寬輸入變頻開關(guān)電源設(shè)計說明

1、科信學院 課程設(shè)計說明書 （2017/2018學年第一學期） 課程名稱:電力電子技術(shù)應(yīng)用設(shè)計課程設(shè)計 題 目:寬電壓輸入變頻開關(guān)電源的設(shè)計 專業(yè)班級：電氣工程及其自動化 1425 學生 ： 學 號： 指導教師：增環(huán)、杜永、路巍等 設(shè)計周數(shù)：兩周 設(shè)計成績 ： 2018 年1月5日 引言 開關(guān)電源就是采用功率半導體器件作為開關(guān)元件，通過周期性通斷開關(guān)，控制開關(guān)元件的占 空比來調(diào)整輸出電壓。開關(guān)電源具有以下特征：電源電壓和負載在規(guī)定的圍變化時，輸出電壓 應(yīng)保持在允許的圍或按要求變化；輸出與輸入之間有良好的電氣隔離；可以輸出單路或多路 電壓，各路之間有電氣隔離。 常用的開關(guān)電源多采用固定開關(guān)頻率，當

2、輸入電壓過高時，占空比過小，開通時間太短，可能 引起開通脈沖丟失，造成電源工作不穩(wěn)定。常用的開關(guān)電源輸入是市電經(jīng)整流后的穩(wěn)定電壓，但 一些供電不穩(wěn)定的場合或因某些設(shè)備導致市電局部不穩(wěn)定，輸入電壓會存在大圍的波動，為了適 應(yīng)這種情況，本課程設(shè)計了一款50v-260v的交流輸入，多路輸出的具有自主改變開關(guān)頻率的輔助電 源。根據(jù)輸入電壓大小改變開關(guān)頻率，保證電源在寬輸入電壓圍，可靠的為系統(tǒng)供電。 在本課題設(shè)計開發(fā)過程中，我們使用Matlab數(shù)學仿真及Altium Designer 軟件，并最終實現(xiàn)電 路改造設(shè)計，并達到預(yù)期的效果。 關(guān)鍵字；寬輸入 變頻 開關(guān)電源 目錄 一、開關(guān)電源現(xiàn)狀和發(fā)展 4 1

3、.1開關(guān)電源現(xiàn)狀 4 1.2開關(guān)電源類型 4 二、設(shè)計方案 4 2.1 設(shè)計要求 4 2.2設(shè)計思路 5 三、方案設(shè)計 5 3.1 控制電路設(shè)計 5 3.2誤差放大器設(shè)計 9 3.3過/欠電壓保護 9 3.4過流/過載保護 10 3.5反激變壓器設(shè)計 10 3.6反饋回路設(shè)計 11 3.7設(shè)計小結(jié) 12 四課程設(shè)計總結(jié) 12 參考文獻 13 一、開關(guān)電源現(xiàn)狀和發(fā)展 1.1開關(guān)電源現(xiàn)狀 目前，開關(guān)電源正在向“四化”的方向發(fā)展：應(yīng)用技術(shù)的高頻化、硬件結(jié)構(gòu)的模塊化、軟件 控制的數(shù)字化和產(chǎn)品性能的綠色化。 開關(guān)電源最突出的優(yōu)點是體積小，重量輕。這一優(yōu)點是和系統(tǒng)的高頻工作狀態(tài)相關(guān)的。進一 步提高工作頻率

4、，電源的體積和重量將更加小，從而實現(xiàn)更高的功率密度。使開關(guān)電源進入更廣 泛的領(lǐng)域。 開關(guān)電源的控制已經(jīng)由模擬控制，模數(shù)混合控制，進入到全數(shù)字控制階段。全數(shù)字控制作為 開關(guān)電源的發(fā)展趨勢，已經(jīng)在許多功率變換設(shè)備中得到應(yīng)用。近兩年來，高性能全數(shù)字控制芯片 相繼開發(fā)，費用也降到比較合理的水平，歐美已有很多公司開發(fā)并且制造出開關(guān)變換器的數(shù)字控 制芯片及軟件。 1.2開關(guān)電源類型 開關(guān)電源一般有三種工作模式：頻率、脈沖寬度固定模式，頻率固定、脈沖寬度可變模式，頻 率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于DC/AC逆變電源，或 DC/DC電壓變換；后兩種工 作模式多用于開關(guān)穩(wěn)壓電源。另外，開關(guān)電源輸出電

