基于UC3844變頻器輔助電源研究設(shè)計(jì)最終完美版

基于UC3844變頻器輔助電源的研究設(shè)計(jì)經(jīng)過數(shù)十次的修改與修訂，此版本為最終完美版~畢業(yè)論文題目：基于UC3844變頻器輔助電源的研究設(shè)計(jì)學(xué)院：電氣信息學(xué)院專業(yè)：班級(jí)：學(xué)號(hào)：學(xué)生姓名：導(dǎo)師姓名：完成日期：2015年6月

誠(chéng)信聲明本人聲明：1、本人所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是在老師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果；2、據(jù)查證，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中不包含其他人已經(jīng)公開發(fā)表過的研究成果，也不包含為獲得其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位而使用過的材料；3、我承諾，本人提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中的所有內(nèi)容均真實(shí)、可信。作者簽名：日期：年月日基于UC3844變頻器輔助電源的研究設(shè)計(jì)湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書設(shè)計(jì)（論文）題目：基于UC3844變頻器輔助電源的研究設(shè)計(jì)姓名系別電氣信息學(xué)院專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)學(xué)號(hào)指導(dǎo)老師職稱助教教研室主任謝衛(wèi)才本任務(wù)及要求：隨著工農(nóng)業(yè)中電機(jī)應(yīng)用的普及，有著良好的調(diào)速性能的變頻器應(yīng)用范圍廣、需求量大，這就為研究變頻器的模塊化、系統(tǒng)化提供了很好的前景。變頻器中的輔助電源是首先要解決的問題。研究設(shè)計(jì)基于UC3844專用PWM發(fā)生芯片，采用反激變換器結(jié)構(gòu)的高壓直流（DC350V-700V）輸入多路（5路：24V/200mA；±15V/200mA；5V/1A）隔離輸出電源。設(shè)計(jì)完成的該系統(tǒng)應(yīng)符合各項(xiàng)行業(yè)規(guī)定。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：設(shè)計(jì)完善的硬件電路元器件有關(guān)參數(shù)計(jì)算及選型完成樣機(jī)制作并進(jìn)行調(diào)試完成設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫進(jìn)度安排及完成時(shí)間：1月12日-1月18日查閱資料、撰寫文獻(xiàn)綜述、撰寫開題報(bào)告。2月25日-3月05日查閱資料、撰寫文獻(xiàn)綜述、撰寫開題報(bào)告。3月06日-3月15日畢業(yè)實(shí)習(xí)、撰寫實(shí)習(xí)報(bào)告。3月16日-4月22日主要完成系統(tǒng)軟硬件構(gòu)建的初步設(shè)計(jì)。4月23日-5月10日修改系統(tǒng)硬件構(gòu)建設(shè)計(jì)。5月11日-5月20日完成系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)與元器件計(jì)算。5月21日-5月25日完成工藝設(shè)計(jì)。5月26日-6月01日撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）。6月02日-6月06日修改、裝訂畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書、指導(dǎo)教師評(píng)閱。6月07日-6月14日畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯（公開答辯、分組答辯）。

目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 第1章緒論1.1變頻器的發(fā)展變頻器經(jīng)過逐年的飛速發(fā)展，如今已應(yīng)用于多種設(shè)備和多種行業(yè),并且逐漸作為當(dāng)今電能節(jié)省、改善工藝流程、改良傳統(tǒng)型工業(yè)、提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平、提高工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量和改善環(huán)境的主要技術(shù)之一。變頻器技術(shù)作為一種全新的綠色環(huán)保技術(shù),是日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中急需的高級(jí)技術(shù),同時(shí)也是國(guó)際上電子技術(shù)更新最快的領(lǐng)域之一。

