電力電子技術課程設計48V2.5A電動車充電器設計

遼寧工業(yè)大學電力電子技術課程設計（論文）題目：電動車充電器設計院（系）：新能源學院專業(yè)班級：學號：學生姓名：指導教師：起止時間：2015-12-29至2016-1-9學號學生姓名專業(yè)班級課程設計（論文）題目電動車充電器設計課程設計（論文）任務課題完成的設計任務及功能、要求、技術參數(shù)實現(xiàn)功能電動自行車以其價格低、綠色環(huán)保，使用安全方便等優(yōu)點越來越受到消費者的喜愛。目前國內(nèi)市場上的電動自行車大多采用48Ｖ或36Ｖ密封鉛酸蓄電池組，為了降低成本，要求充電器采用簡化的恒流恒壓模式，以滿足一般電動車48V蓄電池充電的要求。設計任務1、方案的經(jīng)濟技術論證。2、工頻整流電路設計。3、高頻逆變電路設計。4、高頻整流電路設計；5、參數(shù)計算；6、選擇器件的具體型號。7、繪制相關電路圖。8、進行matlab仿真。9、完成設計說明書。要求1、文字在4000字左右。2、文中的理論分析與計算要正確。3、文中的圖表工整、規(guī)范。4、元器件的選擇符合要求。技術參數(shù)1、輸入電源電壓為175～266V(50Hz～。2、輸出電壓：59V±。輸出電流A。若被充電池容量為20Ah，則充電時間約為9小時．充電效率約為。3、可采用分立器件或集成芯片。進度計劃第1天：集中學習；第2天：收集資料；第3天：方案論證；第4天：主電路設計；第5~6天：參數(shù)計算；第7~8天：器件選擇；第9天：總結并撰寫說明書；第10天：答辯指導教師評語及成績平時：論文質(zhì)量：答辯：總成績：指導教師簽字：年月日課程設計（論文）任務及評語院（系）：新能源學院教研室：電氣注：成績：平時20%論文質(zhì)量60%答辯20%以百分制計算

