電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)-于倩玉教材

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告題 目:單端反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)學(xué) 院：信息與控制工程學(xué)院班 級(jí)：電氣13-7班姓名： 于倩玉組員： 陶文磊學(xué)號(hào)：13050203071305020320目錄、課程設(shè)計(jì)的目的 1二、課程設(shè)計(jì)的要求 2三、反激式功率變換器的原理及設(shè)計(jì)方法 21. 引言 22基本反激變換器工作原理 33反激變換器的吸收電路 54反激變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 55. 反激式變換器的變壓器設(shè)計(jì)思路 66控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9四、總體設(shè)計(jì)電路圖 14五、參數(shù)的計(jì)算與選擇 15六、遇到的問(wèn)題和解決方法 18七、輸出電壓波形及驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形 20八、心得體會(huì) 21一、課程設(shè)計(jì)的目的(1) 熟悉Power Mos

2、FET的使用；(2) 熟悉磁性材料、磁性元件及其在電力電子電路中的使用；（3）增強(qiáng)設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試電力電子電路的能力；二、課程設(shè)計(jì)的要求本課程設(shè)計(jì)要求根據(jù)所提供的元器件設(shè)計(jì)并制作一個(gè)小功率的 反激式開(kāi)關(guān)電源。設(shè)計(jì)要求 170V輸入，9V/1A輸出的反激式開(kāi)關(guān)電 源，進(jìn)行必要的電路參數(shù)計(jì)算 ,完成電路的焊接調(diào)試。三、反激式功率變換器的原理及設(shè)計(jì)方法1. 引言電力電子技術(shù)有三大應(yīng)用領(lǐng)域：電力傳動(dòng)、電力系統(tǒng)和電源。在 各種用電設(shè)備中， 電源是核心部件之一， 其性能影響著整臺(tái)設(shè)備的性 能。電源可以分為線(xiàn)性電源和開(kāi)關(guān)電源兩大類(lèi)。線(xiàn)性電源是把直流電壓變換為低于輸入的直流電壓， 其工作原理 是在輸入與輸出之

3、間串聯(lián)一個(gè)可變電阻（功率晶體管） ，讓功率晶體 管工作在線(xiàn)性模式， 用線(xiàn)性器件控制其阻值的大小， 實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的輸出， 電路簡(jiǎn)單，但效率低。通常用于低于10W的電路中。通常使用的7805, 7815等就屬于線(xiàn)性電源。開(kāi)關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷的狀態(tài), 在這兩種狀 態(tài)中,加在功率晶體管上的伏 -安乘積是很小的（在導(dǎo)通時(shí),電壓低, 電流大；關(guān)斷時(shí),電壓高,電流?。?,所以開(kāi)關(guān)電源具有能耗小,效 率高,穩(wěn)壓范圍大寬,體積小、重量輕等突出優(yōu)點(diǎn),在通訊設(shè)備、儀 器儀表、數(shù)碼影音、家用電器等電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。反激式功率變換器是功率電源中的一種， 是一種應(yīng)用非常廣泛的 開(kāi)關(guān)電源，本課程設(shè)計(jì)

4、就是設(shè)計(jì)一個(gè)反激變換器。2基本反激變換器工作原理基本反激變換器如圖 1 所示。假設(shè)變壓器和其他元器件均為理想 元器件，穩(wěn)態(tài)工作下。(1)當(dāng)有源開(kāi)關(guān)Q導(dǎo)通時(shí)，變壓器原邊電流增 加，會(huì)產(chǎn)生上正下負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)， 從而在副邊產(chǎn)生下正上負(fù)的感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì)，如圖2(a)所示，無(wú)源開(kāi)關(guān)VD1因反偏而截止，輸出由電容 C 向負(fù)載提供能量，而原邊則從電源吸收電能，儲(chǔ)存于磁路中。(2)當(dāng)有源開(kāi)關(guān)Q截止時(shí)，由于變壓器磁路中的磁通不能突變， 所以在原邊 會(huì)感應(yīng)出上負(fù)下正的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)， 而在副邊會(huì)感應(yīng)出上正下負(fù)的感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì)，故 VD1 正偏而導(dǎo)通，如圖 2(b) 所示，此時(shí)磁路中的存儲(chǔ)的 能量轉(zhuǎn)到副邊，并經(jīng)二極管VD

