車用永磁發(fā)電機(jī)電子穩(wěn)壓器（驅(qū)動和保護(hù)電路設(shè)計(jì)

1、 2008 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目： 車用永磁發(fā)電機(jī)電子穩(wěn)壓器（驅(qū)動和保護(hù)電路設(shè)計(jì)） 分 院： 電子信息分院 專業(yè)班級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 摘 要本設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)的硬件電路，經(jīng)過多次的測試，選取好的方案，最終設(shè)計(jì)出適合汽車永磁發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓的系統(tǒng)的電路。本設(shè)計(jì)主要采用的電源芯片是電壓控制型脈寬調(diào)制SG3525，詳細(xì)介紹SG3525的特點(diǎn)和原理將，并對其構(gòu)成的電壓控制型脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)。SG3525具有精度可以達(dá)到（5.11）V，采用了溫度補(bǔ)償，而且設(shè)有過流保護(hù)電路，同時(shí)應(yīng)用電流控制型脈寬調(diào)制UC3842設(shè)計(jì)一個(gè)小功率的電源提供給SG3

2、525工作的電源。功率管采用25N500V，具有開關(guān)速度快，工作電流大，耐壓高等優(yōu)點(diǎn)，續(xù)流二極管采用MUR1520,同樣具有速度快，電流大，耐壓高等優(yōu)點(diǎn)。主要電路結(jié)構(gòu)主要采用降壓斬波變換電路來實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。關(guān)鍵字：永磁發(fā)電機(jī)；SG3525；變壓器AbstractAccording to the design of the design requirements, design the hardware circuit, after many tests, select a good programme, the final design of a permanent magnet mot

3、or vehicles for the generator system regulator circuit. The design of the main chip is used in power voltage-controlled PWM SG3525, detail the characteristics and principles of SG3525 will, and the composition of the voltage-controlled PWM switching power supply for the analysis and experimental. SG

4、3525 with precision can be achieved (5.1 1%) V, using a temperature compensation, but with overcurrent protection circuits, application-PWM current control UC3842 design of a small power supply available to the work of the SG3525 power. Power of a 25 N500V, a switching speed, the current work, the a

5、dvantages of high pressure, the continued flow diodes used MUR1520, with the same speed, current, high pressure advantages. The main circuit used mainly buck chopper transform the output voltage circuit to achieve stability.Keyword: permanent magnet generators; SG3525; Transformer目 錄第1章 緒論11.1 概述11.

6、2 研究動機(jī)11.3 主要工作2第2章 主要元器件介紹42.1 SG3525的簡介42.1.1 特點(diǎn)42.1.2 工作原理52.2 大功率續(xù)流二極管62.3 MOSFET管簡介62.3.1 MOSFET特點(diǎn)62.3.2 MOSFET的控制方法62.3.3 MOSFET的選擇7第3章 變壓器的繞制83.1變壓器磁芯的選擇與工作點(diǎn)的確定83.1.1 磁芯材料的選擇83.1.2工作點(diǎn)的確定83.2 變壓器主要參數(shù)的計(jì)算93.2.1 確定變壓器的變比103.2.2 計(jì)算初級線圈中的電流103.2.3計(jì)算初級繞組圈數(shù)N1113.2.4 計(jì)算次級繞組圈數(shù)N2123.2.5 反饋繞組N3的估算123.2.6

7、導(dǎo)線線徑的選取123.2.7線圈繞制與絕緣123.3 變壓器繞制小結(jié)13第4章SG3525應(yīng)用電路154.1 SG3525應(yīng)用電路設(shè)計(jì)（方案一）154.1.1控制原理154.1.2 方案一的優(yōu)缺點(diǎn)分析164.2 方案改進(jìn)174.3 改進(jìn)后的SG3525電源電路（方案二）174.3.1 主電路174.3.2 控制電路184.3.3信號放大204.3.4取樣反饋20第5章 實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析225.1穩(wěn)壓分析225.2散熱分析235.2.1整流二極管發(fā)熱235.2.2功率開關(guān)管發(fā)熱235.2.3續(xù)流二極管發(fā)熱235.3噪聲分析245.4 紋波分析24結(jié)論26致謝27參考文獻(xiàn)28附錄29附錄1 原理圖29

8、附錄2 材料清單30附錄 3 光耦P52131附錄 4 MUR156032附錄五：MOSFET管IXFH24N5033第1章 緒論1.1 概述近年來,隨著永磁材料的發(fā)展,車用永磁發(fā)電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、比功率高、低速特性好等優(yōu)點(diǎn),受到廣泛關(guān)注。由于車用發(fā)電機(jī)工作過程中轉(zhuǎn)速變化范圍很大，一般需在10008000 r/min以上，高檔轎車可達(dá)100015000 r/min，同時(shí)其負(fù)載也隨工作狀況的不同在大范圍內(nèi)變動，因此如何實(shí)現(xiàn)大范圍變速變載條件下穩(wěn)壓輸出是車用發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在目前廣泛使用的車用硅整流交流發(fā)電機(jī)中,通過調(diào)節(jié)勵磁電流實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓,而對于永磁車用發(fā)電機(jī)而言,由于采用永久磁鋼作為勵磁源,

