AC-DC電源28621

1、 降壓型PWM AC-DC開關(guān)電源課程設(shè)計(jì) 電氣工程與自動(dòng)化系 自動(dòng)化專業(yè) 指導(dǎo)老師:路綱 組員:B12040810 張浩軒 B12040811 袁和禮 B12040812 閆永超 B12040829 劉瀟灑 設(shè)計(jì)摘要：本作品是是基于最常用的AC-DC-DC升降壓電路實(shí)現(xiàn)了從交流到直流的高效率轉(zhuǎn)換功能，通過這個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了用工頻交流電降壓之后達(dá)到24V,然后通過整流濾波以及降壓穩(wěn)壓電路，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓達(dá)到36V，電流達(dá)到2A。另外，通過過流保護(hù)模塊，保證了電路的安全高效運(yùn)行。最后通過功率因數(shù)測(cè)量電路，對(duì)工作電路能夠高效運(yùn)行提供理論保證。 單相AC-DC變換電路是十分常見的一種電路，常常用于各種

2、充電器或驅(qū)動(dòng)各種小功率電子設(shè)備，為了提高電路功率，本設(shè)計(jì)采用開關(guān)電源電路，開關(guān)電源電路是電力電子電路中的一種，被廣泛應(yīng)用在小功率及各種電子設(shè)備領(lǐng)域，顧名思義，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，對(duì)于AC/DC電路，可以變換的主要對(duì)象是電壓和電流。在這道題目中，要求輸入交流電壓Us=24V、輸出直流電流Io=2A 條件下，使輸出直流電壓Uo=36V±0.1V且設(shè)計(jì)并制作功率因數(shù)測(cè)量電路，實(shí)現(xiàn)AC-DC 變換電路輸入側(cè)功率因數(shù)的測(cè)量。這道題的難點(diǎn)功率因數(shù)的測(cè)量及校正調(diào)整電路及變換電路效率不低于95%，在于實(shí)際操作中開關(guān)電源開關(guān)電路很難達(dá)到95%，功率因數(shù)的調(diào)整也難以實(shí)現(xiàn)

3、，基于以上問題采用先對(duì)輸入交流電進(jìn)行整流，然后通過DC/DC升降壓電路進(jìn)行升降壓，電路設(shè)計(jì)工作分為功率因數(shù)測(cè)量及校正電路，整流電路，DC/DC升降壓電路，2方案比較與論證21各種方案比較與選擇1， 整流電路方案選擇方案一：利用晶閘管和電容對(duì)輸入交流電進(jìn)行整流，晶閘管又稱可控硅，是非常常見的元器件之一，常用于控制輸入的電流，電壓，晶閘管整流的優(yōu)點(diǎn)是可控制輸出電壓的電壓值，使得輸入交流電在20到30V變化時(shí)，整流后的電壓可穩(wěn)定在一個(gè)固定值，以便于DC/DC進(jìn)行生壓。方案二：利用快恢復(fù)二極管和電容進(jìn)行整流，這是最常用的一種整流方式，輸出波形穩(wěn)定，晶閘管雖然可調(diào)輸出電壓，但是其本身太易損壞，不易控制，

4、所以本設(shè)計(jì)采用方案二。2， DC/DC開關(guān)電源電路的選擇方案方案一：使用常見uc3843芯片輸出的pwm波控制mos管設(shè)計(jì)開關(guān)升壓型穩(wěn)壓電源，UC3843 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)置，具有可微調(diào)的振蕩器、能進(jìn)行精確的占空比控制、溫度補(bǔ)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式輸出，是驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的理想器件。方案二：使用常見uc3843芯片輸出的pwm波控制mos管設(shè)計(jì):cuk電路方案二雖然可自動(dòng)完成升降壓，能夠滿足題目中輸入20到30V交流整流輸出固定36V的要求，但是題目中要求輸出2A大電流，cuk電路的負(fù)載能力不強(qiáng)，輸出大電流