5、壓也有三種工作方式：直接輸出電壓方式、 平均值輸出電壓方式、 幅值輸出電壓方式。同樣，前一種工作方式多用于 DC/AC逆變電源，或DC/DC 電壓變換；后兩種工作方式多用于開關(guān)穩(wěn)壓電源。 根據(jù)開關(guān)器件在電路中連接的方式，目前比較廣泛使用的開關(guān)電源，大體上可分為：串聯(lián)式 開關(guān)電源、并聯(lián)式開關(guān)電源、變壓器式開關(guān)電源等三大類。其中，變壓器式開關(guān)電源（后面簡稱 變壓器開關(guān)電源）還可以進一步分成：推挽式、半橋式、全橋式等多種；根據(jù)變壓器的激勵和輸 出電壓的相位，又可以分成：正激式、反激式、單激式和雙激式等多種；如果從用途上來分，還 可以分成更多種類。 2.1設(shè)計要求 設(shè)計一個寬電壓輸入變頻開關(guān)電源（ 1

6、 ）認真查閱選用器件的技術(shù)資料，參考教材中相關(guān)容, 選擇合適的構(gòu)成方案，繪制總體結(jié)構(gòu)框圖。（2）設(shè)計并繪制完整的電路原理圖（3）按照計算電 路參數(shù)和仿真波形的需要繪制仿真電路圖或建立仿真模型并進行電路的計算機仿真（4）通過計算 和仿真，選擇電路圖中所有元件，列出器件清單，包括器件名稱，型號和規(guī)格，封裝形式，數(shù)量 等; 對變壓器要說明原副邊繞組的構(gòu)成以及每個繞組的電壓和電流。（5）在選擇電路參數(shù)下通過 仿真獲取至少 9個主要點的波形，建議如下：核心控制芯片振蕩器的波形和控制輸出的波形，主 開關(guān)管承受電壓和流過電流的波形，變壓器原邊繞組電壓和電流的波形，變壓器各副邊繞組中電 流的波形。（6）通過仿

7、真驗證控制電路器件參數(shù)的合理性，說明在選定的參數(shù)下輸入電壓低至多 少時電源仍能正常工作。（7）總結(jié)設(shè)計工作，撰寫設(shè)計說明書。 22設(shè)計思路 開關(guān)電源大致由主電路操控電路、檢測電路、輔助電源四大部份組成 1. 主電路 沖擊電流限幅：限制接通電源瞬間輸入側(cè)的沖擊電流。 輸入濾波器：其作用是過濾電網(wǎng)存在的雜波及阻礙本機產(chǎn)生的雜波反饋回電網(wǎng)。 整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電。 逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關(guān)電源的核心部分。傳出整流與濾波： 根據(jù)負載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。 2. 控制電路 一方面從傳出端取樣，與設(shè)定值進行比較，然后去操控逆變器，改變其脈寬或

8、脈頻，使傳出 穩(wěn)定， 另一方面，根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護電路鑒別，提供操控電路對電源進行各種保護 措施。 3. 檢測電路 提供保護電路中正在運行中各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。 4. 輔助電源 實現(xiàn)電源的軟件（遠程）啟動，為保護電路和操控電路（PWM等芯片）工作供電。 二、萬案設(shè)計 3.1 控制電路設(shè)計 UC3845是高性能固定頻率電流模式控制器，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成本效益高的解決方案。該集成電路的特點是：具有振蕩器、 溫度補償?shù)膮⒖?、高增益誤差放大器，電流取樣比較器和大電流圖騰柱輸出，是驅(qū)動功率MOSFET 的理想器件。其它的保護特性

9、包括帶滯后的輸入和帶滯后的參考欠壓鎖定逐周電流限制單個脈沖 測量鎖存，以及每隔一個振蕩周期將輸出消隱的觸發(fā)器。允許將輸出靜區(qū)定為50%至70%。這些 器件可提供8管腳雙列直插塑料封裝和 14管腳塑料表面貼裝 SO-14封裝SO-14封裝的圖騰柱式 輸出級有分離的電源和接地管腳。UC3845是電流控制集成芯片，其工作原理見圖1,是在電壓控制 型電路的基礎(chǔ)上增加了一個電流反饋環(huán)節(jié)，當采樣電壓 Vs與Ve相同時，PWMb匕較器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，鎖存器置零，VT截止。因而誤差信號 Ve實際上控制的是電感峰值電流。 (S0-14)。 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)

