反激型開(kāi)關(guān)電源電路課程設(shè)計(jì)

1、太原理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)用紙 第 30 頁(yè)第一章 設(shè)計(jì)的基本要求題目：反激型開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)（1）注意事項(xiàng)：學(xué)生也可以選擇規(guī)定題目方向外的其它開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)。 通過(guò)圖書(shū)館和Internet廣泛檢索和閱讀自己要設(shè)計(jì)的題目方向的文獻(xiàn)資料，確定適應(yīng)自己的課程設(shè)計(jì)方案。首先要明確自己課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容。（2）主要技術(shù)數(shù)據(jù)1、交流輸入電壓AC220V，波動(dòng)±50%；2、直流輸出電壓5V和12V；3、輸出電流1.5A和200mA；4、輸出紋波電壓0.2V；5、輸入電壓在±50%范圍之間變化時(shí)，輸出電壓誤差0.03V（3）設(shè)計(jì)內(nèi)容：1、開(kāi)關(guān)電源主電路的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇2、IGBT電流、電壓額

2、定的選擇3、開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)4、開(kāi)關(guān)變壓器設(shè)計(jì)5、畫(huà)出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖6、電路仿真分析和仿真結(jié)果第二章 主電路的原理2.1 總體方案的確定輸入EMI濾波整流(也就一般的AC/DC類似全橋整流模塊)DC/DC模塊(全橋式DCAC高頻變壓器高頻濾波器DC)輸出。系統(tǒng)可以劃分為變壓器部分、整流濾波部分和DC-DC變換部分，以及負(fù)載部分，其中整流濾波和DCDC變換器構(gòu)成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。整流電路是直流穩(wěn)壓電路電源的組成部分。整流電路輸出波形中含有較多的紋波成分，所以通常在整流電路后接濾波電路以濾去整流輸出電壓的紋波。直流/直流轉(zhuǎn)換電路，是整個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的核心部分。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的基

3、本原理框圖如圖2.1所示。EMI濾 波 電 路整流 濾波 電路輔助 電路反饋 電路高 頻 變 換 器輸 出整 流濾 波控 制 電 路LN+4-16GND圖2.1 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源基本原理框圖2.2 反激型電路原理反激型電路存在電流連續(xù)和電流斷續(xù)兩種工作模式，值得注意的是，反激型電路工作于電流連續(xù)模式時(shí)，其變壓器磁芯的利用率會(huì)顯著下降，因此實(shí)際使用中，通常避免該電路工作于電流連續(xù)模式。其電路原理圖如圖2.2所示。圖2.2 反激型電路原理圖工作過(guò)程：當(dāng)S導(dǎo)通時(shí)，電源電流流過(guò)變壓器原邊，增加，其變化為，而副邊由于二極管VD的作用，為0，變壓器磁心磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，變壓器儲(chǔ)能；當(dāng)S關(guān)斷時(shí)，原邊電流迅速降為0

4、，副邊電流在反激作用下迅速增大到最大值，然后開(kāi)始線性減小，其變化為，此時(shí)原邊由于開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷，電流為0，變壓器磁心磁感應(yīng)強(qiáng)度減小，變壓器放能。第三章 器件的設(shè)計(jì)選型以及參數(shù)計(jì)算 3.1 EMI 濾波電路開(kāi)關(guān)電源以其效率高、體積小、輸出穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn) 而迅速發(fā)展起來(lái)。但是，由于開(kāi)關(guān)電源工作過(guò)程中的高頻率、 di/ dt 和高 du/ dt 使得電磁干擾問(wèn)題非常突出。 開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)，電磁干擾可分為兩大類： 共模干擾是載流體與大地之間的干擾，干擾大小和方向一致， 存在于電源任何一相對(duì)大地、或中線對(duì)大地間，主要是由du/ dt 產(chǎn)生的，di/ dt 也產(chǎn)生一定的共模干擾。差模干擾是載流體之間的干擾，

5、干擾大小相等，方向相反，其存在于電源相線與中線及相線與相線之間。典型的單相EMI電路如圖3.1 所示。圖3.1 單相EMI濾波電路其中共模電感L1和L2采取雙線并繞的方式，電感量與EMI濾波器的額定電流I有關(guān)。需要指出，當(dāng)額定電流較大時(shí)，共模扼流圈的線徑也要相應(yīng)增大，以便能承受較大的電流。此外，適當(dāng)增加電感量，可改善低頻衰減特性。Cx電容采用薄膜電容器，容量范圍大致是0.01F0.47F，主要用來(lái)濾除差模干擾。Cy電容跨接在輸出端，并將電容器的中點(diǎn)接地，能有效地抑制共模干擾。Cy亦可并聯(lián)在輸入端，仍選用陶瓷電容，容量范圍是2200pF0.1F。為減小漏電流，電容量不得超過(guò)0.1F，并且電容器中