摘要電動自行車逐漸普及，充電成為日常生活必不可少的項目。如何能夠快速效率的充電，是一項很有前景的研究?，F(xiàn)在市場上的充電器可有兩種：一種是UC3842核心驅(qū)動的單管變換器，UC3842驅(qū)動的單管正激式功率管，小功率輸出。另一種是TL494核心驅(qū)動的半橋型變換器，TL494驅(qū)動的是半橋式連接的功率管，對于大功率輸出。本次設計采用UC3842芯片設計了一款反激式48Ｖ電動車充電器。該充電器基于電流模式的開關電源的原理設計，各部電路如下：主電路為單端反激式設計，控制電路以集成控制器UC3842為核心，以及控制芯片LM324和TL431實現(xiàn)對蓄電池的充電控制。設計內(nèi)容簡介了相關芯片，繪制了相關的設計電路，并分析了其設計及其工作原理，主要內(nèi)容電路：主電路、工頻整流電路、高頻逆變、變壓器、高頻整流電路以及顯示部分的工作原理。經(jīng)實驗驗證，充電器性能優(yōu)良，但略有小瑕疵。關鍵詞：PWM；電動車充電器；反饋；UC3842目錄TOC\o"1-3"\f\h\z第1章緒論 1電力電子技術概況 1本文設計內(nèi)容 2第2章電動車充電器電路設計 3電動車充電器總體設計方案 3具體電路設計 4主電路分析與設計 4工頻整流電路設計 6高頻逆變電路設計 7單端反激電路設計 8保護電路設計 9元器件型號選擇 10UC3842參數(shù)介紹 10各電子元件參數(shù)計算： 11系統(tǒng)仿真 12電動車充電器仿真模型建立 12電動車充電器仿真波形及數(shù)據(jù)分析 13第3章課程設計總結 14參考文獻 16第1章緒論電力電子技術概況日常我們所說的電力電子技術，具體來說就是使用利用電力電子器件實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模電能變換的技術，有時也稱為功率電子技術。一般情況下，它是將一種形式的工業(yè)電能轉(zhuǎn)換成另一種形式的工業(yè)電能。電力電子器件有如SCR，晶體管，IGBT等。例如，將交流電能變換成直流電能或?qū)⒅绷麟娔茏儞Q成交流電能；將工頻電源變換為設備所需頻率的電源；在正常交流電源中斷時，用逆變器（見電力變流器）將蓄電池的直流電能變換成工頻交流電能。應用電力電子技術還能實現(xiàn)非電能與電能之間的轉(zhuǎn)換。從公用電網(wǎng)直接得到的電力是交流，從蓄電池和干電池得到的電力是直流。電力電子電路吸收了電子學的理論基礎，根據(jù)器件的特點和電能轉(zhuǎn)換的要求，又開發(fā)出許多電能轉(zhuǎn)換電路。這些電路中還包括各種控制、觸發(fā)、保護、顯示、信息處理、繼電接觸等二次回路及外圍電路。利用這些電路，根據(jù)應用對象的不同，組成了各種用途的整機，稱為電力電子裝置。這些裝置常與負載、配套設備等組成一個系統(tǒng)。電子學、電工學、自動控制、信號檢測處理等技術常在這些裝置及其系統(tǒng)中大量應用。電動車充電器是為電瓶充電而設計的設備。其需要變壓器、開關電源以及各個電路。開關電源有兩種工作方式：正激式和反激式。由于電路里需要多路不同電壓供電，因此需要設計電源裝置來提供所需的電功，為了滿足要求電源裝置能達到待需值，提供固定的電流。開關電源成為電子設備供電的主要電源。在所需的變壓器方面大致可分為用有工、無工頻變壓器。本文設計內(nèi)容電動車充電器設計，利用目前國內(nèi)市場上已有的充電器電路和參數(shù)，對其進行進一步的改進和完善。通過簡化一些電路模式，采用48V密封鉛酸蓄電池組，為了降低成本，以滿足一般電動車48V蓄電池充電的要求。本文主要設計電路為由開關電源作主電路，以UC3842為核心，以及控制芯片LM324和TL431實現(xiàn)對蓄電池的充電控制。各部電路包括工頻整流電路設計，高頻逆變電路設計，高頻整流電路設計以及參數(shù)計算和選擇器件的具體型號并繪制相關電路圖，以完成設計任務。電動車充電器總體設計方案AC/DC的開關電源將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，其能量變換過程如圖2.1所示。