开关电源设计电力电子课设.docx

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开关电源设计电力电子课设

开关电源设计

1概述

所谓开关电源，广义上凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一形态的主电路都叫做开关变换电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源。

开关电源根据输入输出的性质不同可分为AC/DC和DC/DC两大类。

AC/DC称为一次电源，也常称为开关整流器。

值得指出的是，AC-DC变换不单是整流的意义，而是整流后又做DC-DC变换。

所以说，DC-DC变换器是开关电源的核心。

DC/DC称为二次电源，其设计技术及生产工艺在国外均已成熟和标准化，所以现在DC/DC变换器已实现模块化。

开关电源的优点:

功耗小，效率高。

开关电路中，功率晶体管在信号源的激励下，交替工作在导通—截止和截止—导通的开关状态，转换速度很快，频率一般在几十到几KHz。

体积小，重量轻。

由于去除了线性电源笨重的工频变压器，并且在功晶体管上的耗散功率大幅度降低之后，就省去了较大的散热片，因此开关稳电源的体积和重量都可以得到大大减少。

稳压围宽。

开关电源的输出电压是由信号源的占空比或者信号源的率来调节的，输入电压的变化也可以通过变频或调宽进行补偿。

在工频电网压有较大的变化或负载有较大的变化时，它仍能保证有较稳定的输出电压，以稳压围宽、稳压效果好。

滤波的效率大为提高，使滤波电容的容积和体积大为减小。

开关电源的缺点:

开关干扰严重。

功率晶体管工作在开关状态，它产生的交流电压和电会对电路的其它器件产生尖峰干扰和谐波干扰，这些干扰如不能抑制、消除屏蔽，就会严重地影响整个系统的工作。

此外由于没有工频变压器的隔离，些干扰就会倒入电网，对周围的电磁环境产生谐波干扰。

电路结构较复杂，故障率高，维修困难。

开关电源的分类：

开关电源因体积小、重量轻、效率高等优点，在中、小功率乃至大功率领域都得到了广泛的应用。

从输入输出之间是否有变压器隔离分，可以分成有隔离和无隔离另类每一类中又有多种拓扑结构：

Buck、Boost、Buck-Boost等。

若按激励形式不通，可分为自激励式和他激励式两种。

其中自激励式包括单管式变换器和推挽式变压器两种；他励式变压器按不同的调节模式分为：

脉宽调制、脉频调制，脉冲跨周期调制等。

脉冲宽度调制（PWM）的开关频率恒定，通过调节导通脉宽来改变占空比，脉冲频率调制（PFM）的脉冲宽度恒定，通过调节开关频率来实现对电能的控制；脉冲跨周期调制（PSM）检测反馈反馈信号电平，决定是否在该时钟周期工作。

目前应用比较广泛的是脉冲宽度调制模式，包括正激式、反激式、半桥式和全桥式等。

2方案论述

本次设计任务的初始条件为：

输入220V,50Hz的单向交流电压，要求输出双路直流电压：

+10V，-10V，要求直流最大输出电流2A。

AC/DC双路输出开关电源的设计，主要就是首先对输入的220V,50Hz的交流电源进行整流滤波，得到直流电压，再经过高频逆变得到高频交流电压，然后在经过高频变压器降压，再经过高频整流得到脉动直流，最后经过滤波器得到要求的直流电。

整体设计方框图如图1所示：

整流部分是利用具有单向导电性质的二极管构成的桥式电路来实现；滤波部分则是利用电容电感器件的储能效应，构成LC电路来实现的；高频逆变电路则是通过开关电力电子器件的开通关断性质实现的；高频变压器降压则是通过互感变压器实现降压的；高频整流则是通过整流器件实现交流变脉动直流的；而滤波器则是通过电容的滤波效应实现脉动直流向直流的转化的。

2.1整流平波

所谓整流，就是把交流电变成直流电。

整流滤波电路设计如图2所示：

图2整流平波电路设计图

整流电路工作原理：

在输入交流电压的正半周期，二极管D1、D4承受正向电压导通，D2、D3承受反向电压截至，整流输出电压等于输入电压；在输入交流电压的负半周期，二极管D2、D3承受正向电压导通，二极管D1、D4承受反向电压截至，输出电流是输入电流的相反数。