6、點(diǎn)應(yīng)與大地接通。因此，最后選取個(gè)元件參數(shù)如下：差模干擾抑制電容：Cx=0.2F共模干擾抑制電感：T=20mH共模干擾抑制電容：Cy=0.1F 3.2 整流濾波電路在整流濾波環(huán)節(jié)采取的是單相橋式不可控整流濾波電路，其電路圖如圖3.2所示。圖3.2 單相橋式不可控整流濾波電路根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知交流輸入電壓范圍為110V330V，單相橋式整流電路中，如果接有濾波電容且有負(fù)載時(shí)，輸出電壓一般設(shè)計(jì)為1.2倍的輸入電壓，濾波電容越大輸出電壓越高，反之越低；而在負(fù)載開(kāi)路時(shí)，輸出電壓為交流輸入電壓的峰值，即倍的輸入電壓。這里我們以倍的輸入電壓來(lái)計(jì)算，則=156V467V二極管承受的最大壓降為，所以選取二極管型號(hào)

7、為IN4005，其最高反向峰值電壓為600V。濾波電容選用220F的電解電容。3.3 變壓器反激式變壓器是反激開(kāi)關(guān)電源的核心，它決定了反激變換器一系列的重要參數(shù)。設(shè)計(jì)變壓器已知參數(shù)：輸入電壓：兩路輸出電壓和電流： ，；，反饋電壓和電流:：， 輸出功率開(kāi)關(guān)頻率首先應(yīng)根據(jù)以下公式計(jì)算變壓器的電壓比：式中，是開(kāi)關(guān)工作時(shí)允許承受的最高電壓，該電壓值應(yīng)低于所選開(kāi)關(guān)器件的耐壓值并留有一定裕量，是輸入直流電壓最大值，是變壓器電壓比。根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知交流輸入電壓值是 220V，通過(guò)整流濾波輸出的直流電壓值為311V。由于有波動(dòng)，輸入的波動(dòng)是±50%，所以，取2倍的，故取934。由于有兩路輸出和一路反

8、饋，所以變壓器變比如下：式中：5V的輸出，12V的輸出，20V的反饋原邊與輸出5V的匝數(shù)比。原邊與輸出12V的匝數(shù)比。原邊與反饋20V的匝數(shù)比。當(dāng)輸出電流最大、輸入直流電壓為最小值時(shí)開(kāi)關(guān)的占空比達(dá)到最大，假設(shè)這時(shí)反激型電路剛好處于電流連續(xù)的臨界工作模式，則根據(jù)下式可以計(jì)算出電路工作時(shí)的最大占空比為：取實(shí)際占空比為，計(jì)算的值，如下：這里假定效率為90%，則初級(jí)平均電流可由假定效率，輸出總功率及最小總線電壓算出。一次側(cè)峰值電流：計(jì)算一次側(cè)電感值：選擇所需鐵芯時(shí)，使用法：式中磁芯窗口面積，單位為；磁芯截面積，單位為；磁芯工作磁感應(yīng)強(qiáng)度，取 =0.3T；窗口有效使用系數(shù)，根據(jù)安全規(guī)定的要求和輸出路數(shù)決

9、定，一般為0.20.4，此處取0.4；電流密度，一般取395A/cm2。則求得的的值為：選擇合適的磁芯，一般盡量選擇窗口長(zhǎng)寬之比較大的磁芯，這樣磁芯的窗口有效使用系數(shù)較高，同時(shí)可以減小漏感，即確定選用CL-76。 CL-76的磁芯其具體數(shù)據(jù)為：按如下公式計(jì)算原邊匝數(shù)， 即取匝。再根據(jù)原、副邊的匝比關(guān)系可以求出副邊的匝數(shù)。若求出的匝數(shù)不是整數(shù)，這時(shí)應(yīng)該調(diào)整某些參數(shù)，使原、 副邊的匝數(shù)合適。根據(jù)上述所求得的、求二次側(cè)匝數(shù)，輸出為5V的二次側(cè)匝數(shù)，取5輸出為12V的二次側(cè)匝數(shù)，取11反饋為20V的二次側(cè)匝數(shù)，取18為了避免磁芯飽和，應(yīng)該在磁回路中加入一個(gè)適當(dāng)?shù)臍庀?，?jì)算如下：繞線的選擇由設(shè)計(jì)方案可知