10、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腳塑料表面貼裝封裝 S0-14封裝的圖騰柱式輸出級有單獨的電源和接地管腳。 其工作原理框圖如下； 圖1電流控制型電路原理圖 電流控制型特點: 電流控制型較之電壓控制型的優(yōu)點 主要有如下幾點： 1）對輸入電壓的響應(yīng)快。當輸入電壓發(fā)生變化時，控制電路無需經(jīng)過誤差放大器即能進行調(diào)節(jié) , 因而電路線性調(diào)節(jié)好。誤差放大器即能進行調(diào)節(jié)，因而電路線性調(diào)節(jié)好。誤差放大器被設(shè)計成 專用來進行負載變化的調(diào)節(jié) 2）對負載變化響應(yīng)快，回路穩(wěn)定性好。變換器中電感電流是連續(xù)的，控制峰值電流就相當于控制平 均電流。在電流控制型電路中，可把電感器當作一個誤差

11、電壓控制的電流源，誤差放大器構(gòu)成的 閉環(huán)控制的響應(yīng)頻帶比電壓控制型 3）電流控制型電路中由誤差放大器構(gòu)成的調(diào)節(jié)器可以簡化。圖4（a）為電壓控制型電路的調(diào)節(jié)器, 由于電感電路滯后因素，電感電流已達預(yù)定值，而Ci在調(diào)節(jié)過程中充的電壓卻要過一段時間才 能放完;（b）為電流控制型電路的調(diào)節(jié)器。因電流控制型電路本身具有一個電流反饋，調(diào)節(jié)器就 無需RiCi，電路得以簡化。 4）限流電路簡單。只要限制誤差放大器的輸出電壓即可達到限制峰值電流。電壓控制型電路常會 因輸入電壓的浪涌而產(chǎn)生很大的尖峰電流損壞晶體管。電流控制型電路則可避免這類故障的發(fā) 生 5）對模塊結(jié)構(gòu)并聯(lián)工作系統(tǒng)具有自動電流分配和均流功能。 圖2

12、 UC3845部電路框圖及引腳圖 管腳連接圖 7卜密 1 X-Z 1 a 社hk嵐燼 2 7 *CC 3 了 Mbrli 堆 1 n 14恤 2 電壓反誠 3 1 L VGC 辛胸I 4 1 1 Vc 5 ! 1 r地 RtCt 丫 4 r迪船地 管腳功能說明 i 1 諫管脾為誦羞枚坤出井可用于環(huán)路補償。 2 3 軸i反攢 謹哲腳拈疋，咸K塑的反枷輸入，iiiifia 個電陰分壓器連 至幵關(guān)電源輸出. 3 5 電濟取樣 Td比J屯博沖電沆也電MJ紗虺卜輸人，脈址訥牛闍便刃 此倡思中止輸出幵關(guān)梵導UL 4 7 RtJCt 逋迥將電阻島連呈僑并娜也釋Cr連錄哋，便鮒掘蔚器額率 和廉大輸出占空比可載

13、丁作擁率町達1 QMHZ. 5 （也 i斜他址齊涮電fif和戌源的公其地Me itwnyi而 6 10 諭輸出莊接嶇動功率MOSFET的榜槻*商達1.U的絕值電 療曲此管曲拉刖ML輸出開關(guān)頻率為掘疆黠頻車的一單。 7 12 Voc 該管腮捷控制星戒電蹄的正電 8 14 瞬搭対萼舟瑜出，它外電肌R,向電容Ct提供tl電紅 B 電瀝地 諧管腳足 亍按冋到電源的井高電源地返端iff對14怦胛 対裝而言），用丁減少揑制電略中開黃瞬態(tài)喙市術(shù)訛科 11 vc 輸出補応 W）山加倒此訐曲的卽in氐 曲j 14 r；m n售.通垃分離曲電源連接*可卜咸水控制電踣中開關(guān) 禺嘰聲的影響， q 地 時脾是控制電AH