工頻整流電路高頻逆變高頻變壓器市電交流 工頻直流 高頻交流工頻整流電路高頻逆變高頻變壓器負載濾波器高頻整流負載濾波器高頻整流直流 脈動直流 高頻交流圖2.1開關電源的能量變換過程整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動性直流電，這就是交流電的整流過程，整流電路主要由整流二極管組成。整流電路普遍采用二極管構成的橋式電路，直流側采用大電容濾波，該電路結構簡單，因此開關電源采用有源的功率因數(shù)校正電路。高頻逆變通過高頻DC/AC變換技術，將低壓直流電逆變?yōu)楦哳l低壓交流電，然后經(jīng)過高頻變壓器升壓后，再經(jīng)過高頻整流濾波電路整流成通常均在300V以上的高壓直流電，最后通過工頻逆變電路得到220V工頻交流電供負載使用。具體電路采用的是帶隔離的直流-直流變流電路。針對不同的功率等級和輸入電壓可以選取不同的電路。2.2具體電路設計主電路部分如圖2.2所示，圖2.2主體部分電路設計單端是指變壓器僅有單一方向的磁通，反激是指開關管導通時變壓器原邊僅作為電感儲存能量，能量是在開關管斷開時傳遞負載的。單端反激式是輸入與輸出隔離的DC/DC變換器中的一種。輸入的直流電壓Ui經(jīng)二極管橋式整流加電容濾波得到。主電路主要由高頻變壓器T1，功率開關管Q1，高頻整流二極管D1、D2、D3，C6、C5、C3濾波電容組成。開關管Q1為型號為P7NA60的場效應管，變壓器有三個副邊L2、L3及L4，對應著三路輸出，這里均把其看作主電路的部分，L2這路輸出為主輸出，給蓄電池充電，L4這路輸出主要給UC3842及光耦供電，L3這路給后面狀態(tài)指示電路部分供電及作為其相應的輸入。二極管D4為普通整流二極管，有利于對蓄電池充電；R15主要是為了避免單端反激式工作在空載狀態(tài)。因為副邊L3和L2匝數(shù)成比例，兩路輸出電壓成比例，故L3這路可做為反饋信號。控制部分以UC3842為核心構成。剛要啟動時變壓器次級線圈無電壓輸出，故Ui經(jīng)R4分壓后加在7腳給芯片供電，次級繞組L4的輸出經(jīng)D2整流和C3濾波后加在7腳給芯片供電。正常工作時由L4的這一路供電；電阻R2跨接在基準電壓端8腳和定時端4腳，電容C7接4腳和地，光耦PC817輸出經(jīng)Ｒ18送至2腳，為電壓反饋信號，2腳為芯片內(nèi)部誤差放大器的反向輸入端；芯片1腳和2腳之間連接的R5和C2起到改善誤差放大器性能的增益和頻率特性的作用；變壓器原邊L1，開關管Q1，R3和R17中的電流相同，故R17為電流取樣電阻，其接至電流檢測比較器的輸入端3腳；內(nèi)部誤差放大器的反向輸入端2腳為電壓反饋信號，誤差放大器同向輸入端在芯片得到的基準電壓信號，經(jīng)誤差放大器后得誤差放大信號，而誤差放大信號送到芯片內(nèi)部電流檢測比較器的輸入端，電流檢測比較器的另一輸入端就是3腳，3腳接電流反饋信號，這就構成了雙閉環(huán)系統(tǒng)，電流反饋是內(nèi)環(huán)。PWM信號輸出端6腳有較強的驅(qū)動能力，在這里經(jīng)R6直接驅(qū)動開關管Q1。輸出電壓UO經(jīng)R13、R12和R14分壓后加至TL431的1腳，UO有波動時TL431的1腳的輸入也會相應變化，與TL431中的2.50V帶隙基準電壓進行比較后在陰極上會形成誤差電壓，使光耦中LED的電流也發(fā)生相應變化，再通過光耦使UC3842的2腳上得到的電壓反饋信號發(fā)生相應的變化，從而改變UC3842的6腳上輸出的PWM的占空比，控制輸出達到要求。負載為蓄電池，剛開始充電時蓄電池電壓較低，通過反饋必然會增加DC/DC變換器的輸出，變換器輸出增加時，L3這一路輸出也增加，經(jīng)R16和Ｄ5加在TL431的1腳的電壓也增加，從而限制變換器輸出的增加，也就限制了最大充電電流。從而使充電電流較大，為了限制該電流，增加了R16和Ｄ5這一路反饋信號。狀態(tài)指示部分電路，以LM324為核心構成。狀態(tài)指示電路的主要作用是顯示電源是否接通，充電是否結束。充電器接上交流電源后，C點上就有電壓，一方面加在4腳給LM324供電，另一方面通過R21讓電源指示LED燈D1亮。D3和D4為一雙色