整流电路工作时的波形如图3所示：

由图3可知，经过二极管整流桥后，输入的正弦电压成了正的电压，同时由于电容电感的储能效应，整流桥输出的电压和电流会进一步变的平直。

当然电容量越大，滤波效果越好，输出波形越趋于平滑，输出电压也越高。

但是，电容量达到一定值以后，再加大电容量对提高滤波效果已无明显作用。

通常应根据负载电压和输出电流的大小选择最佳电容。

2.2高频逆变

与整流相对应，逆变就是把直流电变称交流电。

逆变电路是利用电力电子开关元件的开关特性对直流电进行开关，变为交流电。

一般功率较大的变频器用可控硅。

逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使电力电子开关器件导通和关断。

图4全桥逆变电路设计图

图4为设计电路中的逆变器—全桥逆变器。

全桥逆变电路由四个开关组成，互为对角的两个开关同时导通，而同一侧桥上两开关交替导通，将直流电压逆变成交流电压，加在变压器的一侧。

改变开关的占空比，就可以改变整流电压

的平均值，也就改变了输出电压。

为了避免在同一侧半桥中上下两个开关在换流的过程中发生短暂的同时导通现象而损坏开关，每个开关各自的占空比不能超过50%，并且留有裕量。

2.3高频变压

变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯。

在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、匹配阻抗等。

变压器的基本原理：

当一个正弦交流电压U1加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流I1并产生交变磁通ф1，它沿着铁心穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。

在次级线圈中感应出互感电势U2，同时ф1也会在初级线圈上感应出一个自感电势E1，E1的方向与所加电压U1方向相反而幅度相近，从而限制了I1的大小。

为了保持磁通ф1的存在就需要有一定的电能消耗，并且变压器本身也有一定的损耗，尽管此时次级没接负载，初级线圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为“空载电流”。

如果次级接上负载，次级线圈就产生电流I2，并因此而产生磁通ф2，ф2的方向与ф1相反，起了互相抵消的作用，使铁心中总的磁通量有所减少，从而使初级自感电压E1减少，其结果使I1增大，可见初级电流与次级负载有密切关系。

当次级负载电流加大时I1增加，ф1也增加，并且ф1增加部分正好补充了被ф2所抵消的那部分磁通，以保持铁心里总磁通量不变。

如果不考虑变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电功率。

变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，但是不能改变允许负载消耗的功率。

本次设计中所用的变压器如图5所示：

图5变压器设计图

2.4高频整流

高频整流与前面2.1节所讲述的整流原理是基本一致的，在这里就不再赘述。

2.5滤波器

LC滤波器适用于高频信号的滤波，它由电感L和电容C所组成，由于感抗随频率增加而增加，而容抗随频率增加而减小，因此，LC低通滤波器的串臂接电感，并臂接电容，高通滤波器的L、C位置，则与它相反。