9、勵磁磁勢不可調(diào)節(jié)，故實(shí)現(xiàn)變速、變載的穩(wěn)壓輸出更加困難。目前被普遍看好的方案之一是采用三相半控橋式整流電路,但是由于本次設(shè)計(jì)的測試環(huán)境的約束，不能使用三相半控橋式整流電路。因此采用了斬波降壓式變換電路的電路系統(tǒng)來完成穩(wěn)壓。該方式可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，并且具有輸出紋波小，而且控制簡單。車用永磁發(fā)電機(jī)與現(xiàn)有勵磁發(fā)電機(jī)相比，節(jié)能效果顯著并具有激活蓄電池功能，延長蓄電池壽命，另外由于沒有勵磁發(fā)電機(jī)的環(huán)電刷，維護(hù)工作大大下降，可靠性明顯提高，是今后汽車發(fā)電機(jī)的發(fā)展方向，但是高速低速發(fā)電輸出電壓變化大，工作電流大，穩(wěn)壓和散熱難，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)永磁發(fā)電機(jī)電子穩(wěn)壓器，要求輸出直流電壓14.5V V；工作電流90A。要

10、做到這個(gè)大的功率的電子穩(wěn)壓器，需要的實(shí)驗(yàn)條件要求很高，針對畢業(yè)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)了一個(gè)低功率的進(jìn)行測試。畢業(yè)設(shè)計(jì)采用了降壓式斬波變換電路，而控制芯片的工作電源也是用他激式開關(guān)電源來完成的。1.2 研究動機(jī)永磁發(fā)電機(jī)有很多的優(yōu)點(diǎn)比如：(1)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高 永磁式發(fā)電機(jī)省去了勵磁式發(fā)電機(jī)的勵磁繞組、碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，避免了勵磁繞組易燒毀、斷線，碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，避免了勵磁式發(fā)電機(jī)勵磁式發(fā)電機(jī)勵磁繞組易燒毀、斷線，碳刷、滑環(huán)易磨損等故障，可靠性大為提高。(2) 體積小、重量輕、比功率大 永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的采用，使得發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)排列得很緊湊，體積、重量大為減少。永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的簡

11、化，還使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量減少，實(shí)用轉(zhuǎn)速增加，比功率（即功率、體積之比例）達(dá)到一個(gè)很高的值。 (3) 中、低速發(fā)電性能好,功率等級相同的情況下，怠速時(shí)，永磁式發(fā)電機(jī)要比勵磁式發(fā)電機(jī)的輸出功率高一倍，也就是說，永磁式發(fā)電機(jī)的實(shí)際等功率等級的勵磁式發(fā)電機(jī)。 (4)能顯著地延長蓄電池壽命，減少蓄電池維護(hù)工作主要原因是永磁式發(fā)電機(jī)采用的是開關(guān)式的整流穩(wěn)壓方式，穩(wěn)壓精度高，充電效果好。避免了過電流充電造成的蓄電池壽命縮短。永磁式發(fā)電機(jī)的開頭式整流輸出對蓄電池采用小電流脈沖充電，相同的充電電流充電效果更好，從而延長蓄電池的使用壽命。(5)高效率永磁式發(fā)電機(jī)是一種節(jié)能產(chǎn)品。永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)免去了產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場所需的勵

12、磁功率和碳刷、滑環(huán)之間磨擦的機(jī)械損耗，使得永磁式發(fā)電機(jī)效率大為提高。普通勵磁式發(fā)電機(jī)在1500轉(zhuǎn)/分至6000轉(zhuǎn)/分之間的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平均效率只有45%至55%，而永磁式發(fā)電機(jī)則可高達(dá)75%至80%。(6)采用自啟動式穩(wěn)壓器 無需外加勵磁電源。發(fā)電機(jī)只要一旋轉(zhuǎn)就能發(fā)電。當(dāng)蓄電池?fù)p壞時(shí)，只要發(fā)動機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，汽車充電系統(tǒng)仍可工常工作。如汽車沒有蓄電池，只要搖轉(zhuǎn)手把或溜車，也可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火運(yùn)行。 (7)特別適合于在潮濕或灰塵多的惡劣環(huán)境下工作 (8) 無線電干擾永磁發(fā)電機(jī)無碳刷、無滑環(huán)的結(jié)構(gòu)，消除了碳刷與滑環(huán)磨擦產(chǎn)生的無線電干擾，消除了電火花，特別適合于爆炸性危險(xiǎn)程度較大的環(huán)境下工作，也降低了發(fā)電機(jī)對

13、環(huán)境溫度的要求。 1.3 主要工作 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)永磁發(fā)電機(jī)電子穩(wěn)壓器，要求輸出直流電壓14.5V V；工作電流90A；過流保護(hù)電流為120A。在設(shè)計(jì)中主要完成的工作內(nèi)容是完成總體方案設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)觸發(fā)電路；完成自動穩(wěn)壓功能；設(shè)置過留保護(hù)電路。要做到這個(gè)大的功率的電子穩(wěn)壓器，需要的實(shí)驗(yàn)條件要求很高，而且無法模仿永磁發(fā)電機(jī)的發(fā)電效果，為此針對畢業(yè)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)了一個(gè)低功率的進(jìn)行測試。此次調(diào)試的電壓是由調(diào)壓器提供，因此輸出的交流電壓是恒頻變壓的。所以沒有采用了三相半控橋式整流電路的電路系統(tǒng),而是采用斬波降壓式控制系統(tǒng)。根據(jù)廠家的數(shù)據(jù)提供，永磁發(fā)電機(jī)在時(shí)速為1500r/min，到2000r/min時(shí)輸

