電氣工程課程設(shè)計反激型開關(guān)電源設(shè)計

1、 東 北 石 油 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計 2021年 7月 18 日 東北石油大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書 課程 電氣工程課程設(shè)計 題目 反激型開關(guān)電源電路設(shè)計 專業(yè) 電氣工程及其自動化 姓名 學(xué)號主要 2021.7.10至2021.7.18指導(dǎo)教師專業(yè)負(fù)責(zé)人2021年 7 月 9 日 電氣工程課程設(shè)計報告目 錄1 設(shè)計要求 . 22 電路的設(shè)計原理 . 22.1 電路的總體方案設(shè)計 22.2開關(guān)穩(wěn)壓電源原理 23 開關(guān)變壓器設(shè)計 . 33.1 穩(wěn)壓電源設(shè)計原理 錯誤！未定義書簽。4 主要元器件的選型 . 84.1 EMI濾波電路 84.2 整流電路的設(shè)計 84.3 控制電路模塊 94.4反應(yīng)電路的設(shè)計

2、 94.5輸出電流反應(yīng) 104.6輸出整流濾波電路設(shè)計 115 電路仿真與結(jié)果 . 126 結(jié)論 . 12參考文獻 . 131電氣工程課程設(shè)計報告1 設(shè)計要求1開關(guān)電源主電路的設(shè)計和參數(shù)選擇。 2IGBT電流、電壓額定的選擇。 3開關(guān)電源驅(qū)動電路的設(shè)計。 4開關(guān)變壓器設(shè)計。5畫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。2 電路的設(shè)計原理2.1 電路的總體方案設(shè)計輸入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)可以劃分為變壓器局部、整流濾波局部和DC-DC變換局部，以及負(fù)載局部，其中整流濾波和DC

3、-DC變換器構(gòu)成開關(guān)穩(wěn)壓電源。整流電路是直流穩(wěn)壓電路電源的組成局部。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,是整個開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心局部。開關(guān)穩(wěn)壓電源的根本原理框圖如圖2.1所示。2.2開關(guān)穩(wěn)壓電源原理圖2.1開關(guān)穩(wěn)壓電源原理框圖開關(guān)電源的主電路主要處理電能，而控制電路主要處理電信號，屬于弱點電路，但它控制這主電路的開關(guān)器件的工作，一旦出現(xiàn)失誤，將造成嚴(yán)重后果，是 2 電氣工程課程設(shè)計報告整個電源停止工作或損壞。本設(shè)計的控制電路中PWM模塊使用UC3842PWM控制器。系統(tǒng)工作原理：380V的交流輸入電壓經(jīng)保險管和EMI

4、濾波器濾除電網(wǎng)上的高頻電壓成分同時防止開關(guān)穩(wěn)壓電源自身產(chǎn)生的高頻串入電網(wǎng)后整流并濾波平滑后為電路提供約500V直流工作電壓,起動電路由電容C12和R18,R19構(gòu)成，C12經(jīng)電阻R 18,R19 充電，C12的電壓到達16V時,UC3842啟動并有輸出,使MOS開關(guān)Q(型號2SK725耐壓500V，電流15A，功率125W)導(dǎo)通，量存貯在變壓器T1中。此時，由于二次側(cè)各路整流二極管反向偏置,故能量不能傳到T1的二次側(cè)，T1的一次側(cè)電流通過電阻R22檢測并UC3842 p0=LpIpk f 3-12設(shè)為不連續(xù)工作模式，在單位時間 Va=Lp ton因為ton=DmaxTa所以 Va=LpIpkD