隨著電力電子技術(shù)、微機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制原理的不斷發(fā)展，變頻器作為一種智能調(diào)速電源，其功能和結(jié)構(gòu)也在不斷地發(fā)展更新。自第一代變頻器以來，變頻器已經(jīng)經(jīng)歷好幾個(gè)發(fā)展階段：即模擬式、數(shù)字式、智能式、多功能型和現(xiàn)在的新型通用變頻器。新型變頻器為了實(shí)現(xiàn)靜音化，在方式上采用高頻載波方式的正弦波SPWM調(diào)制，還在其輸入側(cè)附加交流電抗器，而在逆變電路中則采取PWM控制技術(shù)，以改善輸入電流的波形和降低電網(wǎng)的諧波。新型變頻器不僅發(fā)展單機(jī)的數(shù)字化、智能化外，還向其他方向飛速發(fā)展。例如集成化和系統(tǒng)化?，F(xiàn)在有一種集通訊、設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)管理于一體的“全集成自動(dòng)化”平臺(tái)概念，它可以使自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及通訊和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以及伺服裝置、控制器、變頻器及通訊裝置等配置，都可以像驅(qū)動(dòng)裝置嵌入全集成自動(dòng)化的系統(tǒng)那樣進(jìn)行，可以為廣大用戶提供最好的系統(tǒng)功能。富士、三菱、西門子、日立、VACON等品牌的變頻器，均可通過不同的選件支持不同類型的現(xiàn)場(chǎng)總線。因?yàn)樾滦妥冾l器可與現(xiàn)場(chǎng)的總線：CANOpen、Profibus-DP、Ethernet、DeviceNet、Interbus-S、CC-Link、LONWORKS、ModbusPlus、T-LINK等通訊?？梢蕴峁┒喾N不同而且兼容的通信接口，支持多種要求的通信協(xié)議，而且可由個(gè)人計(jì)算機(jī)向變頻器內(nèi)輸入命令和設(shè)定功能等等用途。新型變頻器其中可以設(shè)置多種應(yīng)用類軟件，甚至有的品牌可提供多達(dá)100余種的應(yīng)用軟件，隨時(shí)滿足各種現(xiàn)場(chǎng)需要。比如速度級(jí)鏈、電流平衡、速度跟隨、變頻器功能設(shè)置軟件、PID控制軟件、通訊軟件等。變頻器功能設(shè)置軟件可以在WINDOWS95或者98的系統(tǒng)下設(shè)置變頻器的功能和數(shù)據(jù)通訊。并且，用戶只要設(shè)定數(shù)據(jù)組編碼，而不必逐項(xiàng)設(shè)置，變頻器會(huì)將運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)調(diào)整到最佳狀態(tài)。1.2變頻器工作原理變頻器的工作原理是通過控制電路來控制主電路，主電路中的整流器將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡绷髦虚g電路將直流電進(jìn)行平滑濾波(電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。)，逆變器最后將直流電再轉(zhuǎn)換為所需頻率和電壓的交流電，部分變頻器還會(huì)在電路內(nèi)加入CPU等部件，來進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)矩運(yùn)算。（1）整流器最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。（2）平波回路在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓（電流）。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡(jiǎn)單的平波回路。（3）逆變器同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時(shí)間使6個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型pwm逆變器為例示出開關(guān)時(shí)間和電壓波形。控制電路是給異步電動(dòng)機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號(hào)的回路，它有頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流檢測(cè)電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測(cè)電路”，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的“驅(qū)動(dòng)電路”，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)電路”組成。（1）運(yùn)算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測(cè)電路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。（2）電壓、電流檢測(cè)電路：與主回路電位隔離檢測(cè)電壓、電流等。（3）驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。（4）速度檢測(cè)電路:以裝在異步電動(dòng)機(jī)軸機(jī)上的速度檢測(cè)器(tg、plg等)的信號(hào)為速度信號(hào)，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。（5）保護(hù)電路：檢測(cè)主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動(dòng)機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。1.2.2變頻器輸出電壓調(diào)制和PWM技術(shù)整流是變頻器的重要組成部分，它可以通過整流器把工頻交流電轉(zhuǎn)換成直流電。目前變頻器主要是依靠二極管橋式電路的整流技術(shù)進(jìn)行整流。二極管整流的主要缺點(diǎn)是：產(chǎn)生諧波和不可控制性。諧波會(huì)嚴(yán)重“污染”電網(wǎng)，不可控制性會(huì)使電路無法調(diào)節(jié)所得直流電的大小。治理這種電網(wǎng)“污染”最根本的措施就是將PWM技術(shù)引入整流器的控制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化，且運(yùn)行于單位功率因數(shù)。變頻器的逆變電路根據(jù)逆變電路輸出電壓調(diào)制方法分類有脈幅調(diào)制PAM、脈寬調(diào)制PWM、正弦脈寬調(diào)制SPWM等3種類型。脈寬調(diào)制PWM即要求逆變電路輸入直流電壓的有效值是不能控制的，也就是整流電路應(yīng)為二極管控橋路，而逆變電路通過控制全控元件的開關(guān)頻率和開關(guān)時(shí)間的長(zhǎng)短，用來改變其輸出電壓變頻和輸出脈沖占空比，因此實(shí)現(xiàn)頻率和電壓值配合改變目的。整流器分為電壓型和電流型兩大類。電壓型PWM整流器（VoltageSourceRectifier,簡(jiǎn)稱VSR）最顯著的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征就是直流側(cè)采用電容進(jìn)行直流儲(chǔ)能，從而使直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特性。它以其較低的損耗、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、方便的控制和較快的響應(yīng)速度等一系列優(yōu)點(diǎn)，一直成為PWM整流器研究的重點(diǎn)。下圖是三相電壓型PWM整流器。圖1.1一種三相電壓型PWM整流器電流型PWM控制系統(tǒng)的流程框圖如圖所示。圖1.2電流型PWM控制系統(tǒng)框圖該系統(tǒng)采用電流電壓雙閉環(huán)串級(jí)控制結(jié)構(gòu),內(nèi)環(huán)是電流環(huán),外環(huán)是電壓環(huán)。控制原理是:給定的電壓Ug與從輸出反饋回的電壓Ur進(jìn)行比較,得到的電壓誤差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器輸出作為另一個(gè)給定的電壓信號(hào)Ue。該信號(hào)與經(jīng)電阻采樣反映電流變化的信號(hào)Us進(jìn)行比較,輸出一個(gè)占空比可調(diào)節(jié)的PWM脈沖信號(hào),從而使得輸出的電壓信號(hào)V0保持恒定。電流型PWM控制的優(yōu)點(diǎn)如下:a)負(fù)載調(diào)整率好。由于電壓誤差放大器可專門用于控制占空比,可以很快適應(yīng)負(fù)載變化造成的輸出電壓的變化,因此可以顯著改善負(fù)載調(diào)整率。b)電壓調(diào)整率好。輸入電壓的變化會(huì)帶動(dòng)電感電流的變化,電感電流的變化立即被電流控制回路感應(yīng)而被抑制,不需要類似電壓控制調(diào)節(jié)的復(fù)雜過程，所以響應(yīng)快。如果輸入電壓的變化是持續(xù)的,電壓反饋環(huán)也起作用,可以達(dá)到較高的調(diào)整率。c)系統(tǒng)穩(wěn)定性好。電壓控制單閉環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)無條件的二階穩(wěn)定系統(tǒng)。而電流控制雙閉環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)無條件的一階穩(wěn)定系統(tǒng),因此系統(tǒng)穩(wěn)定性好。1.3變頻器的開關(guān)電源簡(jiǎn)介1.3.1開關(guān)電源的發(fā)展開關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此國(guó)外各大開關(guān)電源制造商都致力于同步開發(fā)新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度（Bs)下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。SMT技術(shù)的應(yīng)用使得開關(guān)電源取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。開關(guān)電源的高頻化就必然對(duì)傳統(tǒng)的PWM開關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS的軟開關(guān)技術(shù)已成為開關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開關(guān)電源的工作效率。對(duì)于高可靠性指標(biāo)，美國(guó)的開關(guān)電源生產(chǎn)商通過降低運(yùn)行電流，降低結(jié)溫等措施以減少器件的應(yīng)力，使得產(chǎn)品的可靠性大大提高。開關(guān)電源中應(yīng)用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFET、變壓器。SCR在開關(guān)電源輸入整流電路及軟啟動(dòng)電路中有少量應(yīng)用，GTR驅(qū)動(dòng)困難，開關(guān)頻率低，逐漸被IGBT和MOSFET取代。開關(guān)電源高頻化和小型化，使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了開關(guān)電源的發(fā)展前進(jìn)，每年以超過兩位數(shù)字的增長(zhǎng)率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國(guó)內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶的認(rèn)可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。另外，開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。模塊化是開關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢(shì)，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)成N+1冗余電源系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴(kuò)展。針對(duì)開關(guān)電源運(yùn)行噪聲大這一缺點(diǎn)，若單獨(dú)追求高頻化其噪聲也必將隨著增大，而采用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，在理論上即可實(shí)現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍存在著技術(shù)問題，故仍需在這一領(lǐng)域開展大量的工作，以使得該項(xiàng)技術(shù)得以實(shí)用化。電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，使開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國(guó)開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，就必須走技術(shù)創(chuàng)新之路，走出有中國(guó)特色的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合發(fā)展之路，為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展做出貢獻(xiàn)。1.3.2開關(guān)電源的工作原理：開關(guān)電源的工作過程相當(dāng)容易理解，在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是，PWM開關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷的狀態(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?。?功率器件上的伏安乘積就是功率半導(dǎo)體器件上所產(chǎn)生的損耗。與線性電源相比，PWM開關(guān)電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實(shí)現(xiàn)的。脈沖的占空比由開關(guān)電源的控制器來調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓值。最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓?？刂破鞯闹饕康氖潜３州敵鲭妷悍€(wěn)定，其工作過程與線性形式的控制器很類似。也就是說控制器的功能塊、電壓參考和誤差放大器，可以設(shè)計(jì)成與線性調(diào)節(jié)器相同。他們的不同之處在于，誤差放大器的輸出（誤差電壓）在驅(qū)動(dòng)功率管之前要經(jīng)過一個(gè)電壓/脈沖寬度轉(zhuǎn)換單元。開關(guān)電源有兩種主要的工作方式：正激式變換和升壓式變換。盡管它們各部分的布置差別很小，但是工作過程相差很大，在特定的應(yīng)用場(chǎng)合下各有優(yōu)點(diǎn)。1.3.3開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)與線性電源相比有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)功耗小，效率高。激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)功率晶體管，晶體管交替工作在飽和導(dǎo)通與截止的快速開關(guān)狀態(tài)，頻率一般在幾十到幾百kHz。這就使得功率晶體管的損耗較小，電源的效率可以達(dá)到80%以上。

(2)濾波的效率高，大大減小了濾波電容的容量和體積。開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率是線性穩(wěn)壓電源的頻率的1000倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍。采用開關(guān)穩(wěn)壓電源時(shí)，在相同的紋波輸出電壓的要求下，濾波電容的容量遠(yuǎn)小于線性穩(wěn)壓電源中濾波電容容量。(3)穩(wěn)壓范圍寬。激勵(lì)信號(hào)的占空比和激勵(lì)信號(hào)的頻率是用來調(diào)節(jié)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出電壓的，并且通過變頻或調(diào)寬，可以對(duì)輸入電壓的變化進(jìn)行補(bǔ)償。在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定的時(shí)候，或者負(fù)載有較大的變化時(shí)，它仍然可以保證穩(wěn)定的輸出電壓，因此它的穩(wěn)壓范圍較寬、穩(wěn)壓效果比其他電源好。(4)體積小。開關(guān)穩(wěn)壓電源沒有體積較大工頻變壓器，并且省去了很多散熱片，因?yàn)槠湓诠β示w管上的耗散功率大幅降低。因此開關(guān)穩(wěn)壓電源無論是體積還是重量都有所減小。