14、出直流電壓為14.5V左右，正常時(shí)速為6000r/min，特殊狀態(tài)為10000r/min，因此根據(jù)理論計(jì)算正常輸出電壓為58V，特殊狀態(tài)輸出電壓為97V，因此針對本次設(shè)計(jì)，主要完成輸入電壓在16V到100V之間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓值為14.5V，在負(fù)載變化的同時(shí)不會影響到穩(wěn)壓的精確度。第2章 主要元器件介紹2.1 SG3525的簡介美國硅通用半導(dǎo)體公司（Silicon General）推出SG3525。SG3525是用于驅(qū)動N溝道功率MOSFET。其產(chǎn)品一推出就受到廣泛好評。SG3525系列PWM控制器分軍品、工業(yè)品、民品三個(gè)等級。下面我們對SG3525特點(diǎn)、引腳功能、電氣參數(shù)、工作原理以及典型應(yīng)用進(jìn)行介

15、紹。SG3525是電壓控制型PWM控制器，所謂電壓控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電壓來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。如2-1： 圖2-1SG3525內(nèi)部引腳及框圖2.1.1 特點(diǎn) （1）工作電壓范圍寬：DC 835V； （2）5.1 ()V 微調(diào)基準(zhǔn)電源； （3）振蕩器工作頻率范圍寬：100Hz400KHz.；（4）具有振蕩器外部同步功能； （5）死區(qū)時(shí)間可調(diào)； （6）內(nèi)置軟啟動電路； （7）具有

16、輸入欠電壓鎖定功能； （8）具有PWM瑣存功能，禁止多脈沖； （9）逐個(gè)脈沖關(guān)斷； （10）雙路輸出（灌電流/拉電流）：500mA(峰值)。2.1.2 工作原理SG3525內(nèi)置了5.1V精密基準(zhǔn)電源，微調(diào)至 1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi)，無須外接分壓電組。SG3525還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也可以與外部系統(tǒng)時(shí)鐘信號同步，為設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。在CT引腳和放電端引腳之間加入一個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)對死區(qū)時(shí)間的調(diào)節(jié)功能。由于SG3525內(nèi)部集成了軟啟動電路，因此只需要一個(gè)外接定時(shí)電容。 SG3525的軟啟動接入端（引腳8）上通常接一個(gè)5UF 的軟啟動電容。上電過程中，由于電

17、容兩端的電壓不能突變，因此與軟啟動電容接入端相連的PWM比較器反向輸入端處于低電平，PWM比較器輸出高電平。此時(shí)，PWM瑣存器的輸出也為高電平，該高電平通過兩個(gè)或非門加到輸出晶體管上，使之無法導(dǎo)通。只有軟啟動電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時(shí)，SG3525才開始工作。由于實(shí)際中，基準(zhǔn)電壓通常是接在誤差放大器的同相輸入端上，而輸出電壓的采樣電壓則加在誤差放大器的反相輸入端上。當(dāng)輸出電壓因輸入電壓的升高或負(fù)載的變化而升高時(shí)，誤差放大器的輸出將減小，這將導(dǎo)致PWM比較器輸出為正的時(shí)間變長，PWM瑣存器輸出高電平的時(shí)間也變長，因此輸出晶體管的導(dǎo)通時(shí)間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實(shí)現(xiàn)了

18、穩(wěn)態(tài)。反之亦然。 外接關(guān)斷信號對輸出級和軟啟動電路都起作用。當(dāng)Shutdown（引腳10）上的信號為高電平時(shí)，PWM瑣存器將立即動作，禁止SG3525的輸出，同時(shí)，軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關(guān)斷信號結(jié)束，才重新進(jìn)入軟啟動過程。注意，Shutdown引腳不能懸空，應(yīng)通過接地電阻可靠接地，以防止外部干擾信號耦合而影響SG3525的正常工作。 欠電壓鎖定功能同樣作用于輸出級和軟啟動電路。如果輸入電壓過低，在SG3525的輸出被關(guān)斷同時(shí)，軟啟動電容將開始放電。 此外，SG3525還具有以下功能，即無論因?yàn)槭裁丛蛟斐蒔WM脈沖中止，輸出都將被中止，直到下一個(gè)時(shí)鐘

19、信號到來，PWM瑣存器才被復(fù)位。2.2 大功率續(xù)流二極管 MUR1560是MOTOROLA公司的生產(chǎn)的，是一種大功率的快速二極管。主要特點(diǎn)：（1）最大工作電壓：600V；（2）最大工作電流：15A；（3）工作溫度范圍：-65到175；（4）恢復(fù)時(shí)間：35ns 到60ns； 本設(shè)計(jì)要求工作電流為90A，目前選擇了MUR1560這個(gè)快速二極管作為續(xù)流，用于實(shí)物測試。2.3 MOSFET管簡介2.3.1 MOSFET特點(diǎn) MOSFET是功率場效應(yīng)管，是一種多子導(dǎo)電的單極型電壓控制器件。MOSFET具有開關(guān)速度快，高頻性能好，輸入阻抗高，驅(qū)動功率小，熱穩(wěn)定性優(yōu)良，無二次擊穿，安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度高

