課設反激式開關電源課設理工大學專用

1、太原理工大學課程設計用紙 第 頁太原理工大學課程設計任務書專業(yè)班級電氣1101學生姓名盧剛課程名稱開關電源技術設計名稱反激型開關電源電路設計設計周數(shù)2指導教師許春雨設計任務主要設計參數(shù)1、交流輸入電壓AC220V，波動±50%；2、直流輸出電壓5V和12V；3、輸出電流1.5A和100mA；4、輸出紋波電壓0.2V；5、輸入電壓在±50%范圍之間變化時，輸出電壓誤差0.03V設計內(nèi)容設計要求1、開關電源主電路的設計和參數(shù)選擇2、IGBT電流、電壓額定的選擇3、開關電源驅(qū)動電路的設計4、開關變壓器設計5、畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖6、電路仿真分析和仿真結果主要參考

2、 資料1. 楊旭等 開關電源技術 機械工業(yè)出版社 2004.32 張占松蔡宣三 開關電源的原理與設計 電子工業(yè)出版社1998學生提交歸檔文件課程設計說明書一份注： 可根據(jù)實際內(nèi)容需要續(xù)表，但應保持原格式不變。指導教師簽名： 日期：摘要電力電子技術的發(fā)展和小型電子設備的廣泛應用，使得小功率電源的需求逐漸增加，反激式開關電源因其結構和成本方面的優(yōu)勢在小功率電源領域有著不可替代的作用，是小功率供電電源的首選。本設計是儲能逆變項目的一個小部分，目的是設計一個輸出總功率達到14.5W 的多路輸出反激式開關電源。本論文從反激式開關電源的原理、整體結構設計、關鍵電路設計及電路仿真等方面進行了介紹。

3、在反激式開關電源的原理方面，介紹了幾種基本電路和拓撲結構的選擇；在整體結構設計方面，主要分析了開關電源的組成電路；在關鍵電路設計方面，進行了輸入電路、變壓器、控制電路和RCD吸收回路的設計；在電路仿真方面，搭建了仿真電路圖、分析了仿真結果。通過具體設計及仿真軟件的驗證，證明了設計的正確性，為后期的實際工程設計提供的指導意義。  關鍵詞：反激式開關電源；PWM電壓反饋；變壓器目錄課程設計任務書摘要第1章 反激式開關電源的工作原理第2章 變壓器的計算與選擇第3章 電力電子器件的選擇第4章 基于ORCDA10.5的電路仿真與結果第5章 總結附錄 反激式開關電源的原理圖 參考文獻第1章 反激

4、式開關電源的工作原理1.1 主電路工作原理輸入EMI濾波整流(也就一般的AC/DC類似全橋整流模塊)DC/DC模塊(全橋式DCAC高頻變壓器高頻濾波器DC)輸出。系統(tǒng)可以劃分為變壓器部分、整流濾波部分和DC-DC變換部分，以及負載部分，其中整流濾波和DCDC變換器構成開關穩(wěn)壓電源。整流電路是直流穩(wěn)壓電路電源的組成部分。整流電路輸出波形中含有較多的紋波成分，所以通常在整流電路后接濾波電路以濾去整流輸出電壓的紋波。直流/直流轉換電路，是整個開關穩(wěn)壓電源的核心部分。1.1.1 反激型電路工作原理反激型電路存在電流連續(xù)和電流斷續(xù)兩種工作模式，值得注意的是，反激型電路工作于電流連續(xù)模式時，其變壓器磁芯的

5、利用率會顯著下降，因此實際使用中，通常避免該電路工作于電流連續(xù)模式。其電路原理圖如圖1.1： 圖1.1 反激型電路原理圖工作過程：當S導通時，電源電流流過變壓器原邊，增加，其變化，而副邊由于二極管VD的作用，為0，變壓器磁心磁感應強度增加，變壓器儲能；當S關斷時，原邊電流迅速降為0，副邊電流在反激作用下迅速增大到最大值，然后開始線性減小，其變化為，此時原邊由于開關管的關斷，電流為0，變壓器磁心磁感應強度減小，變壓器放能。1.1.2 EMI濾波電路工作原理開關電源以其效率高、體積小、輸出穩(wěn)定性好的優(yōu)點 而迅速發(fā)展起來。但是，由于開關電源工作過程中的高 頻率、 di/ dt 和高 du/ dt 使