5、maxTa 3-22p0LpIpkDmax=式 3-1與3-2之比為 Vs2LpIpk化簡得：3電氣工程課程設(shè)計報告Ipk=2p0 3-3 VaDmax為求得Ipk，Vs應(yīng)以最小值帶入Vs(min)=1901.4-20=246(V)式中的20V假設(shè)為直流紋涉及二極管壓降之和。設(shè)反激變壓器最大占空比DmaxAP,選取此型號磁芯與線圈骨架適宜。磁芯具體尺寸為19.05cm，8.05cm，8.71cm。4) 計算氣隙長度lg由于反激工作模式是單向激磁，為防止磁飽和，應(yīng)加氣隙。氣隙會產(chǎn)生較大的磁阻，而且大多數(shù)變壓器所存儲的能量是在氣隙所構(gòu)成的體積VG中，故有：112LpIpk=(DBHVG)*108

6、3-6 22DB(Oe) 式中 H氣隙磁場強度 H=m00.4pm 0空氣導(dǎo)磁率=1；V G氣隙的體積，VG=Aelg(cm3)整理上式得lg=20.4pLpIpk2AeDB108(cm)3-7 0.4p6.4310-30.162108=0.013 那么lg=20.411950因此，應(yīng)在磁芯中心柱打磨出氣隙0.013cm，或在磁芯兩外側(cè)心柱各打磨出0.0065cm，在這個根底上再進行調(diào)整。也可以選取已有氣隙相近的磁芯，并直接進行調(diào)整。5) 原邊繞組匝數(shù)計算 用Np=DBlg0.4pIpk或Np=LpIpkAeDB108進行計算。前式算得Np=126，后式算得Np=128。取Np=127。6)

7、副邊繞組匝數(shù)計算按輸入最小電壓Vs(min)，導(dǎo)通占空比最大，算得副邊繞組的匝數(shù)： 因為V0+VD=VS(min)DmaxNs 1-DmaxNp(V0+VD)(1-Dmax)NpVs(min)Dmax6 整理得： Ns= 3-8電氣工程課程設(shè)計報告代入數(shù)據(jù)：因為副邊存在繞阻壓降和二極管導(dǎo)通壓降，故取VD=1V。 當(dāng)輸出電壓為3.3V時，Ns1=(3.3+1)(1-0.45)127=2.91228.780.45考慮到E型磁芯磁路可能產(chǎn)生磁飽和。使變壓器的調(diào)節(jié)性能變差，因此2.91取整數(shù)值為3。當(dāng)輸出電壓為5V時，Ns2=(5+1)(1-0.45)127=4.07228.780.45同樣考慮到E型

8、磁芯磁路可能產(chǎn)生磁飽和。使變壓器的調(diào)節(jié)性能變差，因此4.07取整數(shù)值為5。當(dāng)輸出電壓為15V時，Ns3=(15+1)(1-0.45)127=10.85228.780.45同樣考慮到E型磁芯磁路可能產(chǎn)生磁飽和。使變壓器的調(diào)節(jié)性能變差，因此10.85取整數(shù)值為11。輔助電路輸出的電壓為Ns4=(16+1)(1-0.45)127=11.53228.780.451034V，取16V，那么同樣考慮到E型磁芯磁路可能產(chǎn)生磁飽和。使變壓器的調(diào)節(jié)性能變差，因此11.53取整數(shù)值為12。7) 副邊繞組的線徑同樣按照400cm/A考慮，通過1.5A電流需要：1.5400=600(cm)圓密耳，應(yīng)選取AWGNO22

9、型導(dǎo)線；通過500mA電流需要：0.5400=200(cm)圓密耳，應(yīng)選取AWGNO27型導(dǎo)線；通過100mA電流需要：0.1400=40(cm)圓密耳，應(yīng)選取AWGNO33型導(dǎo)線。最后對變壓器的原邊副邊參數(shù)見表3-2。 7 電氣工程課程設(shè)計報告4 主要元器件的選型4.1 EMI濾波電路為減小體積、降低本錢,單片開關(guān)電源一般采用簡易式單級EMI濾波器,典型電路圖4.1所示。圖中的L、C1和C2用來濾除共模干擾,C3和C4濾除串模干擾。R為泄放電阻,可將C3上積累的電荷泄放掉,防止因電荷積累而影響濾波特性;斷電后還能使電源的進線端L、N不帶電,保證使 用的平安性。EMI濾波器能有效抑制單片開關(guān)電