20、等優(yōu)點(diǎn)，但高壓時(shí)內(nèi)阻比較大，功耗大。但是在各類中小功率開關(guān)電路中應(yīng)用廣泛。2.3.2 MOSFET的控制方法（1）控制G極相對于S極電壓為15V，可以控制MOSFET導(dǎo)通；（2）在G、S極間加保護(hù)穩(wěn)壓管，一般取值為15V；2.3.3 MOSFET的選擇 在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，課題要求輸出電壓為14.5V，工作電流為90A。由于市場上無法買到大電流工作的MOSFET的管子，所以選用40A200V的功率場效應(yīng)管代替，工作電流大，耐壓小，溝道就小，導(dǎo)通電阻就小，因此選用的MOSFET選擇耐壓值只要滿足要求就可以了，不應(yīng)該過高。第3章 變壓器的繞制3.1變壓器磁芯的選擇與工作點(diǎn)的確定3.1.1 磁芯材料的

21、選擇從變壓器的性能指標(biāo)要求可知，傳統(tǒng)的薄帶硅鋼已很難滿足變壓器在頻率、使用環(huán)境方面的設(shè)計(jì)要求。磁芯的材料只有從坡莫合金、鐵氧體材料、鈷基非晶態(tài)合金和超微晶合金幾種材料中來考慮。坡莫合金、鈷基非晶態(tài)價(jià)格高，約為鐵氧體材料的數(shù)倍，而飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度也不是很高，且加工工藝復(fù)雜?？紤]到我們所要求的電源輸出功率并不高，大約為30W，因此，綜合幾種材料的性能比較，我們還是選擇了飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較高，溫度穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉，加工方便的性價(jià)比較低的鋅錳鐵氧體材料，并選以此材料作為框架的EI28來繞制本例中的脈沖變壓器。3.1.2工作點(diǎn)的確定根據(jù)相關(guān)資料，EC35輸出功率為50W，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大約在2000Gs左

22、右。買來的磁芯，由于廠家提供的磁感應(yīng)強(qiáng)度值并不準(zhǔn)確，可用3-1所提供的方式粗略測試一下。將調(diào)壓器接至原線圈，用示波器觀察副線圈輸出電壓波形。將原線圈的輸入電壓由小到大慢慢升高，直到示波器顯示的波形發(fā)生奇變。此時(shí)，磁芯已飽和，根據(jù)公式：可推知在工頻時(shí)的值。要求不高時(shí)，可根據(jù)測算出的，粗略估算出原線圈的匝數(shù)N1 (3-1) 3.2 變壓器主要參數(shù)的計(jì)算本例中的變換器采用單端反激式工作方式，單端反激變換器在小功率開關(guān)電源設(shè)計(jì)中應(yīng)用非常廣泛，且多路輸出較方便。單端反激電源的工作模式有兩種：電流連續(xù)模式和電流斷續(xù)模式。前者適用于較小功率，副邊二極管存在沒有反向恢復(fù)的問題，但MOS管的峰值電流相對較大；后

23、者M(jìn)OS管的峰值電流相對較小，但存在副邊二極管的反向恢復(fù)問題，需要給二極管加吸收電路。這兩種工作模式可根據(jù)實(shí)際需求來選擇，本文采用了后者。設(shè)計(jì)變壓器時(shí)大多需要考慮下面問題：變換器頻率f(H2)；初級電壓U1(V)，次級電壓U2(V)；次級電流i2(A)；繞組線路參數(shù)n1、，n2；溫升()；繞組相對電壓降u；環(huán)境溫度HJ()；絕緣材料密度z(gcm3)。(1)根據(jù)變壓器的輸出功率選取鐵芯，所選取的鐵芯的戶，值應(yīng)等于或大于給定值。(2)繞組每伏匝數(shù) (3-2)ST是鐵芯的截面積；kT是窗口的填充系數(shù)；(3)初級繞組電勢 (3-3)(4)初級繞組匝數(shù) (3-4)(5)次級繞組電勢E2iU2i (1+

24、) (3-5)(6)次級繞組匝數(shù)W2iW0E2i (3-6)(7)初級繞組電流 (3-7) (8)次級繞組電流 (3-8) 其中，n1、n2：分別是初級繞組和次級繞組的每層匝數(shù)。(9)初級繞組線徑 (3-9)(10)次級繞組線徑 (3-10)其中，j是電流密度。詳細(xì)的變壓器設(shè)計(jì)方法與計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，本文參照經(jīng)驗(yàn)公式，依據(jù)下面的步驟設(shè)計(jì)了本例轉(zhuǎn)換器中的高頻變壓器。3.2.1 確定變壓器的變比根據(jù)輸出電壓U0的關(guān)系式 (3-11)得變比為 (3-12)式中UD為整流器輸出的直流電壓。本例中UD24V，f為100kHz，tON取05；n2。3.2.2 計(jì)算初級線圈中的電流已知輸出直流電壓U012V、5

25、V，負(fù)載電流均為I0lA，則輸出功率P0P1+P2+P329W開關(guān)電源的效率一般在6090%之間，本例取0.65，則輸入功率為初級的平均電流為假定初級線圈的初始電流為零，那么，在開關(guān)管的導(dǎo)通期tON里，初級線圈中的電流心便從零開始線性增長到峰值I1P3.2.3計(jì)算初級繞組圈數(shù)N1初級繞組的最小電感L1為根據(jù)輸出功率P的大小，選用適當(dāng)?shù)拇判?，其形狀用環(huán)形、EI形或罐形均可，本例采用EI28，該類型的鐵芯在f50kHz時(shí)，功率可達(dá)到60W，在f100kHz時(shí)，輸出功率可達(dá)到90W。匝式中Ilp初級線圈峰值電流，A；L1初級電感，H；S磁芯截面積，mm2；Bm磁芯最大磁通密度，T。3.2.4 計(jì)算次

