電力電子課程實(shí)習(xí)報(bào)告

1、電力電子課程實(shí)習(xí)報(bào)告班級(jí)： 電氣x-x班 學(xué)號(hào)： xxxxxxxxx 姓名： xxxxx 1、 實(shí)習(xí)目的（1） 熟悉Power MosFET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應(yīng)用；（3） 增強(qiáng)設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試電力電子電路的能力。2、 實(shí)習(xí)內(nèi)容 設(shè)計(jì)一個(gè)170/12V（1A）的開關(guān)電源，要求畫出必要的設(shè)計(jì)電路圖，進(jìn)行必要的電路參數(shù)計(jì)算。小組成員一起完成電路的焊接任務(wù)。三、設(shè)計(jì)原理和相關(guān)計(jì)算 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。電源可以分為線性電源和開關(guān)電源兩大類。線性電源是把直流

2、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性模式，用線性器件控制其“阻值”的大小，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出，電路簡單，但效率低。通常用于低于10W的電路中。通常使用的7805、7815等就屬于線性電源。開關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(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?。?，所以開關(guān)電源具有能耗小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬、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開關(guān)電源中的一種，是一種應(yīng)用非常

3、廣泛的開關(guān)電源。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)變壓器和其他元件均為理想元器件，穩(wěn)態(tài)工作下。圖1 反激變換器的原理圖電路工作過程如下：當(dāng)M1導(dǎo)通時(shí)，它在變壓器初級(jí)電感線圈中存儲(chǔ)能量，與變壓器次級(jí)相連的二極管VD處于反偏壓狀態(tài)，所以二極管VD截止，在變壓器次級(jí)無電流流過，即沒有能量傳遞給負(fù)載；當(dāng)M1截止時(shí)，變壓器次級(jí)電感線圈中的電壓極性反轉(zhuǎn)，使VD導(dǎo)通，給輸出電容C充電，同時(shí)負(fù)載R上也有電流I流過。M1導(dǎo)通與截止的等效拓?fù)淙鐖D2所示。 （A）（B） 圖2 反激變換器的兩種工作狀態(tài)反激變換器的工作過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

4、中分別起到勵(lì)磁電流的作用。如果在下一次M導(dǎo)通之前，副邊已經(jīng)將磁路的儲(chǔ)能放光，即副邊電流為零，則稱變壓器運(yùn)行于斷續(xù)電流模式（DCM），反之，則在副邊還沒有將磁路的儲(chǔ)能放光，即在副邊電流沒有變?yōu)榱阒?，Q又導(dǎo)通，則稱變壓器運(yùn)行于連續(xù)電流模式（CCM）。通常反激變換器多設(shè)計(jì)為斷續(xù)電流模式（DCM）下。當(dāng)變換器工作在CCM下時(shí)，輸出與輸入電壓、電流之間的關(guān)系如下：=， =， 其中=, =。當(dāng)變換器工作在DCM下時(shí)，上述關(guān)系仍然成立，只不過此時(shí)的增益變?yōu)椋?,=<可以看出，改變開關(guān)器件Q的占空比和變壓器的匝數(shù)比就可以改變輸出電壓。3、 反激變換器的吸收電路:由于在實(shí)際中反激變換器存在各種寄生參數(shù)，

5、如變壓器的漏感，開關(guān)管的源漏極電容。在這種情況下，反激變換器是不能可靠工作的。所以為了讓磁通可靠復(fù)位，加了RC吸收電路。其圖如下所示：（a）（b）圖3 吸收電路4、 反激變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)反激式變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。由圖中可以看出，一個(gè)AC輸入DC輸出的反激式變換器主要由如下五個(gè)部分組成：輸入電路、變壓器、控制電路、輸出電路和吸收電路。輸入電路主要包括整流和濾波，將輸入的正弦交流電壓變成直流，而輸出電路也是整流和濾波，是將變壓器副邊輸出的方波電壓單向輸出，且減少輸出電壓的紋波。所以，反激變換器的關(guān)鍵在于變壓器和控制電路的設(shè)計(jì)。這也是本次課程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。圖4 反激變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5、

