中國石油大學(xué) 電力電子課程設(shè)計(jì)

1、電力電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告班級(jí)： 電氣1201班學(xué)號(hào)： 姓名： 目錄一、 課程設(shè)計(jì)的目的二、 課程設(shè)計(jì)的要求三、 課程設(shè)計(jì)的原理四、 課程設(shè)計(jì)的思路及參數(shù)計(jì)算五、 電路的布局與布線六、 調(diào)試過程遇到的問題與解決辦法七、 課程設(shè)計(jì)總結(jié)1、 課程設(shè)計(jì)的目的（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、 課程設(shè)計(jì)的要求 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)小功率的反擊式開關(guān)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(shè)計(jì)原理 1、引言

2、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?。蚤_關(guān)電源具有

3、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(dāng)M1導(dǎo)通時(shí)，它在變壓器初級(jí)電感線圈中存儲(chǔ)能量，與變壓器次級(jí)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(jí)無電流流過，即沒有能量傳遞給負(fù)載；當(dāng)M1截止時(shí)，變壓器次級(jí)電感線圈中的電壓極性反轉(zhuǎn)，使VD導(dǎo)通，給輸出電容C充電，同時(shí)負(fù)載R上也有電流I流過。

4、M1導(dǎo)通與截止的等效拓?fù)淙鐖D2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(chǔ)能和副邊放電兩個(gè)階段。原邊電流和副邊電流在這兩個(gè)階段中分別起到勵(lì)磁電流的作用。如果在下一次M導(dǎo)通之前，副邊已經(jīng)將磁路的儲(chǔ)能放光，即副邊電流為零，則稱變壓器運(yùn)行于斷續(xù)電流模式（DCM），反之，則在副邊還沒有將磁路的儲(chǔ)能放光，即在副邊電流沒有變?yōu)榱阒?，Q又導(dǎo)通，則稱變壓器運(yùn)行于連續(xù)電流模式（CCM）。通常反激變換器多設(shè)計(jì)為斷續(xù)電流模式（DCM）下。當(dāng)變換器工作在CCM下時(shí)，輸出與輸入電壓、電流之間的關(guān)系如下：=， =， 其中=, =。當(dāng)變換器工作在DCM下時(shí)，上述關(guān)系仍然成立

5、，只不過此時(shí)的增益變?yōu)椋?,=<可以看出，改變開關(guān)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(shí)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(guān)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(fù)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(jié)構(gòu)反激式變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。由圖中可以看出，一個(gè)AC輸入DC輸出的反激式變換器主要由如下五個(gè)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

6、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(guān)鍵在于變壓器和控制電路的設(shè)計(jì)。這也是本次課程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。圖4 反激變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖四、課程設(shè)計(jì)的思路及參數(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)、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，無需選擇。（1）根據(jù)輸入的最高直流電壓和開關(guān)管Q的耐壓確定原副邊匝數(shù)比：=1.4220=308V ,=600V ,=80% 。=5.558這是匝數(shù)比的上限值，匝比只能比這個(gè)小，不能比其大。 取

7、=5.這就求得了最大占空比，即最大導(dǎo)通時(shí)間。為了保證電路工作于DCM模式，磁路儲(chǔ)能和放電的總時(shí)間應(yīng)控制在0.8T以內(nèi)，所以：=0.1215， 取D=0.1 。（2） 原邊匝數(shù)的計(jì)算：根據(jù)磁芯，得到有效的導(dǎo)磁截面積，則原邊匝數(shù)應(yīng)保證在最大占空比時(shí)磁路仍不飽和。電壓沖量等于磁路中磁鏈的變化量，取開關(guān)頻率為75KHz,25°下Bmax為0.5T，真正的原邊匝數(shù)必須比這個(gè)值大，才可能讓磁路不飽和。通常取2倍的上述值，則取。 （3）副邊匝數(shù)的計(jì)算 根據(jù)上面兩步的結(jié)果，很容易求出副邊匝數(shù)。（4） 輔助繞組的計(jì)算輔助繞組計(jì)算與副邊繞組的計(jì)算方法一樣，由于輸出10v，供電輸出12v。則得到（5）氣隙

8、長度的計(jì)算：原邊的峰值電流為則初級(jí)電感為求出氣隙長度為：=0.16mm。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6、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，我們小組的頻率選為75KHZ。初始=122，取104,。（實(shí)驗(yàn)中有改動(dòng)，改為=1200歐姆，取103）（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，由外部電壓環(huán)的輸出通過補(bǔ)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)，

9、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。 電流型控制的優(yōu)點(diǎn)是本身具有過流保護(hù)功能，電流比較器實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的逐周限制，屬于一種恒功率過載保護(hù)方法，即維持供給負(fù)載的恒功率。整個(gè)控制部分的原理圖如下所示：圖6 UC3845控制原理示意圖幾個(gè)重要器件的介紹:(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），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

