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1、辽宁工业 大 学 电力电子技术课程设计（论文） 题目： 1000W 全桥型开关稳压电源设计 院（系） ：电气工程学院 专业班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 起止时间： 2013-12-30至2014-1-10 本科生课程设计（论文） I 课程设计（论文）任务及评语 院（系） ：电气工程学院教研室：电气 注：成绩：平时 20% 论文质量 60% 答辩20% 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级 课程设计 （论文） 题目 1000W 全桥型开关稳压电源设计 课 程 设 计 （ 论 文 ） 任 务 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能 为通信电子设备提供48V 稳压范围宽、大功率
2、直流电源，以取代低效率的 线性稳压电源。 设计任务 1、方案的经济技术论证。 2、整流电路设计。 3、逆变电路设计。 4、通过计 算选择器件的具体型号。 5、驱动电路设计或选择。 6、绘制相关电路图。 7、完 成设计说明书。 要求 1、文字在 4000字左右。 2、文中的理论分析与计算要正确。 3、文中的图表工整、规范。 4、元器件的选择符合要求。 技术参数 1、输入电压单相 170 260V。2、输入交流电频率 4565HZ 。3、输出直流电 压48V恒定。 4、输出直流电流 20A。 。5最大功率： 1000W 。6、稳压精度：直流 输出电压整定值的 1 进 度 计 划 第 1 天：集中学
3、习；第 2 天：收集资料；第 3 天：方案论证；第 4 天：输入整流 滤波电路设计；第 5 天：逆变电路设计；第6 天：确定高频变压器变比及容量； 第 7 天：输出整流滤波电路设计；第8 天：控制电路设计；第9 天：总结并撰写 说明书；第 10 天：答辩 指 导 教 师 评 语 及 成 绩 平时：论文质量：答辩： 总成绩：指导教师签字： 年月日 本科生课程设计（论文） II 摘 要 该课设是利用 PWM 技术的全桥型开关稳压电源。给出了全桥整流电路、逆 变电路、驱动电路、控制电路的具体设计方法。该全桥开关稳压电源输出电压恒 为 48V，并有实验仿真波形。本全桥型开关稳压电源最大功率达1000W
4、，输出电 流约为 20A， 设计采用了 ACDCACDC 变换方案。一次整流后的直流电压， 经过有源功率因数校正环节以提高系统的功率因数，再经全桥变换电路逆变后， 由高频变压器隔离降压，最后整流输出直流电压，在设计中首先画出主电路图， 主电路图由整流电路、逆变电路组成。全桥电路的开关元件使用的是MOSFET。 全桥移相电路采用UC3875 控制芯片，并作数据处理， MATLAB 仿真作出了不同 角度的仿真波形图。并说明其工作原理，再通过基本计算，选择触发电路和保护 电路的结构以及晶闸管的型号和变压器的变比及容量，完成本设计的任务。 关键词： 开关电源，全桥， PWM 控制电路，整流，逆变，高频
5、变压器。 本科生课程设计（论文） III 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. 2 第 2 章 开关稳压电源电路设计. 3 2.1 开关稳压电源总体设计方案. 3 2.1.1 全桥稳压电路总体结构图及其说明 3 2.1.2 总体方案论证 3 2.2 开关稳压电源具体电路设计. 3 2.2.1 整流电路设计 3 2.2.2 逆变电路设计 4 2.2.3 驱动电路设计 5 2.2.4 全桥移相开关控制电路 5 2.3 高频变压器变比及容量. 8 2.4 系统仿真及波形. 9 2.4.1 MATLAB 仿真软件介绍 9 2.4.2 仿真电路图如下 10
6、2.4.3 仿真分析 11 第 3 章 课程设计总结 14 第 4 章 参考文献 15 本科生课程设计（论文） 1 第1章 绪论 1.1 开关电源概况 随着电力电子技术的高速发展，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。 开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源 进入更广泛的应用领域，特别是在
7、高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的 小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在安防监控，节约能源、节约资源 及保护环境方面都具有重要的意义。 开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED 照明、 工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气 净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED 灯具，通讯设备，视听产品，安防监控， LED 灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。 现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。直流 开关电源的核心是DC/DC 转换器。直流 DC/DC 转换器按输入与输出之间是否有 电气隔离可以分为两类：一类是
