宽电压输入变频开关电源的设计.docx

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宽电压输入变频开关电源的设计

课程设计说明书

（2017/2018学年第一学期）

课程名称：

《电力电子技术应用设计》课程设计

题目：

宽电压输入变频开关电源的设计

专业班级：

电气工程及其自动化

学生姓名：

学号：

指导教师：

设计周数：

设计成绩：

2018年1月5日

引言

开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。

开关电源具有以下特征：

①电源电压和负载在规定的范围内变化时，输出电压应保持在允许的范围内或按要求变化；②输出与输入之间有良好的电气隔离；③可以输出单路或多路电压，各路之间有电气隔离。

常用的开关电源多采用固定开关频率，当输入电压过高时，占空比过小,开通时间太短,可能引起开通脉冲丢失，造成电源工作不稳定。

常用的开关电源输入是市电经整流后的稳定电压，但一些供电不稳定的场合或因某些设备导致市电局部不稳定，输入电压会存在大范围的波动,为了适应这种情况,本课程设计了一款50v-260v的交流输入,多路输出的具有自主改变开关频率的辅助电源。

根据输入电压大小改变开关频率,保证电源在宽输入电压范围内,可靠的为系统供电。

在本课题设计开发过程中,我们使用Matlab数学仿真及AltiumDesigner软件,并最终实现电路改造设计,并达到预期的效果。

关键字;宽输入变频开关电源

目录

一、开关电源现状和发展3

1.1开关电源现状3

1.2开关电源类型4

二、设计方案4

2.1设计要求4

2.2设计思路5

三、方案设计5

3.1控制电路设计5

3.2误差放大器设计9

3.3过/欠电压保护10

3.4过流/过载保护10

3.5反激变压器设计11

3.6反馈回路设计11

3.7设计小结13

四课程设计总结13

参考文献13

一、开关电源现状和发展

1.1开关电源现状

目前，开关电源正在向“四化”的方向发展：

应用技术的高频化、硬件结构的模块化、软件控制的数字化和产品性能的绿色化。

开关电源最突出的优点是体积小，重量轻。

这一优点是和系统的高频工作状态相关的。

进一步提高工作频率，电源的体积和重量将更加小，从而实现更高的功率密度。

使开关电源进入更广泛的领域。

开关电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进入到全数字控制阶段。

全数字控制作为开关电源的发展趋势，已经在许多功率变换设备中得到应用。

近两年来，高性能全数字控制芯片相继开发，费用也降到比较合理的水平，欧美已有很多公司开发并且制造出开关变换器的数字控制芯片及软件。

1.2开关电源类型

开关电源一般有三种工作模式：

频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。

前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作模式多用于开关稳压电源。

另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：

直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。

同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作方式多用于开关稳压电源。

根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：

串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。

其中，变压器式开关电源（后面简称变压器开关电源）还可以进一步分成：

推挽式、半桥式、全桥式等多种；根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：

正激式、反激式、单激式和双激式等多种；如果从用途上来分，还可以分成更多种类。

二、设计方案

2.1设计要求

设计一个宽电压输入变频开关电源

（1）认真查阅选用器件的技术资料，参考教材中相关内容，选择合适的构成方案，绘制总体结构框图。

（2）设计并绘制完整的电路原理图（3）按照计算电路参数和仿真波形的需要绘制仿真电路图或建立仿真模型并进行电路的计算机仿真（4）通过计算和仿真，选择电路图中所有元件，列出器件清单，包括器件名称，型号和规格，封装形式，数量等；

对变压器要说明原副边绕组的构成以及每个绕组的电压和电流。

（5）在选择电路参数下通过仿真获取至少9个主要点的波形，建议如下：

核心控制芯片振荡器的波形和控制输出的波形，主开关管承受电压和流过电流的波形，变压器原边绕组电压和电流的波形，变压器各副边绕组中电流的波形。

（6）通过仿真验证控制电路器件参数的合理性，说明在选定的参数下输入电压低至多少时电源仍能正常工作。

（7）总结设计工作，撰写设计说明书。

2.2设计思路

开关电源大致由主电路操控电路、检测电路、辅助电源四大部份组成

1.主电路

冲击电流限幅：

限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。

输入滤波器：

其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。

整流与滤波：

将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。

逆变：

将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。

传出整流与滤波：

根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

2.控制电路

一方面从传出端取样，与设定值进行比较，然后去操控逆变器，改变其脉宽或脉频，使传出稳定，

另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供操控电路对电源进行各种保护措施。

3.检测电路

提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。

4.辅助电源

实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和操控电路（PWM等芯片）工作供电。

三、方案设计

3.1控制电路设计

UC3845是高性能固定频率电流模式控制器，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。

该集成电路的特点是：

具有振荡器、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输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。

其它的保护特性包括带滞后的输入和带滞后的参考欠压锁定逐周电流限制单个脉冲测量锁存，以及每隔一个振荡周期将输出消隐的触发器。

允许将输出静区定为50%至70%。

这些器件可提供8管脚双列直插塑料封装和14管脚塑料表面贴装SO-14封装SO-14封装的图腾柱式输出级有分离的电源和接地管脚。

UC3845是电流控制集成芯片,其工作原理见图1，是在电压控制型电路的基础上增加了一个电流反馈环节,当采样电压Vs与Ve相同时,PWM比较器的状态翻转,锁存器置零,VT截止。