26、級繞組圈數(shù)N2匝即12V分別繞5匝，5V繞3匝。3.2.5 反饋繞組N3的估算反饋繞組匝數(shù)的確定，要求既能保證開關(guān)元件的飽和導(dǎo)通又不至于造成過大損耗。根據(jù)UC3842的要求，反饋繞組的輸出電壓應(yīng)在13V左右。因此，匝3.2.6導(dǎo)線線徑的選取根據(jù)輸入輸出的估算，初線線圈的平均電流值應(yīng)該允許達(dá)到2A。(1)初級繞組初級繞組的線徑可選d0.80mm，其截面積為0.5027mm的圓銅線。(2)次級繞組次級繞組的線徑可根據(jù)各組輸出電流的大小，利用原級相同線徑采用多股并繞的辦法解決。為了方便線圈繞制，也可選用線徑較粗的導(dǎo)線。由于工作頻率較高，應(yīng)考慮集膚效應(yīng)的影響。3.2.7線圈繞制與絕緣繞制開關(guān)變壓器最重

27、要的問題是想辦法使初、次級線圈緊密地耦合在一起，這樣可以減小變壓器漏感，因?yàn)槁└羞^大，將會造成較大的尖峰脈沖，從而擊穿開關(guān)管。因此，在繞制高頻變壓器線圈時(shí)，應(yīng)盡量使初、次級線圈之間的距離近些。具體可采用以下方法：(1)雙線并繞法將初、次級線圈的漆包線合起來并繞，即所謂雙線并繞。這樣初、次級線間距離最小，可使漏感減小到最小值。但這種繞法不好繞制，同時(shí)兩線間的耐壓值較低。(2)逐層間繞法為克服并繞法耐壓低、繞制困難的缺點(diǎn)，用初、次級分層間繞法，即1、3、5行奇數(shù)層繞初級繞組，2、4、6等偶數(shù)層繞次級繞組。這種繞法仍可保持初、次級間的耦合，又可在初、次級間墊絕緣紙，以提高絕緣程度。(3)夾層式繞法把

28、次級繞組繞在初級繞組的中間，初級分兩次繞。這種繞法只在初級繞組中多一個(gè)接頭，工藝簡單，便于批量生產(chǎn)。本例中，為減小分布參數(shù)的影響，初級采用雙線并繞連接的結(jié)構(gòu)，次級采用分段繞制，串聯(lián)相接的方式，即所謂堆疊繞法。降低繞組間的電壓差，提高變壓器的可靠性。在變壓器的絕緣方面，線圈絕緣應(yīng)盡量選用抗電強(qiáng)度高、介質(zhì)損耗低的復(fù)合纖維絕緣紙，提高初、次級之間的絕緣強(qiáng)度和抗電暈?zāi)芰?，本例中，因?yàn)椴簧婕案邏?，絕緣問題不必特殊考慮。3.3 變壓器繞制小結(jié)繞制脈沖變壓器是制作開關(guān)電源的重要工作，也是設(shè)計(jì)與制作過程中消耗大量時(shí)間和主要精力的工作。變壓器做得好，整個(gè)設(shè)計(jì)與制作工作就完成了70%以上。做得不好，可能就會出現(xiàn)停

29、振、嘯叫或輸出電壓不穩(wěn)、負(fù)載能力不高等現(xiàn)象。在變壓器的溫升35，繞制良好的脈沖變壓器的工作效率可達(dá)到90%以上，且波形質(zhì)量優(yōu)異，電性能參數(shù)穩(wěn)定。在100kHz的使用條件下，脈沖變壓器的體積可以大大減小。繞制變壓器時(shí)，要盡最大的努力保證以下幾點(diǎn)：(1)即使輸入電壓最大，主開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)間最長，也不至于使變壓器的磁芯飽和。(2)初級線圈與次級線圈的耦合要好，漏電感要小。(3)高頻開關(guān)變壓器會因集膚效應(yīng)導(dǎo)致電線的電阻值增大，因而要減小電流密度。通常，工作時(shí)的最大磁通密度取決于次級線圈。 (3-13)(4)一般來說，采用鐵氧體磁芯E128時(shí)，要把Bm控制在3kGs以下。第4章SG3525應(yīng)用電路4.1

30、 SG3525應(yīng)用電路設(shè)計(jì)（方案一） 應(yīng)用一的主電路的控制電路如4-1： 圖4-1 方案一主電路4.1.1控制原理晶閘管（SCR）整流方式有兩種，一種是SCR共陰整流二極管共陽的方式，第二種是SCR共陽整流二極管共陰的方式。選擇第一種的方式，在每相切換導(dǎo)通的時(shí)候，由于SCR的反相漏電，導(dǎo)致發(fā)熱很嚴(yán)重，必須在這個(gè)上串聯(lián)上整流二極管，才能避免，但是成本就加大很多。因此我們選擇了第二種的整流方法，采用SCR共陽整流二極管共陰，這樣就有效的解決了SCR發(fā)熱的問題，而且成本沒有增加，并且這種方法是最簡單的方案。該電路的晶閘管的控制部分是由PWM控制專用集成芯片來完成，利用PWM來控制晶閘管的控制級，因此