8、有隔离的称为隔离式DC/DC 转换器；另一类是 没有隔离的称为非隔离式 DC/DC 转换器。 开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二 者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。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。 根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上 可分为：串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中， 变压器式开关电源还可以进一步分成：推挽式、半桥式、全桥式等多种；根据变 压器的激励和输出电压
9、的相位，又可以分成：正激式、反激式、单激式和双激式 等多种；如果从用途上来分，还可以分成更多种类。 本科生课程设计（论文） 2 1.2 本文设计内容 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维 持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制 IC 和 MOSFET 构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地 创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子 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。 开关型稳压电源是由全波整流器，开关管，激励信号，续流二极管，储能电 感和滤波电容组成。 实际上，
10、开关稳压电源的核心部分是一个直流变压器。“ 开关 型稳压电源 ” 与“ 串联调整型稳压电源 ” 相比， 以其高效节能；适应市电变化能力强； 输出电压可调范围宽；一只开关管可方便地获得多组电压等级不同的电源；体积 小，重量轻等诸多优点，而被广泛地得到采用。 本实验由主电路、整流电路、逆变电路、控制电路、驱动电路组成。再设计 中运用了电压驱动全控器件MOSFET 来设计主电路， 它具有驱动电路简单、 驱动 功率小、开关速度快、开关频率高等优点。并配以整流电路和逆变电路。改变开 关的占空比，就可以输出电压的平均值，我们知道当S1 导通时，输出整流二极 管 D1 导通；反之， S2导通时，二极管 D2
11、 导通。当 SI、S2都关断且电感电流连 续时， D1、D2 同时导通续流，开关元件断态时承受的峰值电压是Ure 全桥电路 不容易发生变压器的偏磁和直流饱和现象。 本科生课程设计（论文） 3 第2章 开关稳压电源电路设计 2.1 开关稳压电源总体设计方案 2.1.1全桥稳压电路总体结构图及其说明 图 2.1 全桥型开关稳压电源的基本结构 电流经过整流后变为直流，再经过高频逆变变为交流，再经过高频整流到直 流，最后经过滤波得到所需的直流。 2.1.2总体方案论证 由于开关稳压电源的调整工作于开关状态，导通时管压降很小截止电流几乎 为零，因此工作时管耗很小使开关电源的效率很高，通常在8O%左右，而
12、线性电 源一般效率低于50%。由于开关电源的开关元件的工作频率很高，通常在几十 KHz 至几百 KHz 范围，因此电路中所使用的都是高频变压器其体积重量都很小， 而且大多数开关电源都省去工频变压器由电网工频直接整流滤波，所以开关电源 比同功率的线性电源其体积重量都小得多。由丁开关电源的输出电压是由脉冲波 形的占空比调节的，受输入电压幅度的影响较小，所以它的稳定范围很宽，对电 网电压要求较低一般电网电压从140V-260V 开关电源均可工作而线性电源一般 允许电网电压波动正负10%，另电网电压频率变化4%时开关电源仍可工作。 2.2 开关稳压电源具体电路设计 2.2.1整流电路设计 整流 电路
13、高频 逆变 变压器 高频 整流 滤波器 本科生课程设计（论文） 4 图 2.2 输入整流滤波电路图 整流滤波电路，主要有两部分组成：整流桥和滤波电路。 2.2.2逆变电路设计 图 2.3 逆变电路设计图 如图 2-2，采用电压型逆变电路，它有四个桥，可以看成由两个半桥电路组 合而成，把桥臂1 和 4 作为一对，桥臂2 和 3作为另一对，组成的两个桥臂同时 本科生课程设计（论文） 5 导通，两对交替各导通180度，其特点为：直流侧为电压源或并联有大电容，交 流侧输出波形为方波，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。 2.2.3驱动电路设计 图 2.4 驱动电路图 电流经过整流后变为直流，再经过高频逆变变
14、为交流，再经过高频整流变为 直流，最后经过滤波得到想要的直流，再传给负载。 2.2.4全桥移相开关控制电路 图 2.5 全桥移相开关控制电路图 本科生课程设计（论文） 6 在 DC/DC 变换器中，则多采用以全桥移相控制软开关PWM 变换器，它是直 流电源实现高频化的理想拓扑之一，尤其是在中、大功率变换器应用场合。用软 开关技术实现的DC/DC 变换器其效率可达90%以上。 UC3875 控制芯片： UC3875 是用于移相全桥型软开关电源控制的集成PWM 控制器，可对全桥型开关的相位进行相位移动，实现定频脉宽调制控制。 UC3875 其外形有 20引脚封装和 28 引脚封装， UC3875