带通滤波器则是二者的组合。

在本次设计中，所用的滤波器如图6所示：

当流过电感的电流发生变化时，线圈中产生自感电势阻碍电流的变化，而电容两端的电压不能发生突变，所以经过如图6所示的滤波器后，输出的电流和电压的脉动减小。

图6滤波器电路设计

2.6保护电路

通过在UC3842的采样电压处接入一个射极跟随器，从而在控制电压上增加了一个与脉宽调制时钟同步的人为斜坡，它可以在后续的周期将△I扰动减小到零。

因此，即使系统工作在占空比大于50％或连续的电感电流条件下，系统也不会出现不稳定的情况。

不过该补偿斜坡的斜率必须等于或略大于m2／2，系统才能具有真正的稳定性。

取样电阻改用无感电阻。

无感电阻是一种双线并绕的绕线电阻，其精度高且容易做到大功率。

采用无感电阻后，其阻抗不会随着频率的增加而增加。

这样，即使在高频情况下取样电阻所消耗的功率也不会超过它的标称功率，因此也就不会出现炸机现象。

反馈电路改用TL43l加光耦来控制。

我们都知道放大器用作信号传输时都需要传输时间，并不是输出与输入同时建立。

如果把反馈信号接到UC3842的电压反馈端，则反馈信号需连续通过两个高增益误差放大器，传输时间增长。

由于TL431本身就是一个高增益的误差放大器，因此，在保护电路中直接采用脚1做反馈，从UC3842的脚8（基准电压脚）拉了一个电阻到脚l，脚2通过R18接地。

这样做的好处是，跳过了UC3842的部放大器，从而把反馈信号的传输时间缩短了一半，使电源的动态响应变快。

另外，直接控制UC3842的脚l还可简化系统的频率补偿以及输出功率小等问题。

2.7脉宽调制

2.7.1脉宽调制原理

PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。

即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。

在采样控制理论中有一条重要的结论：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。

效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。

上述原理称为面积等效原理以正弦PWM控制为例。

把正弦半波分成N等份，就可把其看成是N个彼此相连的脉冲列所组成的波形。

这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。

如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到PWM波形。

各PWM脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。

根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。

对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。

可见，所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效。

2.7.2UC3842简介

UC3842是一种高性能的固定频率电流型控制器，单端输出，可直接驱动MOSFET，具有管脚数量少、外围电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点。

通过高频变压器与供电电源隔离，非常适于20～50W的小功率的辅助电源，其部结构如图7所示。

它具有两个控制环路，一个是输出电压反馈误差放大器，用于同基准电压比较后产生误差电压；另一个是变压器原边中的电流在采样电阻上产生的电压与误差电压进行比较调节调制脉冲的宽度，这些都是在时钟所限定的固定频率下工作。

图7UC3842部结构图

UC3842采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，共有8个引脚，各脚功能如下：

①脚是误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性；②脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度；③脚为电流检测输入端，当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态；④脚为定时端，部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，f=1.8/（RT×CT）；⑤脚为公共地端；⑥脚为推挽输出端，部为图腾柱式，上升、下降时间仅为50ns驱动能力为±1A；⑦脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW；⑧脚为5V基准电压输出端，有50mA的负载能力。

UC3842的引脚图如图8所示

图8UC3842引脚图

UC3842其主要特点如下：

（1）良好的负载调整率因为误差放大器可专门用于控制由于负载变化造成的输出电压变化。

（2）电压调整率好，可达到001％／V这是由于输入电压的变化可立即反映为变压器原边电流的变化，它不经过任何误差放大器就能在比较器中改变输出脉冲宽度，再加上一级输出电压至误差放大器控制，能够使电压调整率更好。

   （3）过流保护电路的简化由于采样电阻上的信号对应变压器原边电流的峰值，所以形成逐个脉冲限流电路，只要采样电阻上电压达到1V，脉宽调制器就立即关闭，而这种峰值电流检测技术可以灵敏地、精确地限制输出的最大电流。

   （4）误差放大器补偿电路简单，稳定度提高并改善了频率响应这是由于采样电阻上检测的峰值电流值能代表其平均值大小，整个电路可以看作一个误差电压控制源，变换器由双极点变为单极点。

   （5）采用电流环的自动稳流电流峰值控制可改善开关调节系统的稳定性和瞬态特性，当系统受到扰动影响时，只要被检测的电流发生变化，就立即反映到控制电路中，使之自动调节，而不会象单环调压系统那样要等输出电压发生变化后，才调节控制端，双闭环控制系统很好地提高了稳压电源的响应速度。

   （6）欠压锁定电路其开启电压为16V，关闭电压为10V,UC3842的电源可以由高压直流电通过一个降压电阻来提供，6V的启动关闭电压回差可以有效地防止电路在阈值电压附近工作时的振荡：

在UC3842的输入端设有一个36V齐纳管，保证部电路绝对工作在36V以下，防止可能高压带来的损坏。

   （7）图腾柱式输出UC3842输出给开关管的平均电流为±200mA，最大峰值电流可达l.OA，输出低电平为1．6V，输出高电平为13．4V，故适合驱动双极晶体管或者MOSFET。