(5)電路形式較多。例如，有調(diào)寬型和調(diào)頻型，自激式和他激式，有單端式和雙端式。設(shè)計(jì)師可以發(fā)揮各種類型電路的特長(zhǎng)，設(shè)計(jì)出能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的開關(guān)穩(wěn)壓電源。1.3.4開關(guān)電源的構(gòu)成變頻器開關(guān)電源主要包括整流濾波電路、變換器、控制電路、保護(hù)電路組成。圖1.3開關(guān)電源的基本構(gòu)成1.整流濾波電路變頻器的整流慮波電路和逆變電路，可分為晶閘管三相橋半控式整流和三相逆變電路、二極管單相橋式整流和三相逆變電路、晶閘管三相橋全控式整流和三相逆變電路、二極管三相橋式整流和三相逆變電路等4類。在變頻器整流的過程中，可以產(chǎn)生大量的高次諧波，據(jù)綠波杰能的不完全統(tǒng)計(jì)，最高的電流畸變率，可以達(dá)到70%以上。這些高次諧波，會(huì)通過與變頻器輸入端連接的電源線，進(jìn)入到電網(wǎng)中，進(jìn)而會(huì)影響到使用這一電網(wǎng)的敏感設(shè)備的正常工作。變頻器輸入濾波器，就是為了解決變頻器干擾電網(wǎng)的問題，同時(shí)，亦能解決變頻器遭受電網(wǎng)中的諧波危害所產(chǎn)生的過壓、過流、欠壓、過載、過熱等誤報(bào)警、誤動(dòng)作、拒動(dòng)等問題。輸入濾波器的作用：第一，對(duì)將要進(jìn)入變頻器的電網(wǎng)中的諧波進(jìn)行阻止。第二，對(duì)變頻器產(chǎn)生的諧波進(jìn)行抑制。

第三，緩和電網(wǎng)中的尖峰脈沖；

第四，抑制電網(wǎng)的換相缺口；輸出整流濾波器的作用是將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的直流電壓，同時(shí)防止高頻噪聲對(duì)負(fù)載的干擾。

2.變換器開關(guān)電源有兩種常用的變換器：①PWM變換器

脈沖寬度調(diào)制簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制。它的原理是利用微處理器的數(shù)字輸出控制模擬電路。是一種非常有效的技術(shù)，在通信、功率控制、測(cè)量與變換等許多領(lǐng)域都有所應(yīng)用。通過參數(shù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或柵極的偏置，以此改變晶體管導(dǎo)通的時(shí)間，這種方式能使電源輸出電壓在外部工作條件變化時(shí)，一直保持恒定。

脈沖寬度調(diào)制（PWM）通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，所以不論在給定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么為0，要么完全存在。圖1.4PWM變換器原理圖電壓或電流源是以一種通或斷的重復(fù)脈沖序列。直流供電加到負(fù)載上的時(shí)候就是通的時(shí)候，供電被斷開的時(shí)候就是斷的時(shí)候。所以如果帶寬夠的話，所有模擬值都可以使用PWM來編碼。其工作原理如上圖1.4。多數(shù)負(fù)載(無論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載)需要的調(diào)制頻率高于10Hz，通常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。

PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)，所以某些時(shí)候我們必須以PWM進(jìn)行通信。通過將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM，可以很大程度上地延長(zhǎng)通信距離。通過適當(dāng)?shù)腖C或RC網(wǎng)絡(luò)可以在接收端濾除調(diào)制高頻方波，并將信號(hào)還原為模擬形式。

②DC/DC變換器DC/DC變換器在開關(guān)電源中，一般來說是要求輸入與輸出間進(jìn)行電隔離的。在這種情況下需要使用稱為隔離變換器的變壓器進(jìn)行隔離。隔離變換器可以把直流電壓變換為高頻方波電壓，把直流電流變換為高頻方波電流。通過升壓降壓變換和整流平滑濾波，最后變?yōu)橹绷麟妷夯螂娏鳌C/DC變換器有5種基本類型：?jiǎn)味苏な?、單端反激式、推挽式、半橋式和全橋式轉(zhuǎn)換器。下面重點(diǎn)分析隔離式單端反激轉(zhuǎn)換電路，電路結(jié)構(gòu)圖如圖所示。圖1.5隔離式單端反激轉(zhuǎn)換電路單端反激式變換器又稱電感儲(chǔ)能式變換器，其變壓器兼有儲(chǔ)能、變壓、隔離三重作用。所謂單端，指變壓器磁芯僅工作在其磁滯回線的一側(cè)。當(dāng)功率開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，直流輸入電壓Vin加在初級(jí)繞組上，在變壓器初級(jí)電感線圈中儲(chǔ)存能量，由于次級(jí)繞組感應(yīng)電壓為上負(fù)下正，使二極管D反偏截止，次級(jí)繞組中無電流，此時(shí)電能轉(zhuǎn)化為磁能存儲(chǔ)在初級(jí)電感中。當(dāng)S截止時(shí)，初級(jí)感應(yīng)電壓極性反向，使次級(jí)繞組感應(yīng)電壓極性反轉(zhuǎn)，二極管D導(dǎo)通，儲(chǔ)存在變壓器中的能量傳遞給輸出電容C，同時(shí)給負(fù)載供電，磁能轉(zhuǎn)化為電能釋放出來。當(dāng)開關(guān)管重新導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流由電容C來提供，同時(shí)變壓器初級(jí)繞組重新儲(chǔ)能，如此反復(fù)。從以上電路分析可以看出，S導(dǎo)通時(shí)，次級(jí)繞組無電流；S截止時(shí)，次級(jí)繞組有電流，這就是“反激”的含義。所謂反激式變壓器開關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正好被直流脈沖電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈沒有向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變壓器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓被關(guān)斷后才向負(fù)載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源。下圖是反激式變壓器開關(guān)電源的簡(jiǎn)單工作原理圖：圖1.6反激式變壓器開關(guān)電源原理圖圖中變壓器的初級(jí)繞組與次級(jí)繞組同名端相反，inU為輸入直流電壓，開關(guān)S為功率開關(guān)管，C為輸出濾波電容，R為負(fù)載，L1i為初級(jí)繞組電流，L2i為次級(jí)繞組電流；oU和oi為輸出電壓和電流，參考方向如圖1.6所示。