10、源的電磁干擾。 圖4.1 EMI濾波電路 EMI電路C2為X電容，C3、C4為Y電容，L為濾波電感表4.1 電容電感型號圖4.2 整流電路的設(shè)計在整流濾波環(huán)節(jié)采取的是單相整流濾波電路，本電路常用于小功率的單相交流輸入的場合。目前大量普及的微機、電視機等家電產(chǎn)品中所采用的開關(guān)電源中， 電容濾波的單相不可控整流電路帶阻感負(fù)載時，二極管承受最大正反向電壓均為Ud=2U2。在此后的電路中，涉及到選管子，選型號，故此處的電壓取最大值，即整流后的值Ud=2U2=2590=834V。表4.2 二極管兩端的耐壓參數(shù)選擇8 電氣工程課程設(shè)計報告4.3 控制電路模塊控制電路方面選擇UC3842芯片，UC3842是

11、單電源供電，帶電流正向補償，單路調(diào)制輸出的集成芯片。UC3842 是一種高性能的固定頻率電流型控制器, 是專為離線式直流變換電路設(shè)計的,它集成了振蕩器、有溫度補償?shù)母咴鲆嬲`差放大器、電流檢測比擬器、圖騰柱輸出電路、輸入和基準(zhǔn)欠電壓鎖定電路及PWM 鎖存器電路。該芯片主要有以下性能：(1) 可調(diào)整振蕩器的放電電流以產(chǎn)生精確的占空比；(2) 最高開關(guān)頻率可達500kHz;f=1.8/(Rt.Ct) Rt 單位為K,Ct 單位UF,f 單位為KHz；(3) 帶鎖定的PWM ( Pulse Width Modulation) ,可以實現(xiàn)逐個脈沖的電流限制；(4) 具有內(nèi)部可調(diào)整的參考電源, 可以進行欠

12、壓鎖定；(5) 圖騰柱輸出電路能夠提供大電流輸出,輸出電流可達1A , 可直接對MOSFET 進行驅(qū)動；(6) 帶滯環(huán)的欠壓鎖定電路可有效地防止電路在閾值電壓附近工作時的振蕩等。UC384芯片需要外擴電路實現(xiàn)其控制電路的目的。輸入電壓經(jīng)過降壓電阻R2接入VCC給3842提供16V的啟動電壓，使3842工作。參數(shù)的選擇：啟動降壓電阻：因為整流輸出為537V，VCC=16V，Ist=1mA，故537-VSSR2=521kW Ist反應(yīng)回路：VS1管承受的反壓為2V，故去二極管的型號為FR105,電容C3大小為100u。開關(guān)管VT:承受的反壓為2VS=759V，型號為IRFBE30 1.75振蕩電路

13、：因為ft=，ft=100kHZ，故取CT=4700pF RTCT所以RT=1.75=3.7kW CTft4.4反應(yīng)電路的設(shè)計反應(yīng)電路采用精密穩(wěn)壓源TL43l和線性光耦PC817。利用TL43l可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器，再通過線性光耦對輸出進行精確的調(diào)整。如圖4.4所示，R4、R5是精密穩(wěn)壓源的外接控制電阻，它們決定輸出電壓的上下，和TL431一并組成外部誤差放大器。當(dāng)輸出電壓升高時，取樣電壓VR7也隨之升高，設(shè)定電壓大于基準(zhǔn)電壓(TL431的基準(zhǔn)電壓為25V)，使TL431內(nèi)的誤差放大器的輸出電壓升高，致使片內(nèi)驅(qū)動三極管的輸出電壓降低，也使輸出電壓Vo下降，最后Vo趨于穩(wěn)定；反之，