10、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1所示。圖7 UC3845芯片管腳圖1腳：輸出/補(bǔ)償，內(nèi)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(luò)，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(nèi)部誤差放大器同向輸入端的基準(zhǔn)電壓（2.5 V）進(jìn)行比較，調(diào)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(gè)電阻接Vref通過一個(gè)電阻接地。5腳：接地。6腳：圖騰柱式PWM輸出，驅(qū)動(dòng)能力為土1A.7腳：正電源腳。8腳：V ref，5V基準(zhǔn)電壓，輸出電流可達(dá)50mA.（2）TL431 TL431是一個(gè)良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)

11、分流基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓精密可調(diào)，輸出電流大等優(yōu)點(diǎn)，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(gè)內(nèi)部的2.5V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，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開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，一般輸出經(jīng)過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

12、高壓主邊的光耦感光部分得到的反饋電壓，用來調(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）PC817PC817是一個(gè)比較常用的光電耦合器,內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(guān)電源中，當(dāng)電流流過光二極管時(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4.15 PC817內(nèi)部框圖7、 UC3845的主要外圍電路設(shè)計(jì)（1） 供電,初始取=300K,(后修改為)。(2) 電流檢測接在功率MOSFET源極上的電流檢測電阻大概值為

13、：，取。在測試時(shí)，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(jìn)行隔離。,要求流過二極管的最大電流為：,所以，,取。 取。 在此范圍內(nèi)取值，則 則取五、 電路的布局與布線六、 調(diào)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(diào)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(jīng)檢驗(yàn)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(xiǎn)絲太近，測輸入電壓時(shí)短接，燒毀保險(xiǎn)絲，更換。3、 更換保險(xiǎn)絲后

14、，輸出不穩(wěn)定，一上電后，立即達(dá)到給定值，但是過幾秒之后，開始衰減。經(jīng)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(diǎn)導(dǎo)致芯片不工作，輸出電壓衰減。經(jīng)過排查，發(fā)現(xiàn)是焊接時(shí)翻轉(zhuǎn)板子，變壓器松動(dòng)導(dǎo)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(shí)沒有輸出了。可能由于焊接電容時(shí)使整塊板子有了變化。經(jīng)仔細(xì)排查之后，發(fā)現(xiàn)，近線圈側(cè)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，

15、均是如此。其中一次測試的時(shí)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(jīng)燒毀了，于是猜測是由于電流過大導(dǎo)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(shí)已經(jīng)是晚上0:00，作罷，等第二天進(jìn)一步測試。7、 第二天，對(duì)板子空載進(jìn)行測試，輸入電壓從50V變到90V時(shí)，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。8、 重新進(jìn)行測試，第一次時(shí)，穩(wěn)壓管在13V和0V之間進(jìn)行跳動(dòng)，變化速度很快，卸載，重新加載進(jìn)行第二次測試，穩(wěn)壓管兩端一直0.2V，一路輸

16、出0V，一路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(gè)電容，空載有輸出，但是時(shí)間稍一長，繞組側(cè)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(xiǎn)絲。這說明之前燒元件確實(shí)被并不是因?yàn)殡妷哼^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(duì)薄弱，被燒毀。11、 重新測試，發(fā)現(xiàn)同名端又錯(cuò)了（可能一開始是對(duì)的，但是改錯(cuò)了），改回同名端。加壓后，第一次將控制電路相關(guān)元件燒毀（開關(guān)管22歐1K歐1歐電阻）。12、 更換元件，重新測量，加壓之后發(fā)

17、現(xiàn)輸出電壓過高，調(diào)整了反饋電阻的大小，將電壓調(diào)整到相應(yīng)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(diào)節(jié)的180V的時(shí)候，電阻燒毀，穩(wěn)壓管燒毀。13、 鑒于板子多次燒毀，多處反復(fù)焊接，可能對(duì)其他元件產(chǎn)生了一定的損毀，對(duì)無關(guān)的電路產(chǎn)生了一定的影響，于是我們決定重新焊接一塊新板子。焊完之后，一切順利。唯一美中不足的就是過流保護(hù)并沒有很理想，電流太大。七、課程設(shè)計(jì)總結(jié) 這次實(shí)習(xí)確實(shí)讓人收獲很多。不論是剛開始的研究指導(dǎo)書，還是電腦上的仿真，再者焊接調(diào)試電路，都讓人感到充實(shí)。天天忙碌，時(shí)間不知不覺的過去，這種沒有浪費(fèi)時(shí)間的充實(shí)最讓人安心。晚上調(diào)試電路到凌晨，回到宿舍看到早已睡去的室友，自己心里也為自己點(diǎn)個(gè)贊。 這一次的實(shí)習(xí)，收獲是方方面面的。我們的焊接技術(shù)得到了提高，對(duì)于電力電子技術(shù)有了更深的了解，原來反激式變壓器這么神奇。有時(shí)候，調(diào)試電路同編程中的debug一樣，容易讓人有茅塞頓開之感，解決了一處故障