反激變換電路由于具有拓?fù)浜?jiǎn)單，輸入輸出電氣隔離，升/降壓范圍廣，多路輸出負(fù)載自動(dòng)均衡等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于多路輸出的機(jī)內(nèi)電源中。在反激變換器中，變壓器起著電感和變壓器的雙重作用，由于變壓器磁芯處于直流偏磁狀態(tài)，為防磁飽和要加入氣隙，漏感較大。功率管導(dǎo)通時(shí)，電感電流變化率和電流峰值很大，生成功率開關(guān)管開通時(shí)的電流尖峰；當(dāng)功率管關(guān)斷時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生很高的關(guān)斷電壓尖峰，給功率管造成很大負(fù)擔(dān)，會(huì)損壞功率管。因此，要想法設(shè)法限制反激變換器功率開關(guān)電流尖峰和電壓尖峰。反激變換器具有容易進(jìn)行多路隔離輸出、輸入輸出電氣全部隔離、簡(jiǎn)單有效、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。因此，反激變換器是對(duì)開關(guān)電源來說非常重要,電力電子技術(shù)研究人員對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。反激變換器的參數(shù)由反激式變壓器來決定，如最大峰值電流和占空比，反激式變壓器的設(shè)計(jì)，就是對(duì)所有的工作器件做一個(gè)合理的安排和規(guī)劃，參數(shù)計(jì)算要尊重事實(shí)規(guī)律和理論。這樣才能最大化發(fā)揮芯片的作用。若是變壓器設(shè)計(jì)得不合理，參數(shù)計(jì)算不正確，規(guī)格沒有按照要求。整個(gè)開關(guān)電源的性能會(huì)受到很大影響，比如輸出功率降低，損耗加大，使用壽命縮短，容易出現(xiàn)故障等等。反激式變壓器開關(guān)電源，相比其他開關(guān)電源要節(jié)省很多器件。因此，反激式變壓器開關(guān)電源的體積比其他類型的開關(guān)電源的體積要小很多。此外，其輸出電壓的占空比調(diào)幅，還比正激式變壓器開關(guān)電源要高。因此，反激式變壓器開關(guān)電源要求調(diào)控占空比的誤差信號(hào)幅度比較低，誤差信號(hào)放大器的增益和動(dòng)態(tài)范圍也比較小，且成本也要降低。也正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，目前，反激式變壓器開關(guān)電源在家電領(lǐng)域中還是被廣泛使用。3.控制電路開關(guān)電源的控制電路有電流控制和電壓控制兩種，電流控制是一個(gè)電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電感電流不是一個(gè)獨(dú)立變量，從而使開關(guān)變換器成為一個(gè)一階無條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，因而很容易得到大的開環(huán)增益以及小信號(hào)、大信號(hào)特性。電壓控制是一個(gè)單閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)，控制過程中，電源電路中的電感電流未直接參與控制，是獨(dú)立變量，開關(guān)變換器為二階系統(tǒng)的一個(gè)有條件的穩(wěn)定系統(tǒng)。4.保護(hù)電路開關(guān)電源的輸入電路大都采用電容濾波型整流電路，在進(jìn)線電源合閘瞬間，由于電容器上的初始電壓為零，電容器充電瞬間會(huì)形成很大的浪涌電流，特別是大功率開關(guān)電源，采用容量較大的濾波電容器，使浪涌電流急劇上升。在電源接通瞬間通過很大的浪涌電流，重者往往會(huì)導(dǎo)致輸入熔斷器燒斷或合閘開關(guān)的觸點(diǎn)燒壞，整流橋過流損壞；輕者也會(huì)使空氣開關(guān)合不上閘。上述現(xiàn)象均會(huì)造成開關(guān)電源無法正常工作，為此幾乎所有的開關(guān)電源都設(shè)置了防止流涌電流的軟啟動(dòng)電路，以保證電源正常而可靠運(yùn)行。1.3.5開關(guān)電源中的輔助電源開關(guān)電源一般由功率主回路、控制回路和輔助電源組成。功率主回路主要用來給用戶負(fù)載供電，開關(guān)電源中的輔助電源主要用于給控制電路、驅(qū)動(dòng)電路或電源系統(tǒng)的監(jiān)控電路供電。輔助電源的設(shè)計(jì)方法不但影響整個(gè)電源的效率、體積、穩(wěn)定性、可靠性和成本，而且還將影響到整個(gè)開關(guān)電源的工作條件。一個(gè)重要的原因就是隔離問題。例如在離線式開關(guān)電源中，如果其內(nèi)部的輔助電源和功率主回路輸入共地，那么就需要用光耦或變壓器來對(duì)輸出電壓采樣信號(hào)進(jìn)行隔離。而如果是內(nèi)部輔助電源和功率主電路輸出共地，那么一般不需要對(duì)電壓采樣信號(hào)隔離，這時(shí)只需對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離。由于所需輔助電源的功率一般比較小，輔助電源應(yīng)該力求簡(jiǎn)單、可靠和小型化。根據(jù)輔助電源與功率主回路的關(guān)系，開關(guān)電源中的輔助電源可以分為兩大類：獨(dú)立型和非獨(dú)立型。(1)獨(dú)立型：輔助電源獨(dú)立于功率主回路。主要用于大功率或中功率電源系統(tǒng)，比如在通訊電源、ATX電源中，需要電源正?；蚴⌒盘?hào)或電源遠(yuǎn)程控制的功能時(shí)，在功率主回路即使不工作時(shí)，輔助電源也要正常供電。下面是幾種常見的獨(dú)立型輔助電源設(shè)計(jì)方法。第一種方法：需要用穩(wěn)壓器的傳統(tǒng)的線性電源作為輔助電源。它是用普通的矽鋼片低頻變壓器降壓之后，再經(jīng)過四只二極管全波整流，經(jīng)過平滑濾波后輸入到三端穩(wěn)壓器7815輸入端。這種設(shè)計(jì)中，低頻變壓器的體積往往選的足夠大，以滿足各種安全規(guī)范中對(duì)絕緣和漏電特性的要求。但由于它的簡(jiǎn)單、可靠和方便，以及完全的隔離特性，所以在大功率開關(guān)電源系統(tǒng)中，低頻變壓器不會(huì)影響到整個(gè)電源的尺寸和造價(jià)時(shí)，它將是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。圖1.7UC3844的反激式開關(guān)電源第二種方法：需要用穩(wěn)壓器7815,的一種不用低頻變壓器降壓的簡(jiǎn)易輔助電源。用兩只無極性的高頻電容，先并串聯(lián)兩只限流電阻，然后從電網(wǎng)電壓中取得低頻脈動(dòng)電壓。通過集成穩(wěn)壓器7815提供所需的電壓。為了防止浪涌電壓損壞7815，IC輸入端需要并聯(lián)一只穩(wěn)壓二極管用來保護(hù)。另外，全波整流需要四只二極管。第三種方法：由自激式開關(guān)變換器構(gòu)成非常輕巧的輔助電源，可以方便地產(chǎn)生輔助電源。本設(shè)計(jì)采用這種方法。(2)非獨(dú)立型：由主變換器高頻變壓器輸出的一部分構(gòu)成輔助電源。因?yàn)槠溆欣跍p小電源體積，實(shí)現(xiàn)小型化和節(jié)約成本的原因，在小功率電源系統(tǒng)中廣泛使用。非獨(dú)立型的特點(diǎn)是輔助電源與主變換器息息相關(guān)。如果主電路不工作，輔助電路將關(guān)閉，輔助電源不供電，主變換器也隨之不工作。因此在電源的啟動(dòng)階段，需要給控制電路提供啟動(dòng)電能，使其漸漸進(jìn)入工作狀態(tài)。啟動(dòng)方法：?jiǎn)?dòng)時(shí)直接由直流輸入端提供起動(dòng)電壓，如圖1-11。這是一個(gè)由UC3844構(gòu)成的反激式小型開關(guān)電源，它的輔助電源由主變換器變壓器一個(gè)繞組提供。在啟動(dòng)階段，由直流輸入端經(jīng)過電阻分壓后加到UC3844的供電端(7端)，給電容C2充電，等到UC3844的7腳電壓超過16V時(shí)，芯片起振，PWM信號(hào)產(chǎn)生，變換器工作，輔助電源電壓開始建立。但由于限流電阻RIN的作用，有可能使得芯片7腳電壓降低至10V而使得芯片停止工作。之后主電路又通過RIN電阻給UC3844芯片供電，芯片工作。如此反復(fù)，直至芯片正常工作所需的輔助電源電壓建立后，電源才正常工作。1.4UC3844芯片介紹UC3844是一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片，由該集成電路構(gòu)成的開關(guān)穩(wěn)壓電源與一般的電壓控制型脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源相比具有外圍電路簡(jiǎn)單、具有過流限制、穩(wěn)定幅度大、頻響特性好、電壓調(diào)整率好、過壓保護(hù)和欠壓鎖定等優(yōu)點(diǎn)。UC3844是一種電流型單端輸出式PWM控制芯片,它主要由高頻振蕩、誤差比較、電流取樣比較、脈寬調(diào)制鎖存、欠壓鎖定、過壓保護(hù)等功能電路組成。引腳1為誤差放大器補(bǔ)償端,引腳2接電壓反饋信號(hào),引腳3接電流檢測(cè)信號(hào),引腳4外接時(shí)間電阻RT及CT用來設(shè)置振蕩器的頻率,引腳5為接地端,引腳6為推挽輸出端,可提供大電流圖騰柱輸出,引腳7接芯片工作電壓,引腳8提供5V的基準(zhǔn)電壓。UC3844的最大占空比為50%,啟動(dòng)電壓16V,具有欠壓鎖定和過壓保護(hù)的功能。當(dāng)工作電壓過大，大于34V的時(shí)候,負(fù)責(zé)穩(wěn)壓的穩(wěn)壓管開始穩(wěn)壓,使內(nèi)部電路在小于34V的電壓下工作;當(dāng)輸入電壓低于10V的時(shí)候,芯片會(huì)被暫時(shí)鎖定,控制器此時(shí)停止工作。UC3844的工作原理是:反饋電壓和2.5V基準(zhǔn)電壓之差,經(jīng)誤差放大器E/A放大后作為門限電壓,與反饋電流經(jīng)采樣后的電壓,一起送到電流感應(yīng)比較器。當(dāng)電流取樣電壓超過門限電壓后,比較器輸出高電平觸發(fā)RS觸發(fā)器,然后經(jīng)或非門輸出低電平,關(guān)斷功率管,并保持這種狀態(tài)直至振蕩器輸出脈沖到觸發(fā)器和或非門為止。這段時(shí)間的長(zhǎng)短由振蕩器輸出脈沖寬度決定。PWM信號(hào)的上升沿由振蕩器決定,下降沿由功率開關(guān)管電流和輸出電壓共同決定。反轉(zhuǎn)觸發(fā)器限制PWM的占空比調(diào)節(jié)范圍在0～50%之內(nèi)。UC3844的振蕩工作頻率由引腳4與引腳8之間所接定時(shí)電阻RT、腳4