6、反激變換器的變壓器的設(shè)計(jì)思路在本次實(shí)習(xí)中提供的變壓器的鐵芯是EE28鐵氧體鐵芯，其在25攝氏度的磁導(dǎo)率為，鐵芯的初始磁導(dǎo)率為。變壓器選擇的相關(guān)參數(shù)包括：原副邊匝數(shù)比、原邊匝數(shù)、副邊匝數(shù)和氣隙，本次試驗(yàn)中用到的變壓器的繞組的漆包線已經(jīng)給定，無需選擇。（1）根據(jù)輸入的最高直流電壓和開關(guān)管Q的耐壓確定原副邊匝數(shù)比：=1.4170=238V ,=600V ,=80% 。=11.7，這就求出了匝數(shù)比的上限值，匝比只能比這個(gè)小， 取= 10.在此基礎(chǔ)上求出最大占空比，即最大導(dǎo)通時(shí)間，為了保證電路工作于DCM模式，磁路儲(chǔ)能和放電的總時(shí)間應(yīng)控制在0.8T以內(nèi)，所以：=0.2833， 取D=0.28 。（2）

7、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，則原邊匝數(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，正真的原邊匝數(shù)必須比這個(gè)值大，才可能讓磁路不飽和。通常取2倍的上述值，取。根據(jù)上面兩步的結(jié)果，很容易求出副邊匝數(shù)。（3） 氣隙長度的計(jì)算：原邊的峰值電流為求出氣隙長度為：=0.1mm。圖5 功率變壓器磁路示意圖6、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）振蕩器：振蕩器的頻率有定時(shí)元件，決定，我們小組的頻率選為80KHZ。（2）電壓誤差放大器：在本次實(shí)習(xí)中在輸入與輸出的隔離開關(guān)電源中，為了減小誤差，通常采用外置電壓環(huán)，即將U3845的內(nèi)部誤差放大器旁路掉。（3）電流比較器:電流比較器的門檻值有

8、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)，電流的門檻值就增大，使輸出到負(fù)載的能量增加，反之也一樣。整個(gè)控制部分的原理圖如下所示：圖6 UC3845控制原理示意圖幾個(gè)重要器件的介紹:(1) UC3845UC3845芯片為SO8或SO14管腳塑料表貼元件。專為低壓應(yīng)用設(shè)計(jì)。其欠壓鎖定門限為8.5v（通），7.6V（斷）；電流模式工作達(dá)500千赫輸出開關(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)間從50%70%可調(diào)；自動(dòng)前饋補(bǔ)償；鎖存脈寬調(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1所示

9、。圖7 UC3845芯片管腳圖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。通過一個(gè)電阻接Vref通過一個(gè)電阻接地。5腳：接地。6腳：圖騰柱式PWM輸出，驅(qū)動(dòng)能力為土1A.7腳：正電源腳。8腳：V ref，5V基準(zhǔn)電壓，輸出電流可達(dá)50mA.（2）TL431 TL431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）、陽極（ANOD

10、E）、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)，所以可以用來制作多種穩(wěn)壓器件。其具體功能可用圖4.14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，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過三極管，電流將從1到100mA變化。圖8 TL431的功能模塊示意圖在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，一般輸出經(jīng)過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，用來調(diào)整一個(gè)電流模式的PWM控

11、制器的開關(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4.15所示，其中腳1為陽極，腳2為陰極，腳3為發(fā)射極，腳4為集電極。在開關(guān)電源中，當(dāng)電流流過光二極管時(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的工作。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。 圖4.15 PC817內(nèi)部框圖7、 UC3845的主要外圍電路設(shè)計(jì)（1） 供電,取。(2) 電流檢測(cè)接在功率MOSFET源極上的電流檢測(cè)電阻大概值為：，取。（3） 電壓反饋控制,要求流過二極管的最大電流為：,所以，,取。 取。 取 取4、 調(diào)試