芯片部设置有PWM锁存器，可保证输出端在每个振荡周期仅出现一个单控制脉冲，防止噪声干扰和功率管的超功耗。

3参数设计

3.1整流平波参数设计

整流平波电路设计图如图2所示，为单相全桥整流，整流后的直流波形经电容平波和可以得到平直无纹波的直流波形。

单相整流桥进线电压有效值为U=220V，设电源输出功率为2KVA，假设功率因数为0．9，则流过整流二极管的电流约为lO．1A，给电流留一定裕量，可取整流二极管的额定电流为20A，于是本文选择耐压为1000V额定电流为25A的整流模块作为单相整流桥。

由图3可知，经过整流桥后输出电压为

（式1）

为了保证滤波效果，应尽量选取电容量较大的电容，因此选取

经过电容平波器后，输出电压变为：

（式2）

3.2逆变器参数设计

逆变器在工作中，开关器件承受的最大正向电压是来自于逆变器的输入端。

本设计采用的逆变器是单相全桥逆变电路，当输出交流侧接阻感负载时需要提供无功功率，因此在每个IGBT集电极与发射极间并联了快恢复二极管，以给无功功率提供通道。

在逆变桥前串一个熔断器是为了防止逆变器因死区时间不合适造成上下桥臂直通而短路、输出负载端短路或变压器严重偏磁饱和时导致的初级绕组过流等现象起保护作用。

整流桥输出经过滤波后，作为逆变器的输入，所以逆变器的输入端电压最大值为264V，考滤到保留一定的裕量，可取IGBT额定电压为400V。

3.3变压器参数设计

变压器在逆变电源中主要有两个作用：

变压（包括升压或降压）；电气隔离。

逆电源变压器与普通电源变压器的工作状况不一样，逆变电源变压器存在一些特殊问题。

首先，逆变电源变压器传递的是SPWM波。

其次，逆变电源变压器容易出现偏磁饱和问题，而普通电源变压器出现偏磁饱和的可能性很小。

普通电源变压器的设计方法已经比较成熟，普通电源变压器直接用在逆变电源当中容易出现偏磁饱和问题，目前有关逆变电压器设计的资料很少，因此有必要说明一下逆变电源变压器的设计问题。

3.3.1电源变压器铁芯的磁感应强度分析

设逆变电源输出基波角频率为

，基波峰值为

，除基波外的各次谐波

峰值为

。

变压器的初级电压表示为：

（式3）

如果忽略变压器原边绕组电阻上的压降及漏感，原边电压

，与原边绕组上的磁感应电势

．就可近似相等即

（式4）

设

表示原边绕组匝数，磁感应电势

与铁心的主磁通痧的关系可表示为

（式5）

设S表示铁心的截面积，铁心中的磁感应强度B与

有如下关系：

（式6）

结合式3到式6可知：

逆变电源变压器铁心中的磁感应强度B可表示如下：

（式7）

逆变电源变压器设计人、时所用的基本公式和普通电源变压器设计时所用的基本公式是很相似的，因此可以把逆变电源变压器的设计转化为一个普通电源变瓜器的设计，这个普通电源变压器初级所承受电压的频率等于逆变电源的输出频率，由此可见，逆变电源变压器不是按开关频率设计的，而是按输出频率设计的。