6、得電磁干擾問題非常突出， 如何減小產(chǎn)品的 EMI ，成為大家關心的重要問題。 開關電源工作時，電磁干擾可分為兩大類： 共模干 擾是載流體與大地之間的干擾，干擾大小和方向一致， 存在于電源任何一相對大地、或中線對大地間，主要是 由 du/ dt 產(chǎn)生的，di/ dt 也產(chǎn)生一定的共模干擾。差模 干擾是載流體之間的干擾，干擾大小相等，方向相反， 其存在于電源相線與中線及相線與相線之間。 本設計用到的電路如圖1.2所示:圖1.2 EMI濾波電路1.1.3 整流電路工作原理在整流濾波環(huán)節(jié)采取的是單相整流濾波電路，本電路常用于小功率的單相交流輸入的場合。目前大量普及的微機、電視機等家電產(chǎn)品中所采用的開關

7、電源中，其整流電路就是如圖1.3所示的單相不可控整流電路: 圖1.3 電容濾波的單相不可控整流電路1.1.4 緩沖電路工作原理緩沖電路又稱為吸收電路。其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓、du/dt或者過電流和di/dt，減小器件的開關損耗。1 在電力電子電路中，用于改進電力電子器件開通和關斷時刻所承受的電壓、電流波形。通常電力電子裝置中的電力電子器件都工作于開關狀態(tài)，器件的開通和關斷都不是瞬時完成的。器件剛剛開通時，器件的等效阻抗大，如果器件電流很快上升，就會造成很大的開通損耗；同樣器件接近完全關斷時，器件的電流還比較大，如果器件承受的電壓迅速上升，也會造成很大的關斷損耗。開關損耗會導致器件

8、的發(fā)熱甚至損壞，對于功率晶體管(GTR),還可能導致器件的二次擊穿。實際電力電子電路中，還常由于二極管、晶閘管等的反向恢復電流而增加電力電子器件的開通電流，由于感性負載或?qū)Ь€的分布電感等原因造成器件關斷時承受很高的感應電壓。采用緩沖電路可以改善電力電子器件的開關工作條件。緩沖電路的基本工作原理是利用電感電流不能突變的特性抑制器件的電流上升率，利用電容電壓不能突變的特性抑制器件的電壓上升率。圖示以GTO為例的一種簡單的緩沖電路。其中L與GTO串聯(lián),以抑制GTO導通時的電流上升率dI/dt,電容C和二極管D組成關斷吸收電路，抑制當GTO關斷時端電壓的上升率dV/dt，其中電阻R為電容C提供了放電通

9、路。緩沖電路有多種形式，以適用于不同的器件和不同的電路1.2 控制電路工作原理本設計采用UC3842芯片控制開關器件的開通與關斷。UC3842是美國Unitrod公司生產(chǎn)的采用峰值電流模式控制的集成PWM控制器，專門用于構成正激型和反激型等開關電源的控制電路。UC3842 為雙列 8 腳單端輸出的它激式開關電源驅(qū)動集成電路，其內(nèi)部電路包括振蕩器、誤差放大器、電流取樣比較器、PWM鎖存電路、5VC基準電源、欠壓鎖定電路、圖騰柱輸出電路、輸出電路等，如圖1.4所示:圖1.4 UC3842的內(nèi)部結構(1) 5 V 基準電源：內(nèi)部電源，經(jīng)衰減得到 2.5 V 作為 誤差比較器的比較基準。該電源還可以提

10、供外部 5V/50 mA。 (2) 振蕩器：產(chǎn)生方波振蕩。T 接在、 REF腳之間， R VCT 接、 GND之間。 頻率 f=1.8/(CTRT), 最大為 500 kHz。(3) 誤差放大器：由 VFB 端輸入的反饋電壓和 2.5 V 做比較，誤差電壓 COMP 用于調(diào)節(jié)脈沖寬度。COMP 端引 出接外部 RC 網(wǎng)絡，以改變增益和頻率特性。(4) 輸出電路：圖騰柱輸出結構，電路 1A，驅(qū)動 MOS 管及雙極型晶體管。(5) 電流取樣比較器：腳 ISENSE 用于檢測開關管電流， 可以用電阻或電流互感器采樣， VISENSE>1 V 時，當關閉輸出脈沖，使開關管關斷。這實際上是一個過流

