基于UC3844变频器辅助电源研究设计毕业设计.docx
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基于UC3844变频器辅助电源研究设计毕业设计
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毕业论文
题目：
基于UC3844变频器辅助电源的研究设计
学院：
电气信息学院
专业：
班级：
学号：
学生：
导师：
完成日期：
2015年6月
诚信声明
本人声明：
1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；
2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；
3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。
作者签名：
日期：
年月日
湖南工程学院
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
基于UC3844变频器辅助电源的研究设计
系别电气信息学院专业电气工程及其自动化班级学号
指导老师职称助教教研室主任谢卫才
一、本任务及要求：
随着工农业中电机应用的普及，有着良好的调速性能的变频器应用范围广、需求量大，这就为研究变频器的模块化、系统化提供了很好的前景。
变频器中的辅助电源是首先要解决的问题。
研究设计基于UC3844专用PWM发生芯片，采用反激变换器结构的高压直流（DC350V-700V）输入多路（5路：
24V200mA；±15V200mA；5V1A）隔离输出电源。
设计完成的该系统应符合各项行业规定。
设计的主要内容：
a）设计完善的硬件电路
b）元器件有关参数计算及选型
c）完成样机制作并进行调试
d）完成设计报告的撰写
二、进度安排及完成时间：
1月12日-1月18日查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告。
2月25日-3月05日查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告。
3月06日-3月15日毕业实习、撰写实习报告。
3月16日-4月22日主要完成系统软硬件构建的初步设计。
4月23日-5月10日修改系统硬件构建设计。
5月11日-5月20日完成系统的主电路设计与元器件计算。
5月21日-5月25日完成工艺设计。
5月26日-6月01日撰写毕业设计说明书（论文）。
6月02日-6月06日修改、装订毕业设计说明书、指导教师评阅。
6月07日-6月14日毕业设计答辩（公开答辩、分组答辩）。
摘要I
AbstractII
致谢36
基于UC3844变频器的辅助电源的研究设计
摘要：
随着电子技术高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备种类也越来越多，它们与人们工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，因此，对电源的要求更加灵活多样。
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。
随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。
目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。
UC3844是高性能固定频率电流模式控制器专为离线和直流至直流变换器应用而设计，为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案。
这些集成电路具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、高增益误差放大器。
电流取样比较器和大电流图腾柱式输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。
本课题是设计一个变频器的多路输出的反激式开关电源，电源取高压直流（DC350V-700V）。
要求基于UC3844专用PWM发生芯片，采用反激变换器结构的高压直流（DC350V-700V）输入多路（5路：
24V200mA；±15V200mA；5V1A）隔离输出电源。
设计完成的该系统应符合各项行业规定。
关键词：
UC3844、开关电源、反激变换器
Designofauxiliarypower
supplybasedonUC3844inverter
Abstract：
Withfieldsofelectronicsystem,electronicequipmentisalsomoreandmore,theirrelationswiththepeopleworkandlifeisincreasinglyclose,andelectronicequipmentisinseparablefromthereliablepowersupply,therefore,therequirementtothepowersupplyismoreflexible.
Switchingpowersupplyisthemodernpowerelectronictechnology,tocontroltheturn-onandturnofftimeratio,tomaintainastableoutputvoltageofpowersupply,switchingpowersupplyfromthegeneralpulsewidthmodulation（PWM）controlICandMOSFET.Withthedevelopmentandinnovationofpowerelectronictechnology,thetechnologyofswitchingpowersupplyisalsoconstantlyinnovated.Atpresent,theswitchingpowersupplyischaracterizedbysmall,lightweightandalmostallelectronicdevices,anditisapowersupplymodewhichisindispensableinthedevelopmentofelectronicinformationindustry.
UC3844isa,withminimalexternalcomponentscangetcosteffectivesolutionstoprovideforthedesignstaff.Theseintegratedcircuitserroramplifier.ThecurrentsamplingcomparatorandaidealdevicefordrivingpowerMOSFET.