10、在變壓器上有三部分繞組，輸入繞組電流 ，由=3.95A/mm2 可得繞線的截面積為第一路輸出繞組電流 ，第二路輸出繞組電流 ， 第三路反饋繞組電流 ，本次設(shè)計(jì)采用AWG導(dǎo)線，AWG導(dǎo)線的相關(guān)數(shù)據(jù)如表3.3 所示表3.3 AWG導(dǎo)線規(guī)格表AWG裸線截面積圓密耳電阻重量型號(hào)cir-mil/cmgm/cm214.116812.3418.90.03757223.243640.1531.40.02965232.588510.86660.02372242.047404842.10.01884251.623320.310620.01498261.28252.613450.01185271.021201.51

11、687.60.00945280.8046158.82142.70.00747290.647127.72664.30.00602300.50671003402.20.00472310.401379.24294.60.00372320.324263.995314.90.00305330.255450.416748.60.00241340.201139.698572.80.00189350.158931.36108490.0015360.126624.98136080.00119370.102620.25168010.000977380.0810716212660.000773390.0620712

12、.25277750.000593根據(jù)表1結(jié)合所計(jì)算出來(lái)的導(dǎo)線截面積，選擇導(dǎo)線型號(hào)，結(jié)果如下：輸入繞組選用AWG-29；5V輸出繞組繞組選用AWG-21；12V輸出繞組選用AWG-30；反饋繞組選用AWG-35。 最后考慮各方面影響因素，變壓器繞制采用操作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單的 “三明治”式繞法，即初級(jí)繞組先繞一半，再繞次級(jí)繞組，繞后再將初級(jí)繞組剩余的匝數(shù)繞完，最后將次級(jí)繞組包裹在里面，這樣漏感最小。該方法是通過(guò)變壓器繞制工藝設(shè)計(jì)，控制變壓器的漏感，進(jìn)而減小MOSFET的漏源極電壓尖峰。3.4 輸出側(cè)濾波電路變壓器輸出側(cè)電路如圖3.4所示：圖3.4 輸出濾波電路計(jì)算輸出濾波電容：根據(jù)要求輸出紋波電壓 0

13、.2V，即輸出紋波電的峰峰值為0.2V，可根據(jù)輸出誤差估算出：為了更好的保證輸出地波形使紋波減小到最小，保證供電質(zhì)量，由圖 可知采用的是雙濾波環(huán)節(jié)，二次濾波電容選擇和選擇C1一樣的電容。這里選取電容值為220F。選擇二極管VD：輸出整流二極管，故選取IN5391型二極管同理由以上計(jì)算第二路輸出12V，200mA的電容、電感值及二極管。這里選取電容值為47F。輸出整流二極管，故選取IN4001型二極管3.5功率IGBT及其控制電路功率MOSFET的選擇忽略變壓器漏感尖峰電壓，功率MOSFET的最小電壓應(yīng)力為：考慮到變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，并留有裕量，取VDSS為1200V的管子，選用APT90

14、GF100JN?？刂齐娐凡捎肬C3842芯片控制開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)斷。UC3842是采用峰值電流模式控制的集成PWM控制器，專門用于構(gòu)成正激型和反激型等開(kāi)關(guān)電源的控制電路。UC3842 為雙列 8 腳單端輸出的它激式開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)集成電路。其管腳功能如圖3.5.1所示：圖3.5.1 UC3844的引腳圖該芯片雖然只有8個(gè)管腳，但是卻有兩個(gè)閉環(huán)控制回路，一個(gè)為內(nèi)部誤差放大器所構(gòu)成的電壓閉環(huán)控制回路，它將輸出電壓反饋到第2管腳，同2.5V基準(zhǔn)電壓比較，形成誤差電壓。另一個(gè)為內(nèi)部電流感應(yīng)比較器所構(gòu)成的電流閉環(huán)控制回路，變壓器初級(jí)繞組中的電流在反饋電阻Rs上產(chǎn)生的壓降，通過(guò)第3腳，與誤差電壓進(jìn)行比較，調(diào)