因而误差信号Ve实际上控制的是电感峰值电流。

其它的保护特性包括输入和参考欠压锁定，各有滞后、逐周电流限制、可编程输出静区时间和单个脉冲测量锁存。

这些器件可提供8脚双列直插塑料封装和14脚塑料表面贴装封装（SO-14）。

SO-14封装的图腾柱式输出级有单独的电源和接地管脚。

图1电流控制型电路原理图

电流控制型特点：

电流控制型较之电压控制型的优点

主要有如下几点:

1）对输入电压的响应快。

当输入电压发生变化时,控制电路无需经过误差放大器即能进行调节,因而电路线性调节好。

误差放大器即能进行调节,因而电路线性调节好。

误差放大器被设计成专用来进行负载变化的调节

2）对负载变化响应快,回路稳定性好。

变换器中电感电流是连续的,控制峰值电流就相当于控制平均电流。

在电流控制型电路中,可把电感器当作一个误差电压控制的电流源,误差放大器构成的闭环控制的响应频带比电压控制型

3）电流控制型电路中由误差放大器构成的调节器可以简化。

图4（a）为电压控制型电路的调节器,由于电感电路滞后因素,电感电流已达预定值,而Ci在调节过程中充的电压却要过一段时间才能放完;（b）为电流控制型电路的调节器。

因电流控制型电路本身具有一个电流反馈,调节器就无需RiCi,电路得以简化。

4）限流电路简单。

只要限制误差放大器的输出电压即可达到限制峰值电流。

电压控制型电路常会因输入电压的浪涌而产生很大的尖峰电流损坏晶体管。

电流控制型电路则可避免这类故障的发生

5）对模块结构并联工作系统具有自动电流分配和均流功能。

图2UC3845内部电路框图及引脚图

带滞后的输入欠压锁定。

  封装引脚图：

其特点为  

（1）电流模式工作，输出开关频率为500 kHz。

（2）输出占空比可从50％～70％调节。

（3）自动前馈补偿。

（4）逐个周期的限流保护，锁定式脉冲宽度调制（PWM）。

 （5）有欠压锁定的内部调整参考源。

 （6）高电流图腾柱式输出。

3.2误差放大器设计

这种拓扑结构不仅外接元器件较少，而且在电压采样电路中采用了三端可调稳压管，使得输出电压在负载发生较大的变化时，输出电压基本上没有变化。

实验证明与上述三种反馈电路相比，该电路具有很好的稳压效果

图3误差放大器构成的调节回路

3.3过/欠电压保护

当系统输入电压过压或者欠压时（过/欠压判断电路略），可使图5中的过/欠压输入端为低电平，光耦OP1输出高电平，因此，就会通过加速电容C6和二极管D6对UC3845的脚16施加正脉冲，从而使图3所示的UC3845芯片内部晶闸管导通，通过内部电路使脚1电平被拉至接近地电平，电路进入保护状态，UC3845芯片输出脉冲封锁。

另外，光耦OP1输出的高电平使三极管Q407饱和导通接地。

由于电容C6的加速作用，三极管Q407比前述晶闸管导通稍微迟后。

由于三极管的导通压降小于晶闸管的导通压降，晶闸管不能维持导通即晶闸管恢复关断。

当过/欠压故障消除后，三极管Q407截止，系统重新输出脉冲。

图4过/欠电压保护电路

3.4过流/过载保护

当过流或者过载时，比较器LM393输出7加在脚16，同样会封锁脉冲输出。

由于晶闸管维持导通，所以系统当不过流不过载时，必须重新启动才能有脉冲输

图5过流/过载保护电路

3.5反激变压器设计

变压器技术规格：

1开关频率180kHZ,最大占空比50%

2N2功率：

15V，3A

3N3功率，-15V,1A

变压器参数的设计对电源装置的性能有至关重要的影响，变压器设计得当，电路才能够稳定运行。

其设计要求有：

①一、二次绕组电压的变比应满足要求值。

当输入电压降至规范允许的最低电压时，输出电压仍能满足规定的额定值。

②当输入电压及占空比最大时，变压器磁芯不允许出现饱和。

③当输出功率最大时，变压器温升应在规范要求之

内。

④应满足一、二次侧铜耗相等、铜损耗与铁损耗相等的原则，以使总损耗最低，获得较高效率。

⑤一、二次侧漏感、分布电容应限制在最小值。

3.6反馈回路设计

图3.5电路原理图

3.7设计小结

可以根据具体要求选取不同的反馈方式。

但对于多路输出的反馈电路，由于对于每个输出应用场合的不同，要求输出精度不同，所以在反馈中各个正极性输出端占反馈量的比例也不同。

要根据具体要求具体设计以满足应用要求。

四课程设计总结

两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。

在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。

学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。

参考文献

[1]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛技能训练[M].北京:

北京航空航天大学出版社,2006.

[2]、康华光.电子技术基础模拟部分[M].北京:

高等教育出版社,2006.

[3]、刘胜利.现代高频开关电源实用技术.北京:

电子工业出版社,2001年

[4]、徐德宏.开关电源设计指南[M].北京：

机械工业出版社，2004.

课程设计

成绩

指导教师

（签字）

年月日

注：

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