中國(guó)石油大學(xué)(華東)電力電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、 電力電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告 -小功率反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí)：電氣12-4班 成員 實(shí)習(xí)日期：2015.7.62015.7.13 目錄一、 設(shè)計(jì)目的二、 設(shè)計(jì)要求三、 設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)思路四、 設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算五、 電路的布局與布線六、 調(diào)試遇到的問(wèn)題與解決辦法七、 設(shè)計(jì)總結(jié)1、 設(shè)計(jì)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、 設(shè)計(jì)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)小功率的反激式開關(guān)電源。電源輸入電壓/輸出電壓：150/10V,輸出電流：1A,具備過(guò)流保護(hù)功能。3、 設(shè)計(jì)原

2、理 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(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?。?/p>

3、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)變壓器和其他元器件均為理想元器件，穩(wěn)態(tài)工作。（1）當(dāng)有源開關(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)，從下。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)有源開關(guān) Q截止時(shí)，由于變壓器磁路中的磁通不能

4、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 VD1 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。2反激變換器的吸收電路實(shí)際反激變換器會(huì)有各種寄生參數(shù)的存在，如變壓器的漏感，開關(guān)管的源漏極電容。所以基本反激變換器在實(shí)際應(yīng)用中是不能可靠工作的，其原因是變壓器漏感在開關(guān)Q截止時(shí)，沒有滿意的去磁回路。為了讓反激變換器的工作變得可靠，就得外加一

5、個(gè)漏感的去磁電路，但因漏感的能量一般很小，所以習(xí)慣上將這種去磁電路稱為吸收電路，目的是將開關(guān)Q的電壓鉗位到合理的數(shù)值。在220V AC輸入的小功率開關(guān)電源中，常用的吸收電路主要有RCD吸收電路和三繞組吸收電路。其結(jié)構(gòu)如圖3(a)(b)所示。 （a） (b)圖2吸收電路四.設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算 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)NS、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(wú)需選擇。（1）原副邊匝數(shù)比及其匝數(shù)的確定： 根據(jù)實(shí)習(xí)任務(wù)的要求;需要的直流輸出電壓為8V和6V，由

6、器件本身的參數(shù)可以知道其耐壓。，如果考慮到漏感引起的的電壓尖峰，開關(guān)管兩端承受的關(guān)斷電壓為：，一般來(lái)說(shuō)開關(guān)管的耐壓需要在這個(gè)基礎(chǔ)之上留下至少30%的裕量。假設(shè)開關(guān)管的耐壓極限為，。為了保證電路工作于DCM模式，磁路儲(chǔ)能和放電總時(shí)間應(yīng)該控制在0.8T以內(nèi)，所以,（2）原副邊匝數(shù)的計(jì)算： 根據(jù)器件的資料，可以查的磁芯的有效磁導(dǎo)面積，原邊的匝數(shù)應(yīng)該保證在最大占空比是磁路仍不飽和，電壓沖量等于磁鏈的變化量，固，通常原邊的匝數(shù)取到這個(gè)計(jì)算之的兩倍。副邊匝數(shù)根據(jù)變比可以求出。（3）氣隙長(zhǎng)度的計(jì)算 假設(shè)變壓器的輸出功率為，效率為，有以下關(guān)系成立：，所以可以得到，其中有以下關(guān)系；，則原邊的峰值電流為：，帶入上

7、式可以得到初級(jí)電感。其中，為電感系數(shù)，為磁阻。氣隙的長(zhǎng)度為4、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，f選90*2=180KHZ。（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5控制部分原理圖（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

8、），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6所示。圖6 UC3845芯片管腳圖（2）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(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，是一個(gè)內(nèi)部的2.5

9、V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 在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，一般輸出經(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控制器的開關(guān)時(shí)間，從而得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓輸出。（3）PC817 PC817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

10、極。在開關(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8 PC817內(nèi)部框圖 5、參數(shù)的計(jì)算與選擇（1）根據(jù)輸入最高直流電壓和開關(guān)管Q的耐壓確定原副邊匝數(shù)比： 由電路要求輸入U(xiǎn)=150V，輸出10V經(jīng)過(guò)整流橋整流后，取，由于變比的取值要小于計(jì)算值，于是變壓器的變比取到k=20.計(jì)算最大占空比：，由于占空比的取值要小于計(jì)算值，取D=0.4取開關(guān)頻率f=75KHZ，得，為使磁路不飽和，取實(shí)際原邊的匝數(shù)，由原邊匝數(shù)及其變壓器的變比得到10副邊繞組的匝數(shù)為。（2）原邊電

11、感及其氣隙長(zhǎng)度的計(jì)算由，（3）輔助繞組的計(jì)算輔助繞組的計(jì)算和副邊繞組的計(jì)算方法一樣，取取取D=0.4正常取2倍的值，所以（4)供電電路參數(shù)計(jì)算（5）電流檢測(cè)參數(shù)計(jì)算電流檢測(cè)電阻，所以。但實(shí)際選取1歐姆，2瓦的電阻。（6）電壓反饋控制參數(shù)計(jì)算, 取 所以：，于是根據(jù)已有的元件取到 選取反饋電阻計(jì)算：5、 電路的布局與布線6、 調(diào)試中遇到的問(wèn)題和解決辦法（1） 電路焊接完成初次調(diào)試時(shí)，空載穩(wěn)壓輸出10V可以實(shí)現(xiàn)，但是帶負(fù)載時(shí)電路沒有輸出。經(jīng)過(guò)檢測(cè)輔助繞組邊為UCB3845芯片供電回路的穩(wěn)壓二極管兩端的電壓為7.9V，未達(dá)到供電的8.5V,我們嘗試修改Ra1的阻值使電壓達(dá)到，但是都沒有太大變化。于是

12、我們修改了變壓器輔助繞組的匝數(shù)，由之前的5匝改為7匝，測(cè)試后燒壞了穩(wěn)壓管，于是我們又將匝數(shù)調(diào)整成6匝，最后是二極管兩側(cè)電壓為穩(wěn)定的11.4V，實(shí)現(xiàn)了帶負(fù)載時(shí)的穩(wěn)壓輸出。（2） 過(guò)流保護(hù)時(shí)采樣電阻的選取，電阻大時(shí)限流值大，帶1A負(fù)載時(shí)壓降小；反之限流值小，壓降大，合適值很難選取。我們穩(wěn)壓時(shí)芯片3管腳采用了104的電容，電流達(dá)到2A時(shí)仍沒有過(guò)流保護(hù)。于是選用了471的電容，但是在未達(dá)到1A時(shí)壓降就產(chǎn)生而且在1A時(shí)很大，限流值也無(wú)法滿足要求。所以又選用了電容較大的472，采樣電阻在1到5變化時(shí)電壓均可以穩(wěn)住但無(wú)法限流，又將電阻改為12時(shí)限流產(chǎn)生但壓降過(guò)大，后來(lái)有逐步減小電阻，最后測(cè)量6.7時(shí)壓降為2V左右，限流值達(dá)到1.6A，但是未精確達(dá)到要求。由于電阻阻值的限制，我們也無(wú)法得到更精確的阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)要求。7、 設(shè)計(jì)總結(jié)經(jīng)過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，最終的結(jié)果