中國石油大學電力電子課程設計

1、電力電子課程設計報告班級：電氣1201班學號：姓名：目錄、課程設計的目的、課程設計的要求三、課程設計的原理四、課程設計的思路及參數(shù)計算五、電路的布局與布線六、調試過程遇到的問題與解決辦法七、課程設計總結一、課程設計的目的（1）熟悉Power MosFET勺使用；（2）熟悉磁性材料、磁性元件及其在電力電子電路中的應用；（3）增強設計、制作和調試電力電子電路的能力。二、課程設計的要求本課程設計要求根據(jù)所提供的元器件設計并制作一個小功率的反擊式開關電源。電源輸入電壓：180V電源輸出電壓電流：11V/1A 9V/1A電路板：萬用板手焊。三、課程設計原理1 、引言電力電子技術有三大應用領域：電力傳動、

2、電力系統(tǒng)和電源。在各種用電設備中，電源是核心部件之一，其性能影響著整臺設備的性能。電源可以分為線性電源和開關電源兩大類。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 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。開關電源是讓功率晶體管工作在導通和關斷狀態(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（在導通時，電壓低，電流大；關斷時，電壓高，電流?。?，所以開關電源具有能 耗小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬、體積

3、小、重量輕等突出優(yōu)點，在通訊設備、儀器儀表、數(shù)碼影音、家用電器等電子產品中得到了廣泛的應用。 反激式功率變換器是開關電源中的一種， 是一種應用非常 廣泛的開關電源。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M1導通時，它在變壓器初級電感線圈中存儲能量，與變壓器次級相連的二極管VD處于反偏壓狀態(tài)，所以二極管VD截止，在變壓器次級無電流流過，即沒有能量傳遞給 負載；當M1截止時，變壓器次級電感線圈中的電壓極性反轉，使 VD導通，給輸出電容C充電，同 時負載R上也有電流I流過。M1導通與截止的等效拓撲

4、如圖2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能和副邊放電兩個階段。原邊電流和副邊電流在這兩個階段中分別起到勵磁電流的作用。如果在下一次M導通之前，副邊已經將磁路的儲能放光，即副邊電流為零，則稱變壓器運行于斷續(xù)電流模式（DCM，反之，則在副邊還沒有將磁路的儲能放 光，即在副邊電流沒有變?yōu)榱阒?，Q又導通，則稱變壓器運行于連續(xù)電流模式（CCM。通常反激 變換器多設計為斷續(xù)電流模式（DCM下。當變換器工作在CCMF時，輸出與輸入電壓、電流之間的關系如下:Uo=m Ug，|g=M|a，其中"=命，N喘。當變換器工作在DCMF時，上述關系仍然成立

5、，只不過此時的增益 M變?yōu)?Lm f sM =山=D , K =U g K R2 2<N 1 D可以看出，改變開關器件 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：由于在實際中反激變換器存在各種寄生參數(shù)， 如變壓器的漏感，開關管的源漏極電容。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)結構反激式變換器的系統(tǒng)結構示意圖如圖所示。由圖中可以看出，一個AC輸入DC輸出的反激式變換器主要由如下五個部分組成：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

6、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，反激變換器的關鍵在于變壓器和控制電路 的設計。這也是本次課程設計的重點。圖4反激變換器的系統(tǒng)結構簡圖四、課程設計的思路及參數(shù)計算在本次實習中提供的變壓器的鐵芯是 EE28鐵氧體鐵芯，其在25攝氏度的磁導率為 Bmax_25 0.5T，鐵芯的初始磁導率為2300u。變壓器選擇的相關參數(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 中用到的變壓器的繞組的漆包線已經給定，無需選擇。(1) 根據(jù)輸入的最高直流電壓和開關管 Q的耐壓確定原副邊匝數(shù)比：Ug=1

7、.4U2=1.4 220=308V , U Q =600V ,=80%。N p U Q 1.3 Ug 600 I 32 308 p =1 31=13=5.558Np=5NsNsU°1.310 1這是匝數(shù)比的上限值，匝比只能比這個小，不能比其大 這就求得了最大占空比，即最大導通時間為了保證電路工作于DCM模式，磁路儲能和放電的總時間應控制在 0.8T以內，所以:=5 11 0.8307 5 11=0.1215，取 D=0.1。(2) 原邊匝數(shù)的計算:根據(jù)磁芯，得到有效的導磁截面積 Ae，則原邊匝數(shù)應保證在最大占空比時磁路仍不飽和。電壓沖量等于磁路中磁鏈的變化量，取開關頻率為75KHz,

