pwm型半橋開關電源設計畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 電路的輸出功率要大。它將220V的交流輸入直接整流、濾波為300V左右的直流電壓，在經過電源穩壓調整環節中的開關調節管、開關變壓器、穩壓控制電路、激勵脈沖產生電路對300V左右的直流電壓進行DC/DC開關變換，產生各種所需穩定的直流電壓輸出。主開關電源主要為主負載電路提供110~145V的直流電壓。電源電路的遙控待機功能是通過對主開關電源的控制實現的，主開關電源一旦停止工作，則相應的功率放大級也將停止工作，于是主負載失去直流供電。(2)副電源電源的主要作用是為微處理器控制電路提供+5V的供電電壓。副電源電路一般較簡單，既可采用簡易開關電源，也可采用傳統的線性穩壓電路。無論伏在處于正常工作狀態還是待機狀態，負電源都必須正常工作。(3)輔助電路將行輸出變壓器中產生的行掃描脈沖進行整流、濾波，就可以得到所需的直流電壓。由于輔助電路是將行輸出及經直流—交流—直流做兩次變換，所以又稱為二次電源。行輸出極產生的各種直流電壓主要給顯像管各電極供電，同時也可以為視頻輸出板尾板、場掃描以及圖像和伴音通道供電。2. 電源電路的主要特點電源電路的主要特點如下：(1) 由于設備都屬于高可靠性設備，對電源的要求較高，因此除了提供大的功率外，好要求具有較高的效率。(2) 為擴大設備儀器的使用范圍，要求電源電路能適應110V和220V交流供電的需要。一般要求電源電路對交流輸入時電電壓的適應范圍為90—245V，并對50Hz即60Hz輸入頻率均能適應。(3) 為了使負載儀器設備使用安全，要求機芯為冷底板設計，所以輸出穩壓取樣反饋回路普遍采用光電耦合器進行電源初、次級側的隔離，以提高設備的抗干擾性和安全性。(4) 要求電源電路有良好的過壓、過流、輸出短路、X射線保護及復位功能。(5) 為了保證遙控古代及功能的實現，電源電路一般還加有副電源電路（待機電源），副電源電路功率不大，一般在幾瓦左右，既可以采用開關電源實現，也可以用線性電源實現。 倍壓/橋式整流自動切換 為了保證負載能在較寬的交流輸入電壓范圍內正常工作，如90~245V，有些電源加了一個倍壓/橋式整流自動切換電路，使他在110V交流電壓下工作在倍壓整流方式，而在220V交流輸入電壓下工作在橋式整流方式，從而使負載在110V和220V兩種交流供電情況下都能正常工作。如果不采用倍壓/橋式整流自動切換，則易使開關電源在110V交流供電狀態時處于欠激勵工作狀態，而在220V交流供電狀態時有易工作于過激勵狀態，不能保證開關電源處在最佳工作狀態，其效率及可靠性等指標都可以得到保證。 倍壓/橋式整流自動切換電路倍壓/橋式整流自動切換電路如圖113所示。當輸入220交流電壓時，通過電壓檢測電路可使雙向晶閘管截止，這是電容CC2相串聯，整流電路為普通的整流工作方式，整流輸出電壓為U0為300V左右的直流電壓。當交流輸入電壓為110V時，通過電壓檢測電路是雙向晶閘管V導通，整流電路工作在倍壓整流方式。倍壓整流方式的工作原理圖所示。倍壓/橋式整流自動切換電路可使在110V和220V交流輸入電壓下的整流濾波輸出直流電壓相差不大，從而確保開關電源即可工作在交款的交流輸入電壓范圍，又可以使開關電源處在最佳工作狀態，從而提高開關電源的效率和工作可靠性。但是倍壓/橋式整流自動切換電路如不能正常完成切換功能，同樣會引起負載電路的大面積損壞，設計電路時必須十分重視。第三章 開關電源的控制及PWM技術 開關器件開關器件的特性及驅動是開關電源電路中關鍵的問題對開關器件的認識和了解是電源設計和使用的基本知識。 開關器件的特征同處理信息的電子器件相比，開關電子器件具有以下特征：(1) 能處理功率的大小，即承受電壓和電流的能力是開關器件最重要的參數，其處理電功率的能力小至毫瓦級，大至兆瓦級，大多遠大于信息處理的電子器件(2) 開關器件一般都工作在開關狀態，導通時阻抗很小，接近短路，管壓降接近于零，電流由外電路決定；阻斷是阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，管子兩端電壓由外電路決定。(3) 開關器件的動態特性也是很重要的方面，有些時候甚至上升為第一位的重要問題，做電路分析時，為簡單起見往往用理想開關代替實際開關。(4) 電路中的開關器件有信息電路電件的驅動電路。(5) 為保證比值語音雖好散發的熱量而導致開關器件溫度過高而損壞，不僅在開關器件封裝上講究散熱設計，在其工作是一般都安裝散熱器。導通時，器件上有一定的通態壓降；形成通態損耗阻斷時，開關器件上有微小的斷態電流流過；形成斷態損耗時，在開關器件開通或斷開地轉換過成中產生開通損耗和關短損耗，總成開關損耗子來控制，在主電路和控電路之間需要一定的中間電路對控制電路的信號進行放大，這就是開關器。