畢業(yè)設(shè)計單管正激變換器參數(shù)確定

摘要開關(guān)電源就是電路中的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)的電源，具有體積小、重量輕、效率高、功率小、紋波小、噪音低、易擴容、智能化程度高等優(yōu)良特性。在各種間接直流交流變換電路中，正激DC/DC變換器具有電路拓撲結(jié)構(gòu)簡單，輸入輸出電氣隔離，電壓升﹑降范圍廣，易于多路輸出等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于小功率電源變換場合，尤其在供電電源要求低電壓大電流的通訊和計算機系統(tǒng)中，正激電路更能顯示其優(yōu)勢。本次設(shè)計利用開關(guān)電源芯片UC3844設(shè)計制作一款單管正激變換器，而給芯片UC3844供電采用反激結(jié)構(gòu)的輔助電源，輔助電源采用UC3843芯片。本文首先說明了研究背景、目的和意義，同時說明了開關(guān)電源的分類及開展。然后，給出了本次設(shè)計的整體設(shè)計框圖，進而分析了電路的工作原理，并且給出了正激電路的幾種磁復(fù)位技術(shù)和反激的RCD緩沖電路，接著就是根據(jù)給出的框圖進行設(shè)計以及電路中功率開關(guān)管的選擇，輸入和輸出濾波電容參數(shù)的選擇以及變壓器的設(shè)計等問題進行了研究，這其中介紹了幾種開關(guān)電源中用到的重要芯片。最后介紹了本次設(shè)計的正激變換器調(diào)試過程中出現(xiàn)的一些問題以及解決方法，另外還給出了一些主要波形、可以改良的方向以及預(yù)期的研究方向。關(guān)鍵字單管正激變換器輔助電源控制芯片主電路AbstractSwitchingpowersupplyisacircuitinthepowerelectronicdevicesworkinthestateoftheswitchpowersupply,hastheadvantagesofsmallvolume,lightweight,highefficiency,lowpower,lowripple,lownoise,easyexpansion,highintelligentdegreeexcellentcharacteristics.InavarietyofindirectDCACconvertercircuit,forwardDC/DCconverterhassimplecircuittopology,inputandoutputelectricalisolation,voltageascending,descendingrange,easytomultipleoutputandotheradvantages,itiswidelyusedinthesmallpowerconversionapplications,especiallyinpowersupplyforlowvoltageandlargecurrentcommunicationsandcomputersystems,forwardcircuitcandemonstrateitsadvantage.ThedesignoftheswitchpowersupplychipUC3844designasingleforwardconverter,andgiveUC3844chippowersupplyadoptsflybackstructureofauxiliarypower,auxiliarypowersupplyusingUC3843chip.Thepaperdescribestheresearchbackground,purposeandsignificance,andillustratestheclassificationanddevelopmentofswitchingpowersupply.Then,thedesignoftheoveralldesigndiagram,andthenanalyzesthecircuitworkingprinciple,andgivesapositiveexcitationcircuitofmagneticresettechniqueandflybackRCDbuffercircuit,andthenaccordingtothegivenblockdiagramandcircuitdesignofpowerswitchtubeselection,inputandoutputfiltercapacitorparametersselectionanddesignofthetransformerareresearched,whichintroducesseveralkindsofswitchpowersupplyusedintheimportantchip.Finallyitintroducesthedesignoftheconverterdebuggingproblemsandsolutions,andgivesomewaveforms,canimprovethedirectionandtheexpectationoftheresearchdirection.KeywordsSingletubeconverterAuxiliarypowersupplyControlchipMaincircuit目錄摘要 =1\*ROMANITOC\o"1-3"\h\u6567Abstract II32382第一章緒論 1196681.1研究背景 199701.2研究目的和意義 1220591.3開關(guān)電源分類及開展趨勢 2104821.4國內(nèi)外開展情況 29521.5本論文的主要研究內(nèi)容 323754第二章方案確實定 4116032.1變換器的設(shè)計指標 483602.1.1正激變換器的設(shè)計指標 4284932.1.2輔助電源〔反激〕的設(shè)計指標 4171902.2單管正激的工作原理 469632.3輔助電源〔反激〕的工作原理 780522.4正激變換器變壓電路中的磁復(fù)位技術(shù)選擇 861212.4.1輔助磁通繞組復(fù)位 8244652.4.2RCD箝位技術(shù) 9295552.4.3LCD箝位技術(shù) 9157212.4.4有源箝位技術(shù) 10153932.5輔助電源(反激)的RCD緩沖電路 1386682.5.1要有RCD緩沖電路的原因 1392082.5.2RCD緩沖電路 13145762.6變換器的電路結(jié)構(gòu)框圖 1618575第三章正激電路設(shè)計 1732743.1輸入濾波電路 1727523.2開關(guān)頻率確實定 1713043.3主電路設(shè)計 18319553.3.1主電路中變壓器的設(shè)計 18222853.3.2主電路中電感的設(shè)計 22253583.3.3主電路中MOS管的選擇 2346533.3.4主電路中二極管的選擇 24250483.4輸出濾波電路 2562573.5反應(yīng)電路及控制電路 2735283.5.1芯片選擇 2711643.5.2電路設(shè)計 3130041第四章輔助電源的設(shè)計 32223604.1開關(guān)頻率的選擇 32146214.2主電路中變壓器的設(shè)計 33198934.3主電路中的RCD緩沖回路 37119394.4主電路中的啟動電阻 382662第五章電路測試 38111145.1在調(diào)試時出現(xiàn)的問題 39234585.2主要波形測試 39165405.2.1MOS管驅(qū)動波形 39252135.2.2芯片UC3844的4管腳波形 39136635.2.3輸出電壓紋波 