與地之間所接定時(shí)電容CT設(shè)定。計(jì)算公式為:

(1.1)1.5課題來源及要求1.5.1課題來源隨著變頻器技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器已經(jīng)在眾多領(lǐng)域，各行各業(yè)得到廣泛使用,是當(dāng)今改善工藝流程,節(jié)省能源,改革傳統(tǒng)工業(yè),提高產(chǎn)品工作質(zhì)量,提高生產(chǎn)自動(dòng)化進(jìn)程,節(jié)省人力資源的主要技術(shù)之一。變頻器技術(shù)是一種新興的環(huán)保型技術(shù),在我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，變頻器技術(shù)得到前所未有的廣泛應(yīng)用。而且在世界范圍內(nèi)，它也是一種不斷注入新鮮血液的科學(xué)技術(shù)。在我國(guó)，超過60%的發(fā)電是通過電動(dòng)機(jī)消耗掉的，所以，調(diào)速傳動(dòng)一直是一個(gè)很重要的行業(yè)，而且目前己有一定程度的發(fā)展規(guī)模。異步電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)子側(cè)的電流由電磁感應(yīng)產(chǎn)生，不需要從外部進(jìn)入，故而具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，剛剛發(fā)明就被人們廣泛使用并被不斷改進(jìn)，在工農(nóng)業(yè)中一直占有龍頭老大的地位。隨著科技的不斷進(jìn)步，隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，人們開始在變頻調(diào)速上提高要求，而異步電動(dòng)機(jī)在調(diào)速方面是很大缺陷。而交流電機(jī)的調(diào)速問題，隨著變頻技術(shù)的出現(xiàn)解決。隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)以及自動(dòng)控制原理的不斷發(fā)展，各種新型電機(jī)控制技術(shù)的方案不斷被提出，使交流電機(jī)的調(diào)速一直簡(jiǎn)單方便。本次課題是針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的變頻器內(nèi)部電源的使用需求提出的。隨著工農(nóng)業(yè)中電機(jī)應(yīng)用的普及，有著良好的調(diào)速性能的變頻器應(yīng)用范圍廣、需求量大，這就為研究變頻器的模塊化、系統(tǒng)化提供了很好的前景。其中變頻器中的輔助電源是首先要解決的問題。1.5.2課題要求綜上，本論文的開關(guān)電源要求：基于UC3844專用PWM發(fā)生芯片，采用反激變換器結(jié)構(gòu)的高壓直流（DC350V-700V）輸入多路（5路：24V/200mA；±15V/200mA；5V/1A）隔離輸出電源。設(shè)計(jì)完成的該系統(tǒng)應(yīng)符合各項(xiàng)行業(yè)規(guī)定。