Thistopicistodesignamultipleoutputflybackconvertertypeswitchingpowersupply,powersupplyforUC3844dedicatedPWMchip,usingthestructureoftheflybackofthesystemshouldcomplywiththeregulationsoftheindustry.
Keywords:
UC3844，SwitchingPowerSupply，Theflybackconverter
第1章绪论
1.1变频器的发展
变频器经过逐年的飞速发展，如今已应用于多种设备和多种行业,并且逐渐作为当今电能节省、改善工艺流程、改良传统型工业、提高生产自动化水平、提高工业产品的质量和改善环境的主要技术之一。
变频器技术作为一种全新的绿色环保技术,是日常生活和工业生产中急需的高级技术,同时也是国际上电子技术更新最快的领域之一。
随着电力电子技术、微机技术和自动控制原理的不断发展，变频器作为一种智能调速电源，其功能和结构也在不断地发展更新。
自第一代变频器以来，变频器已经经历好几个发展阶段：
即模拟式、数字式、智能式、多功能型和现在的新型通用变频器。
新型变频器为了实现静音化，在方式上采用高频载波方式的正弦波SPWM调制，还在其输入侧附加交流电抗器，而在逆变电路中则采取PWM控制技术，以改善输入电流的波形和降低电网的谐波。
新型变频器不仅发展单机的数字化、智能化外，还向其他方向飞速发展。
例如集成化和系统化。
现在有一种集通讯、设计和数据管理于一体的“全集成自动化”平台概念，它可以使自动化和驱动系统以及通讯和数据管理系统，以及伺服装置、控制器、变频器及通讯装置等配置，都可以像驱动装置嵌入全集成自动化的系统那样进行，可以为广大用户提供最好的系统功能。
富士、三菱、西门子、日立、VACON等品牌的变频器，均可通过不同的选件支持不同类型的现场总线。
因为新型变频器可与现场的总线：
CANOpen、Profibus-DP、Ethernet、DeviceNet、Interbus-S、CC-Link、LONWORKS、ModbusPlus、T-LINK等通讯。
可以提供多种不同而且兼容的通信接口，支持多种要求的通信协议，而且可由个人计算机向变频器内输入命令和设定功能等等用途。
新型变频器其中可以设置多种应用类软件，甚至有的品牌可提供多达100余种的应用软件，随时满足各种现场需要。
比如速度级链、电流平衡、速度跟随、变频器功能设置软件、PID控制软件、通讯软件等。
变频器功能设置软件可以在WINDOWS95或者98的系统下设置变频器的功能和数据通讯。
并且，用户只要设定数据组编码，而不必逐项设置，变频器会将运行参数自动调整到最佳状态。
1.2变频器工作原理
变频器的工作原理是通过控制电路来控制主电路，主电路中的整流器将交流电转变为直流电，直流中间电路将直流电进行平滑滤波（电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。
电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。
），逆变器最后将直流电再转换为所需频率和电压的交流电，部分变频器还会在电路内加入CPU等部件，来进行必要的转矩运算。
（1）整流器
最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。
也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
（2）平波回路
在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。
为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。
装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
（3）逆变器
同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。
以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。
控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。
（1）运算电路：
将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。
（2）电压、电流检测电路：
与主回路电位隔离检测电压、电流等。
（3）驱动电路：
驱动主电路器件的电路。
它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。
（4）速度检测电路:
以装在异步电动机轴机上的速度检测器（tg、plg等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
（5）保护电路：
检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
1.2.2变频器输出电压调制和PWM技术
整流是变频器的重要组成部分，它可以通过整流器把工频交流电转换成直流电。
目前变频器主要是依靠二极管桥式电路的整流技术进行整流。
二极管整流的主要缺点是：
产生谐波和不可控制性。
谐波会严重“污染”电网，不可控制性会使电路无法调节所得直流电的大小。
治理这种电网“污染”最根本的措施就是将PWM技术引入整流器的控制，实现网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数。