4021080結(jié)論 4015620致謝 4128908參考文獻 413934附錄1 43955附件2 44ContentsTOC\o"1-3"\h\u11310Abstract IIChapter1Introduction14766 1174161.1Researchbackground 1149361.2Thepurposeandsignificance 158921.3Classificationanddevelopingtrendofswitchingpowersupply 17971.4Thedevelpomentstatusathomeandabroad 2137361.5Themainresearchcontentsofthisthesis 3499Chapter2Schemedetermination 3225312.1Converterdesignindex 3125232.1.1Forwardconverterdesignindex 4125682.1.2Auxiliarypowersupply(flyback)designindex 4315732.2Thesingleforwardprinciple 4148492.3Auxiliarypowersupply(flyback)workingprinciple 7278392.4Forwardconxertertransformercircuitmagneticresettechniqueselection 82572.4.1Auxiliarywindingresetflux 8143452.4.2RCDclamptechnology 8260532.4.3LCDclamptechnology 9200352.4.4Activeclamptechnology 10166782.5Auxiliarypowersupply(flyback)RCDbuffercircuit 1279622.5.1HaveaRCDbuffercircuitcauses 12282442.5.2RCDbuffercircuit 13242142.6Convertercircuitstructurediagram 1526729Chapter3Forwardcircuitdesign 1676383.1Inputfiltercircuit 1673753.2Switchingfrequencydetermination 17149333.3Thedesignofmaincircuit 17271083.3.1Inthemaincircuitofthetransformerdesign 17318703.3.2Themaincircuitofinductancedesign 21296413.3.3InthemaincircuitoftheMOStubeselection 2320023.3.4Inthemaincircuitofthediodeselection 2421593.4Theoutputfiltercircuit 2543823.5Feedbackcircuitandcontrolcircuit 2621868Chipselect 26132163.5.2Circuitdesign 301310Chapter4Designofauxiliarypowersupply 32174134.1Switchingfrequencyselection 32179474.2Inthemaincircuitofthetransformerdesign 32145034.3InthemaincircuitoftheRCDbuffercircuit 3658994.4Inthemaincircuitofstartingresistance 3814456Chapter5Circuittest 38169825.1Whendebuggingproblems 38118955.2Themainwaveformtest 3841815.2.1MOSpipedrivingwaveform 38280725.2.2ChipUC38444pinwaveform 3911230Outputvoltageripple 394573Summary 4021608Thanks 4027617References 414634Appendix1 4231668Appendix2 43第一章緒論研究背景電源是各種電子設(shè)備必不可少的組成局部，它的性能的好壞直接影響到電子設(shè)備的技術(shù)指標及能否平安可靠地工作。目前常用的直流穩(wěn)壓電源分為線性電源和開關(guān)電源兩大類[1]。線性穩(wěn)壓電源亦稱串聯(lián)一調(diào)整式穩(wěn)壓電源，其穩(wěn)壓性能好，輸出波紋電壓很小，但它必須使用笨重的工頻變壓器與電網(wǎng)進行隔離，并且調(diào)整管的功率損耗較大，致使電源的體積和重量大、效率低。而開關(guān)電源具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、線路形式多樣等多種優(yōu)點，在通信、航空、航天、家電、軍事、交通、機械、電力等領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用，并取得了明顯的效果。所謂開關(guān)電源，就是利用半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形態(tài)的電路，在轉(zhuǎn)變時用自動控制閉環(huán)并有保護環(huán)節(jié)穩(wěn)定輸出電壓的裝置。從開關(guān)電源的產(chǎn)生到現(xiàn)在已經(jīng)有了近百年的歷史，然而，隨著開關(guān)電源中磁性元件、開關(guān)器件和整流器三大主要元器件的飛速開展，開關(guān)電源才真正進入快速開展的階段，在越來越多的領(lǐng)域逐漸取代了傳統(tǒng)的線性電源，成為首選的綠色節(jié)能電源。到了20世紀80年代，開關(guān)電源已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用。近年來，國內(nèi)直流開關(guān)電源技術(shù)無論是理論研究，還是生產(chǎn)應(yīng)用已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)拈_展成果和規(guī)模。高頻率、高效率、高功率密度、高功率因數(shù)、高可靠性、高電氣指標等特性，使得開關(guān)電源具有很強的競爭力，應(yīng)用領(lǐng)域不斷的擴大。.與此同時，各種開關(guān)電源設(shè)備也在家庭、工業(yè)、醫(yī)療、交通、國防領(lǐng)域取得非常廣泛的應(yīng)用，并且得到了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。1.2研究目的和意義隨著全球?qū)δ茉磫栴}的重視，電子產(chǎn)品的耗能問題將愈來愈突出，如何降低其待機功耗，提高供電效率成為一個急待解決的問題。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，但它存在著效率低〔只有40%－50%〕、體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調(diào)整范圍小等缺點。為了提高效率，人們研制出了開關(guān)式穩(wěn)壓電源，它的效率可達85%以上，穩(wěn)壓范圍寬，除此之外，還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等特點，是一種較理想的穩(wěn)壓電源。