第2章開關(guān)電源的設(shè)計(jì)2.1主電路拓?fù)湎聢D是所設(shè)計(jì)電源的簡(jiǎn)單圖，其主電路采用單端反激式變換電路，220V交流輸入電壓經(jīng)橋式整流、電容濾波變?yōu)橹绷骱螅┙o單端反激式變換電路，并通過電阻R1、C2為UC3844提供初始工作電壓。為提高電源的開關(guān)頻率，電路中采用功率MOSFET作為功率開關(guān)管，在UC3844的PWM控制下，將能量傳遞到輸出端。此外，在高頻變壓器原邊設(shè)置了RCD緩沖電路用于抑制電壓尖峰。圖2.1主電路主要結(jié)構(gòu)圖2.2主要器件介紹2.2.1PC817PC817是一個(gè)比較常用的光電耦合器,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.2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。同時(shí)它還擁有以下特點(diǎn):（1）電流傳輸比CTR:IF=5mA,VCE=5V時(shí)最小值為50%；（2）輸入和輸出之間的隔絕電壓高Viso(rms):5.0KV。當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)，發(fā)光器發(fā)光，受光器接受光線后開始導(dǎo)通，產(chǎn)生光電流從輸出端輸出。PC817改變了以往普通光電耦合器只能傳輸數(shù)字信號(hào)的弱點(diǎn)。它能夠傳輸連續(xù)變化的電流信號(hào)或模擬電壓，這樣，隨著輸入信號(hào)的強(qiáng)弱變化會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的光信號(hào)，改變光敏晶體管的導(dǎo)通程度，輸出的電壓或電流也不同。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UC3844的工作。在電路中，PC817光電耦合器不但可以起到反饋?zhàn)饔茫铱梢云鸬礁綦x作用。圖2.2PC817內(nèi)部框圖2.2.2TL431TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。它的輸出電壓可以任意地設(shè)為從2.5V到36V范圍內(nèi)的任何值，只用兩個(gè)電阻就可以辦到。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2Ω，在很多應(yīng)用中，我們可以用它代替齊納二極管，例如，可調(diào)壓電源、數(shù)字電壓表、運(yùn)放電路、開關(guān)電源等等。TL431的功能如圖2.3。由圖可看出，VI是內(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)定的電流通過，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過三極管，電流會(huì)從1-100mA逐漸變化。圖2.3TL431的功能模塊示意圖在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，經(jīng)過TL431反饋，使得電流輸出并將誤差放大，TL431的沉流端驅(qū)動(dòng)一個(gè)光耦的發(fā)光部分，這時(shí)反饋電壓由處在電源高壓主邊的光耦感光部分得到。反饋電壓可以用來調(diào)整一個(gè)電流模式的PWM控制器的開關(guān)時(shí)間，得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓輸出。由于TL431的內(nèi)部含有2.5V基準(zhǔn)電壓，在REF端引入輸出反饋時(shí)，器件可以由一個(gè)很寬范圍的分流來控制輸出電壓。當(dāng)R1和R2的阻值確定時(shí)，兩者對(duì)Vo分壓，并且引入反饋，Vo增大導(dǎo)致反饋量增大。TL431的分流增加，導(dǎo)致Vo逐漸下降，如圖2.4的電路：圖2.4TL431的典型應(yīng)用選擇不同的R1和R2的值可以調(diào)整從2.5V到36V范圍內(nèi)的電壓輸出，有一種特殊情況，當(dāng)R1=R2時(shí)，Vo=5V。然后要注意的是，在選擇電阻時(shí)一定要保證TL431工作的必要條件，那就是通過陰極的電流大于1mA。2.2.3開關(guān)功率管的選擇開關(guān)功率管可選用MOS功率管或雙極型功率管。雙極型功率管是具有功率輸出能力的雙極、結(jié)型晶體管（BJT）。應(yīng)有兩種載流子（電子與空穴）流過晶體管，故稱之為雙極型，這與僅利用一種載流子的場(chǎng)效應(yīng)管不同。目前大量使用的PNP或NPN面結(jié)型功率管均屬于雙極型功率管，其開關(guān)時(shí)間為微秒級(jí)，一般只能工作在幾十個(gè)千赫以下。這種功率管在工作時(shí)若UCE突然跌落，管子就在極短時(shí)間內(nèi)從高壓小電流變成低壓大電流狀態(tài)，所呈現(xiàn)的負(fù)阻想象稱作二次擊穿。由于它存在二次擊穿現(xiàn)象，因此只能用在安全工作區(qū)以內(nèi)，這就使實(shí)際功耗必須大大低于器件的最大允許功耗。本電路的開關(guān)功率管設(shè)計(jì)采用MOS管，MOS管具有輸入阻抗高、高耐壓、通態(tài)電阻小、開關(guān)速度快、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，是一種有廣大發(fā)展前途的新型MOS功率器件。由于單端反激式開關(guān)電源中所產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)e=170V，繞組漏感造成的尖峰電壓Ul?100V，那么UImax+e+Ul?650V，因此開關(guān)功率管應(yīng)能承受650V以上的高壓。另外，考慮到MOS管的損耗分為開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，開關(guān)損耗與開關(guān)頻率有關(guān)，導(dǎo)通損耗與MOS管導(dǎo)通電阻Rds有關(guān)，因此在選擇開關(guān)管的時(shí)候，為了減少其導(dǎo)通損耗，通常選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管。這里采用型號(hào)為2SK2611的MOS管，其漏源間能承受最高電壓900V，最大漏極電流9A，最大漏極耗散功率150W，導(dǎo)通電阻Rds=1.2W，完全能滿足要求，但是在使用過程中必須加合適的散熱器，并使用硅脂涂層。2.3變壓器設(shè)計(jì)變壓器在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中占有很重要的部分，它嚴(yán)重影響著電源的效率、工作能力和輸出功能。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們不僅要考慮工作中頻率、輸入和輸出電壓、主電路的形式、轉(zhuǎn)換功率容量，還要考慮繞組繞制的方式、空間大小、散熱方式、工作環(huán)境、鐵芯材料和形狀和成本等多種方面的因素。在設(shè)計(jì)單端反激式變換電路的變壓器時(shí)，我們要注意到它也可以有電抗器的功能，所以要根據(jù)實(shí)際情況來設(shè)計(jì)。圖2.5開關(guān)電源的變壓器部分如圖2.5，MOSFET功率開關(guān)管因?yàn)镻WM脈沖激勵(lì)開始導(dǎo)通，變壓器的原邊繞組上開始流入直流輸入電壓，變壓器次級(jí)繞組上感應(yīng)出的電壓使整流二極管阻斷，此時(shí)電源能量以磁能形式存儲(chǔ)在電感里；當(dāng)MOSFET開關(guān)管截止時(shí)，原邊繞組兩端電壓反向開始給原邊繞組回路施加電壓，副邊繞組上的電壓極性隨之顛倒，這時(shí)候輸出端的整流二極管開通通，儲(chǔ)存在變壓器中的電壓釋放給負(fù)載電路，完成電流的輸出。2.3.1計(jì)算一次繞組參數(shù)根據(jù)技術(shù)指標(biāo)的要求，輸入功率約為62.5W，則原邊峰值電流為:Ipk=2Po/(Vin(max)Dmax)=0.23A(2.1)式中：Po為輸出功率，32.2W；Vin(max)為交流電壓的最大值(經(jīng)過整流后得到的直流電壓的數(shù)值，取700V；Dmax為最大占空比，取0.4。變壓器的初級(jí)電感量為:Lp=Vin(max)×Dmax/(Ipk×f)=10.1mH(2.2)式中：Vin(max)為交流電壓的最小值經(jīng)過整流后得到的直流電壓的數(shù)值，取350V；Dmax為最大占空比，取0.4；f為工作頻率，UC3844的振蕩工作頻率由引腳4與引腳8之間所接定時(shí)電阻RT、引腳4與地之間所接定時(shí)電容CT設(shè)定。計(jì)算公式為:f=1/T=RTCT/0.55=1.72RTCT(2.3)這里取f為60kHz。設(shè)滿載時(shí)的峰值電流為Ip，在進(jìn)行短路保護(hù)時(shí)的過載電流為Is，則(2.4)(2.5)(2.6)在一次繞組上儲(chǔ)存的電能為(2.7)2.3.2計(jì)算磁芯參數(shù)高頻變壓器的最大承受功率PM與磁芯截面積S1（單位是cm2）之間存在下述經(jīng)驗(yàn)公式(2.8)其中，PM的單位取W。其中Sj=CD，C為舌寬；D為磁心厚度，Pm單位為W?，F(xiàn)實(shí)際輸出功率Po=19.2+3+10=32.2W。設(shè)開關(guān)電源的效率η=85%，則高頻變壓器的額定輸入功率P1=Po/η=37.9W，設(shè)計(jì)高頻變壓器時(shí)留出一點(diǎn)余量，可取Pm=50W。則Si=0.15(2.9)2.3.3計(jì)算變壓器有效體積在單端反激式變換器電路中，變壓器初級(jí)繞組只在B—H待佐曲線(磁滯回線)的一個(gè)方向上被驅(qū)動(dòng)，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)注意不要使其飽和，所選擇的磁芯一定要有足夠大的有效體積，通常應(yīng)用空氣隙來擴(kuò)大其有效體積。傳輸變壓器有效體積v的計(jì)算公式如下：(2.10)ILamx最大負(fù)載電流L：變壓器次級(jí)繞組的電感量：空氣的導(dǎo)磁率，其值為15：所選磁芯的磁性材料的相對(duì)導(dǎo)磁率Bmax：磁芯的最大磁通密度相對(duì)導(dǎo)磁率從應(yīng)盡可能選得大一些，以避免由于喂制磁充尺寸和線徑，以及銅損和鐵損引起磁芯溫升過高。2.3.4確定一次繞組匝數(shù)N1可由下式確定N1，R值設(shè)定為0.5，磁鐵密度Bpk怎么變化都不會(huì)超過0.3T。(2.11)我們查得數(shù)據(jù)可知，高頻變壓器EER28磁心有效面積Ae=0.814cm2此通報(bào)和密度B=21.9T帶入數(shù)據(jù)得到(2.12)2.3.5確定自饋繞組Ns和二次繞組的匝數(shù)一旦一次繞組確定之后，利用下式即可計(jì)算N2，N3的匝數(shù)(2.13)式中——繞組N2（或N3）兩端的電壓；——輸出整流二極管的正向壓降。自饋繞組N2回路中的整流管VD1，其≈1V。繞組兩端的有效值電壓為20V時(shí)，經(jīng)整流濾波后可獲得大約16V的直流電源，開始向UC3844供電。(2.14)實(shí)際取5匝。二次繞組N3回路中可以使用肖特基整流二極管，U≈0.4V，Uo=5V，故(2.15)鑒于當(dāng)輸出電流Io達(dá)到5A時(shí)，在輸出電阻及繞組的銅阻上均會(huì)產(chǎn)生壓降，會(huì)果斷輸出電壓的跌落，因此應(yīng)適當(dāng)增加N3的匝數(shù)，以提升UO。實(shí)際取N3=2匝，用2股1.0mm高強(qiáng)度漆包線并聯(lián)后繞制而成。Uo=15V時(shí)，(2.16)實(shí)際取4匝。Uo=24V時(shí)，(2.17)實(shí)際取6匝。2.3.6計(jì)算空氣氣隙為防止高頻變壓器發(fā)生磁飽和現(xiàn)象而損壞開關(guān)功率管，需要在EER28型磁心的兩個(gè)側(cè)面各留出一定的空氣氣隙d。假如磁場(chǎng)集中于氣隙處而未向外部泄露，則(2.18)這里去B=500mT，把N1=53，Is=0.7A代入可得(2.19)保留余量，每邊可留出1mm的氣隙。另外，利用AP法選擇最小尺寸的磁芯