5、1向負(fù)載供電，同時(shí)補(bǔ)充濾波電容C在 前一階段所損失的能量。輸出濾波電容除了在開(kāi)關(guān)Q導(dǎo)通時(shí)給負(fù)載提 供能量外， 還用來(lái)限制輸出電壓上的開(kāi)關(guān)頻率紋波分量， 使之遠(yuǎn)小于 穩(wěn)態(tài)的直流輸出電壓。13圖1反激吧換器的原理閹(a)(b)反激變換器的工作過(guò)程大致可以看作是原邊儲(chǔ)能和副邊放電兩 個(gè)階段。原邊電流和副邊電流在這兩個(gè)階段中分別起到勵(lì)磁電流的作 用。如果在下一次C導(dǎo)通之前，畐燦已將磁路的儲(chǔ)能放光，即副邊電 流變?yōu)榱悖瑒t稱(chēng)變換器運(yùn)行于斷續(xù)電流模式(DCM( Disco ntin ous Current Mode),反之，則在副邊還沒(méi)有將磁路的儲(chǔ)能放光，即在副 邊電流沒(méi)有變?yōu)榱阒?，C又導(dǎo)通，則稱(chēng)變換器運(yùn)

6、行于連續(xù)電流模式(CCM(Continous Current Mode )。通常反激變換器多設(shè)計(jì)為斷續(xù) 電流模式(DCM下。當(dāng)變換器工作于CC下時(shí)，輸出與輸入電壓、電流之間的關(guān)系如下：nN叮 It 其中 ,K N( - D)變換器工作于DC下時(shí)，上述關(guān)系式仍然成立，只不過(guò)此時(shí)的增 益M變?yōu)?Uo D ” 2Lf *宀，M =- = = t K N, k3(t7p+l)這就求出了匝比的上限值，匝比只能比這個(gè)值小，不能比其大。 在這個(gè)值的基礎(chǔ)上選擇一個(gè)匝比。 就可以求出最大占空比，即最大導(dǎo) 通時(shí)間。為保證電路工作于DCM模式，磁路儲(chǔ)能和放電的總時(shí)間應(yīng)控制在 0.8T以?xún)?nèi)，所以兀+70斷%嘰普耳+嘰

7、汕善（S + 1M8（匕1）評(píng)；+1）N億；-1)十嚴(yán)-1)(2)原邊匝數(shù)的計(jì)算根據(jù)磁芯，得到有效的導(dǎo)磁截面積 eA，則原邊的匝數(shù)應(yīng)保證在最大占空比時(shí)磁路仍不飽和。電壓沖量等于磁路中磁鏈的變化量，NpU g DmaxTBmaxAe，真正的原邊匝數(shù)必須比這個(gè)值大，才可能讓磁路不飽和。通常取2倍的上述計(jì)算值。(3) 副邊匝數(shù)的計(jì)算根據(jù)上面兩步的結(jié)果，很容易求出副邊匝數(shù)。(4) 氣隙長(zhǎng)度的計(jì)算在計(jì)算氣隙長(zhǎng)度之前，首先應(yīng)計(jì)算原邊的電感值。假設(shè)變壓器的輸出功率為P0，效率為，則有如下關(guān)系成立:2Lpl spI其物理意義是，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)原邊從電源吸收并存儲(chǔ)的能量恰 好等于系統(tǒng)的輸出和損耗的能量。Lp2P