正因為如此，開關(guān)式穩(wěn)壓電源已廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。在各種間接直流交流變換電路中，正激DC/DC變換器具有電路拓撲結(jié)構(gòu)簡單，輸入輸出電氣隔離，電壓升﹑降范圍廣，易于多路輸出等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于小功率電源變換場合，尤其在供電電源要求低電壓大電流的通訊和計算機系統(tǒng)中，正激電路更能顯示其優(yōu)勢。所以該設(shè)計適合中小功率開關(guān)電源的推廣應(yīng)用，具有較好的研究推廣價值。1.3開關(guān)電源分類及開展趨勢本次實際的變換器是開關(guān)電源的一種電路。開關(guān)電源就是電路中的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)的電源，開關(guān)電源電路是電力電子電路的一種。其實在開關(guān)電源出現(xiàn)之前，線性電源已經(jīng)應(yīng)用了很長一點時間。而后，開關(guān)電源是作為線性穩(wěn)壓電源的一種替代物出現(xiàn)的，開關(guān)電源這一稱謂也是相對于線性穩(wěn)壓電源而產(chǎn)生的。通常把電力分為交流〔AC〕、直流〔DC〕兩類。因此，根本的電力電子電路就可分為四大類型[2]，即AC-DC電路、DC-AC電路、AC-AC電路、DC-DC電路，如表1-1：輸入 輸出直流〔DC〕交流〔AC〕交流〔AC〕整流交流電力控制、變頻、變相直流〔DC〕直流斬波逆變表1-1電力電子電路的分類如果把上表的四大類根本電力電子電路都看成電源電路，那么所有的電力電子電路也都可以看成開關(guān)電源電路。而實際中，開關(guān)電源所涵蓋的范圍遠比表中的范圍要小的多。對于AC-DC和DC-AC比擬容易理解。對于AC-AC電路，可以變換的對象有頻率、相數(shù)、電壓和電流等。本次設(shè)計是DC-DC電路，對于DC-DC電路，可以變換的主要對象是電壓和電流。電力電子電路中的核心元器件是電力電子器件，他們一般都是工作在開關(guān)狀態(tài)，這樣可以使損耗很小，這是電力電子電路的一個顯著特點[3]。開關(guān)電源技術(shù)就是隨著電力電子器件及開關(guān)頻率技術(shù)的開展而開展的，兩者彼此相互促進推動著開關(guān)電源每年以超過兩位數(shù)字的增長率向著輕型化、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向而開展[4]。目前，開關(guān)電源具備小型、輕量和高效率的特點，被廣泛應(yīng)用在以電子計算機為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備和通信設(shè)備中。隨著近些年來科學(xué)技術(shù)的不斷開展與進步，開關(guān)電源技術(shù)在實際需要的推動下快速的開展，具體的的開展趨勢可以總結(jié)為以下幾個方面①高頻化;②數(shù)字化;③模塊化;④軟開關(guān)技術(shù);⑤非隔離DC/DC技術(shù);⑥有源功率因數(shù)校正技術(shù)[5]。1.4國內(nèi)外開展情況1955年美國羅耶(GH．Roger)創(chuàng)造的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器。是實現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)換控制電路的開端．1957年美國查賽(JenSen)創(chuàng)造了自激式推挽雙變壓器．1964年美國科學(xué)家們提出取消工頻變壓器的串聯(lián)開關(guān)電源的設(shè)想，這對電源向體積和重量的下降獲得了一條根本的途徑。到了1969年由于大功率硅晶體管的耐壓提高，二極管反向恢復(fù)時間的縮短等元器件改善，終于做成了25KHz的開關(guān)電源。第一代標準化開關(guān)電源誕生于20世紀70年代初。其后，隨著上游元器件技術(shù)水平的提高和自身關(guān)鍵技術(shù)的不斷開展，開關(guān)電源技術(shù)在過去30年中取得了飛速的開展。20世紀80年代后期，開關(guān)電源的本錢和控制電路問題等技術(shù)難關(guān)被攻克后，其已迅速成長為電源中的主流產(chǎn)品[6]。根據(jù)國際知名調(diào)查機構(gòu)DATABEANS統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從2004年至2021年每年全球開關(guān)電源市場銷售額平均保持了15%左右的幅度增長，到2021年約為120億美元的銷售額，其中消費電子類電源、通訊領(lǐng)域電源和工業(yè)領(lǐng)域電源的市場份額分別排名前三位，其市場規(guī)模分別為35億美元、34億美元、25億美元。開關(guān)電源技術(shù)屬于電力電子技術(shù)，它運用功率變換器進行電能變換，經(jīng)過變換電能，可以滿足各種用電要求。由于其高效節(jié)能可帶來巨大經(jīng)濟效益，因而引起社會各方面的重視而得到迅速推廣。以DC-DC的變換為例，與傳統(tǒng)采用工頻變換技術(shù)的相控電源相比，采用高頻整流電源，在技術(shù)上是一次飛躍，它不但可以方便地得到不同的電壓等級，更重要的是甩掉了體大笨重的工頻變壓器及濾波電感電容。由于采用高頻功率變換，使電源裝置顯著減小了體積和重量，而有可能和設(shè)備的主機體積相協(xié)調(diào)，并且使電性能得到進一步提高。正因為如此，1994年我國原郵電部作出重大決策，要求通信領(lǐng)域推廣使用開關(guān)電源以取代相控電源。幾年來的實踐已經(jīng)證明，這一決策是完全正確的。開關(guān)電源的使用為國家節(jié)省了大量銅材、鋼材和占地面積。由于變換效率提高，能耗減少，降低了電源周圍環(huán)境的室溫，改善了工作人員的環(huán)境。我國郵電通信部門廣泛采用開關(guān)電源極大地推動了它在其它領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。值得指出的是，近兩年來出現(xiàn)的電力系統(tǒng)直流操作電源，是針對國家投資4000億元用于城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)的供電工程改造、提高輸配電供電質(zhì)量而推出的，它已開始采用開關(guān)電源以取代傳統(tǒng)的相控電源。國內(nèi)一些通信公司如中興通訊等均已相繼推出系列產(chǎn)品[7]。