12、過程遇到的問題與解決辦法1. 外加直流電源縮小排查范圍。我們小組按照理論計(jì)算選擇好器件后，便開始了焊接任務(wù)，經(jīng)過布局和細(xì)致的焊接后就開始了第一次上電試驗(yàn)，但是沒有輸出，而且穩(wěn)壓管兩端電壓只能達(dá)到6v左右，由此可知uc3845不能正常工作，自然也沒有輸出。于是我們想到自己可以外加一個(gè)9v左右的直流電源使uc3845工作起來，進(jìn)而觀察輸出情況。按照這個(gè)思路進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)外加電源后有輸出且滿足空載要求12v。這個(gè)結(jié)論說明我們焊接的電路問題出在了供電回路，而其它部分可以正常工作，于是問題變成了如何提高穩(wěn)壓管兩端電壓使uc3845工作起來。2. 仔細(xì)檢查供電回路，發(fā)現(xiàn)問題根本。當(dāng)任務(wù)轉(zhuǎn)變到找出供電回路問

13、題后，我們便開始了查找錯(cuò)誤的路程。首先我們逐一檢查供電回路別的各個(gè)器件，發(fā)現(xiàn)沒有器件損壞情況；接著開始檢查電路焊接情況，開始并沒有檢查出錯(cuò)誤，于是郁悶了，請(qǐng)教同學(xué)也得不出有效結(jié)論。最后我們又硬著頭皮檢查了好幾遍電路，于是發(fā)現(xiàn)問題了，供電回路沒有有效接地，導(dǎo)致穩(wěn)壓管兩端電壓達(dá)不到8.5v。于是我們改正了這個(gè)隱蔽的錯(cuò)誤，上電后發(fā)現(xiàn)有符合要求的空載輸出電壓。3. 粗心導(dǎo)致電路部分器件燒毀，仔細(xì)檢查并更換。在上電后，在測(cè)量相關(guān)物理量時(shí)，不小心將開關(guān)管腳短接，于是看到火光閃過，就沒有輸出了。于是我們又開始逐一檢查可能損壞的器件，發(fā)現(xiàn)開關(guān)管以及與開關(guān)管相連的驅(qū)動(dòng)電阻、二極管燒毀了，更換后上電試驗(yàn)一切恢復(fù)正

14、常。4. 帶負(fù)載試驗(yàn)時(shí)穩(wěn)壓管電壓上升厲害。開始帶負(fù)載后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)負(fù)載開始增加時(shí)，穩(wěn)壓管兩端電壓從12.7上升至14.4左右，時(shí)間過長時(shí)，導(dǎo)致穩(wěn)壓管損毀。根據(jù)其他同學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，我們拆下了變壓器，把輔助繞組匝數(shù)減少1，重新完成后試驗(yàn)，問題的到很好的解決。 以上就是我們小組遇到的全部問題，可能運(yùn)氣比較好，沒有遇到很多其他同學(xué)遇到的更加難的問題，比如帶負(fù)載輸出電壓下降厲害等等。5、 總結(jié)為期兩周的課程設(shè)計(jì)很快就結(jié)束了，自己感覺收獲很多。1. 基本功得到檢驗(yàn)并加強(qiáng)了。課程設(shè)計(jì)涉及很多電力電子，電路，模擬電子的基本知識(shí)，在課程設(shè)計(jì)過程中，所涉及的基本知識(shí)得到了加強(qiáng)。例如，功率電源電路中的不控整流環(huán)節(jié)是電力電子的基本知識(shí)，例uc3845 模擬器件的工作原理就是模擬電路的知識(shí)。此外，對(duì)一些常用的基本器件也有了更好的認(rèn)識(shí)，例如，如何通過色環(huán)看電阻阻值，如何看電容正負(fù)極性，示波器的使用，萬用表的使用，如何判斷器件