8、0TE 2所以Isp，其中有以下關(guān)系;1= Ugha =Ug2lspDT /T2F0則原邊的峰值電流為:I spUgD，帶入上式可以得到初級(jí)電感。1 Felglg0 Ael Fe0 Ael Fe氣隙的長(zhǎng)度為PN；圖5功卒變壓器磁路示意圖Lp 二 N p /Rmp,Rmp= RmFeRmO二-A 二（A（lg）-Fe Ae-o Ae-QAe T其中，A為電感系數(shù)，Rmp為磁阻。6. 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)反激式變換器的控制芯片主要有 TOPSwitch系列芯片、UC384X 系列芯片等，其中，應(yīng)用比較多的是 UC384X系列芯片，屬于高性能 固定頻率電流模式集成控制器，該集成芯片的特點(diǎn)是，具有振蕩器， 溫

9、度補(bǔ)償?shù)膮⒖?，高增益誤差放大器、電流比較器和大電流圖騰柱輸出，可直接驅(qū)動(dòng)功率MOSFET并能把占空比限制在50%內(nèi)。其控制對(duì) 象是控制流過(guò)功率開(kāi)關(guān)管的峰值電流。UC3845的控制原理示意圖如圖6所示，它主要由以下四部分構(gòu) 成。振蕩器：振蕩器頻率由定時(shí)元件 TR和TC決定），振蕩器輸出固定頻率的脈沖信號(hào)，注意：由于 UC3845會(huì)每隔一個(gè)時(shí)鐘周期關(guān)閉一次輸出，所以振蕩頻率是開(kāi)關(guān)頻 率的2倍。開(kāi)關(guān)頻率通常取 50KHz100KHz左右。電壓誤差放大器：誤差放大器的作用是放大參考電壓與反饋電壓 的差，其輸出電壓經(jīng)兩個(gè)二極管并經(jīng)電阻分壓后作為電流參考。在輸入與輸出隔離的開(kāi)關(guān)電源中，為減少誤差，通常采用

10、外置電壓環(huán)，即 將UC3845內(nèi)部的誤差放大器旁路掉，由外部電壓環(huán)的輸出通過(guò)補(bǔ)償 輸入引腳決定電流參考。在后面給出的電壓反饋電路設(shè)計(jì)中會(huì)有更詳 細(xì)的說(shuō)明。電流比較器：電流比較器的門(mén)檻值 Verror由誤差放大器的輸出 給定，當(dāng)電壓誤差放大器顯示輸出電壓太低時(shí)，電流門(mén)檻值就增大， 使輸出到負(fù)載的能量增加。反之也一樣。觸發(fā)器&鎖存器脈寬調(diào)制：一方面，由振蕩器輸出的固定頻率的 脈沖信號(hào)給鎖存器置位，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，電流 Isw線(xiàn)性增加，當(dāng)電流 檢測(cè)電阻Rs上的電壓達(dá)到電流比較器門(mén)檻值 Verror時(shí)，電流比較器 輸出高電平，給鎖存器復(fù)位，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，電流比較器的輸出恢復(fù)低 電平；另一方面，振蕩器輸出的脈

11、沖信號(hào)同時(shí)輸入觸發(fā)器，使UC3845每隔一個(gè)時(shí)鐘周期關(guān)閉一次輸出，這是 UC3845能把占空比限制在50%3的原因，并決定了振蕩頻率是開(kāi)關(guān)頻率的 2倍。電流型控制的優(yōu)點(diǎn)是本身具有過(guò)流保護(hù)功能， 電流比較器實(shí)現(xiàn)對(duì) 電流的逐周限制，屬于一種恒功率過(guò)載保護(hù)方法，即維持供給負(fù)載的 恒功率。圖6 UC 3 &45 K制原理示意圖幾個(gè)重要器件的介紹(1) UC3845UC384芯片為SO或S01管腳塑料表貼元件。專(zhuān)為低壓應(yīng)用設(shè)計(jì)。其欠壓鎖定門(mén)限為8.5v （通），7.6V （斷）；電流模式工作達(dá)500千赫輸出開(kāi)關(guān)頻率；在反激式應(yīng)用中最大占空比為0.5;輸出靜區(qū)時(shí)間 ii從50%70可調(diào)；自動(dòng)前饋補(bǔ)償；鎖存