目前，國內(nèi)開關(guān)電源自主研發(fā)及生產(chǎn)廠家有300多家，形成規(guī)模的有十多家。國產(chǎn)開關(guān)電源已占據(jù)了相當(dāng)市場，一些大公司如中興通訊自主開發(fā)的電源系列產(chǎn)品已獲得廣泛認同，在電源市場競爭中頗具優(yōu)勢，并有少量開始出口。能源在社會現(xiàn)代化方面起著關(guān)鍵作用。電力電子技術(shù)以其靈活的功率變換方式，高性能、高功率密度、高效率，在21世紀必將得到大力開展，而開關(guān)電源在電力電子技術(shù)中占有的比重也將越來越大，因此開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的開展前景。要加快我國開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的開展速度，就必須走技術(shù)創(chuàng)新之路，走出有中國特色的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合開展之路，為我國國民經(jīng)濟的高速開展做出奉獻。本論文的主要研究內(nèi)容本次設(shè)計利用開關(guān)電源芯片UC3844設(shè)計制作一款單管正激變換器，而給芯片UC3844供電采用反激結(jié)構(gòu)的輔助電源，輔助電源采用UC3843芯片。主要工作有以下幾個方面：1．論述了方案確實定以及正激和反激電路根本拓撲的工作原理，并且介紹了正激的磁復(fù)位技術(shù)和反激RCD緩沖回路。2．論述了變換器電路的具體設(shè)計方法并分析了芯片UC3844等芯片的功能特點，將其應(yīng)用在開關(guān)電源中，從而構(gòu)成控制電路和反應(yīng)回路。3．完成了所設(shè)計的電路的調(diào)試工作。4．對本文設(shè)計變換器的性能作了實驗和總結(jié)。第二章方案確實定2.1變換器的設(shè)計指標2.1.1正激變換器的設(shè)計指標輸入電壓：DC41V～DC51V輸出電壓：DC12V輸出電流：5A效率:η≥80%電壓調(diào)整率：Su≤1.5%負載調(diào)整率：SI≤1.5%2.1.2輔助電源〔反激〕的設(shè)計指標輸入電壓：DC41V～DC51V輸出電壓：DC17V輸出電流：0.5A效率:η≥870%2.2單管正激的工作原理單管正激變換器是一個單開關(guān)管變換器，利用變壓器將能量從一次側(cè)傳遞到二次側(cè)。開關(guān)管導(dǎo)通時，能量從一次側(cè)傳遞到二次側(cè)。典型的單開關(guān)正激電路根本拓撲及其工作波形分別如圖2-1和圖2-2所示[5]。電路的工作過程為：開關(guān)S開通后，變壓器繞組W1兩端的電壓為上正下負，與其耦合的繞組W2兩端的電壓也是上正下負。因此VD1處于導(dǎo)通狀態(tài)，VD2為斷態(tài)，電感L的電流逐漸增長；S關(guān)斷后，電感L通過VD2續(xù)流，VD1關(guān)斷，L的電流逐漸下降。S關(guān)斷后變壓器的勵磁電流經(jīng)繞組W3和VD3流回電源，所以S關(guān)斷后承受的電壓為：，〔N為繞組匝數(shù)〕〔2-1〕圖2-1正激電路的原理圖圖2-2正激電路的工作波形因為在一個周期內(nèi)，電感的平均增長壓降為零，所以由圖2-2中的VL的波形知道〔2-2〕所以〔2-3〕開關(guān)S開通后，變壓器的勵磁電流由零開始，隨著時間的增長而線性的增長，直到S關(guān)斷。S關(guān)斷后到下一次再開通的一段時間內(nèi)，必須設(shè)法使勵磁電流降回零，否那么下一個開關(guān)周期中，勵磁電流將在本周期結(jié)束時的剩余值根底上繼續(xù)增加，并在以后的開關(guān)周期中依次累積起來，變得越來越大，從而導(dǎo)致變壓器的勵磁電感飽和。勵磁電感飽和后，勵磁電流會更加迅速地增長，最終損壞電路中的開關(guān)元件。因此在S關(guān)斷后使勵磁電流降回零是非常重要的，這一過程稱為變壓器的磁芯復(fù)位。磁芯復(fù)位過程各物理量的變化如圖2-3。在正激電路中，變壓器繞組W3和二極管VD3組成復(fù)位電路。下面簡單分析其工作原理。開關(guān)S關(guān)斷后，變壓器勵磁電流通過繞組VD3和W3流回電源，并逐漸線性地下降為零。從S關(guān)斷到繞組W3的電流下降到零所需的時間：〔2-4〕而且S處于斷態(tài)的時間必須大于，以保證S下次開通前勵磁電流能夠降為零，使變壓器磁心可靠復(fù)位。圖2-3磁心復(fù)位過程在輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下，即S開通時電感L的電流不為零，輸出電壓與輸入電壓的比為：〔2-5〕如果輸出電感電流不連續(xù)〔斷續(xù)〕，輸出電壓將高于上式的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下，〔2-6〕正激型電路電感電流連續(xù)的臨界條件為：〔2-7〕其中而輸出電壓與輸入電壓間的電壓比為：〔2-8〕其中。從以上分析可知，正激型電路的電壓比關(guān)系和降壓型電路非常相似，僅有的差異在于變壓器的電壓比，因此正激型電路的電壓比可以看成是，將輸入電壓Ui按電壓比折算至變壓器二次側(cè)后根據(jù)降壓型電路得到的。2.3輔助電源〔反激〕的工作原理反激〔Flyback〕電路根本拓撲及其工作波形分別如圖2-4和圖2-5所示。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，可以看作是一對互相耦合的電感[8]。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(guān)斷后，繞組W1的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過繞組W2和V向輸出端釋放。S關(guān)斷后的電壓為：〔2-9〕圖2-4反激電路原理圖圖2-5反激電路的工作波形反激電路可以工作在電流斷續(xù)和電流連續(xù)兩種模式：〔1〕如果當(dāng)開關(guān)S開通時，繞組W2中的電流尚未下降到零，那么稱電路工作于電流連續(xù)模式?！?〕如果開關(guān)S開通前，繞組W2中的電流已經(jīng)下降到零，那么稱電路工作于電流斷續(xù)模式。當(dāng)工作于電流斷續(xù)模式時(2-10)當(dāng)電路工作在斷續(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，，這將損壞電路中的元件，因此反激電路不應(yīng)工作于負載開路狀態(tài)。因為反激型電路變壓器的繞組W1和W2在工作中不會同時有電流流過，不存在磁動勢相互抵消的可能，因此變壓器磁芯的磁通密度取決于繞組中電流的大小。這與正激型電路不同。2.4正激變換器變壓電路中的磁復(fù)位技術(shù)選擇正激變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、輸入與輸出電壓隔離、可以多路輸出等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在中小功率變換場合。該變換器有一個固有的缺陷，就是它的變壓器必須要磁復(fù)位，因此必須采取復(fù)位電路。關(guān)于正激變換器的磁復(fù)位技術(shù)的研究很多，主要包括輔助磁通繞組復(fù)位技術(shù)、RCD箝位技術(shù)，LCD箝位技術(shù)和有源箝位技術(shù)[9]。2.4.1輔助磁通繞組復(fù)位輔助磁通繞組復(fù)位是一種傳統(tǒng)的磁芯復(fù)位方法，電路原理圖如圖2-6所示，它增加了一個附加線圈，在開關(guān)管關(guān)斷的時候，磁化能量通過輔助磁通繞組回饋到電源，磁化能量無損，而且技術(shù)成熟。但是變壓器需要增加一個附加線圈，繞制難度加大，同時體積也增大，而且，開關(guān)關(guān)斷后，變壓器的漏感將導(dǎo)致大的關(guān)斷尖峰電壓，需要附加抑制尖峰電壓電路。而且占空比不能超過0.5，不適合大功率輸出場合。圖2-6輔助磁通繞組復(fù)位電路2.4.2RCD箝位技術(shù)采用復(fù)位繞組的正激變換器有二個繞組，為了減小開關(guān)管關(guān)斷時的電壓尖峰，復(fù)位繞組和原邊繞組要緊密耦合，因此變壓器的設(shè)計和制作比擬復(fù)雜。