变频器的逆变电路根据逆变电路输出电压调制方法分类有脉幅调制PAM、脉宽调制PWM、正弦脉宽调制SPWM等3种类型。
脉宽调制PWM即要求逆变电路输入直流电压的有效值是不能控制的，也就是整流电路应为二极管控桥路，而逆变电路通过控制全控元件的开关频率和开关时间的长短，用来改变其输出电压变频和输出脉冲占空比，因此实现频率和电压值配合改变目的。
整流器分为电压型和电流型两大类。
电压型PWM整流器（VoltageSourceRectifier,简称VSR）最显著的拓扑结构特征就是直流侧采用电容进行直流储能，从而使直流侧呈低阻抗的电压源特性。
它以其较低的损耗、简单的结构、方便的控制和较快的响应速度等一系列优点，一直成为PWM整流器研究的重点。
下图是三相电压型PWM整流器。
图1.1一种三相电压型PWM整流器
电流型PWM控制系统的流程框图如图所示。
图1.2电流型PWM控制系统框图
该系统采用电流电压双闭环串级控制结构,内环是电流环,外环是电压环。
控制原理是:
给定的电压Ug与从输出反馈回的电压Ur进行比较,得到的电压误差经电压调节器输出作为另一个给定的电压信号Ue。
该信号与经电阻采样反映电流变化的信号Us进行比较,输出一个占空比可调节的PWM脉冲信号,从而使得输出的电压信号V0保持恒定。
电流型PWM控制的优点如下:
a）负载调整率好。
由于电压误差放大器可专门用于控制占空比,可以很快适应负载变化造成的输出电压的变化,因此可以显著改善负载调整率。
b）电压调整率好。
输入电压的变化会带动电感电流的变化,电感电流的变化立即被电流控制回路感应而被抑制,不需要类似电压控制调节的复杂过程，所以响应快。
如果输入电压的变化是持续的,电压反馈环也起作用,可以达到较高的调整率。
c）系统稳定性好。
电压控制单闭环系统是一个无条件的二阶稳定系统。
而电流控制双闭环系统是一个无条件的一阶稳定系统,因此系统稳定性好。
1.3变频器的开关电源简介
1.3.1开关电源的发展
开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。
由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。
SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。
开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。
对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。
开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET、变压器。
SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用，GTR驱动困难，开关频率低，逐渐被IGBT和MOSFET取代。
开关电源高频化和小型化，使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了开关电源的发展前进，每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。
开关电源可分为ACDC和DCDC两大类，DCDC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但ACDC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。
另外，开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N+1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。
针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。
电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。
要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。
1.3.2开关电源的工作原理：
开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。
与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。
脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。
一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。
通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。
最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。
控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。
也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。
他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压脉冲宽度转换单元。
开关电源有两种主要的工作方式：
正激式变换和升压式变换。
尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。
1.3.3开关电源的优点：
开关电源的电路结构与线性电源相比有如下几个优点：
（1）功耗小，效率高。