31、晶閘管的通斷周期是固定，導(dǎo)通關(guān)斷的時(shí)間隨著具體的工況變化而變化，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓.當(dāng)發(fā)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，由發(fā)電機(jī)輸出交流電壓較低，為使輸出整流電壓達(dá)到穩(wěn)壓值，每個(gè)PWM周期整流器所需導(dǎo)通時(shí)間較長，此時(shí)電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的PWM控制信號u3 較低，使u8 低電平時(shí)間較長。而當(dāng)發(fā)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，相應(yīng)u3 較高，u8 的低電平時(shí)間縮短，整流器導(dǎo)通時(shí)間減少，即在每個(gè)PWM周期中發(fā)電機(jī)的實(shí)際輸出時(shí)間減少，這樣隨著負(fù)載及轉(zhuǎn)速的變化，由電壓調(diào)節(jié)器通過改變u3電壓的高低，調(diào)節(jié)PWM信號的占空比,就可以改變在一個(gè)PWM周期中晶閘管整流器的工作時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)在變速、變載工況下的恒壓輸出,相應(yīng)波形如3-2所示。 （a）低

32、速 （b）高速 圖4-2 芯片內(nèi)部脈沖處理但是方案一的控制頻率由PWM集成芯片上的電阻RT 和電容CT 用于確定振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波的頻率，這一頻率的選擇對于PWM控制式整流穩(wěn)壓電路具有重要意義，其選取原則是:應(yīng)使該電路在導(dǎo)通時(shí)間最短的工況下，每個(gè)PWM周期中晶閘管導(dǎo)通期間包含足夠多的脈波數(shù)。若頻率過高，由于在一定工況下為使輸出電壓穩(wěn)定對應(yīng)的占空比一定，則意味著每個(gè)PWM周期中半控整流橋的導(dǎo)通時(shí)間很短,電壓脈波數(shù)很少，這樣考慮到晶閘管在觸發(fā)脈沖消失后的關(guān)斷滯后問題，會使各PWM周期中的實(shí)際導(dǎo)通脈波數(shù)出現(xiàn)明顯波動，從而導(dǎo)致輸出電壓波動、穩(wěn)壓精度降低等問題。4.1.2 方案一的優(yōu)缺點(diǎn)分析方案一的優(yōu)點(diǎn)

33、在于，主電路簡單，整流和調(diào)壓一起完成，電路設(shè)計(jì)成本低，但是由于方案一的電路結(jié)構(gòu)，如果控制信號是通過控制晶閘管的導(dǎo)通相角來輸出電壓，整個(gè)電路設(shè)計(jì)將會很復(fù)雜。因此使用PWM來控制晶閘管的導(dǎo)通脈沖波來控制輸出電壓，穩(wěn)壓效果差，原因是因?yàn)楫?dāng)反饋電路檢測到輸出電壓達(dá)到14.5V的時(shí)候，控制芯片關(guān)閉晶閘管，但是晶閘管導(dǎo)通就要完成半個(gè)周期，因此不能及時(shí)關(guān)閉，使得輸出電壓無法穩(wěn)定，另外方案一工作頻率低，在工作頻率低的情況下，穩(wěn)壓效果差，由于整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的模擬仿真的環(huán)境需要在一個(gè)變頻變壓的環(huán)境進(jìn)行，但是目前只有使用調(diào)壓器進(jìn)行仿真，所以制作效果更差，并且經(jīng)過計(jì)算，此電路結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓器，功耗發(fā)熱較大。4.2 方案改進(jìn)

34、 由于仿真環(huán)境為調(diào)壓器，輸出電壓的頻率為50HZ，跟汽車永磁發(fā)電機(jī)的真實(shí)環(huán)境不吻合而且此電路結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所消耗的功耗較大，鑒于這兩個(gè)缺點(diǎn)，改用降壓式斬波開關(guān)電源控制方式。斬波控制方式克服了永磁發(fā)電機(jī)的輸出電壓的變頻的缺點(diǎn)，利用控制開關(guān)電源的開通和關(guān)斷時(shí)間老控制輸出電壓的平均值。 4.3 改進(jìn)后的SG3525電源電路（方案二）4.3.1 主電路 改進(jìn)后的SG3525開關(guān)電源主電路主要分為主電路和控制電路還有反饋電路以及保護(hù)電路四部分。下面對于各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)分析。主電路原理圖如4-3所示： (4-3)主電路主要采用降壓斬波變換電路。首先通過三相整流，由功率mosfet管通過調(diào)節(jié)占空比，調(diào)節(jié)輸出電壓，

35、其公式是 (4-1)D為占空比，脈寬控制頻率的選擇要適當(dāng)，如果脈寬頻率過快，濾波容易，但是功率管的開關(guān)損耗就增大，如果頻率小，則濾波電感電容就會很大，占用很大的空間。Mosfet管并聯(lián)一個(gè)RDC，一般R選值為100歐姆，C為0.001uF，二極管選擇高速開關(guān)二極管，主要防止浪涌電壓的振蕩。輸出由一個(gè)LC組成的濾波電路，電壓紋波的和輸出電壓的比值可以以下面的公式表示 (4-2)通斷頻率 (4-3)適當(dāng)選擇輸出端低通濾波器的截止頻率fc，即使得fc小于fs，這樣就使輸出紋波降到最小。主要決定了一個(gè)電路的系統(tǒng)，就如一座高樓大廈，需要有個(gè)框架一樣，一個(gè)不合理的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，會使整個(gè)電路無法完成功能。根據(jù)設(shè)