(2.20)式中：Lp為變壓器初級(jí)電感量；Lpk為原邊峰值電流；j為電流密度，這里取為3；Ke為鐵芯截面有效系數(shù)，選鐵氧體鐵芯，Ke=0.98；Kc為鐵芯窗口的有效利用系數(shù)，取0.36；△Bmax為磁通密度的最大變化量，取0.2據(jù)此可選EER28型磁芯導(dǎo)線截面積為Sx=Iin(max)/j=0.28/3=1mm2

可選擇直徑為1mm的漆包線。反激變換器在工作于CCM模式下電流應(yīng)力、外特性、原邊電感量及反向恢復(fù)問題的分析。在CCM模式下原邊電感為變換器處于電感電流臨界連續(xù)時(shí)感值的k倍，其表達(dá)式為(2.21)由流過電感的電流與加在其上的電壓關(guān)系可得電感電流變化量(2.22)代入上式可得(2.23)由CCM模式電流波形關(guān)系可得(2.24)(2.25)將上式聯(lián)立可得每個(gè)開關(guān)周期電感電流峰值和最小值(2.26)(2.27)電感電流的峰值和最小值與之比為(2.28)每個(gè)開關(guān)周期電感電流有效值為(2.29)2.4緩沖電路設(shè)計(jì)在反激變換器的工作過程中，容易引起開關(guān)應(yīng)力變高，從而導(dǎo)致開關(guān)出現(xiàn)損耗的原因一般有兩個(gè):一個(gè)是負(fù)載線連接不合理，第二個(gè)是當(dāng)MOSFET功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，漏電感引起開關(guān)管集電極電壓驟然升高。抑制開關(guān)應(yīng)力的辦法有兩種，即耗散過電壓，和減小漏電感。減小漏電感主要靠生產(chǎn)和制造工藝的手法；耗散過電壓則依靠和電感線圈并聯(lián)的RC緩沖電路，或與開關(guān)并聯(lián)的RC緩沖電路。圖2.6緩沖電路每當(dāng)開關(guān)管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，在變壓器的一次繞組上就會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓和感應(yīng)電壓。由于高頻變壓器存在漏感而形成的尖峰電壓，它對(duì)電路造成極大沖擊，因?yàn)楹苋菀讚p壞功率開關(guān)管。為此，在電路中加入RCD緩沖電路，用于吸收尖峰電壓。緩沖的電容要滿足在開關(guān)管集電極電流降為0時(shí)，其集電極電壓不能超過Vceo的70%，即(2.30)取10nF/400V

式中：Ip是原邊電流；Vceo是晶體管的Vceo額定值(500V)。按RC時(shí)間常數(shù)為0.5toff(min)來計(jì)算電阻R值，即R=0.5toff(min)/C×102=12.5kΩ取15kΩ

電阻消耗功率為：(2.31)f=2.79W

式中：Vc為整流后的直流電壓350V；f為工作頻率60kHz。 為保證此電源能長(zhǎng)時(shí)間工作，電阻的額定功率應(yīng)留有一定余量，故選用5w的功率電阻。2.5驅(qū)動(dòng)電路和控制電路設(shè)計(jì)UC3844內(nèi)部主要由5.0V基準(zhǔn)電壓源、用來調(diào)節(jié)占空比的振蕩器、電流測(cè)定比較器、誤差放大器、降壓器、PWM鎖存器和適用于驅(qū)動(dòng)功率管MOSFET的電流推挽輸出電路等部件構(gòu)成。UC3844的外部由驅(qū)動(dòng)電路和控制電路所包圍，用于對(duì)基于UC3844的電路進(jìn)行控制和驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)功率放大電路，從而滿足負(fù)載額定功率使得負(fù)載可以正常工作，從而可以響應(yīng)微弱的輸入信號(hào)，所以對(duì)于不同的負(fù)載就需要不同的驅(qū)動(dòng)電路，但實(shí)質(zhì)是一樣的，比如LED驅(qū)動(dòng)電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，繼電器驅(qū)動(dòng)電路，揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路等。圖2.7UC3844的典型外圍電路UC3844的典型外圍電路如圖所示，圖中腳7是其電源輸入端，芯片的開啟電壓為16V，過壓保護(hù)的電壓上限是34V，欠壓鎖定電壓為10V。用穩(wěn)壓二極管進(jìn)行穩(wěn)壓，同時(shí)并聯(lián)值為10uF的電解電容用于濾波。剛開始時(shí)由原邊的主電路向芯片進(jìn)行供電，等電路正常工作以后，開始由副邊進(jìn)行供電。原邊主電路向其供電時(shí)需加限流電阻，考慮芯片的發(fā)熱和散熱水平條件，其值取為80kΩ/5W，在輸出端與穩(wěn)壓管相連接處串入二極管，用于防止輸出電壓不穩(wěn)定時(shí)，超高電壓直接進(jìn)入穩(wěn)壓二極管，致其燒壞。腳4接振蕩電路，產(chǎn)生所需要頻率的鋸齒波，工作頻率為=1.8/CTRT，振蕩電阻R1和電容C4的值分別為120kΩ、250pF。腳1及腳2為UC3844內(nèi)部電壓比較器的輸出端和輸入端，它們之間接一個(gè)15kΩ的電阻構(gòu)成比例調(diào)節(jié)器。腳8是其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓(5V)，給光耦副邊的三極管提供偏壓。腳6為芯片輸出端，用限流電阻限流后負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)功率MOSFET，在腳6處并聯(lián)一支15V的穩(wěn)壓二極管，用于保護(hù)功率MOSFET。開機(jī)時(shí),交流電壓首先經(jīng)過EMI過濾干擾,再經(jīng)過橋式整流和濾波,生成直流電壓。然后經(jīng)R2降壓后，向UC3844提供+16V啟動(dòng)電壓。C1為濾波電容,R1是限流電阻。電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)后,電路中自饋線圈上的高頻電壓經(jīng)過VD1、C3整流濾波,開始作為UC3844的電壓進(jìn)行工作。C2儲(chǔ)存的能量設(shè)計(jì)中要求滿足電源正常工作的需要，使得UC3844第7腳有穩(wěn)定充足的輸入供給。所以初級(jí)繞組電容的放電時(shí)間一般要大于UC3844輸出脈沖的高電平持續(xù)時(shí)間。反之，電源將出現(xiàn)不平均的現(xiàn)象。所以，電容C2的容量和質(zhì)量的選取非常重要。容量最好在100μF或者以上。電路圖如圖：圖2.8控制與啟動(dòng)電路2.6電流反饋電路設(shè)計(jì)UC3844采用的是峰值電流控制模式，腳3是電流比較器同相輸入端，在電路中用于輸入取樣電流信號(hào)，由R3，Rf以及腳3組成。如圖2.9，電流反饋信號(hào)從腳3引入，并且和腳1的電壓誤差信號(hào)進(jìn)行比較，進(jìn)而產(chǎn)生PWM波，由于電流比較器輸入端設(shè)置了1V的基準(zhǔn)值，當(dāng)電路中電流過大而使電阻R3上的電壓超過1V(時(shí)，將關(guān)斷PWM脈沖，若小于1V時(shí)，則保持PWM脈沖不變。R3可以限制最大輸出電流，因?yàn)榉逯惦娏饔呻娮鑂3檢測(cè)，這里上端采樣電阻Rf取為2kΩ，下端電流檢測(cè)電阻R3。濾波電容取為500pF/1.2V的電解電容，用來保護(hù)電路。圖2.9UC3844電流反饋2.7電壓反饋電路設(shè)計(jì)電壓反饋電路采用三端可控基準(zhǔn)源TL431反饋誤差電壓，放大誤差電壓，用來驅(qū)動(dòng)PC817的發(fā)光二極管，然后反饋電壓進(jìn)入處在電源高壓端的光耦副邊三極管，再輸入到UC3844的腳1腳2的誤差放大器，進(jìn)而調(diào)整MOSFET開關(guān)管的通斷時(shí)間。圖2.10由TL431及光耦組成的輸出電壓反饋電路TL431的參考端和陽極間是穩(wěn)定2.5V基準(zhǔn)電壓，它可以將取樣電阻上的電壓穩(wěn)在2.5V。輸出電壓增大的話，經(jīng)電阻分壓后，得到的取樣電壓若大于2.5V，流過TL431的電流逐漸增強(qiáng)，其陰極電壓下降，光耦原邊二極管開始發(fā)光，使得開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間逐漸減少，用這種方法降低了輸出電壓。