激励信号激励功率晶体管，晶体管交替工作在饱和导通与截止的快速开关状态，频率一般在几十到几百kHz。
这就使得功率晶体管的损耗较小，电源的效率可以达到80%以上。
（2）滤波的效率高，大大减小了滤波电容的容量和体积。
开关稳压电源的工作频率是线性稳压电源的频率的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。
采用开关稳压电源时，在相同的纹波输出电压的要求下，滤波电容的容量远小于线性稳压电源中滤波电容容量。
（3）稳压范围宽。
激励信号的占空比和激励信号的频率是用来调节开关稳压电源输出电压的，并且通过变频或调宽，可以对输入电压的变化进行补偿。
在电网电压不稳定的时候，或者负载有较大的变化时，它仍然可以保证稳定的输出电压，因此它的稳压范围较宽、稳压效果比其他电源好。
（4）体积小。
开关稳压电源没有体积较大工频变压器，并且省去了很多散热片，因为其在功率晶体管上的耗散功率大幅降低。
因此开关稳压电源无论是体积还是重量都有所减小。
（5）电路形式较多。
例如，有调宽型和调频型，自激式和他激式，有单端式和双端式。
设计师可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。
1.3.4开关电源的构成
变频器开关电源主要包括整流滤波电路、变换器、控制电路、保护电路组成。
图1.3开关电源的基本构成
1.整流滤波电路
变频器的整流虑波电路和逆变电路，可分为晶闸管三相桥半控式整流和三相逆变电路、二极管单相桥式整流和三相逆变电路、晶闸管三相桥全控式整流和三相逆变电路、二极管三相桥式整流和三相逆变电路等4类。
在变频器整流的过程中，可以产生大量的高次谐波，据绿波杰能的不完全统计，最高的电流畸变率，可以达到70%以上。
这些高次谐波，会通过与变频器输入端连接的电源线，进入到电网中，进而会影响到使用这一电网的敏感设备的正常工作。
变频器输入滤波器，就是为了解决变频器干扰电网的问题，同时，亦能解决变频器遭受电网中的谐波危害所产生的过压、过流、欠压、过载、过热等误报警、误动作、拒动等问题。
输入滤波器的作用：
第一，对将要进入变频器的电网中的谐波进行阻止。
第二，对变频器产生的谐波进行抑制。
第三，缓和电网中的尖峰脉冲；
第四，抑制电网的换相缺口；
输出整流滤波器的作用是将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时防止高频噪声对负载的干扰。
2.变换器
开关电源有两种常用的变换器：
①PWM变换器
脉冲宽度调制简称脉宽调制。
它的原理是利用微处理器的数字输出控制模拟电路。
是一种非常有效的技术，在通信、功率控制、测量与变换等许多领域都有所应用。
通过参数相应载荷的变化来调制晶体管基极或栅极的偏置，以此改变晶体管导通的时间，这种方式能使电源输出电压在外部工作条件变化时，一直保持恒定。
脉冲宽度调制（PWM）通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的，所以不论在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么为0，要么完全存在。
图1.4PWM变换器原理图
电压或电流源是以一种通或断的重复脉冲序列。
直流供电加到负载上的时候就是通的时候，供电被断开的时候就是断的时候。
所以如果带宽够的话，所有模拟值都可以使用PWM来编码。
其工作原理如上图1.4。
多数负载（无论是电感性负载还是电容性负载）需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。
PWM相对于模拟控制的另外一个优点是对噪声抵抗能力的增强，所以某些时候我们必须以PWM进行通信。
通过将模拟信号转向PWM，可以很大程度上地延长通信距离。
通过适当的LC或RC网络可以在接收端滤除调制高频方波，并将信号还原为模拟形式。
②DCDC变换器
DCDC变换器在开关电源中，一般来说是要求输入与输出间进行电隔离的。
在这种情况下需要使用称为隔离变换器的变压器进行隔离。
隔离变换器可以把直流电压变换为高频方波电压，把直流电流变换为高频方波电流。
通过升压降压变换和整流平滑滤波，最后变为直流电压或电流。
DCDC变换器有5种基本类型：
单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。
下面重点分析隔离式单端反激转换电路，电路结构图如图所示。
图1.5隔离式单端反激转换电路
单端反激式变换器又称电感储能式变换器，其变压器兼有储能、变压、隔离三重作用。
所谓单端，指变压器磁芯仅工作在其磁滞回线的一侧。
当功率开关管S导通时，直流输入电压Vin加在初级绕组上，在变压器初级电感线圈中储存能量，由于次级绕组感应电压为上负下正，使二极管D反偏截止，次级绕组中无电流，此时电能转化为磁能存储在初级电感中。
当S截止时，初级感应电压极性反向，使次级绕组感应电压极性反转，二极管D导通，储存在变压器中的能量传递给输出电容C，同时给负载供电，磁能转化为电能释放出来。
当开关管重新导通时，负载电流由电容C来提供，同时变压器初级绕组重新储能，如此反复。
从以上电路分析可以看出，S导通时，次级绕组无电流；S截止时，次级绕组有电流，这就是“反激”的含义。
所谓反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流脉冲电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。
下图是反激式变压器开关电源的简单工作原理图：
图1.6反激式变压器开关电源原理图
图中变压器的初级绕组与次级绕组同名端相反，i
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