11、保 護電路。開通閾值 16 V，關閉閾值 10 V， (6) 欠壓鎖定電路 VVLO：具有滯回特性。 (7) PWM 鎖存電路：保證每一個控制脈沖作用不超過一個脈沖周期，即所謂逐脈沖控制。另外，VCC 與GND之間的穩(wěn)壓管用于保護，防止器件損壞。 (8) 圖騰柱輸出電路(Totem Pole)：上晶體管導通下晶體管截止，輸出高電平；下晶體管導通上晶體管截止，輸出低電平；上下兩晶體管均截止，則輸出為高阻態(tài)。1.3 反饋電路工作原理電壓反饋電路圖1.5 電壓反饋電路原理圖電壓反饋電路如圖1.5所示。輸出電壓通過集成穩(wěn)壓器TL431和光電耦合器反饋到UC3842的腳，調(diào)節(jié)R1、 R2的分壓比可設定和

12、調(diào)節(jié)輸出電壓，達到較高的穩(wěn)壓精度。如果輸出電壓Uo升高，則集成穩(wěn)壓器TL431的陰極到陽極的電流增大，使光電耦合器輸出的三極管電流增大，即UC3842腳對地的分流變大，UC3842的輸出脈寬相應變窄，輸出電壓Uo減小。同樣, 如果輸出電壓U減小，則可通過反饋調(diào)節(jié)使之升高。第2章 變壓器的計算與選擇2.1 電源設計指標：輸入電壓：AC220 V（有效值）； 輸入電壓變動范圍：110V330 V； 輸入頻率：40kHz； 輸出電壓：5 V 12V ； 輸出電流：1.5A 0.1A輸出的紋波電壓為0.2V輸出電壓在30%的變化范圍時，輸出地電壓誤差為0.32.2變壓器參數(shù)的計算反激式變壓器是反激開關

13、電源的核心，它決定了反激變換器一系列的重要數(shù)。設計變壓器已知參數(shù)：輸入電壓為交流220V（有效值），電壓波動范圍是110V330 V。經(jīng)過整流電路后輸出電壓為： 兩路輸出電壓和電流： ，；，反饋電壓和電流:： 輸出功率如效率按90%計算則輸入公率開關頻率首先應根據(jù)以下公式計算變壓器的電壓比： （2-3）式中，是開關工作時允許承受的最高電壓，該電壓值應低于所選開關器件的耐壓值并留有一定裕量，是輸入直流電壓最大值，是變壓器電壓比。根據(jù)設計要求可知交流輸入電壓值是 220V，通過整流濾波輸出 的直流電壓值為311V。由于有波動，輸入的波動是±50%，所以，取2倍的，故取934。由于有兩路輸

14、出和一路反饋，所以變壓器變比如下：式中：5V的輸出，12V的輸出，20V的反饋原邊與輸出5V的匝數(shù)比。原邊與輸出12V的匝數(shù)比。原邊與反饋20V的匝數(shù)比。當輸出電流最大、輸入直流電壓為最小值時開關的占空比達到最大，假設這時反激型電路剛好處于電流連續(xù)的臨界工作模式，則根據(jù)下式可以計算出電路工作時的最大占空比為：取實際占空比為，計算的值，如下：一次側峰值電流：每一工作周期能量乘上工作頻率為輸出的功率P （2-2）設為不連續(xù)工作模式，在時間內(nèi)電流為0至，則 (2-3)因為 所以 (2-4)式 （3-2）與（3-3）之比為 設計中可取，化簡得 （2-5）帶入數(shù)值得：計算一次側電感值：選擇所需鐵芯時，使

