的损耗问题；

（2）驱动电路的过压过流的保护问题；（3）各器件的参数的选择，部分器件的选择要充分考虑各种因素，选型要考虑一定的安全裕量。

经过了一周左右的时间，本次设计总算画上了句号。

回顾此次的课程设计，感慨颇多但收获也很多。

在设计的过程中发现自己对电路原理了解的不够多，导致一些电路在设计的时候无从下手。

从给定课题到最后的完稿，我学到很多的东西，不仅可以巩固之前学过的知识，而且培养加强了团队配合的能力和对办公软件应用的能力。

通过本次电力电子课程设计，使我们能够灵活运用已学知识并应用于实践，同时认识到团队协作所需要的各种能力，分工、沟通、组织、合作等。

这次设计不仅检验了我们所学习的知识，也培养了我们如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。

在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。

学会了合作，学会了宽容，学会了理解，也学会了为人处事的态度。

体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情。

参考文献

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术（第五版）[M].机械工业出版社，2009.

[2]张兴，黄海宏.电力电子技术（第二版）[M].科学出版社，2018.

[3]辛伊波.开关电源基础与应用（第二版）[M].西安电子科技大学出版社，2011.

[4]祝龙记.电气工程与自动化控制系统的MATLAB仿真[M].中国矿业大学出版社，2014.

[5]黄杰,聂蓉,罗伟.基于SG3525的无电解电容照明LED驱动电源设计[J].河南科学,2017

[6]齐延兴.降压斩波电路设计[D].山东.临沂大学，2012

[7]陆治国.实用电源技术手册.开关电源分册[M].辽宁科学技术出版社，2018.1

附录