LED指示燈。剛開始充電時，經(jīng)R22和R23分壓后輸入給5腳的電壓大于其6腳得到的電壓，7腳輸出高電位，經(jīng)R29使D3紅燈亮，同時經(jīng)R27送至2腳使2腳電壓高于3腳得到的電壓，1腳輸出低電位，綠燈D4不亮；充好電時蓄電池上電壓相對較高，5腳的電壓大于其6腳電壓，7腳輸出低電平，紅燈D3不亮，同時綠燈D4亮。工頻就是220V，50HZ交流電源，整流電路就是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。整流電路普遍采用二極管構成的橋式電路，直流側采用大電容濾波。橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種電路，只要增加兩只二極管口連接成“橋”式結構，便具有全波整流電路的優(yōu)點。圖2.3橋式整流電路橋式整流電路的工作原理如下：E2

為正半周時，對D1

、D3

和方向電壓，Dl，D3

導通；對D2

、D4

加反向電壓，D2

、D4

截止。電路中構成E2

、Dl、Rfz

、D3

通電回路，在Rfz

，上形成上正下負的半波整流電壓，E2

為負半周時，對D2

、D4

加正向電壓，D2

、D4

導通；對D1

、D3

加反向電壓，D1

、D3

截止。電路中構成E2

、D2

Rfz

、D4

通電回路，同樣在Rfz

上形成上正下負的另外半波整流電路。高頻逆變器通過高頻DC/AC變換技術，將低壓直流電逆變?yōu)楦哳l低壓交流電，然后經(jīng)過高頻變壓器升壓后，再經(jīng)過高頻整流濾波電路整流成通常均在300V以上的高壓直流電，最后通過工頻逆變電路得到220V工頻交流電供負載使用。高頻逆變的優(yōu)缺點：高頻逆變采用的是體積小，重量輕的高頻磁芯材料，從而大大提高了電路的功率密度，使得逆變電源的空載損耗很小，逆變效率得到了提高。通常高頻逆變峰值轉(zhuǎn)換效率達到90%以上。但是其也有顯著缺點，高頻逆變不能接滿負荷的感性負載，并且過載能力差。圖2.4高頻逆變電路從圖中可以看出，每個橋臂由一個可控器件和一個并聯(lián)二極管組成。在直流側接有兩個互相串聯(lián)的足夠大的電容，兩個電容的連接點便成為直流電源的中點。負載連接在直流電源中點和兩個橋臂之間。直流變直流是開關電源的核心部分，具體電路是采用帶隔離的直流-直流變換電路單端反激電路。圖2.5反激電路原理圖本設計主要采用主電路是單端反激式直流-直流變流電路進行設計的。同正激電路不同，反激電路中的變壓器起著儲能元件的作用，可看做是一對相互耦合的電感。開關S開通后，VD處于斷態(tài)，繞組W1的電流線性增長，電感儲能增加；S關斷繞組W1的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過繞組W2和VD向輸出端釋放。反激電路可以工作在電流斷續(xù)和電流連續(xù)兩種模式：如果當S開通時，繞組W2中的電流尚未下降到零，則稱電路工作于電流連續(xù)模式。如果S開通前，繞組W2中的電流已經(jīng)下降到零，則稱電路工作于電流斷續(xù)模式。當工作于電流連續(xù)模式時：（2-1）當工作于電流斷續(xù)模式時，輸出電壓高于上式的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下，U0趨近于無窮，這將損壞電路中的元器件，因此反激電路不應工作于負載開路狀態(tài)。設計過流保護：開關管過流信號取自電阻R3、R4。一旦開關管過流，UC3842的3腳電壓超過1V，內(nèi)部電路就會關閉輸出，實現(xiàn)過流保護。增大取樣電阻，就是降低了起控電流的動作點，電源輸出功率也相應減小。過壓保護：電源輸出端的LM324四個電壓比較器反相端電位均固定在+5V。當輸出端電壓較低時，即充電初始階段，低壓燈LOW亮，高壓燈HI滅；當電池將充滿電時，電池電壓升高，低壓燈滅，高壓燈HI亮。斷開將取樣電阻接入，使輸出電流下降，進入浮充電階段。構成穩(wěn)壓電源，為繼電器提供電源。圖2.6過流保護電路原理圖圖2.7過壓保護電路原理圖2.3.1UC3842參數(shù)介紹UC3842是高性能電流型PWM集成控制器，電流型控制方式是種固定時間開啟，給定電壓信號、反饋電壓信號和反饋電流信號共同決定其關斷時刻的控制方法。