對某些器件來講，驅動電路向其注入的功率也是造成開關器件發熱的原因之一。 開關器件的組成開關電源系統由控制電路、驅動電路、以及開關器件為核心的主電路組成。控制電路系統的工作要求形成控制信號，通過驅動電路去控制住電路中開關器件的通或斷來完成整個系統的功能。 開關電源系統中需要有檢測電路。廣義上往往其他驅動電路等主電路之外的電路都歸為控制電路，從而粗略地說開關電源系統是由電路和控制系統組成。開關器件一般有三個端子，其中兩個來連接在主電路中，而第三端被稱為控制端或者控制極。開關器件的通斷是通過在其控制端和一個主電路端子之間加一定的信號來控制的，這個主電路端子是驅動電路的公共端，一般是主電路電流流出期間的端子。 開關器件的分類開關器件按照豈能被控制電路信號所控制的程度分為以下三類。（1） 半控制性器件 通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷，晶閘管及其大部分派生器件的關斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定。(2) 全控制型器件 通過控制信號既可控制其導通又可控制其關斷，又稱自關斷器件，如電力場效應管MOSFET、門極可關斷晶閘管GTO。(3) 不可控器件不能用控制信號來控制其通斷，因此也就不需要驅動電路。如電力二極管只有兩個端子，它的通斷是由其在主電路中承受的電壓和電流絕定的。 電力場效應晶體管MOSFET功率場效應管又叫功率場控晶體管實際上，功率場效應管也分結型、絕緣柵型。但通常指后者中的MOS 管，即MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。MOS 器件的電極分別為柵極G、漏極D、源極S。和普通MOS 管一樣，它也有：耗盡型：柵極電壓為零時，即存在導電溝道。無論VGS 正負都起控制作用。增強型：需要正偏置柵極電壓，才生成導電溝道。達到飽和前，VGS 正偏越大，IDS越大。一般使用的功率MOSFET 多數是N 溝道增強型。而且不同于一般小功率MOS 管的橫向導電結構，使用了垂直導電結構，從而提高了耐壓、電流能力，因此又叫VMOSFET這種器件的特點是輸入絕緣電阻大（1 萬兆歐以上），柵極電流基本為零。驅動功率小，速度高，安全工作區寬。但高壓時，導通電阻與電壓的平方成正比，因而提高耐壓和降低高壓阻抗困難。適合低壓100V 以下，是比較理想的器件。目前的研制水平在1000V/65A 左右（參考）。其速度可以達到幾百KHz，使用諧振技術可以達到兆級。無載流子注入，速度取決于器件的電容充放電時間，與工作溫度關系不大，故熱穩定性好。（1） 轉移特性：ID 隨UGS 變化的曲線，成為轉移特性。從下圖可以看到，隨著UGS 的上升，跨導將越來越高。（2） 輸出特性（漏極特性）輸出特性反應了漏極電流隨VDS 變化的規律。這個特性和VGS 又有關聯。下圖反映了這種規律。爬坡段是非飽和區，水平段為飽和區，靠近橫軸附近為截止區，這點和GTR 有區別。VGS=0 時的飽和電流稱為飽和漏電流IDSS。（3）通態電阻Ron：通態電阻是器件的一個重要參數，決定了電路輸出電壓幅度和損耗。該參數隨溫度上升線性增加。而且VGS 增加，通態電阻減小。（4）跨導：MOSFET 的增益特性稱為跨導。定義為：Gfs=Δ ID/Δ VGS （16）顯然，這個數值越大越好，它反映了管子的柵極控制能力。（5）柵極閾值電壓柵極閾值電壓VGS 是指開始有規定的漏極電流（1mA）時的最低柵極電壓。它具有負溫度系數，結溫每增加45 度，閾值電壓下降10%。（6）電容MOSFET 的一個明顯特點是三個極間存在比較明顯的寄生電容，這些電容對開關速度有一定影響。偏置電壓高時，電容效應也加大，因此對高壓電子系統會有一定影響。器件開通延遲時間內,電荷積聚較慢。隨著電壓增加，電荷快速上升，對應著管子開通時間。最后，當電壓增加到一定程度后，電荷增加再次變慢，此時管子已經導通。（8）正向偏置安全工作區及主要參數MOSFET 和雙極型晶體管一樣，也有它的安全工作區。不同的是，它的安全工作區是由四根線圍成的。最大漏極電流IDM：這個參數反應了器件的電流驅動能力。最大漏源極電壓VDSM：它由器件的反向擊穿電壓決定。最大漏極功耗PDM：它由管子允許的溫升決定。漏源通態電阻Ron：這是MOSFET 必須考慮的一個參數，通態電阻過高，會影響輸出效率，增加損耗。所以，要根據使用要求加以限制。（IGBT）IGBT是功率MOSFET和雙極型功率晶體管組合在一起的復合功率器件。既有MOSFET的通斷速度快、輸入阻抗高、驅動電路簡單及驅動功率小等優點，又具有大功率雙極晶體管的容量大和阻斷電壓高的優點。根據IGBT是MOSFET和雙極型功率晶體管的復合器件，它具有以下特點。