反激變換器課程設(shè)計(jì)報(bào)告

-.z.電力電子課程實(shí)習(xí)報(bào)告班級(jí)：電氣10-3班**：10053303**：李樂(lè)目錄課程設(shè)計(jì)的目的課程設(shè)計(jì)的要求課程設(shè)計(jì)的原理課程設(shè)計(jì)的思路及參數(shù)計(jì)算電路的布局與布線調(diào)試過(guò)程遇到的問(wèn)題與解決辦法課程設(shè)計(jì)總結(jié)課程設(shè)計(jì)的目的熟悉PowerMosFET的使用；熟悉磁性材料、磁性元件及其在電力電子電路中的應(yīng)用；增強(qiáng)設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試電力電子電路的能力。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：220V電源輸出電壓電流：12V/1.5A電路板：萬(wàn)用板手焊。三、課程設(shè)計(jì)原理1、引言電力電子技術(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(jiǎn)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?。?，所以開關(guān)電源具有能耗小、效率高、穩(wěn)壓*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。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(guò)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(wú)電流流過(guò)，即沒(méi)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(guò)。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(guò)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(méi)有將磁路的儲(chǔ)能放光，即在副邊電流沒(méi)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，只不過(guò)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。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波，是將變壓器副邊輸出的方波電壓?jiǎn)蜗蜉敵觯覝p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(jiǎn)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(wú)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=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。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Bma*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)。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）氣隙長(zhǎng)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(zhǎng)度為：=0.16mm。變壓器制作過(guò)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=122Ω，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(guò)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)，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(guò)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(guò)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6UC3845控制原理示意圖幾個(gè)重要器件的介紹: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7UC3845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（2.5V）進(jìn)行比較，調(diào)整脈寬。3腳：電流取樣輸入端。4腳：RT/CT振蕩器的外接電容C和電阻R的公共端。通過(guò)一個(gè)電阻接Vref通過(guò)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：Vref，5V基準(zhǔn)電壓，輸出電流可達(dá)50mA.（2）TL431TL431是一個(gè)良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。 外部有三極分別為：陰極（CATHODE）、陽(yáng)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(lái)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(guò)，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過(guò)三極管，電流將從1到100mA變化。圖8TL431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(guò)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，而處在電源高壓主邊的 光耦感光部分得到的反饋電壓，用來(lái)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(yáng)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(guò)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4.15PC817內(nèi)部框圖UC3845的主要外圍電路設(shè)計(jì)供電,初始取=300KΩ,(后修改為)。電流檢測(cè)接在功率MOSFET源極上的電流檢測(cè)電阻大概值為：，取。在測(cè)試時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)在最小輸入電壓下，電源無(wú)法提供滿載功率，就需要減小該電阻值。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(guò)二極管的最大電流為：

,所以，,,取。取。在此*圍內(nèi)取值，則則取電路的布局與布線調(diào)試過(guò)程遇到的問(wèn)題與解決辦法初次焊接成功后，取Ra1為300K歐姆，上電后穩(wěn)壓管兩端輸出8.2v，輸出端沒(méi)輸出，懷疑是Ra1太大的緣故，于是將其改成150KΩ和100KΩ加50K電位器串聯(lián)，即改成可調(diào)節(jié)的，重新上電，并緩緩調(diào)小Ra1，結(jié)果穩(wěn)壓管兩端達(dá)到8.5v，但UC3845芯片仍舊沒(méi)有工作，因此仍沒(méi)有輸出經(jīng)詢問(wèn)同學(xué)，懷疑可能是因?yàn)镃T取得太大，影響輸出頻率，導(dǎo)致UC3845不能工作，于是縮小十倍由104變?yōu)?03，為保證開關(guān)頻率不變，RT相應(yīng)擴(kuò)大十倍，變?yōu)?200歐姆，再次上電，這次UC3845工作了，有輸出了，但開關(guān)管在震動(dòng)，發(fā)出嗡嗡聲，上電到150V左右時(shí)保險(xiǎn)絲燒了，撤電后檢查發(fā)現(xiàn)開關(guān)管也燒壞了。換上新的器件后，開始檢查電路，發(fā)現(xiàn)RC濾波的電壓和電容選錯(cuò)了，電容選的太小因?yàn)檫@個(gè)是大家統(tǒng)一的，我們選的電容太小電阻太大，修改之后再次上電，結(jié)果顯示輸出的發(fā)光二極管亮了一下之后就滅了，撤電再次檢查發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓管燒壞了。我們推測(cè)是因?yàn)镽a1調(diào)的太小，導(dǎo)致供給穩(wěn)壓管兩端電壓太大，于是換了穩(wěn)壓管之后并調(diào)大了Ra1，但是再次上電仍然燒了穩(wěn)壓管，所以感覺(jué)推測(cè)有誤。詢問(wèn)老師，原因可能是輔助繞組匝數(shù)太多，應(yīng)減少，于是將輔助繞組減到4匝，結(jié)果成功了一小步，穩(wěn)壓管有穩(wěn)定輸出12v，輸出穩(wěn)定在15v，覺(jué)得兩個(gè)電壓都太大，不敢繼續(xù)升高輸入電壓，怕燒壞穩(wěn)壓管。于是又一次修改變壓器，將輔助繞組減到3，副邊繞組也減到3，再次上電穩(wěn)壓管兩端電壓竟然升到了13v多，沒(méi)敢繼續(xù)升高輸入，不明白為什么降低了繞組匝數(shù)反而電壓上升，撤電分析原因詢問(wèn)老師知，副邊繞組降低導(dǎo)致占空比增大，接著導(dǎo)致供電輸出也增大，于是將輸出繞組又改為5匝，重新上電，但輸出調(diào)到10v后，但UC3845不工作，這次是輔助繞組匝數(shù)太少導(dǎo)致供電輸出太小，達(dá)不到8.5v。最后將輔助繞組又增大到到5匝，上電輸出穩(wěn)定，但升到200v左右時(shí)，輸出突然降為零，經(jīng)檢查，是輸出