8、25°下Bmax為0.5T308 0.1215 3Np U g D maxT 75 1012.304，真正的原邊匝數(shù)必須比這個值大，才可能讓磁Bmax Ae0.5 80.9路不飽和。通常取2倍的上述值，則取 Np 25。（3）副邊匝數(shù)的計算根據(jù)上面兩步的結果，很容易求出副邊匝數(shù)Ns 5（4）輔助繞組的計算輔助繞組計算與副邊繞組的計算方法一樣，由于輸出10v，供電輸出12v0則得到N& 6（5）氣隙長度的計算：原邊的峰值電流為|sp2 10 1.51.2175AU g D 80% 308 0.1則初級電感為求出氣隙長度為:Lg0 AAlr410 7 80.9 10 63.365

9、 1051.4 10 323001.664 10 4m=0.16mm25變壓器制作過程中可取三層衛(wèi)生紙（每層 0.05mm作為氣隙圖5功率變壓器磁路示意圖&控制系統(tǒng)的設計（1）振蕩器：振蕩器的頻率有定時元件Rt ,Ct決定，f j8RCT，我們小組的頻率選為75KHZ初始Rt=122Q, Ct取104,。（實驗中有改動，改為FT=1200歐姆，Ct取103）（2）電壓誤差放大器:在本次實習中在輸入與輸出的隔離開關電源中，為了減小誤差，通常采用外置電壓環(huán)，即將U3845的內部誤差放大器旁路掉，由外部電壓環(huán)的輸出通過補償輸入引腳決定電流參考3）電流比較器 : 電流比較器的門檻值 Verro

10、r 有誤差放大器的輸出給定，當電壓誤差放大器顯示輸 出電壓太低時，電流的門檻值就增大，使輸出到負載的能量增加，反之也一樣。電流型控制的優(yōu)點是本身具有過流保護功能， 電流比較器實現(xiàn)對電流的逐周限制， 屬于一種恒 功率過載保護方法，即維持供給負載的恒功率。整個控制部分的原理圖如下所示：圖 6 UC3845 控制原理示意圖幾個重要器件的介紹 :（1）UC3845UC384芯片為SO或SO1管腳塑料表貼元件。專為低壓應用設計。其欠壓鎖定門限為8.5v（通）, 7.6V （斷）；電流模式工作達500千赫輸出開關頻率；在反激式應用中最大占空比為0.5;輸出靜區(qū)時 間從 50%70%可調；自動前饋補償；鎖存

11、脈寬調制,用于逐周期限流；內部微調的參考源；帶欠壓 鎖定；大電流圖騰柱輸出；輸入欠壓鎖定,帶滯后；啟動及工作電流低。芯片管腳圖及管腳功能如圖 1所示。圖7 UC3845芯片管腳圖1腳：輸出 / 補償,內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,以確定誤差 放大器的增益和頻響。2腳：電壓反饋輸入端。此腳與內部誤差放大器同向輸入端的基準電壓（2.5 V）進行比較，調整脈寬。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。通過一個電阻接 Vref通過一個電阻接 地。5腳：接地。6腳：圖騰柱式PWMt出，驅動能力為土 1A.7腳：正電源腳。8腳： V ref

12、，5V基準電壓，輸出電流可達50mA.（ 2） TL431TL431 是一個良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調分流基準源。外部有三極分別為：陰極（CATHODE陽極（ANODE參考端（REF。 其芯片體積小、基準電壓精密可調，輸出電流大等 優(yōu)點，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 是一個內部的 2.5V 基準源，接 在運放的反相輸入端。由運放特性可知，只有當 REF端的電壓十分接近VI時，三極管中才會有一 個穩(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

13、開關電源設計中，一般輸出經過 TL431 （可控分流基準）反饋并將誤 差放大，TL431的 沉流端驅動一個光耦的發(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，用來調整一個電流模式的PWMI制器的開關 時間，從而得到一個穩(wěn)定的直流電壓輸出。（3）PC817PC817是一個比較常用的光電耦合器,內部結構如圖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。在開關電源中，當電流流過光二極管時，二極管發(fā)光感應三極管，對輸出進行精確的調整，從而控制UC3842的工作。同時PC817光電耦合器不但可起到反饋作用還可以起到隔離作用。圖4.15 PC817內部框圖7、UC38