15、内部结构方框图如下： 图 2.6 UC3875内部结构方框图 UC3875 外接控制电路 图 2.7 UC3875外部控制电路图 本科生课程设计（论文） 7 UC3875 软开关电源移项PWM 控制集成电路，对两个半桥开关电路的相位 进行移动控制，实现半桥功率级的恒频PWM 控制，借助开关器件的输出电容充 放电，在输出电容放电结束的状态下完成零电压开通。相位控制的特点体现在 UC3875 的 4 个输出端分别驱动 A/B 、C/D 两个半桥，都能单独进行导通延时的调 节控制，在该死区时间内确保下一个导通管的输出电容放电完毕，为即将导通的 开关管提供零电压开通条件。在全桥拓扑下移项控制的优点得到
16、了充分的体现， UC3875 在电压模式下电流模式下均可工作，并具有一个独立的过电流关断电路 以实现故障的快速保护。 芯片的保护功能包括：欠电压锁定，即芯片的偏置电压达到闸值之前，其4 个输出端均保持低的有源输出状态；内置的 1.5V 滞后使工作可靠； 具有过电流保 护，一旦出现事故该保护电路可在70NS 之内关断所有输出端；故障处理可在全 周期范围内再启动。 该芯片的其它功能包括：带宽超过7MHZ 的误差放人器；一个5V 的基准电 压；软启动；一个斜坡电压发生器和斜率补偿电路。 图 2.8 UC3875控制集成电路图 PWM 移相控制电路如下 本科生课程设计（论文） 8 图 2.9 PWM
17、移相控制电路图 2.3 高频变压器变比及容量 当 1000W全桥软开关电源采用 PQ50/50芯片时先给出主功率变压器原边绕组 的圈数计算公式和计算过程。考虑到UC3875 的最佳工作频率，又因为采用了高 频开关特性良好的MOSFET 功率管，所以选取开关频率为100KHZ。 首先根据功率容量Ap乘积公式来进行估算。 为了多留些余地， 可再减小主功 率变压器的最大工作磁通密度Bm=1000GS，由计算式得到 56. 5 1*5 .0*2*1000*1000*100*9 .0*2 10*1000 2 10* 10* 66 cmm t tqep KKfB P PAAA （2-1） 当最大磁通密度选
18、用1500GS 时，功率容量降低到3.7。若开关频率降低到 50KHZ，则功率容量乘机增大一倍约11.12，余量就小了。 PQ50/50铁氧体磁芯的有效中心柱截而积为Ae=3.1416cm 2 它的磁芯窗口而积 为 Aq=4.18 cm 2，因此 PQ50/50的功率容量乘积为 本科生课程设计（论文） 9 2 .1318.4*1416.3* qep AAA（2-2） 可见，在开关频率为100KHZ 时，采用 PQ50/50 铁氧体磁芯做 1000W 主功 率变压器，它的功率容量是合理的。 再来计算原边绕组的匝数值： 计算方法之一 15.27 1416.3*1000*10*100*4 10*31
19、4 4 10* 3 88 max em i p AfB nV N（2-3） 取原边绕组匝数 28 匝。当最大磁通密度选用1500GS时，则 Np=18 匝，根 据经验判断，这个原边匝数取值过小了。 计算方法之二 136.27 16.314*1 .0*2 10*10*5*314 2 10* 666 max em oni p AB TnV N（2-4） 取原边绕组匝数 28 匝，结果与上式相同。 计算副边绕组匝数，计算式 p in op s N V V N* max （2-5） Vop是副边整流滤波输出电压的副值，它由三项数值相加之和：一是考虑 脉动值 V=5V*15*10%=6.5 二是整流器二
20、极管的正向压降， Vd=1.2V 直流压降。三 是滤波电感的直流压降假设为VL=0.2V。IC 控制系统时一般都加上外围分立元件 驱动电路，增大驱动电流功率，减小IC 功率的温升提高电源整机的可靠性 2.4 系统仿真及波形 2.4.1MATLAB 仿真软件介绍 MATLAB 的基本数据单位是矩阵， 它的指令表达式与数学、 工程中常用的形 式十分相似， 故用 MATLAB 来解算问题要比用C，FORTRAN 等语言完成相同的 事情简捷得多， 并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等软件的优点， 使 MATLAB 成 为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JA
21、VA 的支持。可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函 数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程 序，用户可以直接进行下载就可以用。 MATLAB 由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB 的函数和文 件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历 本科生课程设计（论文） 10 史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件 的浏览器。随着MATLAB 的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB 的用户 界面也越来越精致，更加接近Windows 的标准界面，人机交互性更强，操作