為了簡化變壓器的設(shè)計與制作，在對本錢要求十分嚴格，而對變換效率要求不高的電源中，一般采用RCD箝位技術(shù)。在該變換器中，變壓器只有兩個繞組，不需要復(fù)位繞組，圖2-7給出了RCD箝位的正激變換器的主電路。圖中Cc是箝位電容，Rc是箝位電阻，Dc是箝位二極管。Cs是開關(guān)管Qf的結(jié)電容，變壓器原邊匝比為K=W1/W2。圖2-7RCD箝位技術(shù)的正激變換器RCD箝位的正激變換器的優(yōu)點:主開關(guān)管的結(jié)電容使變壓器雙向磁化，但結(jié)電容一般很小，變壓器一般很小，變壓器的反向磁化電流IM(一)也很小，因此變換器的最大占空比為0.5;開關(guān)管的電壓應(yīng)力比采用復(fù)位繞組時低;電路結(jié)構(gòu)簡單，本錢低廉。它的缺點是:局部勵磁能量消耗在箝位網(wǎng)絡(luò)中，同時開關(guān)管是硬開通的，存在開通損耗。因此該變換器適用于對效率要求不高，但對本錢要求嚴格的小容量應(yīng)用場合。2.4.3LCD箝位技術(shù)由于RCD箝位技術(shù)存在損耗，為了消除箝位網(wǎng)絡(luò)的損耗，本小節(jié)介紹一種LCD箝位技術(shù)。該箝位網(wǎng)絡(luò)由兩只箝位二極管Dc1和Dc2和一個箝位電感Lc和一個箝位電容Cc組成。由于箝位網(wǎng)絡(luò)中不存在電阻，因此該網(wǎng)絡(luò)是無損的。圖2-8給出了LCD箝位的正激變換器的主電路，Cs是開關(guān)管Q1的結(jié)電容，變壓器原副邊匝比為K=W1/W2。LCD箝位正激變換器的優(yōu)點是:主開關(guān)管的結(jié)電容使變壓器雙向磁化，但結(jié)電容一般很小，變壓器的反向磁化電流IM(一)也很小，因此變換器的最大占空比為0.5;開關(guān)管的電壓應(yīng)力比采用復(fù)位繞組時低;箝位網(wǎng)絡(luò)是無損耗的，勵磁能量和漏感能量全部回饋到電網(wǎng)中去了。它的缺點是箝位元件在諧振時峰值電流較大，這個電流流過開關(guān)管Q1，增加了Q1的電流定額和通態(tài)損耗。同時，開關(guān)管是硬開通的，存在開通損耗。圖2-8LCD箝位的正激變換器的主電路2.4.4有源箝位技術(shù)LCD箝位技術(shù)增加了開關(guān)管的電流定額和通態(tài)損耗，有源箝位(Activeclamp)技術(shù)那么不存在這個問題。有源箝位網(wǎng)絡(luò)由箝位開關(guān)管Qc和希位電容Cc組成，Dc是Qc的反并二極管。根據(jù)箝位電容Cc的位置不同，有源箝位正激變換器有兩種拓撲方式，它們的工作原理是一樣的。圖中Cs是開關(guān)管Q1的結(jié)電容，變壓器原副邊匝比為K=W1/W2。有源箝位的正激變換器的優(yōu)點是:變壓器是雙向?qū)ΨQ磁化的，工作在B-H回線的第一和第三象限，變壓器得到了充分利用，因此占空比可以大于0.5，而且開關(guān)管的電壓低，適合于輸入電壓范圍比擬寬的應(yīng)用場合;箝位開關(guān)管是零電壓開關(guān)的;勵磁能量和漏感能量全部回饋到電網(wǎng)中。它的缺點是主關(guān)管是硬開通的，存在開通損耗。圖2-9給出了有源箝位的正激變換器的主電路，CS是開關(guān)管Q1的結(jié)電容，變壓器原副邊匝比為K=W1/W2?！瞐〕主電路之一〔b〕主電路之二圖2-9有源箝位的正激變換器的主電路2.4.5正激變換器磁復(fù)位技術(shù)的性能比擬前面討論了正激變換器的幾種磁復(fù)位技術(shù)，圖2-10對它們進行了性能比擬。復(fù)位繞組〔W1=W2〕RCD箝位LCD箝位有源箝位電路拓撲簡單程度中優(yōu)中中主開關(guān)管電壓應(yīng)力主開關(guān)管開關(guān)條件零電壓關(guān)斷硬開通零電壓關(guān)斷硬開關(guān)零電壓關(guān)斷硬開通零電壓關(guān)斷硬開通輔助開關(guān)管開關(guān)條件———零電壓關(guān)斷和開通磁芯條件雙向不對稱磁化雙向不對稱磁化雙向不對稱磁化雙向不對稱磁化變換頻率中等低中等高圖2-10正激變換器磁復(fù)位技術(shù)的性能比擬經(jīng)過以上的分析后，本次設(shè)計的正激變壓器的磁復(fù)位采用輔助磁通繞組復(fù)位如圖2-11，其根本思路是:變壓器原邊繞組(或副邊繞組)上的正向電壓伏秒面積應(yīng)該等于負向電壓伏秒面積。為了使變壓器磁復(fù)位，通常是在變壓器中參加一個復(fù)位繞組W3(第三個繞組)。圖6是它的主電路和主要波形，從中可以看出，變壓器原邊繞組的正、負電壓伏秒面積是相等的。復(fù)位時，磁化電流流過復(fù)位繞組W3。開關(guān)管的電壓應(yīng)力為，在實際應(yīng)用中，為了降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，同時盡量提高變壓器的占空比D，一般使復(fù)位繞組的匝數(shù)與原邊繞組匝數(shù)相同，這樣變換器的占空比，開關(guān)管的電壓應(yīng)力為。由于本次設(shè)計有的控制芯片UC3844的最大占空比為0.5，輸出功率也很小，而且制作輔助磁通繞組價格也比擬廉價，采用輔助磁通繞組復(fù)位完全能夠滿足設(shè)計要求，更重要的是技術(shù)成熟，所以采用輔助磁通繞組復(fù)位較好?！瞐〕主電路〔b〕主要波形圖2-11采用復(fù)位繞組的正激變換器2.5輔助電源(反激)的RCD緩沖電路2.5.1要有RCD緩沖電路的原因反激有一個重要的電路設(shè)計。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，由于主變壓器〔原邊〕漏感〔L1K1〕和開關(guān)管輸出電容〔Coss〕之間的諧振作用，在開關(guān)管的漏極上會產(chǎn)生一個尖峰電壓。這個過程的漏極電壓可能導(dǎo)致雪崩擊穿并最終損壞開關(guān)管。因此，有必要增加一個附加電路〔鉗位電路〕來鉗住這個電壓[10]。2.5.2RCD緩沖電路由于漏感Llk1和電容Coss的諧振作用產(chǎn)生的過高電壓應(yīng)該被抑制在一個可接受的水平，通過一個附加電路，從而保護主開關(guān)管。RCD緩沖電路和主要點波形示于圖2-12及圖2-13。當(dāng)漏源電壓超過Vin+nVo時,RCD緩沖電路通過開通緩沖二極管〔Dsn〕來吸收漏感電流。假定緩沖電容足夠大，使得其兩端電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)不會發(fā)生變化。圖2-12反激的RCD緩沖電路圖2-13主要點的波形當(dāng)MOSFET關(guān)斷后，漏源電壓變?yōu)閂in+nVo,主要電流通過緩沖二極管〔Dsn〕流入緩沖電容(Csn)中，。與此同時，次極續(xù)流二極管導(dǎo)通。所以，漏感兩端的跨越電壓為Vsn-nVo。電流的斜率為：〔2-11〕其中，isn是流入緩沖電路的電流Vsn是緩沖電容的〔極間〕跨越電壓 n是主變壓器的匝數(shù)比 Llk1是主變壓器原邊漏感。時間ts可由下式得到：〔2-12〕其中，Ipeak是原邊峰值電流。緩沖電容電壓Vsn確實定應(yīng)該在最小輸入電壓和滿負載的情況下。一旦Vsn確定，那么在緩沖電路上的功率消耗〔在最小輸入電壓、滿負載情況下〕可由下式得到：〔2-13〕其中，fs是反激變換器的開關(guān)頻率。 Vsn應(yīng)為nVo的2～2.5倍，Vsn過小會導(dǎo)致緩沖電路的緩沖作用明顯減小，正如前面公式〔3〕所描述的一樣。 另一方面，由于在緩沖電阻上消耗的功率為Vsn2/Rsn,所以其阻值可由下式得到：〔2-14〕緩沖電阻的適宜額定功率應(yīng)當(dāng)根據(jù)起功率消耗的大小來選取。