14、輸出電壓下降引起設(shè)置電壓下降，當(dāng)輸出電壓低于設(shè)置電壓時，誤差放大器的輸出電壓下降，片內(nèi)的驅(qū)動三極管的輸出電壓升高，最終使得 9電氣工程課程設(shè)計報告UC3842的腳1的補償輸入電流隨之變化，促使片內(nèi)對PWM比擬器進行調(diào)節(jié)，改變占空比，到達穩(wěn)壓的目的。 圖4.3 電壓反應(yīng)電路參數(shù)計算：V-VREFR1=0 IbIb=VREF2.5=250mA R210103R1=3.3-2.5=3200W 25010-6光耦器件選擇PC817，穩(wěn)壓管選型TL3414.5輸出電流反應(yīng) 圖4.4 過流保護過流保護電路是由R10、R9以及C9組成。R9上的電壓反映了電流瞬時值，當(dāng)開關(guān)電源發(fā)生過電流時，開關(guān)管S1漏極的電

15、流會增大,UR9會增大，UR9接入 10電氣工程課程設(shè)計報告UC3842的保護輸入端腳，當(dāng)UR9=1V時，UC3842芯片的輸出脈沖將關(guān)斷。通過調(diào)節(jié)R10和R9的分壓比可以改變開關(guān)管的限流值，實現(xiàn)電流瞬時值的逐周期保護比擬，屬于限流式保護。輸出脈沖關(guān)斷，實現(xiàn)對電流平均值的保護，屬于截流式保護。參數(shù)計算：由第三章可知，原邊輸出電流I1=160mA，UC3842輸出電流I=200mA，所以三極管漏極電流I漏=I1+I=360mA。假設(shè)R10=1kW，濾波電容C9=470pf。所以11V1=2.79W 流過R9的電流IR9=I漏-=360-1=359mA。所以R9=IR9359mA14.6輸出整流濾

16、波電路設(shè)計 圖4.5 輸出濾波電路輸出電壓經(jīng)過二極管的半波整流以及LC濾波輸出穩(wěn)定的直流3.3V/1.5A，5V/0.5A，15V/0.1A參數(shù)的計算，3.3V側(cè)濾波電路參數(shù)Iout=I1(1+0.03)=1.51.03=1.545AIoutToff1.5450.01msCS=77.25mF V0.2同理，5V側(cè)濾波電路參數(shù)Iout=I2(1+0.03)=0.51.03=0.515AIT0.5150.01msCS=outoff=25.75mF V0.215V側(cè)濾波電路參數(shù)Iout=I3(1+0.03)=0.11.03=0.103A11電氣工程課程設(shè)計報告CS=IoutToffV=0.1030.

17、01ms=5.15mF 0.25 電路仿真與結(jié)果三路輸出電壓波形： 圖5.1 三相輸出電壓波形 6 結(jié)論通過對開關(guān)電源主電路的設(shè)計和參數(shù)選擇的仿真結(jié)果分析，仿真結(jié)果與預(yù)期要求一致。主電路中存在整流電路，控制電路模塊運行良好。輸出電流電壓穩(wěn)定，在保護電路中起到至關(guān)重要的作用。反激型開關(guān)電源電路對電氣的額定值要求低，啟動開關(guān)電源時，保證電壓電流不至于過載，導(dǎo)致元件損壞，并且使電器運行到達穩(wěn)定狀態(tài)，開關(guān)損耗幾乎為零。反激型開關(guān)電源電路適用于各種功率較低、額定值較低的電器當(dāng)中，因為以上種種優(yōu)點，應(yīng)被廣泛推廣使用。 12電氣工程課程設(shè)計報告參考文獻1楊旭，裴云慶，王兆安開關(guān)電源技術(shù) M北京：機械工業(yè)出版社，20042張占松，蔡宣三. 開關(guān)電源的原理與設(shè)計 M北京：電子工業(yè)出版社，19983王兆安，劉進軍電力電子技術(shù) M北京：機械工業(yè)出版社，20214童詩白，華成英模擬電子技術(shù)