（1）IGBT的輸入級是是MOSFET，在柵極G和發射極E之間加上驅動電壓時，MOSFET便進入導通（或關斷）狀態。因此IGBT是一種電壓控制器件。（2）在IGBT中，MOSFET的開關速度非常快，所以IGBT的開關速度取決于等效晶體管的開關速度。（3）當在IGBT的集電極和發射極之間施加負電壓時，由于PN結處于反偏狀態，在集電極和發射極之間不可能有電流流過。由于IGBT比MOSFET多了一個PN結，使IGBT比MOSFET具有更高的耐壓。（4）IGBT處于導通時，的大小能反映過流情況。因此，通過測量來識別過流情況，一旦高于某一數值表明出現過流情況時，可控柵極電壓快速變為0或負電壓，使IGBT快速截止，實現對IGBT的過流保護。通過以上分析可以看出，IGBT具有正反相阻斷電壓高、通態電流大及通過電壓來控制其導通或關斷等特點。廣泛的作為功率開關器件用于開關型直流穩壓電源中。 PWM調制技術 PWM逆變電路及其控制方法PWM控制技術在逆變電路中的應用十分廣泛，目前中小功率的逆變電路幾乎都采用了PWM技術。逆變電路時PWM控制技術最為重要的應用場合。PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種。目前實際應用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。在電壓型逆變電路的PWM控制中，運用調制法，即把希望輸出的波形作為調制信號，把接受調制的信號作為載波，通過信號波的調制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波。因為等腰三角波上任一點的水平寬度和高度成線性關系且左右對稱，當它與任何一個平緩變化的調制信號波相交時，如果在交點時刻對電路中開關器件的通斷進行控制，就可以得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，這正好符合PWM控制的要求。在調制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形。開關電源大多采用的是三相橋式PWM型逆變電路，如圖114所示，這種電路都是采用雙極性控制方式。采用雙極性方式時，在調制信號的半個周期內，三角波載波不再是單極性的，而是有正有負，所得的PWM波也是有正有負。在的一個周期內，輸出的PWM波形只有177。Ud兩種電平。在調制信號和載波信號的交點時刻控制各開關器件的通斷。U、V和W三相的PWM控制通常公用一個三角波載波,三相的調制信號、和依次相差120176。U、V和W各相功率開關器件的控制規律相同，現以U相為例來說明。當時，給上橋臂V1以導通信號，給下橋臂V4以關斷信號，則U相相對于直流電源假象中點N′的輸出電壓。當時，給V4 以導通信號，給V1以關斷信號，則。V1 和V4的驅動信號始終是互補的。當給V1（V4）加導通信號時，可能是V1（V4）導通，也可能是二極管VD1（VD4） 續流導通，這要由阻感負載中電流的方向來決定。V相和W相的控制方式都和U相相同。電路的波形如圖115所示。在電壓型逆變電路的PWM控制中，同一相上下兩個橋臂的驅動信號都是互補的。但實際上為了防止上下兩個橋臂直通而造成短路，在上下兩臂通斷切換時要留小段上下臂都施加關斷信號的死區時間。死區時間的長短主要由功率開關器件的關斷時間來決定。這個死區時間將會給輸出的PWM波形帶來一定影響，使其稍稍偏離正弦波。 三相橋式PWM型逆變電路 三相橋式PWM逆變電路波形PWM調制方式可分為異步調制和同步調制。在PWM控制電路中，載波頻率與調制信頻率信號之比稱為載波比。調制方式正式根據載波和信號波是否同步及載波比的變化情況而確定的。（1）異步調制載波信號和調制信號不保持同步的調制方式稱為異步調制。在異步調制方式中，通常保持載波頻率固定不變，因而當信號波頻率變化時，載波比N是變化的。同時，在信號波的半個周期內，PWM波的脈沖個數不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內前后1/4周期的脈沖也不對稱。當信號波頻率較低時，載波比N 較大，一周期內的脈沖數較多，正負半周期脈沖不對稱和半周期內前后1/4周期脈沖不對稱產生的不利影響都較小，PWM波形接近正弦波。當信號波頻率增高時，載波比N 減小，一周期內的脈沖數減少，PWM 脈沖不對稱的影響就變大，有時信號波的微小變化還會產生PWM 脈動的跳動。這就使得輸出PWM 波和正弦波的差異變大。對于三相PWM 型逆變電路來說，三相輸出的對稱性也變差。因此，在采用異步調制方式時，希望采用較高的載波頻率，以使在信號波頻率較高時仍能保持較大的載波比。（2）同步調制載波比N 等于常數，并在變頻時使載波和信號波保持同步的方式稱為同步調制。在基本同步調制方式中，信號