5、時(shí)電壓調(diào)整率太大，所以選擇方案一。22方案證論UC3843 具有可微調(diào)的振蕩器、能進(jìn)行精確的占空比控制、溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖肌⒏咴鲆嬲`差放大器、電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出，是驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的理想器件。通過uc3843控制功率MOSFET的通斷是的電感流處于連續(xù)，斷續(xù)，臨界連續(xù)三種模式，即在開關(guān)二極管VT導(dǎo)通區(qū)間電感L儲(chǔ)能，在開關(guān)管截止期間終止時(shí)剛好經(jīng)續(xù)流二極管VD，負(fù)載R釋放完，并且通過uc3843自帶的2號(hào)引腳的電壓反饋使得輸出電壓穩(wěn)定在36V，達(dá)到題目要求。且升壓型開關(guān)電源的負(fù)載能力較強(qiáng)可以達(dá)到題目所要求的2A電流， 當(dāng)Us=24V，Io 在0.2A2.0A 范圍內(nèi)變化時(shí)，負(fù)載調(diào)整

6、率SI也比較小 可以滿足題目要求。2.3控制系統(tǒng)的論證與選擇采用UC3843 具有可微調(diào)的振蕩器、能進(jìn)行精確的占空比控制、溫度補(bǔ)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式輸出，是驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的理想器件。Uc3843廣泛應(yīng)用于電子信息設(shè)備的電源電路設(shè)計(jì)中。根據(jù)UC3843的功能特點(diǎn)，結(jié)合Boost電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完全可設(shè)計(jì)成電流控制型的升壓DC-DC電路。該電路外接元器件少，控制靈活，成本低，輸出功率容易做到100W以上，具有其他專用芯片難以實(shí)現(xiàn)的功能。且此芯片輸出pwm穩(wěn)定可調(diào)，外接電路簡(jiǎn)單易行，不需要單片機(jī)控制，使用方便。2.2 Boost電路參數(shù)的計(jì)算穩(wěn)壓控制方法與電

7、路分析穩(wěn)壓模塊控制電路采用三段穩(wěn)壓集成電路IC芯片元器件LM7812，它適用于各種電源穩(wěn)壓電路，輸出穩(wěn)定性好、使用方便、輸出過流、過熱自動(dòng)保護(hù)。將其運(yùn)用在UC3843供電電路中具有電路簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。穩(wěn)壓控制方法采用UC3843反饋控制的方法，簡(jiǎn)單可靠且易于實(shí)現(xiàn)。2.2.1 電感值計(jì)算 根據(jù)題目要求，Uo=36V,而輸入到直流母線上的電壓Uin=32V，取R=20歐姆，Ts=1/f，f=25KHZ，當(dāng)D取1/3時(shí)，由公式可求得：LRTs(1-D)/2由上式可知，要使系統(tǒng)電流工作在連續(xù)狀態(tài)，電感值應(yīng)該在530uH以上，本系統(tǒng)選擇的電感值為1mH電容值得計(jì)算電容的大小決定負(fù)載電壓的波動(dòng)程度，

8、因此負(fù)載的電壓波動(dòng)可作為選擇電容的依據(jù)。在MOS管導(dǎo)通期間，導(dǎo)通時(shí)間為T，負(fù)載電流靠電容放電得以維持。設(shè)在整個(gè)MOS管導(dǎo)通期間內(nèi)電壓變化U，并假設(shè)負(fù)載電流I在此期間恒定，則電容電壓亦即負(fù)載電壓下降了 根據(jù)上式可確定電容的數(shù)值，U 與I 和 均有關(guān)，考慮在最嚴(yán)重的情況下仍能保證電壓的波動(dòng)符合要求，電容的容量應(yīng)滿足 上式中，為輸出電流的最大值。通過估算，電容的取值為1000F。2.2.3 MOS管型號(hào)的選擇MOS管依據(jù)本設(shè)計(jì)的各種要求選擇耐壓值為100V的IRF540，IRF540具有普遍通用性且價(jià)格低廉，易于購(gòu)買。效率的分析與計(jì)算開關(guān)電源的功耗包括由半導(dǎo)體開關(guān)、磁性元件和布線等的寄生電阻所產(chǎn)生的