緩沖電容最大的紋波電壓有下式確定：〔2-14〕通常，5%～10%的紋波是合理的。從而，在以上所有方程式中緩沖電容的容值是適宜的。當(dāng)變換器被設(shè)計工作在CCM時，漏極峰值電流ipeak和電容兩端電壓Vsn隨輸入電壓的增加而減小。緩沖電容極間電壓在最大輸入電壓、滿負載情況下由下式得到：(2-15)其中，fs是反激變換器的開關(guān)頻率 Llk1是原邊漏感 n是變壓器匝數(shù)比 Rsn緩沖電阻阻值 Ipeak2是最大輸入電壓、滿載下原邊峰值電流當(dāng)變換器工作于CCM并且在最大輸入電壓、滿載下，〔原邊電感〕峰值電流Ipeak2可由下式得到：〔2-16〕當(dāng)變換器工作欲DCM并且在最大輸入電壓、滿載下，〔原邊電感〕峰值電流Ipeak2可由下式得到：〔2-17〕其中，Pin是輸入功率Lm是變壓器原邊電感量VDCmax是最大輸入直流電壓2.6變換器的電路結(jié)構(gòu)框圖經(jīng)過以上正激和反激電路根本拓撲的分析可得出本次設(shè)計的電路框圖如圖2-14所示，本次設(shè)計采用正激結(jié)構(gòu)，另外輔助電源〔反激〕電路給控制電路中的芯片UC3844供電以維持芯片的工作[12]。反應(yīng)電路采用TL431芯片以實現(xiàn)誤差放大，從而使輸出電壓有很小的變動時就能夠調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定；控制電路中采用了UC3844芯片從而對開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷進行控制，這樣就改變了占空比D，從而可以調(diào)節(jié)輸出電壓使其穩(wěn)定在12V左右，由于輸出與輸入不是一個地，所以控制電路和反應(yīng)電路之間要加光耦隔離，采用的PC817芯片。圖2-14整個設(shè)計的電路框圖而輔助電源的主電路采用反激式拓撲，輔助電源給控制電路中的芯片UC3844供電。反激拓撲在小功率電源場合及其的有優(yōu)勢，不僅電路設(shè)計簡單，而且本錢很低。反激拓撲的控制電路采用專用集成芯片UC3843作為PWM輸出來驅(qū)動開關(guān)管。主要的目的是為主電路控制芯片及運算放大器提供電源的。從拓撲上考慮，反激拓撲具有不需要接次級輸出濾波電感，本錢低，體積小，很適合用做中小功率等級，具有多路輸出的特性，適用用做輔助電源[13]。第三章正激電路設(shè)計正激電路包括框圖中的輸入濾波電路、主電路、輸出濾波電路、反應(yīng)電路及控制電路，是本次設(shè)計的重點，下面對這些電路進行了介紹及設(shè)計。3.1輸入濾波電路在集成開關(guān)電源的設(shè)計中，需要用到許許多多的電容器，當(dāng)然種類也各不相同。譬如輸入濾波電容器、輸出濾波電容器、旁路電容器、耦合電容器、消噪電容器、退耦電容器、振蕩電容器、頻率補償電容器、軟啟動電容器、平安電容器(包含X電容器和Y電容器)等，如圖3-1。按照電容器的介質(zhì)材料來劃分，電容器主要包括有紙介電容器、鋁解電容器、陶瓷電容器(包括多層陶瓷電容器)、擔(dān)電容器、薄膜電容器以及貼片電容器。而電解電容具有體積小、容量大等特點，它主要有鋁電解、鉭電解、鈮電解電容器三種。由于鉭電解、鈮電解電容器價格較高，且耐壓低，在開關(guān)電源中應(yīng)用的絕大多數(shù)為鋁電解電容器[14]。X電容Y電容電解電容圖3-1幾種電容的實物圖由于本次設(shè)計的變換器輸入電壓是直流，直流的波動比擬小，所以輸入濾波電路只是一個電容器。不需要像輸入交流電那樣選擇，只需要選擇一個適宜的就行，本次設(shè)計選擇的是100/63V即可，這個電容器有濾波和儲能作用，在變換器剛啟動時，輸入電源來不及供電時，它可以供電，從而使輸入波動較小，3.2開關(guān)頻率確實定在設(shè)計變壓器之前要選擇變化器的開關(guān)頻率，而且開關(guān)頻率對電源體積以及特性影響很大，必須很好地選擇。工作頻率高時，輸出濾波器和輸出變壓器可小型化，過渡響應(yīng)速度快。但主開關(guān)元件的熱損耗增大，噪聲大，而且集成控制器、主開關(guān)元件、輸出二極管、輸出電容以及輸出變壓器的磁芯、還有電路設(shè)計等都受到限制[15]。另外，還要注意輸出變壓器繞組匝數(shù)。因此，這里UC3844的振蕩器選擇RT=R8=12k,CT=C19=1000PF，那么(3-1)所以6腳的輸出頻率〔驅(qū)動頻率〕為：(3-2)3.3主電路設(shè)計主電路的設(shè)計主要包括變壓器、電感和MOS管的設(shè)計。3.3.1主電路中變壓器的設(shè)計變壓器是利用互感應(yīng)實現(xiàn)能量或信號傳輸?shù)钠骷?。在開關(guān)電源主電路中，變壓器用于輸入輸出之間隔離及電壓變換。開關(guān)電源中使用磁性元件比擬多，這其中包括作為開關(guān)電源核心的高頻功率變壓器、驅(qū)動變壓器、電流互感器、低壓輔助電源變壓器以及各種濾波電感等，通常把這些統(tǒng)稱為電子變壓器，他們是電力電子電路中儲能、轉(zhuǎn)換以及隔離所必備的元件。磁性元器件在整個的開關(guān)電源中所占的比重很大，對于開關(guān)電源的質(zhì)量、體積、本錢以及效率都有很顯著的影響，特別是高頻功率變壓器，它對于整個開關(guān)電源的性能更是有著舉足輕重的影響[16]。高頻變壓器具有電壓變化、電氣隔離和能量傳輸三項主要功能，是開關(guān)電源的核心部件，它的設(shè)計和計算也是最復(fù)雜的。在能量傳輸方面，高頻變壓器有兩種方式:一是變壓器傳輸方式，即加在一次繞組上的電壓，在磁心中產(chǎn)生了磁通變化，使二次繞組產(chǎn)生感應(yīng)電壓，從而到達使能量從變壓器的一次側(cè)傳輸?shù)蕉蝹?cè)的目的;另一種是電感器傳輸方式，即在一次繞組上施加電壓，會產(chǎn)生勵磁電流并且使磁心磁化，并將電能轉(zhuǎn)變成磁能存儲起來，而后通過去磁可以使二次繞組產(chǎn)生感應(yīng)電壓，從而到達將磁能變換為電能釋放給負載的效果,下面就是變壓器設(shè)計的過程[17]。1.鐵芯材料的選取在設(shè)計高頻變壓器的時候，應(yīng)當(dāng)首先從選擇磁心開始，然后再確定繞組的匝數(shù)。在設(shè)計的過程中，需要了解與磁心相關(guān)的多種特性以及參數(shù)，并且需要進行多種參數(shù)的計算和校驗。不同工作頻率的變壓器，可以選擇不同磁性材料的鐵芯和不同的鐵芯規(guī)格。選擇鐵芯的材料和規(guī)格，除了根據(jù)變壓器的工作頻率和功率容量以外，還要考慮鐵芯的損耗和溫升，并在合理控制變壓器體積的根底上，盡量降低其本錢。目前廣泛應(yīng)用的磁性材料主要有硅鋼片、鐵氧體、非晶態(tài)合金、微晶合金和鐵粉芯等。鐵氧體的電阻率可以做得很高，因此高頻損耗小，工作頻率高。另外鐵氧體工藝性能好，價格廉價，性價比高。比擬適應(yīng)十中小功率的脈沖變壓器的設(shè)計。本次設(shè)計選用的是磁性材料是PC40，其Bs=0.39T，Br=0.055T，所以取，滿足條件。2.AP公式在開關(guān)電源中，高頻變壓器的磁心尺寸的選擇與其工作頻率、輸出功率、電路結(jié)構(gòu)以及繞組匝數(shù)等許多的因素都有關(guān)系，是整個高頻變壓器設(shè)計工作的難點。而在設(shè)計高頻變壓器的時候，面積乘積法是最為常用的方法，通常也簡稱AP法。由電磁感應(yīng)定律得：(3-3)(3-4)另外從窗口能否夠用得：(3-5)其中J為電流密度，為電流有效值，，Ku為填充系數(shù)，Kp為原邊面積系數(shù)。