第3章斜坡補(bǔ)償開關(guān)電源采用反激變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并按電流連續(xù)模式設(shè)計(jì)的小型開關(guān)電源，應(yīng)用范圍廣泛。價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但始終存在存在電流模式控制不穩(wěn)的缺陷。例如UC3842，它是一個(gè)與UC3844相同的電流控制型器件,它的最大缺點(diǎn)是當(dāng)占空比D大于50%時(shí),電路不能穩(wěn)定工作,此時(shí)必須進(jìn)行斜坡補(bǔ)償。而UC3844的占空比最大為50%，所以一般情況下不需要進(jìn)行斜坡補(bǔ)償。本章節(jié)介紹了斜坡補(bǔ)償?shù)念愋秃驮?，為與UC3844相似的同系列產(chǎn)品更換有一定作用。3.1斜率補(bǔ)償?shù)念愋团c補(bǔ)償方程(1)UC3844芯片采用峰值電流控制法,將實(shí)際的電感電流與電壓外環(huán)設(shè)定的電流值分別接到PWM比較器的兩端進(jìn)行比較。在UC3844或者UC3842的誤差放大器輸出端，用一負(fù)斜率電壓疊加上去，合成的參考電壓在PWM比較，以此調(diào)節(jié)芯片的占空比，其最終目的是穩(wěn)定輸出。當(dāng)占空比小于50%時(shí)擾動(dòng)電流引起的電流誤差會(huì)較小，而占空比大于50%時(shí)擾動(dòng)電流引起的電流誤差會(huì)較大。因此，當(dāng)尖峰電流模式占空比大于50%時(shí),經(jīng)過一個(gè)周期會(huì)將擾動(dòng)信號(hào)擴(kuò)大，導(dǎo)致電路工作不穩(wěn)定。此時(shí)需要對(duì)比較器添加坡度補(bǔ)償以穩(wěn)定電路，如圖3-1所示。加了坡度補(bǔ)償，即使占空比小于50%,電路性能也能得到改善。圖3.1占空比大于50%斜率補(bǔ)償示意圖斜率補(bǔ)償如圖所示，圖中為待選的斜率，可按下式中關(guān)系確定：(3.1)若設(shè)上式(3.2)差值為零，即(3.3)副邊平均電流與無關(guān)。所以，在開關(guān)電源調(diào)節(jié)過程中均能保持平均電流不變，使輸出電壓和電流穩(wěn)定。圖3.2負(fù)斜率補(bǔ)償電壓對(duì)擾動(dòng)的收斂效果(2)負(fù)斜率補(bǔ)償在D≥50%時(shí)對(duì)擾動(dòng)任然具有收斂的作用，如上圖，圖中有可供比較的交點(diǎn)A、B、C?；鶞?zhǔn)交點(diǎn)為A點(diǎn)，他表示了某一時(shí)刻占空比≥50%時(shí)的電流連續(xù)模式下的開關(guān)切換。當(dāng)干擾出現(xiàn)時(shí)，若按水平比較基準(zhǔn)切換，交點(diǎn)將在B點(diǎn)，此時(shí)的遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于，得出，電流波形將會(huì)因擾動(dòng)而發(fā)散，于是形成振蕩。若此時(shí)引進(jìn)M為基準(zhǔn)，進(jìn)行比較切換。此時(shí)切換交點(diǎn)移到C。擾動(dòng)的變化如圖中的所示，由此得出<，上面的分析得出即使在占空比≥50%的情況下，擾動(dòng)增益<1，電流波形可以保持穩(wěn)定。3.2正斜率補(bǔ)償及其補(bǔ)償電路若采用不改變誤差放大器的輸出電壓，在電流采樣信號(hào)上疊加一個(gè)正斜率為M的補(bǔ)償信號(hào)的辦法，也可以對(duì)電路進(jìn)行補(bǔ)償，而且操作非常簡(jiǎn)單。以A為頂點(diǎn)的電流波形為參照波形，我們可以看出，圖形為發(fā)散的。如果在采樣輸人信號(hào)上疊加正斜率的補(bǔ)償信號(hào)，此時(shí)切換的交點(diǎn)移到C點(diǎn)，這樣可保持所需要的電流，若有擾動(dòng)輸入，比較器交點(diǎn)將上移至D點(diǎn)，開關(guān)管電流切換點(diǎn)將從D點(diǎn)下移至E點(diǎn)，B點(diǎn)是未加補(bǔ)償?shù)狞c(diǎn)，此時(shí)的<，則對(duì)電路進(jìn)行了震蕩的消除。圖3.3正斜率補(bǔ)償?shù)氖諗啃Ч?.3正斜率補(bǔ)償?shù)碾娐穬?yōu)化如圖3.4,采用正斜坡斜坡補(bǔ)償方法。在MOSFET的門極驅(qū)動(dòng)輸出端集成一RC網(wǎng)絡(luò)。需要選合適的電阻R和電容C值，使恒流源電流對(duì)Cl充電，進(jìn)而產(chǎn)生我們所需的斜率補(bǔ)償信號(hào)。這種方法比較簡(jiǎn)單有效，原理科學(xué)，且其斜率和輸入電壓沒有關(guān)系。UC3844是一種高性能的固定頻率電流型控制器，其最大占空比控制在了50%，基本上不需要斜坡補(bǔ)償。但是經(jīng)過分析和試驗(yàn)證明，新型改進(jìn)的斜坡補(bǔ)償電路可以有效地提高UC3844的運(yùn)行穩(wěn)定性，減小輸出紋波，從而降低整個(gè)開關(guān)電源的負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率，對(duì)其性能和效率有很大提高。此外，電路簡(jiǎn)單，容易調(diào)整，易操作也是很大的優(yōu)點(diǎn)。圖3.4新型斜坡補(bǔ)償電路

結(jié)束語電流控制型PWM芯片UC3844是一種高性能的固定頻率電流型控制器，可以產(chǎn)生PWM脈沖直接驅(qū)動(dòng)MOSFET功率管，并具安裝調(diào)試方便、有外圍電路簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。本文提出了使用UC3844、TL431及光耦等構(gòu)成的變頻器單端反激開關(guān)電源，直接從輸出電壓進(jìn)行反饋，且電壓反饋直接接UC3844內(nèi)部誤差放大器的輸出端。該設(shè)計(jì)輸出與輸入隔離，反饋回路動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)壓控制精度高，比較適合用于小功率變換器的設(shè)計(jì)中。而且克服了電壓控制型脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源頻響慢、電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率低的缺點(diǎn)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低、體積小、易實(shí)現(xiàn)。該電源是目前實(shí)用和理想的變頻器開關(guān)電源，具有很大的發(fā)展前景。

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