9、固定損耗以及進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)的開關(guān)損耗。對(duì)于固定損耗，由于它主要取決于元件自身的特性，因此需要通過元件技術(shù)的改進(jìn)來予以抑制。可以采用以下幾種方法降低損耗提高效率。一：低功耗元器件的選取。系統(tǒng)總的損耗中還包括各種元件的功耗。只要在元件選取時(shí)注意采用低功耗器件，則這一部分損耗對(duì)系統(tǒng)效率的影響可以減小到最小。由于主回路控制器件MOS管工作時(shí)流過的電流比較大，所以選取導(dǎo)通電阻比較小的MOS管將有利于降低損耗。二：在低電壓大電流的場(chǎng)合通過改善同步整流電路的方法來減少固定損耗。三：利用轉(zhuǎn)換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)來減少固定損耗。在 Boost變換電路中，MOS管的開關(guān)損耗不可忽視，主要表現(xiàn)為：關(guān)斷過程電流下降的延遲和電

10、壓的過快上升，從而形成電壓電流的交疊 ，產(chǎn)生很大的功率損耗。適當(dāng)降低的電路工作頻率可以降低MOS管的開關(guān)損耗，因此應(yīng)在允許的頻率范圍內(nèi)選擇較低的頻率，可以提高系統(tǒng)效率。合適的開關(guān)頻率大致處于20KHz與60KHz之間，本系統(tǒng)選取開關(guān)頻率為35KHz。MOS管的開通關(guān)斷損耗與開關(guān)頻率成正比，適當(dāng)降低開關(guān)頻率有助于降低系統(tǒng)功耗。其中Ts為開關(guān)周期，fs為開關(guān)頻率，Vs為MOS管關(guān)斷期間加在它兩端的電壓，Is為晶體管導(dǎo)通期間流過的電流。3.3保護(hù)電路方案一；利用uc3843自帶的過流保護(hù)，uc3843的3號(hào)引腳具有電路反饋和過流保護(hù)的功能，當(dāng)3號(hào)引腳的點(diǎn)位高于1V的時(shí)候，uc3843自動(dòng)關(guān)斷，PWM

11、波的輸出，實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)。 方案二繼電器是一種電子控制器件，具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)，運(yùn)用于控制電路中設(shè)計(jì)過流保護(hù)電路能起到安全保護(hù)的作用。由于方案1難以控制，而且精度不夠精確，本設(shè)計(jì)采用方案2。. 系統(tǒng)調(diào)試測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測(cè)試儀器：數(shù)字式電參數(shù)測(cè)量?jī)x，高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。 由于系統(tǒng)對(duì)電路效率有一定的要求，所以需要測(cè)量輸入端輸出端電壓、電流，方便檢測(cè)支路電流，需要對(duì)支路電流進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)電路的示意圖，從電路中各點(diǎn)引出接線端子，電壓測(cè)量可以直接在被測(cè)點(diǎn)兩

12、端并聯(lián)，用來檢測(cè)并記錄分析供電系統(tǒng)各個(gè)指標(biāo)。 圖 12根據(jù)電路圖，現(xiàn)在電路的直流輸出端上接上一個(gè)可調(diào)的滑動(dòng)變阻負(fù)載，通過負(fù)載的變化，改變電流的大小，需要的測(cè)量工具有，萬能表，自耦變壓器，示波器，以及電壓電流自動(dòng)顯示儀。 通過對(duì)電路的測(cè)試，基本達(dá)到了基本要求的前兩步，當(dāng)交流電壓輸出為12v時(shí)，調(diào)節(jié)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)輸出端電流為5A，但是，電壓的下降有點(diǎn)大，并沒有完全達(dá)到題目的要求，此時(shí)的電壓大概為12.5V左右。第二部分，要求變壓器輸出電壓為12V，當(dāng)負(fù)載端的電流為5A時(shí)，電壓的變化范圍為10.520.5V之間，負(fù)載調(diào)整率大于要求的0.5% 對(duì)于第三部分調(diào)節(jié)變壓器使輸出直流電壓達(dá)到12V，雖然滿足了電流的5A大小，但是電壓并不能穩(wěn)定在一定的范圍，因此電壓負(fù)載調(diào)整率達(dá)不到預(yù)期的不大于0.5%。測(cè)試分析與結(jié)論由于本設(shè)計(jì)僅采用了一個(gè)BOOST電路，所以當(dāng)輸入電壓達(dá)到36V以上時(shí)，無法進(jìn)行調(diào)節(jié)