14、fc噸端（僅對14管膵封製而言h井被接 冋電源地 - 2”T3 無連接（僅對14管加封裝而言人這些管譚徨有內(nèi)部連接 其特點為 電流模式工作，輸出開關(guān)頻率為500 kHz。 輸出占空比可從 50%70%調(diào)節(jié)。 （3）自動前饋補償。 (5) 有欠壓鎖定的部調(diào)整參考源。 (6) 高電流圖騰柱式輸出。 3.2誤差放大器設(shè)計 這種拓撲結(jié)構(gòu)不僅外接元器件較少，而且在電壓采樣電路中采用了三端可調(diào)穩(wěn)壓管，使得輸 出電壓在負載發(fā)生較大的變化時，輸出電壓基本上沒有變化。實驗證明與上述三種反饋電路相比, 該電路具有很好的穩(wěn)壓效果 圖3誤差放大器構(gòu)成的調(diào)節(jié)回路 3.3過/欠電壓保護 當系統(tǒng)輸入電壓過壓或者欠壓時(過/

15、欠壓判斷電路略)，可使圖 5中的過/欠壓輸入端為低 電平，光耦 0P1輸出高電平，因此，就會通過加速電容C6和二極管D6對UC3845的腳16施加正 脈沖，從而使圖3所示的UC3845芯片部晶閘管導通，通過部電路使腳1電平被拉至接近地電平， 電路進入保護狀態(tài)，UC3845芯片輸出脈沖封鎖。另外，光耦0P1輸出的高電平使三極管 Q407飽和 導通接地。由于電容 C6的加速作用，三極管 Q407比前述晶閘管導通稍微遲后。由于三極管的導 通壓降小于晶閘管的導通壓降，晶閘管不能維持導通即晶閘管恢復關(guān)斷。當過/欠壓故障消除后， 三極管Q407截止，系統(tǒng)重新輸出脈沖。 圖4 過/欠電壓保護電路 3.4過流

16、/過載保護 當過流或者過載時，比較器 LM393輸出7加在腳16,同樣會圭寸鎖脈沖輸出。由于晶閘管維持 導通，所以系統(tǒng)當不過流不過載時，必須重新啟動才能有脈沖輸 圖5過流/過載保護電路 3.5反激變壓器設(shè)計 變壓器技術(shù)規(guī)格： 1開關(guān)頻率180k HZ,最大占空比50% 2 N2 功率：15V, 3A 3 N3 功率，-15V, 1A 變壓器參數(shù)的設(shè)計對電源裝置的性能有至關(guān)重要的影響，變壓器設(shè)計得當，電路才能夠穩(wěn)定運行。 其設(shè)計要求有： 一、二次繞組電壓的變比應(yīng)滿足要求值。當輸入電壓降至規(guī)允許的最低電壓時，輸出電壓仍能 滿足規(guī)定的額定值。 當輸入電壓及占空比最大時，變壓器磁芯不允許出現(xiàn)飽和。 當

17、輸出功率最大時，變壓器溫升應(yīng)在規(guī)要求之 應(yīng)滿足一、二次側(cè)銅耗相等、銅損耗與鐵損耗相等的原則，以使總損耗最低，獲得較高效率。 一、二次側(cè)漏感、分布電容應(yīng)限制在最小值。 3.6反饋回路設(shè)計 圖3.5電路原理圖 (*5 vi* m功健 圖3實鑿液形 3.7設(shè)計小結(jié) 可以根據(jù)具體要求選取不同的反饋方式。但對于多路輸出的反饋電路，由于對于每個輸出應(yīng) 用場合的不同，要求輸出精度不同，所以在反饋中各個正極性輸出端占反饋量的比例也不同。要 根據(jù)具體要求具體設(shè)計以滿足應(yīng)用要求。 四課程設(shè)計總結(jié) 兩周的課程設(shè)計結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗了我所學習的知識，也培養(yǎng)了我如何 去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設(shè)計過程中，與同學分工設(shè)計， 和同學們相互探討，相互學習，相互監(jiān)督。學會了合作，學會了運籌帷幄，學會了寬容，學會了 理解，也學會了做人與處世。 課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓練，著是我們邁向社會，從事