15、節(jié)PWM波的占空比。這兩個(gè)控制回路都是在固定頻率下工作的。其內(nèi)部電路包括振蕩器、誤差放大器、電流取樣比較器、PWM鎖存電路、5VC基準(zhǔn)電源、欠壓鎖定電路、圖騰柱輸出電路、輸出電路等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.5.2所示1腳為補(bǔ)償端，該管腳為誤差放大器的輸出，外接RC網(wǎng)絡(luò)對(duì)誤差放大器的頻率響應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。2腳為電壓反饋端，取樣電壓加在誤差放大器的反相輸入端，與2.5V的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓。圖3.5.2 UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3腳為電流檢測(cè)輸入腳，外接電流檢測(cè)電阻，將流過(guò)初級(jí)繞組上的電流實(shí)時(shí)反饋到控制器，當(dāng)3腳電壓等于或高于1V時(shí)，電流檢測(cè)比較器輸出高電平，復(fù)位PWM 鎖存器，從而關(guān)閉輸出脈沖，

16、起到過(guò)流保護(hù)作用。4腳外接定時(shí)RC網(wǎng)絡(luò)，用以確定振蕩器的工作頻率，其頻率通過(guò)式確定。5腳是地，是控制電路和電源的公共地。6腳為輸出端，采用圖騰柱式輸出，最大峰值電流為1A，能直接驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的柵極。7腳為集成電路的正電源，其開(kāi)啟電壓為16V，關(guān)閉閥值為10V。一旦芯片開(kāi)始工作，該芯片就能在10-16V之間波動(dòng)的電源供電條件下正常工作，6V的差值電壓可有效地防止電路在給定工作電壓附近振蕩。當(dāng)開(kāi)關(guān)電源通電瞬間，高壓直流電通過(guò)一個(gè)大阻值的電阻降壓供給UC3844，當(dāng)7腳的電壓大于16V時(shí)，芯片立即啟動(dòng)，此時(shí)啟動(dòng)電流小于1mA，此時(shí)無(wú)輸出，6腳輸出正脈沖，使變壓器也啟動(dòng)工作，變壓器一路輸出繞組

17、專門給UC3844供電，以保持芯片繼續(xù)正常工作，此時(shí)的工作電流約為15mA。在第7腳設(shè)有一個(gè) 34V的齊納管穩(wěn)壓管，用于保證其內(nèi)部電路絕對(duì)工作在34V以下，防止高壓可能帶來(lái)的損壞。8腳為基準(zhǔn)電壓輸出，產(chǎn)生精確的+5V基準(zhǔn)電壓，并具有一定的帶載能力，帶載能力可達(dá)50mA。通常我們通過(guò)測(cè)量該腳是否有穩(wěn)定的+5V輸出來(lái)判斷該IC是否正常工作。振蕩器的振蕩頻率由外接的電阻和電容決定，而外接電容同時(shí)還決定死區(qū)時(shí)間長(zhǎng)短。死區(qū)時(shí)間、開(kāi)關(guān)頻率同選取開(kāi)關(guān)頻率和電容的關(guān)系如下所示：死區(qū)時(shí)間，頻率 。死區(qū)時(shí)間，開(kāi)關(guān)頻率 ，求得，。這里選用40nF的瓷片電容，則電阻值計(jì)算為3.6 反饋電路反饋電路的基準(zhǔn)電壓使用的是T

18、L431，其參數(shù)如下：a.最大輸入電壓為 37V；b.最大工作電流 150mA；c.內(nèi)基準(zhǔn)電壓為 2.5V；d.輸出電壓范圍為 2.530V 滿足電路要求。電壓反饋電路的原理圖如圖3.6所示圖3.6 電壓反饋電路原理圖輸出電壓通過(guò)集成穩(wěn)壓器TL431和光電耦合器反饋到UC3842的腳，調(diào)節(jié)R1、R2的分壓比可設(shè)定和調(diào)節(jié)輸出電壓，達(dá)到較高的穩(wěn)壓精度。如果輸出電壓Uo升高，則集成穩(wěn)壓器TL431的陰極到陽(yáng)極的電流增大，使光電耦合器輸出的三極管電流增大，即UC3842腳對(duì)地的分流變大，UC3842的輸出脈寬相應(yīng)變窄，輸出電壓Uo減小。同樣, 如果輸出電壓Uo減小，則可通過(guò)反饋調(diào)節(jié)使之升高。R1、R2