22、更简 单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了 用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就 可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。 MATLAB 是一个包含大量计算算法的集合。 其拥有 600多个工程中要用到的 数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法 都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通 常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C 和 C+ 。在计算要求相同的情 况下，使用 MATLAB 的编程工作量会大大减少。MATLAB 的这些函数集包括从
23、最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数 所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方 程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、 稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作 以及建模动态仿真等。 2.4.2仿真电路图如下 图 2.10 单相桥式全控整流电路仿真( 电阻性负载 ) 本科生课程设计（论文） 11 2.4.3仿真分析 （1） 下图是用示波器观察仿真结果晶闸管VT 的电流波形和电压 波形，电源电压波形， =0时负载电阻两端的电压波形和电流波形。 图 2.11 =0波形图 （
24、2）下图是用示波器观察仿真结果晶闸管VT 的电流波形和电压波 形，电源电压波形，=30时负载电阻两端的电压波形和电流波形。 图 2.12 =30时波形图 本科生课程设计（论文） 12 （3） 下图是用示波器观察仿真结果晶闸管VT 的电流波形和电压 波形，电源电压波形， =60时负载电阻两端的电压波形和电流波 形。 图 2.13 =60时波形图 （4） 下图是用示波器观察仿真结果晶闸管VT 的电流波形和电压 波形，电源电压波形， =90时负载电阻两端的电压波形和电流波 形。 图 2.14 =90时波形图 本科生课程设计（论文） 13 单相桥式全控整流电路 (电阻性负载 )是典型的单相桥式全控整流
25、电路， 共用 4 个晶闸管， 2 只晶闸管接成共阳极， 2只晶闸管接成共阴极， 每只晶闸管是一个桥 臂，桥式整流电路的工作方式特点是整流元件必须成对构成回路，负载为电阻性。 本科生课程设计（论文） 14 第3章 课程设计总结 课设结束了从中我收获了很多，基本达到了课程设计的目的。首先我对课本 的相关的知识点重新的复习了一遍，而且是带着问题来看的所以效果非常好，将 老师以前在课堂讲的东西有了一个更深的认识，对以前似懂非懂的东西弄懂了， 并且能更深体会哪个部分是实践中更需要的哪个部分是理论的可以作到心中有 数。其次在我做课设的过程中也翻阅了许多相关的书籍使我的眼界有了很大的拓 宽，犹如小鱼游入大海
26、，此刻也更感到自己的渺小无知。还有就是我对计算机软 件的应用也更为熟练，这是个意外的收获。 通过这次电力电子技术设计，让我们有机会将课堂上所学的理论知识运用到 实际中，我对单相桥式整流电路、 逆变电路， 变压器，滤波器、滤波电路，DC/DC 直流变换， PWM 整流电路、 PWM 滤波电路移相全桥型零电压开关PWM 电路， 软开关技术都有了更深的了解。并通过对知识的综合运用，进行必要的分析、比 较。从而进一步验证了所学的理论知识。同时，这次课程设计，还让我知道了最 重要的是心态、耐心还有细心，在刚开始会觉得困难，但是只要充满信心，就肯 定会完成的。在此次课程设计过程中，我更进一步地熟悉了单相交
27、流调压电路的 原理和驱动电路的设计。当然，在这个过程中我也遇到了困难，查阅资料，相互 通过讨论。我准确地找出了我们的错误并纠正了错误，这更是我的收获，不但使 我们进一步提高了我们的实践能力， 也让我们在以后的工作学习有了更大的信心。 通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知 识与实践相结合，从实践中得出结论，从而提高了自己的实际动手能力和独立思 考的能力。 让我收获最大的是我发现了自己对以前的知识理解的不够深刻，掌握得不够 牢固，通过这次，我把以前所学的知识重新温故，巩固了所学知识，让我受益匪 浅。最后感谢在此次课设中给予我大力支持和帮助的老师和同学。 本科生课程
28、设计（论文） 15 第4章 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 孟志强主编 .电力电子技术 .晶闸管中频感应逆变电源的附加振荡启动方 法, 2003.6 4 马传天晶体管开关稳压电源北京：人民邮电出版社 1995.1 5 张古松高频开关稳压电源广州：广东科技出版社1993 6 李金刚主编 电力电子技术 .基于 DSP 感应加热电源频率跟踪控制的实现, 2003.4 7 刘胜利现代高频开关电源实用技术电子工业出版社 2001 9 8 周志敏开关电源实用技术人民邮电出版社2004.1 9 苏玉刚电力电子技术重庆大学出版社2004 3 10 林渭勋现代电力电子技术北京：机械工业出版社2006 11 王兆安电力电子技术是电能质量控制的重要手段电力电子技术 2004.6 12 裴云庆开关稳压电源的设计和应用机械工业出版社2010.7 13 王兆安，陈桥梁 集成化是电力电子技术的发展趋势交流技术与电力牵 引 2006.1 14 陈治明宽禁带电力电子器件研发新进展机械制造与自动化2005,34 （6） ：1-3,6 15 石玉电力电子技术题例与电路设计指导北京：机械工业出版社， 1999 16 潘天明工频和中频感应炉冶金工业出版社 1997