所以(3-6)從而〔3-7)令A(yù)p=AeAw,(3-8)按照Ap值選擇一個比實際所需Ap大的變壓器型號，式中Ae為鐵芯磁路面積，Aw為鐵芯窗口面積，為鐵芯材料所允許的最大磁通密度的變化范圍，f為開關(guān)頻率。令,Kt為均方根電流系數(shù)?！?-9〕令KpKuKt=K′為拓撲系數(shù)，再令D=Dmax=0.5，溫升30oC時，J=，Ap取因此〔3-10〕假設(shè)變壓器的效率為85%。所以本次設(shè)計的變壓器的實際所需Ap值：〔3-11〕為了使銅線能夠很好地繞制，本次設(shè)計的變壓器選擇的型號是EE40〔Ae為1.28cm2，Aw為1.08mm2〕，其Ap=1.38cm4值遠大于實際制作的變壓器的，所以滿足條件。3.確定變壓器的原副邊匝數(shù)由于UC3844的最大占空比為0.5，所以本次設(shè)計先假設(shè)Dmax=0.4由電磁感應(yīng)定律得：〔3-12〕〔3-13〕又由于取，所以原邊匝數(shù)：〔3-14〕變壓器的匝數(shù)比：=1.26154〔3-15〕所以副邊匝數(shù)：〔3-16〕由于匝數(shù)是整數(shù)，所以取Ns為8匝，重新核算原邊匝數(shù)Np：Np=Nsn=10.09,所以取Np為11匝。重新核算實際的占空比，由電路一個周期內(nèi)，通過電感的電流代數(shù)和為零得：〔3-17〕其中，為二極管的壓降Dmax=0.436<0.5，滿足要求。4.原邊線徑Dp由于溫升30oC時，〔3-18〕所以可以選擇J=4.00A/mm2。原邊電流有效值：〔3-19〕所以原邊橫截面積：〔3-20〕所以原邊線徑：〔3-21〕而集膚效應(yīng)的集膚為：〔3-22〕且D>2，所以要考慮集膚效應(yīng)?？梢赃x擇多股并繞，所以選擇線徑為0.53mm的銅線，由于，即原邊采用線徑為0.53的銅線3股并繞。5.副邊線徑Ds副邊的電流有效值：〔3-23〕所以副邊的橫截面積：〔3-24〕因此副邊的線徑：〔3-25〕由于線徑很大，所以要考慮集膚效應(yīng)，可以也選擇線徑為0.53mm的銅線，由于，即副邊采用線徑為0.53mm的銅線4股并繞。6.磁復(fù)位繞組磁復(fù)位繞組繞組取與原邊相同的匝數(shù)，即11匝，可以取線徑為0.33mm的銅線，而且要與原邊并繞，這樣耦合系數(shù)接近1。綜上本次主電路中的變壓器參數(shù)為：原邊為11匝，采用線徑為0.53的銅線3股并繞；副邊為8匝，采用線徑為0.53mm的銅線4股并繞；磁復(fù)位為11匝，采用線徑為0.33mm的銅線，圖3-2是實際制作完成的變壓器。圖3-2實際制作完成的變壓器3.3.2主電路中電感的設(shè)計電感量L也稱作自感系數(shù),是表示電感組件自感應(yīng)能力的一種物理量.當(dāng)通過一個線圈磁通(即通過某一面積的磁力線數(shù))發(fā)生變化時,線圈中便會產(chǎn)生電勢,這是電磁感應(yīng)現(xiàn)象.所產(chǎn)生的電勢稱感應(yīng)電勢,電勢大小正比于磁通變化的速度和線圈匝數(shù).當(dāng)線圈中通過變化的電流時,線圈產(chǎn)生的磁通也要變化,磁通掠過線圈,線圈兩端便產(chǎn)生感應(yīng)電勢,這便是自感應(yīng)現(xiàn)象,自感電勢的方向總是阻止電流變化的,猶如線圈具有慣性,這種電磁慣性的大小就用電感量L來表示.L的大小與線圈匝數(shù),尺寸和導(dǎo)磁材料均有關(guān),采用硅鋼片或鐵氧體作線圈鐵芯,可以較小的匝數(shù)得到較大的電感量.L的根本單位為H(亨)實際用得較多的單位為mH(毫亨)和uH(微亨)1H=103mH=106uH。1.電感的感值本次設(shè)計選擇的頻率f=75KHZ，取臨界連續(xù)時，，所以〔3-26〕，而Dmax=0.436，所以變換器工作在連續(xù)區(qū)。而臨界連續(xù)時，電感的電流：〔3-27〕所以取L=119。2.電感的線徑流過電感的電流有效值：,而J=4A/mm2所以電感線圈的橫截面積：〔3-28〕線徑:,由于要考慮集膚效應(yīng)，所以仍然采用0.53mm的銅線繞制，由于，所以采用4股并繞。3.電感的匝數(shù)NL流過電感的峰值電流：〔3-28〕由電磁感應(yīng)得：〔3-29〕所以取21匝。4.選磁芯磁芯材料仍然選用PC40，按照變壓器的匝數(shù)和線徑，骨架采用EE40仍然滿足條件。綜上，電感為21匝，采用0.53mm的銅線4股并繞。3.3.3主電路中MOS管的選擇MOSFET功率開關(guān)管具有輸入阻抗極高、通態(tài)電阻低、開關(guān)速度快、耐壓高、本錢低廉等優(yōu)點，是一種極有開展前途的新型MOSFET功率器件。MOSFET功率開關(guān)管是三端電壓控制型開關(guān)器件，屬于絕緣柵型場效應(yīng)管，而雙極型晶體管是三端電流控制型開關(guān)器件。在開關(guān)電源的電路中，MOSFET功率開關(guān)管的使用與雙極型晶體管相似，當(dāng)柵極有驅(qū)動電壓時，MOSFET功率開關(guān)管完全導(dǎo)通，驅(qū)動電壓需要滿足盡可能的減小導(dǎo)通壓降的要求。當(dāng)柵極沒有驅(qū)動電壓時，MOSFET功率開關(guān)管關(guān)斷，此時，MOSFET開關(guān)管承受輸入電壓或其數(shù)值的幾倍。MOSFET功率開關(guān)管的主要特點是在溝道與金屬柵極之間存在一層二氧化硅的絕緣層，因此它具有相當(dāng)高的輸入電阻，其值最高時可達。它可以分為N溝道管和P溝道管兩種類型。通常情況一下，將襯底(即基板)與源極S連接在一起。依據(jù)導(dǎo)電方式的不同，MOSFET又可以分為增強型與耗盡型兩種類型。增強型MOSFET管應(yīng)當(dāng)滿足的條件是當(dāng)UGS=0的時候，管子呈截止狀態(tài)，加上正確的UGs，即對于N溝道管來說，要求，對于P溝道管來說，要求，此時多數(shù)載流子就被吸引到柵極，從而也就“增強〞了該區(qū)域的載流子，也就形成了導(dǎo)電的溝道。對于耗盡型MOSFET管來說，應(yīng)滿足的條件是當(dāng)?shù)臅r候即形成溝道，加上正確的(對于N溝道管要求)，此時能夠使多數(shù)載流子流出溝道，也即是“耗盡〞了載流子，從而使管子轉(zhuǎn)向截止。MOSFET管的三端引腳分別稱為漏極〔D〕、柵極(G)與源極(S)，分別對應(yīng)于雙極型晶體管中的集電極、基極與發(fā)射極。通常情況下，MOSFET功率開關(guān)管采用N溝道，這主要是因為在同樣的情形下，N溝道管的通態(tài)電阻要比P溝道管的通態(tài)電阻小，且開關(guān)速度比P溝道管快。在使用時，可以將MOSFET的源極和漏極互換，這是因為二者是對稱的。對于N溝道的MOSFET管來說，只要在柵極和源極(漏極)之間加上正向的電壓，它就可以雙向?qū)?，因此，MOSFET管可以用在同步整流的電路中。一般情況下，MOSFET功率開關(guān)管的工作電流從幾安培到幾百安培，輸出功率更是從幾十瓦到幾千瓦，而開關(guān)頻率可以到達幾百千赫茲到1MHz以上。因此，在目前的中、小功率的開關(guān)電源中，大都使用MOSFET作為開關(guān)電源的功率開關(guān)管。本次設(shè)計的開關(guān)管采用N溝道增強型MOS管[18]。流過MOS管的電流為：(3-30)對電路進行分析后知道MOS管漏源極電壓為：(3-31)所以選擇IRF640〔18A/200V〕。3.3.4主電路中二極管的選擇二極管是最為簡單又是十分重要的一種電力電子器件，在開關(guān)電源的輸入整流電路、逆變電路、輸出高頻整流電路以及緩沖電路中均有使用。