3.3.2逆变电源变压器偏磁原因分析及抗偏磁措施

与普通变压器的工作状况不同，逆变电源变压器容易出现偏磁问题，偏磁是逆变电源变压器的特有现象。

这是由于当变压器铁心中的磁感应强度存在直流分量时，磁感应强度的波形正负半波不对称，或向上偏或向下偏，这种现象称为变压器的偏磁现象。

偏磁严重时会导致变压器铁心出现磁饱和。

变压器磁饱和对整个电源系统的正常运行将产生极其不利的影响，表现在以下几个方面：

1）变压器饱和时，由于励磁电流很大，将导致逆变器开关器件的电流过大，可能使过流保护动作或开关器件损坏；

2）变压器饱和时，由于励磁电流中含有大量的谐波成分，谐波电流在变压器漏感上的谐波压降将导致输出电压波形出现严重畸变；

3）变压器饱和时，由于励磁电流很大，将使变压器的发热及噪声增加。

对逆变电源变压器偏磁产生原因进行深入研究，提出了有效的抗偏磁措施：

1）尽量选用饱和磁感应强度高的铁磁材料作铁芯，如0．1mm们的硅钢片压制而成的铁心，以提高变压器对偏磁的承受能力。

2）使给定的正弦波或三角载波尽量不含直流分量：

开关管驱动信号的死区时间尽量一致。

3）尽量避免使用半波整流负载，即使电源带半波整流负载，功率也不能很大。

4）变压器铁芯间加气隙。

5）逆变电源输出功率较小时，变压器原边可以串电容，隔离其直流成分。

6）采用对变压器原边电压中的直流分量进行补偿控制来改善变压器偏磁饱和的方法。

3.3.3变压器参数计算

（1）确定变比K

由前面的计算可知，蒸馏滤波输出电压的有效值为264V，即变压器输入电压有效值

为264V，而变压器输出电压

为10V,所以变比K为

（式8）

为保证在电网电压较低时，输出电压还能达到10V，所以实际可以去变比K=26.

（2）确定正常情况下变压器铁心中磁感应强度的设定值值

考虑剑使变压器对偏磁有足够的承受能力,

按下式选取

，本文取

，式中

是铁芯的饱和磁感应强度。

（3）确定变压器铁芯技术指标

设逆变器输出功率为2KVA，故必须选功率大于2KVA的铁心，经查手册知，由0．1mm的硅钢片压制而成CD25X50x100型铁心功率可以做到2184W，于是就选此铁心作为逆变电源变压器的铁心。

铁心净截面积S=0．00125

，磁路长度

，铁芯饱和磁感应强度为

.

圆边绕组匝数为：

（式9）

取

=175匝。

副边匝数为：

（式10）

取

=7匝。

3.4滤波器参数设计

滤波电路如图6所示，串臂阻抗

和并臂阻抗

乘积

一旦L和CD的值确定后，K就为常数，不随频率变化。

由于L/C具有阻抗平方量纲，故也可以用滤波器另一重要参数来R表示常数K，即;

（式11）

低通滤波器的传通条件是

，结合式11得：

（式12）

滤波器的截止频率

为：

（式13）

由此得：

（式14）

结合式11和式13得：

（式15）

参数计算：

（！

）确定特性阻抗R

设电源的额定容量为2000VA，则额定负载电阻为：

取

（2）确定截止频率

逆变电源输出基波频率为50Hz，其它各次谐波的频率为基波的整数倍，故最低次谐波的频率为100Hz，要求任意次谐波不超过基波的3％，为了更好的衰减各次谐波，本文取截止频率

=70Hz。

（3）确定滤波电感L

由式14得：

（4）确定滤波电容C

由式15得：

心得体会

本次电力电子技术课程设计，使我更深入了解了开关电源的设计以及一些芯片的使用等。

加深了我对理论知识的掌握，并把所学的知识系统、高效的贯穿到实践中来，避免了理论与实践的脱离。

同时我对Protel99SE的操作更为熟悉，有了更深刻的了解，这是一个款功能强大的电路电子应用软件，它广泛应用于电力电子的各个方面。

随着科学技术发展的日新月异，不断学习一些辅助设计软件是必要的，能在一定程度上提高我们设计的效率和可行性。

并在实践中不断完善理论基础，培养综合能力。

在设计过程中，我发现了自己有很多问题虽然感觉理论上已经掌握，但想要用所学的只是系统的解决一个问题还是比较困难的。

比如说，虽然知道直流电源的组成部分，但是想要按照要求既定的设计一个符合要求的直流电源，必须综合实现的难易程度等方面综合选择器件，并完成器件参数的计算。

由于对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，在比较系统地运用的过程中，仍会存在很多盲点。

在电力电子技术中，降压变换器的原理可以说比较简单的，但是，IGBT的驱动以及PWM控制方式在课堂上设计的微乎其微。

我充分利用图书馆、网络等资源，查阅了很多资料，对UC3842芯片的功能和应用有了较为详细的了解。

回顾起此次课程设计，我感触颇多，从找资料，设计到定稿，从理论到实践，可以说得是苦多于甜，但在巩固以前所学过的知识的同时，还学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

这次课程设计之，虽然遇到一些难题，但经过一番努力，都得以解决，并使自己取得了一定的进步，这也激发了我今后努力学习的决心。

学习不能一知半解，需要坚持、耐心和努力，我一定要时时刻刻重新温故。

参考文献

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符录