15、用法： (2-6)式中磁芯窗口面積，單位為磁芯截面積，單位為磁芯工作磁感應強度，取 =0.2T窗口有效使用系數(shù)，根據(jù)安全規(guī)定的要求和輸出路數(shù)決定，一般為0.20.4，此處取0.3。電流密度，一般為則求得的的值為：選擇合適的磁芯，一般盡量選擇窗口長寬之比較大的磁芯，這樣磁芯的窗口有效使用系數(shù)較高，同時可以減小漏感，即確定選用TDK公司的EER-25型號。 EER-25的磁芯其具體數(shù)據(jù)為：型號EER-25EER-25磁芯的 符合要求按如下公式計算原邊匝數(shù)， 即取匝。再根據(jù)原、副邊的匝比關系可以求出副邊的匝數(shù)。若求出的匝數(shù)不是整數(shù)，這時應該調(diào)整某些參數(shù)，使原、 副邊的匝數(shù)合適。根據(jù)上述所求得的、求二

16、次側匝數(shù)，輸出為5V的二次側匝數(shù)，取5輸出為12V的二次側匝數(shù)，取10反饋為20V的二次側匝數(shù)，取16為了避免磁芯飽和，應該在磁回路中加入一個適當?shù)臍庀?，計算如下?.4線徑的計算繞線的選擇由設計方案可知在變壓器上有三部分繞組，輸入繞組電流 ，由=3.95A/mm2 可得繞線的截面積為第一路輸出繞組電流 ，第二路輸出繞組電流 ，第三路反饋繞組電流 ，考慮各方面影響因素，變壓器繞制工藝如下，采用“三明治”式繞法，即初級繞組先繞一半，再繞次級繞組，繞后再將初級繞組剩余的匝數(shù)繞完，最后將次級繞組包裹在里面，這樣漏感最小。該方法是通過變壓器繞制工藝設計，控制變壓器的漏感，進而減小MOSFET的漏源極電

17、壓尖峰。 其次，反激變壓器采用次級繞組反向繞制，有如下好處：1.操作工藝相對簡單2.同向繞制必須要加套管，而反向則不必3.同向進出會交叉，反向就不會第3章 電力電子器件選型3.1 開關器件MOSFET 開關電源中，電力電子器件是最為關鍵的元器件，電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)，以降低損耗，提高電源效率。其中開關管的選擇尤為重要，選擇的功率開關管是否符合，直接影響電源的性能。在選擇開關管時，要考慮的因素包括漏源擊穿電壓，漏源通態(tài)電阻等。電壓最高波動為50%，最高工作電壓為 取最高工作電壓的兩倍為為保證電路工作的可靠性留有一定的余量，因而取MOSFET的耐壓為 取日立公司生產(chǎn)的耐壓1500V的M

18、OSFET3.2 整流電路二極管由設計要求可知AC輸入值是220V通過整流濾波輸出311V的直流電壓。電壓波動50%，最高輸出電壓為467考慮10%余量取所以選取二極管型號為IN4005，其最高反向峰值電壓為600V3.3 變壓器5V 1.5A輸出側電路如下圖：圖3.1 輸出濾波電路（1） 計算輸出濾波電容： 由課設的要求輸出紋波電壓 0.2V，即輸出紋波電壓的峰峰值為0.2V，可根據(jù)輸出誤差估算出：為了更好的保證輸出地波形使紋波減小到最小，保證供電質(zhì)量，由圖3.1可知采用的是雙濾波環(huán)節(jié)，計算二次濾波電容：即選擇一個和 C4 一樣的電容。根據(jù)查詢得知選擇電解電容，選擇 KEMET 公司生產(chǎn)的電

19、容型號 T510X337MO10AS 330（2）計算輸出濾波電感 L1 參考導磁率與直流偏置曲線。在可能的直流偏置下所選的磁導率不能過低。這里選擇磁場強度為 400E 時，相對磁導率大于 60 的磁芯：取整則N=32匝（3）選擇二極管V輸出整流二極管耐壓為故選取IN4001型二極管同理由以上計算第二路輸出12V，100mA的電容電感值及二極管取整則N=478輸出整流二極管耐壓為選取MBR2035CT MOT型二極管3.4 UC3842外圍器件振蕩器的振蕩頻率由外接的電阻和電容決定，而外接電容同時還決定死區(qū)時間長短。死區(qū)時間、開關頻率同選取開關頻率和電容的關系如下所示：死區(qū)時間，開關頻率 ，求