該芯片常見的封裝形式有DIP-8和SO-14，有效引腳為8個，SO-14有部分引腳是空腳，，由欠壓封鎖電路、振蕩器、誤差放大器、電流取樣比較器、PWM鎖存器、輸出電路和基準電壓電路等組成，其參數(shù)計算為：（2-2）表2.1UC3842參數(shù)參數(shù)名稱符號數(shù)值單位電源電壓Vcc30V輸出電流Io1A誤差放大器電流Is10Ma放大器輸入電壓VinV功耗P1W圖2.8UC3842結構2.3.2各電子元件參數(shù)計算：本次設計所用元器件包括普通電容，電解電容，電阻。UC3842的7引腳出所加電壓+5V，根據(jù)所需電流要小于2.5mA要求，需加電阻構成取樣電阻，其阻值為：（2-3）（2-4） （2-5）1腳所接電解電容要儲存接通狀態(tài)時的電能，其值為：（2-6）QUOTE（2-7）根據(jù)基爾霍夫電流定律KCL節(jié)點的電流之和為0，可得：（2-8）因其在具體電路中處于開關狀態(tài)，電壓與電流因不同的負載及回路架構（如驅(qū)動方式）表現(xiàn)出來的波形的形狀各有不同，并且其功率損耗形式多樣，包括開關（導通、截止瞬間）損耗、導通時內(nèi)阻損耗等；這樣就不能簡單用電壓與電流乘積來計算它的功率損耗。開通損耗=（2-9）（2-10）②開關（導通、截止瞬間）損耗（2-11）（2-12）③合并上述各積分項得（其中為單位時間所消耗的能量）（2-13）因此選用額定正向電流1900μA，反復重復峰值1600-3400V，中頻特性的KPX1900晶閘管。電動車充電器仿真模型建立圖2.9MULTISIM仿真主電路圖MULTISIM是InteractiveImageTechnologies(ElectronicsWorkbench）公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。采用MULTISIM仿真軟件仿真設計，經(jīng)搭接連接電路后，開始運行從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試。電動車充電器仿真波形及數(shù)據(jù)分析圖2.10單端反激仿真圖圖2.11開關電源仿真圖從仿真波形圖來看，整流、逆變以及開關電源環(huán)節(jié)均正常工作，有正常的波形。第3章課程設計總結這次的課程設計中運用了大量的電力電子技術的知識。目前所用的電力電子器件均由半導體制成，故也稱電力半導體器件。整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動性直流電，這就是交流電的整流過程，整流電路主要由整流二極管組成。經(jīng)過整流電路之后的電壓已經(jīng)不是交流電壓，而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓。習慣上稱單向脈動性直流電壓。橋式整流是由多只整流二極管作橋式連接，外用絕緣塑料封裝而成，大功率橋式整流器在絕緣層外添加金屬殼包封，增強散熱。橋式整流器品種多，性能優(yōu)良，整流效率高，穩(wěn)定性好，最大整流電流從0.5A到50A，最高反向峰值電壓從50V到1000V。在整個開關電源的電路中高頻逆變-變壓器-高頻整流電路是最主要的部分，高頻逆變通過高頻DC/AC變換技術，將低壓直流電逆變?yōu)楦哳l低壓交流電，然后經(jīng)過高頻變壓器升壓后，再經(jīng)過高頻整流濾波電路整流成通常均在300V以上的高壓直流電，最后通過工頻逆變電路得到220V工頻交流電供負載使用。高頻逆變的優(yōu)缺點：高頻逆變采用的是體積小，重量輕的高頻磁芯材料，從而大大提高了電路的功率密度，使得逆變電源的空載損耗很小，逆變效率得到了提高。通常高頻逆變器峰值轉(zhuǎn)換效率達到90%以上。但是其也有顯著缺點，高頻逆變器不能接滿負荷的感性負載，并且過載能力差。隔離變壓器是利用電磁感應原理,對配電或信號進行電氣隔離的裝置。隔離變壓器在逆變器中通常被設計在逆變器的輸出端,可以起到增加逆變器性能改善負載端供電質(zhì)量的作用。開關電源的體積和重量也不斷減小，提高開關頻率并保持較高的效率是主要的途徑。一個開關電源經(jīng)常需要同時提供多組供電，這可以采用給高頻變壓器設計多個二次繞組的方法來實現(xiàn)，每個繞組分別連接到各自的整流和濾波電路，就可以得到不同電壓的多組輸出，而且這些不不同的輸出之間是相互隔離的。很多開關電源的輸入為直流，來自電池或者另一個開關電源的輸出，這樣的開關電源被稱為直流-直流變換器。直流-直流變換器分為隔離型和非隔離型兩類，隔離型多采用反激、正激、半橋等隔離型