14、45的主要外圍電路設計（1）供電3088 5Ra1 1 10 3299.5K,初始取 Ra1=300KQ,（后修改為 Ra1 250K ）。電流檢測接在功率MOSFE源極上的電流檢測電阻大概值為：Rs 卄器 0-5749，取 Rs 0-5。在測試時，如果發(fā)現(xiàn)在最小輸入電壓下，電源無法提供滿載功率，就需要減小該電阻值（3）電壓反饋控制電壓反饋環(huán)節(jié)要與輸入電壓和控制IC隔離，常用光隔離器進行隔離5VR1 5mA 1K ,要求流過二極管的最大電流為:f max1mA 5mA0.87.5mA,所以,Uo U fU ka min7.510 1.2 2.57.5mA0.84KR2Uo U fU ka mi

15、n10 1.2 2.55050mA0.126K取R2,0.5K。取R3150。R6Uref2.5V200uA200uAR610KR5(Uo U、R6ref)UrefR530K12.5K10 2.5在此范圍內取值，則里36 K2.5則取五、電路的布局與布線六、調試過程遇到的問題與解決辦法1、初次焊接成功后，空載輸出穩(wěn)定，并通過反饋電阻調整好電壓，但是上電之 后燒毀穩(wěn)壓管，更換后，空載也燒穩(wěn)壓管，更換 15V穩(wěn)壓管后不再燒，但是沒 有輸出，經檢驗后同名端測反（存疑，不一定反了），改線路后，第一次空載 有輸出。2、插針距離保險絲太近，測輸入電壓時短接，燒毀保險絲，更換。3、更換保險絲后，輸出不穩(wěn)定，

16、一上電后，立即達到給定值，但是過幾秒之后，開始衰減。經測試，發(fā)現(xiàn)輔助繞組不起作用，芯片的供電全由Ug提供，充電到給定電位后，電容開始放點導致芯片不工作，輸出電壓衰減。經過排查，發(fā) 現(xiàn)是焊接時翻轉板子，變壓器松動導致輔助繞組接觸不良。4、重新插好變壓器之后，測量輸出，發(fā)現(xiàn)反饋特別不穩(wěn)定，推測可能是反饋電流 的濾波電容太小，不能有效平波，更換成 473電容。5、更換電容之后，再測時沒有輸出了?？赡苡捎诤附与娙輹r使整塊板子有了變化。 經仔細排查之后，發(fā)現(xiàn)，近線圈側的 5822二極管被擊穿短路。6、 更換5822后再次測試，一開始有輸出，但隨后立即又下降至零，檢查發(fā)現(xiàn)5822 又燒壞，多次更換，均是如

17、此。其中一次測試的時候，用萬用表一直檢測5822 兩端電壓，發(fā)現(xiàn)只是到了 13V二極管就已經燒毀了，于是猜測是由于電流過大 導致的。但是多次更換，均比第一次更容易擊穿，于是猜測旁邊的電容可能壞 掉了。更換電容，果然 5822 沒有再燒毀，并且有了輸出。是時已經是晚上 0:00， 作罷，等第二天進一步測試。7、第二天，對板子空載進行測試，輸入電壓從 50V 變到 90V 時，其中一路輸出從9V變化到了 14V,另一路從11V變成了 16V,怕燒壞元件，卸載尋找問題。此 問題未解決。& 重新進行測試，第一次時，穩(wěn)壓管在 13V和0V之間進行跳動，變化速度很快，卸載，重新加載進行第二次測試，

18、穩(wěn)壓管兩端一直0.2V，一路輸出0V，路0.2V。檢測發(fā)現(xiàn)5822又燒壞了。9、把輔助繞組重焊，更換兩個電容，空載有輸出，但是時間稍一長，繞組側 5822 二極管又被燒壞，電容也損壞了。10、 將5822更換為超耐壓的FR307,斷開無用路的輸出（一路輸出都沒有， 不用說 兩路，于是我們打算先做出一路的再說） ，一上電就燒了保險絲。這說明之前 燒元件確實被并不是因為電壓過高，而是電流過大。在提高了輔助繞組的耐受 能力之后，主電路變得相對薄弱，被燒毀。11、重新測試，發(fā)現(xiàn)同名端又錯了（可能一開始是對的，但是改錯了） ，改回同名 端。加壓后，第一次將控制電路相關元件燒毀（開關管 22 歐 1K 歐 1 歐電阻）。12、更換元件，重新測量，加壓之后發(fā)現(xiàn)輸出電壓過高，調整了反饋電阻的大小， 將電壓調整到相應值，空載電路正常工作，輸出電壓穩(wěn)定。慢慢將輸入電壓從 50V升高，調節(jié)的180V的時候，電阻燒毀，穩(wěn)壓管燒毀。13、鑒于板子多次燒毀，多處反復