12、脈寬調(diào)制，用于逐周期限流； 內(nèi)部微調(diào)的參考源；帶欠壓鎖定；大電流圖騰柱輸出；輸入欠壓鎖定, 帶滯后；啟動(dòng)及工作電流低。芯片管腳圖及管腳功能如圖 6所示。圖6 UC3845芯片管腳圖輸；I地9反燒友1腳：輸出/補(bǔ)償，內(nèi)部誤差放大器的輸出端。通常此腳與腳 2 之間接有反饋網(wǎng)絡(luò)，以確定誤差放大器的增益和頻響。2腳：電壓反饋輸入端。此腳與內(nèi)部誤差放大器同向輸入端的基準(zhǔn)電壓(2.5 V )進(jìn)行比較，調(diào)整脈寬。3腳：電流取樣輸入端。4腳：R T/CT振蕩器的外接電容C和電阻R的公共端。通過(guò)一個(gè)電阻接Vref通過(guò)一個(gè)電阻接地。5腳：接地。6腳：圖騰柱式PW輸出，驅(qū)動(dòng)能力為土 1A.7腳：正電源腳 8腳：V

13、ref，5V基準(zhǔn)電壓，輸出電流可達(dá)50mA.(2) TL431TL431是一個(gè)良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。外部有三極分別為：陰極（CATHODE陽(yáng)極（ANODE參考端（REF。 其芯片體積小、基準(zhǔn)電壓精密可調(diào)，輸出電流大等優(yōu)點(diǎn)，所以可 以 用來(lái)制作多種穩(wěn)壓器件。其具體功能可用圖7的功能模塊示意。由圖可看出，VI 是一個(gè)內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)源，接在運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn) 放特性可知，只有當(dāng)REF端的電壓十分接近VI時(shí)，三極管中 才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過(guò)，而且隨著 REF端電壓的微 小變化，通過(guò)三極管，電流將從 1到100mA變化。圖7 TL431的功能模塊示意圖在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，一

14、般輸出經(jīng)過(guò) TL431 （可控分流基準(zhǔn)）反饋 并將誤差放大，TL431的沉流端驅(qū)動(dòng)一個(gè)光耦的發(fā)光部分，而處在電源高壓主邊的光耦感光部分得到的反饋電壓，用來(lái)調(diào)整一個(gè)電流模式的PWM控制器的開(kāi)關(guān)時(shí)間，從而得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓輸出。（3）PC817PC817是一個(gè)比較常用的光電耦合器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示，其中 腳1為陽(yáng)極，腳2為陰極，腳3為發(fā)射極，腳4為集電極。在開(kāi)關(guān)電源中，當(dāng)電流流過(guò)光二極管時(shí)，二極管發(fā)光感應(yīng)三極管，對(duì)輸出進(jìn) 行精確的調(diào)整，從而控制UC3842勺工作。同時(shí)PC817光電耦合器不但可起到反饋?zhàn)饔眠€可以起到隔離作用17圖8 PC817內(nèi)部框圖四、總體設(shè)計(jì)電路圖O11M4O07 ilN

15、400；02DBDTN40D703 1N4QQ72DOkO,R1 :Ct4.7kn 3300pF *05ir1M4qO7TC41N472SA470-T11M4O07_22DijFCB 1.0kQ lOOiQpFR7U1tOkQ UC3S45A DIPSSQ3 IRFBC30oD1QJ1N414633pFR11五、參數(shù)的計(jì)算與選擇(1) 計(jì)算匝數(shù)比：U=220V整流橋整流取系數(shù)為1.2，則整流后輸出Ug= 1.2*220 = 264V,所以:NpUq 一 1.32 UgNT7?3(Uoi)9. 8600 - 1. 322641. 3 匯 13(Uq*為開(kāi)關(guān)管的耐壓極限值，為600V) 這是匝比的