36、計(jì)的要求，最終選擇了斬波降壓式控制電路，該電路系統(tǒng)的整流結(jié)構(gòu)除了因?yàn)檩斎腚妷旱念l率引起的開關(guān)損耗，輸出不會受到輸入電壓頻率的影響，給調(diào)試提供了一個(gè)很好的環(huán)境。4.3.2 控制電路SG3525控制電路如4-4圖： 圖4-4 SG3525PWM控制部分SG3525是一款內(nèi)部自帶基準(zhǔn)電源的脈寬控制芯片，基準(zhǔn)電源由16腳輸出，提供反饋電壓的比較，通過調(diào)節(jié)R18，調(diào)節(jié)基準(zhǔn)值到同相輸入端2腳于反饋值進(jìn)行比較。當(dāng)芯片具有軟啟動功能，當(dāng)芯片上電，軟啟動功能由8腳上的C6完成，一般在SG3525設(shè)計(jì)中，軟啟動電容值選擇多為5Uf。芯片的脈寬頻率由C9和R8，R17來決定。開關(guān)頻率 （4-4）公式中的RT對應(yīng)著原

37、理中的R17，RD對應(yīng)著圖中的R8，振蕩電路： 由一個(gè)雙門限電壓均從基準(zhǔn)電源取得，其高門限電壓 V H = 3.9 V，低門限電壓 V L = 0.9V ,內(nèi)部橫流源向CT 充電，其端壓VC 線性上升，構(gòu)成鋸齒波的上升沿，當(dāng)Vc = V H 時(shí)比較器動作，充電過程結(jié)束，上升時(shí)間t1 為 （4-5）比較器動作時(shí)使放電電路接通，CT 放電，VC 下降并形成鋸齒波的下降沿，當(dāng) Vc = V L 時(shí)比較器動作，放電過程結(jié)束，完成一個(gè)工作循環(huán)，下降時(shí)間間t2 為 （4-6）t2時(shí)間也是占空比的死區(qū)時(shí)間，通過調(diào)節(jié)Rd調(diào)節(jié)死區(qū)。占空比輸出腳11腳和14腳分別輸出分別為50%的占空比，但是設(shè)計(jì)中需要100%的

38、占空比，如果使用11腳和14腳就無法輸出需要的占空比，因此根據(jù)芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，腳11腳和14腳接地，是13腳OC門經(jīng)過上拉輸出，這樣就使得占空比輸出接近于100%（由于死區(qū)的存在，無法達(dá)到100%）。9腳上的R4和C3對于反饋進(jìn)行補(bǔ)償，調(diào)節(jié)反饋系數(shù)。在控制電路中，鑒于開關(guān)電源的頻率限制，選擇了開關(guān)頻率為40KHZ左右。根據(jù)公司 （4-7）對于電阻R8，R17和電容C9進(jìn)行取值，保證開關(guān)頻率的適中，使得功率MOSFET不會因?yàn)殚_關(guān)頻率過高造成過高的開關(guān)損耗，也保證輸出電壓不會因?yàn)轭l率過低造成濾波困難。由16腳內(nèi)部基準(zhǔn)電源提供的同相輸入比較電壓為2.33V，只有采樣反饋電壓固定在2.33V，才能穩(wěn)

39、定輸出電壓在14.5V左右。4.3.3信號放大驅(qū)動信號放大圖如4-5： 圖4-5 推挽輸出驅(qū)動信號主要使用是配對三極管S8050和S8550構(gòu)成推挽進(jìn)行功率放大，為了防止信號延遲，在R6和R7之間并聯(lián)加速電容C2和C8，而D8和D12也是為了加快三極管的關(guān)斷時(shí)間，通過二極管的壓降0.7V，當(dāng)B極為低的時(shí)候?qū)極拉低，從而在增加驅(qū)動功率的同時(shí)對波形整形。4.3.4取樣反饋取樣反饋電路如4-6: 圖4-6 反饋電路反饋主要采用光耦進(jìn)行隔離，主要是因?yàn)楫厴I(yè)設(shè)計(jì)采用的功率MOSFET管為N溝道的40N20，要想控制MOSFET導(dǎo)通，G極相對于S極的電壓為15V左右，所以芯片的工作地與電源輸出的地不是同

40、一個(gè)地，因此需要進(jìn)行隔離。光耦主要的優(yōu)點(diǎn)，起到隔離作用，使用光隔離，抗干擾能力強(qiáng)，反應(yīng)速度快。光耦使用主要遵循來設(shè)計(jì)電阻的取值。對于功率管的選擇主要是使得電壓保留2到3倍的余量，電流保留1.5到2倍的余量，保證材料工作在一個(gè)安全的工作環(huán)境。第5章 實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析5.1穩(wěn)壓分析問題一：本課題設(shè)計(jì)要求輸出電壓為14.5V V，電流要求為90A，但是這個(gè)大的電流在實(shí)驗(yàn)中試驗(yàn)比較麻煩。因此我們就先作1A到4A的例子進(jìn)行演示。根據(jù)電路圖，使得負(fù)載在 0 到200歐姆進(jìn)行調(diào)節(jié)，測量輸出電壓，輸出電壓在有所波動。類似與5-1的變化 圖5-1 負(fù)載為50歐姆此圖是假設(shè)為負(fù)載為50歐姆的時(shí)候，輸出電壓為14.5V