20、得： 因而電容去標稱值，此時電阻應該為3.5 EMI濾波電路需要L的電感量與EMI濾波器的額定電流I有關。需要指出,當額定電流較大時,共模扼流圈的線徑也要相應增大,以便能承受較大的電流。此外,適當增加電感量,可改善低頻衰減特性。Ca采用薄膜電容器,容量范圍大致是0.01F0.47F,主要用來濾除差模干擾。Cb跨接在輸出端,并將電容器的中點接地,能有效地抑制共模干擾。Cb亦可并聯(lián)在輸入端,仍選用陶瓷電容,容量范圍是2200pF0.1F。為減小漏電流,電容量不得超過0.1F,并且電容器中點應與大地接通。C1C4的耐壓值均為630VDC或250VAC。因此，最后選取個元件參數(shù)如下：差模干擾抑制電容C

21、a選取共模干擾抑制電感T=20mH共模干擾抑制電容3.6 反饋電路1基準本設計基準電壓用的是德州公司的 TL431，其管腳極外形見圖所示，參數(shù)如下：a.最大輸入電壓為 37Vb.最大工作電流 150mAc.內(nèi)基準電壓為 2.5Vd.輸出電壓范圍為 2.530V 滿足電路要求R1、R2 都取 1.5k，在TL431的K極的到一個2.5 的基準電壓，輸出電 壓變化時，加在光耦合器上的電壓發(fā)生 變化，反饋到 UC3842 的電壓也發(fā)生變化，通過調(diào)節(jié)占空比便可調(diào)節(jié)輸出的變化。2.光耦合電流放大系數(shù)傳輸比（CTR）：通常用直流電流傳輸比來表示。當輸出電壓保持恒定時，它等于直流輸出電流 IC 與直流輸入電

22、流 IF 的百分比，有公式：CTR=IC/ IF×100%在此選用摩托羅拉系列光耦合器 4N25,A ， 其 CTR=20，直流輸入電流 IF=10mA，于是：第4章 基于ORCAD10.5的電路仿真及結果4.1 EMI的仿真電路及波形 圖4.1 基于ORCAD EMI仿真電路 圖4.2 基于ORCAD仿真無EMI濾波電路波形 圖4.3 基于ORCAD仿真有EMI濾波電路波形 4.2 整流電路的仿真及波形圖4. 4基于ORCAD仿真整流電路原理圖 圖4.5 基于ORCAD仿真整流電路波形EMI濾波整流電路原理圖圖4.6 基于ORCAD仿真原理圖圖4.7 基于ORCAD仿真波形4.3反

23、激式開關電源的仿真及波形圖4.8 基于ORCAD仿真反激式開關電源5V 12V輸出原理圖 圖4.9 基于ORCAD仿真5V（上）12V（下）側輸出電壓波形副邊輸出側輸出紋波和電壓誤差分析 圖4.10 基于ORCAD仿真5V（上）12V（下）側輸出電壓放大圖有圖可觀測到如下參數(shù)： 5V輸出側 紋波：5.0292-4.9681=0.0611 V <0.02 V ，滿足紋波要求。平均電壓：(5.0292+4.9681)/2=4.99865 , 而電壓誤差為5 - 4.99865=0.00135 V，滿足電壓誤差要求。 4.4 UC3842的仿真及波形圖4.11 基于ORCAD仿真UC3842原

24、理圖 圖4.12基于ORCAD仿真UC3842輸出波形4.5 反饋電路的仿真及波形圖4.13 基于ORCAD仿真反饋電路原理 圖4.14 基于ORCAD仿真波形第5章 總結為期兩周的課程設計悄然結束了，在這次的課程設計中不僅檢驗了我所學習的知識，也培養(yǎng)了我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。在設計過程中，與同學分工設計，和同學們相互探討，相互學習，相互監(jiān)督。兩個星期前我們?nèi)齻€人還在為如何使用軟件而發(fā)愁, 最后還是在許老師的耐心分析和指導下完成了軟件的學習,但是隨之而來的問題卻遠比我們想想的要困難的多，沒想到這項看起來不需要多少技術的工作卻是非常需要耐心和精力在兩個星期后的今天我已明白課程設計對我來說的意義。它不僅僅是讓我們把所學的理論知識與實踐相結合起來，提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力,更重要的是同學間的團結。作