16、上限值，匝比只能比這個(gè)值小。實(shí)際選取的匝比為：Np/Ns=5(2) 計(jì)算最大占空比Dmax(U1)0. 8Dmax(U-1)(U1)1 _ 1一4f 9*10= 1.11*10S，于是由Ug DmaxT = NpBmax代有:NpU g DmaTmax26415.85%1. 1110-0. 5 漢 80. 9 漢 10一0. 9 漢 0. 6372二 7. 294810實(shí)測(cè)值為0.680mH ,誤差為:二 11.48取Np實(shí)=2*Np=22.96,實(shí)際取得的原邊匝數(shù)為：45匝。所以副邊繞組=45/K=45/4=9匝。同理，輔助繞組 K仁9,取Ns1=9匝。故，原邊為45匝，副邊為9匝，輔助繞組

17、為9匝。(4) 計(jì)算氣隙長(zhǎng)度和初始電感值:取 n =0.9 , D =0.1，則有:_ 2 沢 P。 sp UgD2汶12汶10. 92640. 158537二 0.6372P0 T2sp7. 2948 - 6. 87. 2948二 6. 78%2 12 1 1. 1110_51U0 Aelf.g LpUr2Np43. 14 10-780. 9 10-65. 1410-27. 294810 -42300452二 2.59861104m 二 0. 259861mm1 ，Lg = 3 Lg - 1.2993 mm實(shí)際取Lg=1.3mm(5) 計(jì)算電流檢測(cè)參數(shù)：電流檢測(cè)電阻：Rs0 . 7I sp1

18、 . 099 門(mén)25實(shí)取Rs =1 Q (后為實(shí)現(xiàn)1.5A過(guò)流保護(hù)，將Rs調(diào)小，為-)(6) 計(jì)算電壓反饋控制參數(shù):R 500 1K5.0mAI f maxy mA = 7.5mA0.8所以:R2:二U 0 一 Uf 一 Uka min7. 51. 107 K1U。-Uf Uka min166 11故取 R2=470Q .uR2 = I f R2 = 3470V = 1.41VUr3 二 Ur2Uf 二 2.61V1 R3=1 ka _1 f =17 mAR3Ur31 R3152.9-實(shí)取 R3 二 100 -R5(Uo - Uref )R6ue;實(shí)際中R5用503電位器代替取C4為104的瓷

19、片電容，即100 nF.由于開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為90KHz故取RT=10 ,CT為102,即1nF。(實(shí)際中RT用20KQ的電位器代替)。RC濾波：首先確定的參數(shù)為：R=1KD ,C為470pf。六、遇到的問(wèn)題和解決方法(1) 變壓器有聲音。解決方法：首先，我們考慮可能是變壓器纏繞得不緊，導(dǎo)致漏感較大，從而 引起噪聲，于是我們從新繞制變壓器，可是后面上電后，噪聲依舊不 減。后面，我們相應(yīng)地改變了 RC濾波參數(shù)，將R改為1KQ ,C改為 103,發(fā)現(xiàn)噪聲減小，于是我們繼續(xù)將 C減小到471，發(fā)現(xiàn)變壓器噪 聲幾乎消除。（2）開(kāi)關(guān)管發(fā)熱嚴(yán)重。解決方法：開(kāi)關(guān)管發(fā)熱，可能是開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高， 也有可能是電路焊接得