41、，滿足設(shè)計(jì)要求而且根據(jù)輸出電壓的升高電壓符合設(shè)計(jì)要求，在要求14.5V前提下上下波動0.2V，但是當(dāng)輸出負(fù)載為3歐姆的時(shí)候如5-2圖 圖5-2 負(fù)載為3歐姆輸出平均電壓為14.0V，當(dāng)負(fù)載為3歐姆的時(shí)候，輸出電流較大。在開關(guān)電源為導(dǎo)通期間，輸出濾波電容電感存儲能量，當(dāng)關(guān)斷的時(shí)候由電容和電感進(jìn)行維持，但是負(fù)載較重，放電快，導(dǎo)致整體輸出平均電壓下降。解決方法：調(diào)節(jié)反饋靈敏度，時(shí)間常數(shù)合理，使得反饋跟上響應(yīng)。問題二：在測量輸出電壓值，電壓值在以14.5V為中心在上下波動，但是波動值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)計(jì)要求0.2V。解決方法：分析現(xiàn)象原因，是反饋網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)不精確造成。其一是光耦隔離兩端的電阻參數(shù)取值不對。改

42、善電阻的取值，輸出電壓就明顯變好。其二是SG3525的9腳，誤差放大系數(shù)的調(diào)整，在最初的設(shè)計(jì)中使用的補(bǔ)償電容是0.1uF（104），無法使得輸出電壓精確穩(wěn)壓，在修改補(bǔ)償電容的值為0.001uF(102)，輸出電壓也變得精確，滿足設(shè)計(jì)要求。5.2散熱分析對于本設(shè)計(jì)，不同的電路結(jié)構(gòu)會散熱有很大的影響。設(shè)計(jì)之前對于方案一和方案二進(jìn)行功耗比較，選擇了方案二進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是方案二仍有很大的發(fā)熱現(xiàn)象。主要的散熱元件為整流二極管，功率開關(guān)管，續(xù)流二極管。經(jīng)過測試永磁發(fā)電機(jī)的輸出電壓在幾十伏到幾百伏左右，而且頻率也在16Hz到160Hz之間變化。5.2.1整流二極管發(fā)熱假設(shè)整流二極管的壓降為1V，設(shè)計(jì)工作電流為

43、90A，占空比為0.1，輸入電壓為100V，6只整流二極管。則功耗為：再加上整流二極管的開關(guān)損耗，哪么6只整流二極管的總體損耗可以超過100W，這么大的功率在通過材料表面進(jìn)行散熱，材料表面溫度會很高。5.2.2功率開關(guān)管發(fā)熱假設(shè)功率開關(guān)管的壓降為1V，設(shè)計(jì)工作電流為90A，占空比為0.1，輸入電壓為100V。則功耗為：另外還有加上幾十KHZ的開關(guān)損耗，溫度同樣比較高。5.2.3續(xù)流二極管發(fā)熱假設(shè)續(xù)流二極管的壓降為0.5V，設(shè)計(jì)工作電流為90A，占空比為0.9，輸入電壓為100V。則功耗為：同樣續(xù)流二極管也存在開通關(guān)端的損耗，因此溫度也會很高。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的溫度，工作電流為1.3A左右，測量開關(guān)管的

44、溫度和續(xù)流二極管的溫度如下表5-3：輸入電壓輸出電壓開關(guān)管（溫度）續(xù)流二極管（溫度）輸出電流(A)30V14.57V30401.2670V14.59V33471.2690V14.59V40521.3 表5-3 測試值仔細(xì)觀察這一段數(shù)據(jù)，當(dāng)輸入電壓升高的時(shí)候，續(xù)流二極管的溫度變的更高。解決方法：在電路中發(fā)熱元件添加散熱片，通過風(fēng)冷進(jìn)行散熱。散熱片的選擇，一般選擇材料為銅，銀或鋁，根據(jù)成本的分析一般最實(shí)用的為鋁，另外表面積越大越好，顏色一般為黑色最佳。在散熱片和材料的安裝中，在兩者之間涂硅油，使得能更好的接觸，有利于散熱。5.3噪聲分析在試驗(yàn)中，調(diào)節(jié)負(fù)載和輸入電壓，電感會有程度不同的噪音產(chǎn)生。但是

45、開關(guān)電源從原理設(shè)計(jì)上，就會存在噪音的存在，只有在某個(gè)程度上對于噪音進(jìn)行控制，使得噪音降到最小。解決方法：增大電感的縫隙，提高電感的線性度，避免電感因磁芯飽和產(chǎn)生噪聲。另外改善反饋網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)誤差放大器上的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，讓芯片輸出占空比控制接近理想狀態(tài)。5.4 紋波分析在實(shí)驗(yàn)測試中，輸出電壓的紋波比較嚴(yán)重，根據(jù)分析主要是開關(guān)狀態(tài)導(dǎo)致的紋波，此紋波的頻率在5MHz左右，幅值在2.2V左右，開關(guān)電源的最大的困難就是紋波的產(chǎn)生，但是由于開關(guān)電路本身的結(jié)構(gòu)原因，無法將紋波徹底消除，只能在某個(gè)程度上降低紋波的產(chǎn)生，保護(hù)負(fù)載由于紋波而產(chǎn)生不必要的功率損耗。解決方法：針對這個(gè)紋波，對于輸出電壓進(jìn)行了二次濾波，根據(jù)公式 (5-1)根據(jù)計(jì)算，f=5MHz,電容選用4700Uf,電感根據(jù)計(jì)算電感選用，需要的電感值很小，在磁芯上繞了5圈的，經(jīng)過二次濾波，輸出電壓的紋波幅值在700mV，隨著負(fù)載的變化，紋波只增加一倍1.4V。結(jié)論在這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，通過長久的實(shí)驗(yàn)測試，使用降壓斬