19、 的值都取1.5k，在TL431的K極得到一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)電壓，輸出電壓變化時(shí)，加在光耦合器上的電壓發(fā)生變化，反饋到 UC3842 的電壓也發(fā)生變化，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比便可調(diào)節(jié)輸出的變化。 光電耦合部分電流放大系數(shù)傳輸比（CTR）通常用直流電流傳輸比來(lái)表示。當(dāng)輸出電壓保持恒定時(shí)，它等于直流輸出電流Ic與直流輸入電流If的百分比，即CTR=IC/ IF×100%。選用光耦合器 4N25，其 CTR=20，直流輸入電流 IF=50mA可以求得至此，器件的設(shè)計(jì)選型以及參數(shù)計(jì)算基本結(jié)束。第四章 電路的仿真和結(jié)果一、EMI濾波電路其仿真電路如圖4.1所示：4.1 EMI濾波電路分別輸入50Hz交

20、流電壓和50kHz以及60Hz高低頻干擾電壓，濾波輸出電壓波形如圖4.2和4.3所示：4.2濾波輸出波形（50kHz干擾）4.3濾波輸出波形（60Hz干擾）如果輸入有高頻電壓干擾，通過(guò)EMI濾波電路其將會(huì)被濾掉，結(jié)果輸出波形仍是50Hz的交流正弦電壓波。二、 整流電路其仿真電路如圖4.4 所示：圖4.4 整流電路整流后輸出直流電壓波形如圖4.5所示：圖4.5 整流輸出直流電壓波形輸入為220V的交流電，整流輸出，輸出波形符合計(jì)算值結(jié)果。三 、反激型電路其仿真電路如圖4.6 所示：圖4.6 反激型電路其中使用到VPULSE其參數(shù)含義如下所示：V1 起始電壓V2 脈沖電壓PW 脈沖寬度TD 延遲時(shí)

21、間TR 上升時(shí)間TF 下降時(shí)間輸出5V的仿真圖如圖4.7所示：圖4.7 輸出5V直流波形輸出12V的仿真圖如圖4.8所示：圖4.8 輸出12V直流波形四、控制電路其仿真電路如圖4.9 所示：圖4.9 UC3842控制電路圖其UC3842輸出端電壓波形如圖4.10所示圖4.10 UC3842輸出端電壓波形五、反饋電路其仿真電路如圖4.11 所示：圖4.11 反饋電路本電路采取311V直流電作為電源，變壓器由兩個(gè)電感和K元件組成，MOSFET由Sbreak元件代替，Sbreak無(wú)開(kāi)關(guān)損耗，因此被用在理論仿真中非常合適。Sbreak右側(cè)的1k電阻消耗Sbreak關(guān)斷后一次側(cè)電感的儲(chǔ)能，電路中增加了負(fù)

22、反饋，用以穩(wěn)定輸出電壓，輸出電壓波形見(jiàn)圖4.12，可以看出輸出電壓是穩(wěn)定的5V左右。圖4.12 帶有反饋的輸出電壓波形反饋電路采取采樣電壓和固定頻率的單極性三角波比較的方式，當(dāng)三角波高于輸出采樣電壓時(shí)TABLE元件輸出高電壓，當(dāng)三角波低于輸出采樣電壓時(shí)TABLE元件輸出低電壓。當(dāng)輸出采樣電壓升高時(shí)，TABLE元件輸出的電壓占空比減小，此電壓加在Sbreak上，控制其開(kāi)斷，使輸出電壓降低，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的作用。三角波的輸出電壓波形如圖4.13所示：圖4.13 三角波的輸出電壓波形第五章 結(jié)論和心得體會(huì)長(zhǎng)達(dá)兩周時(shí)間的課程設(shè)計(jì)悄然結(jié)束了，這次的課程設(shè)計(jì)不僅運(yùn)用到了自己所學(xué)習(xí)到的關(guān)于開(kāi)關(guān)電源的知識(shí)，也培養(yǎng)了自己如何去整體把握和完成一件事情。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，與同學(xué)分工設(shè)計(jì)，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)。課設(shè)是非常需要耐心和付出許多精力的，在這個(gè)過(guò)程中我們把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，又提高了自己的實(shí)際動(dòng)手的能力和獨(dú)立思考的能力。作為一名電氣專業(yè)的大三學(xué)生, 我覺(jué)得做開(kāi)關(guān)電源課程設(shè)計(jì)是十分有意義且有必要的。在本次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我感觸最深的是為了找到自己想