開關(guān)電源中應(yīng)用的二極管除電壓、電流等參數(shù)與電子電路中的二極管有較大差異外，其根本結(jié)構(gòu)和工作原理是相同的，在這里不再具體介紹了。1.整流二極管流過二極管的峰值電流：(3-32)二極管兩端的電壓：(3-33)2.續(xù)流二極管流過二極管的峰值電流：二極管兩端的電壓：所以整流和續(xù)流二極管采用共陰極結(jié)構(gòu)的MBR20210〔20A/100V〕〔兩個二極管集合在一起的芯片〕，圖3-3即為MBR20210的實物圖。圖3-3MBR20210的實物圖3.磁復(fù)位中的二極管流過二極管的電流：(3-34)有效值：(3-35)輸入電壓Vin=57V。所以選擇MUR460〔600V/4A〕。3.4輸出濾波電路濾波電容在開關(guān)電源中起著非常重要的作用，如何正確的計算和選擇輸出濾波電容，是設(shè)計開關(guān)電源中需要解決的關(guān)鍵問題。有前面計算的電感量L=119，流經(jīng)電感的電流如圖3-4所示。(3-36)圖3-4流過電感的電流波形這里選為輸出電流的10%～30%，從電感的外形尺寸、本錢、過渡響應(yīng)等方面考慮，此值比擬適合。因此，按為的20%進行計算[11](3-37)輸出電容大小主要由輸出紋波電壓抑制為幾mV而確定。輸出紋波電壓由以及輸出電容的等效串聯(lián)電阻ESR確定，但輸出紋波一般為輸出電壓0.3%～0.5%(3-38)(3-39)所以，，即工作頻率為85KHZ，需要使用ESR值為12以下的電容。還可以用另一種方法求解輸出流波電容器，因為紋波電壓(3-40)因此，結(jié)合實際選擇470的電容。3.5反應(yīng)電路及控制電路3.5.1芯片選擇反應(yīng)電路和控制電路需要用到一些芯片，所以在設(shè)計反應(yīng)和控制電路前需要對他們進行介紹。1．PWM控制芯片UC3844介紹UC3844芯片是美國Unitrode公司〔已被TI公司收購〕生產(chǎn)的高性能電流型脈寬調(diào)制器〔PWM〕控制器。早期的PWM控制器是電壓控制性的，常用的電壓型PWM控制器由TL494、TL495、SG3525、SG3524等。電壓型PWM是指控制器按照反應(yīng)電壓來調(diào)節(jié)輸出脈寬的，電流型PWM是指控制器按反應(yīng)電流來調(diào)節(jié)輸出脈寬。電流型PWM是在脈寬比擬器的輸入端，直接用流過輸出電感線圈電流的信號與誤差放大器輸出信號進行比擬，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。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比擬理想的新型PWM控制器。UC3844是高性能固定頻率電流模式控制器專為離線和直流至直流變換器應(yīng)用而設(shè)計，為設(shè)計人員提供只需最少外部元件就能獲得本錢效益高的解決方案。這些集成電路具有可微調(diào)的振蕩器、能進行精確的占空比控制、溫度補償?shù)膮⒖?、高增益誤差放大器。電流取樣比擬器和大電流圖騰柱式輸出，是驅(qū)動功率MOSFET的理想器件。其它的保護特性包括輸入和參考欠壓鎖定，各有滯后、逐周電流限制、可編程輸出靜區(qū)時間和單個脈沖測量鎖存。這些器件可提供8腳雙列直插塑料封裝和14腳塑料外表貼裝封裝〔SO-14〕。SO-14封裝的圖騰柱式輸出級有單獨的電源和接地管腳。其是專門設(shè)計用于離線和直流到直流交換器應(yīng)用的高性能，固定頻率，電流模式控制器。為設(shè)計者提供使用最少外部元件的高性能價格比的解決方案。UC3844有16V〔通〕和10伏〔斷〕低壓鎖定門限，十分適合于離線變換器[19]。其特點有：自動前饋補償、鎖存脈寬調(diào)制，可逐周限流、鎖存脈寬調(diào)制，可逐周限流、內(nèi)部微調(diào)的參考電壓，帶欠壓鎖定、大電流圖騰柱輸出、欠壓鎖定，帶滯后、低啟動和工作電流、直接與安森美半導(dǎo)體的SENSEFET產(chǎn)品接口、電流模式工作到500KHZ、輸出靜區(qū)時間從50%到70%可調(diào)。UC3844是電流型單端輸出式PWM，其最大占空比為0.5，啟動電壓16V，具有過壓保護和欠壓鎖定功能。當(dāng)工作電壓大于34V時，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，使內(nèi)部電路小于34V電壓下可靠工作；當(dāng)輸入電壓低于10V時，芯片被鎖定，控制器停止工作。其內(nèi)部框圖3-5和引腳圖如圖3-6所示圖3-5芯片UC3844的內(nèi)部框圖〔a〕芯片的實物圖〔8管腳〕〔b〕芯片的實物圖〔14管腳〕圖3-6芯片UC3844的引腳圖在圖3-5中，反應(yīng)電壓和2.5V基準電壓之差，經(jīng)誤差放大器E/A放大后作為門限電壓，與反應(yīng)電流經(jīng)采樣后的電壓，一起送到電流感應(yīng)比擬器。當(dāng)電流取樣電壓超過門限電壓后，比擬器輸出高電平觸發(fā)RS觸發(fā)器，然后經(jīng)或非門輸出低電平，關(guān)斷功率管，并保持這種狀態(tài)直至振蕩器輸出脈沖到觸發(fā)器和或非門為止。這段時間的長短由振蕩器輸出脈沖寬度決定。PWM信號的上升沿由振蕩器決定，下降沿由功率開關(guān)管電流和輸出電壓共同決定。反轉(zhuǎn)觸發(fā)器限制PWM的占空比調(diào)節(jié)范圍在0～50%之內(nèi).UC3844的振蕩工作頻率由引腳4與引腳8之間所接定時電阻RT、引腳4與地之間所接定時電容CT設(shè)定。計算公式為:。引腳2是電壓反應(yīng)端，將取樣電壓加至E/A誤差放大器的反相輸入端，與同向輸入端的2.5V基準電壓進行比擬產(chǎn)生誤差電壓。利用內(nèi)部E/A誤差放大器可以構(gòu)成電壓環(huán)。引腳3是電流反應(yīng)端電流取樣電壓由引腳3輸入到電流比擬器。當(dāng)引腳3電壓大于1V時輸出關(guān)閉。利用引腳3和電流比擬器可以構(gòu)成電流環(huán)。引腳1是補償端，外接阻容元件以補償誤差放大器的頻率特性。引腳8為5V基準電壓，帶載能力50mA。引腳6為推挽輸出端，有拉灌電流的能力。引腳5為公共端。引腳7為集成塊工作電源端，電壓范圍為8V～12V。UC3844的輸出級為圖騰式電路，與SG3525的一端完全相同。輸出平均電流值為，最大峰值電流，可直接驅(qū)動功率管。由于峰值電流自限，可以不要串入限流電阻。對于電流型控制芯片UC3844，使輸出驅(qū)動信號關(guān)斷的方法有兩種：一種是將引腳1的電壓降到1V以下，另一種是將引腳3的電壓升至1V以上。這兩種方法都是使電流比擬器輸出高電平，PWM鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出端，直至下一個時鐘將PWM鎖存器置位為止。根據(jù)這一原理可以控制引腳1、3電壓的變化，實現(xiàn)各種必要的保護。而輔助電源〔反激〕用的芯片UC3843其實和UC3844幾乎一樣，只是UC3844的管腳6輸出的頻率是振蕩器頻率的一半，UC3843的是一樣的，所以UC3843不再做介紹。2．光耦合器PC817光耦合器也稱為光電耦合器或者光隔離器，簡稱光耦，它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常是把發(fā)光器件(紅外發(fā)光二極管LED)與受光器(光敏三極管)封裝在同一個管殼里面，當(dāng)輸入側(cè)加上電信號時，發(fā)光器發(fā)出光線，而受光器在接收光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了“電一光