20、不好， 導(dǎo)致其發(fā)熱嚴(yán)重。于是，我們將整流這一塊電路的焊線(xiàn)焊粗了一些， 同時(shí)，通過(guò)電位器將RT進(jìn)行調(diào)整，后面發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管幾乎不發(fā)熱了。（3）輔助繞組電壓過(guò)高，燒壞12V穩(wěn)壓管。解決方法： 帶載的時(shí)候，電流調(diào)整得大一些后，穩(wěn)壓管被擊穿。通過(guò)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)原邊電壓加到80多V時(shí)輔助繞組的輸出電壓就已經(jīng)達(dá)到13V多。 為保險(xiǎn)起見(jiàn)， 我們將輔助繞組的匝數(shù)減小了 2匝，上電后發(fā)現(xiàn)其輸出 一直穩(wěn)定在10V左右，高于UC3845的啟動(dòng)電壓8.5V，即能維持電路 的正常工作，后面穩(wěn)壓管再也沒(méi)有燒過(guò)。（4）RCD吸收電路的電阻發(fā)熱。解決方法：調(diào)試工程中RCD吸收電路的電阻發(fā)熱，于是我們將 4.7K Q的R 改為兩個(gè)62

21、KQ的電阻并聯(lián)，后面發(fā)現(xiàn)兩電阻發(fā)熱正常，不至于燒毀。（ 5）帶不動(dòng) 1A 負(fù)載。解決方法：根據(jù)手冊(cè)，若帶不動(dòng)負(fù)載，可相應(yīng)減小 Rs 值。首先，我們將 Rs 改為兩個(gè)1Q的功率電阻并聯(lián)（實(shí)測(cè)并聯(lián)后的阻值為0.8 Q）,發(fā)現(xiàn)還 是帶不動(dòng)滿(mǎn)載，于是我們又將 Rs改為0.5 Q的功率電阻，后面發(fā)現(xiàn) 帶載能力可以達(dá)到 1.1A 左右了。(6)帶1A負(fù)載后，F(xiàn)R307發(fā)熱較大。解決方法：帶1A負(fù)載后，F(xiàn)R307發(fā)熱較大，經(jīng)過(guò)查詢(xún)資料，F(xiàn)R307的最高承 受電流為3A,而實(shí)際只帶了 1A的負(fù)載，應(yīng)該不會(huì)燒壞。有點(diǎn)發(fā)熱應(yīng) 該是正常現(xiàn)象。于是，我們加滿(mǎn)載帶了 5min,發(fā)現(xiàn)FR發(fā)熱雖然有點(diǎn) 尢 但是還不至于冒煙

22、和燒壞。由于不放心，我們又帶了一次試了試， 發(fā)現(xiàn)FR307沒(méi)有被燒，開(kāi)關(guān)管發(fā)熱也非常小，于是我們便沒(méi)有改變 FR307(7) 無(wú)輸出電壓，芯片3845無(wú)法啟動(dòng)解決方法：經(jīng)檢測(cè)，電位器阻值為0,調(diào)整電位器阻值至理論計(jì)算值 38KQ, 重新通電測(cè)試，UC3845兩端電壓穩(wěn)定在10V左右，高于uc3845的啟 動(dòng)電壓8.5V，即能維持電路的正常工作。七、輸出電壓波形及驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形CTDC 飼fi.Wvsai-八、心得體會(huì)本次設(shè)計(jì)通過(guò)自己的努力， 我們成功交上了開(kāi)關(guān)電源作品。 經(jīng)過(guò) 對(duì)電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試，加深了我們對(duì)反激式開(kāi)關(guān)電源的認(rèn)識(shí)和理解， 提高了自己的動(dòng)手能力和解決問(wèn)題的能力， 鍛煉了我們的思維。 在調(diào) 試過(guò)程中我們遇到了很多問(wèn)題，比如 uc3845 無(wú)法正常啟動(dòng)，通過(guò)調(diào) 整電位器值，解決了問(wèn)題；穩(wěn)壓管被擊穿，通過(guò)查找原因，發(fā)現(xiàn)是輔 助繞組輸出電壓不符合理論計(jì)算結(jié)果， 匝數(shù)過(guò)多， 于是我們將輔助繞 組少繞了兩匝，從而不再燒壞穩(wěn)壓管；開(kāi)關(guān)管發(fā)熱，可能是開(kāi)關(guān)頻率 過(guò)高，也有可能是電路焊接得不好，導(dǎo)致其發(fā)熱嚴(yán)重。于是，我們將 焊線(xiàn)焊粗了