寬輸入變頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、科信學(xué)院 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) （2017/2018學(xué)年第一學(xué)期） 課程名稱(chēng):電力電子技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 題 目:寬電壓輸入變頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) 專(zhuān)業(yè)班級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化 1425 學(xué)生 ： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師：增環(huán)、杜永、路巍等 設(shè)計(jì)周數(shù)：兩周 設(shè)計(jì)成績(jī) ： 2018 年1月5日 引言 開(kāi)關(guān)電源就是采用功率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)元件，通過(guò)周期性通斷開(kāi)關(guān)，控制開(kāi)關(guān)元件的占 空比來(lái)調(diào)整輸出電壓。開(kāi)關(guān)電源具有以下特征：電源電壓和負(fù)載在規(guī)定的圍變化時(shí)，輸出電壓 應(yīng)保持在允許的圍或按要求變化；輸出與輸入之間有良好的電氣隔離；可以輸出單路或多路 電壓，各路之間有電氣隔離。 常用的開(kāi)關(guān)電源多采用固定開(kāi)關(guān)頻率，當(dāng)

2、輸入電壓過(guò)高時(shí)，占空比過(guò)小，開(kāi)通時(shí)間太短，可能 引起開(kāi)通脈沖丟失，造成電源工作不穩(wěn)定。常用的開(kāi)關(guān)電源輸入是市電經(jīng)整流后的穩(wěn)定電壓，但 一些供電不穩(wěn)定的場(chǎng)合或因某些設(shè)備導(dǎo)致市電局部不穩(wěn)定，輸入電壓會(huì)存在大圍的波動(dòng)，為了適 應(yīng)這種情況，本課程設(shè)計(jì)了一款50v-260v的交流輸入，多路輸出的具有自主改變開(kāi)關(guān)頻率的輔助電 源。根據(jù)輸入電壓大小改變開(kāi)關(guān)頻率，保證電源在寬輸入電壓圍，可靠的為系統(tǒng)供電。 在本課題設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們使用Matlab數(shù)學(xué)仿真及Altium Designer 軟件，并最終實(shí)現(xiàn)電 路改造設(shè)計(jì)，并達(dá)到預(yù)期的效果。 關(guān)鍵字；寬輸入 變頻 開(kāi)關(guān)電源 目錄 一、開(kāi)關(guān)電源現(xiàn)狀和發(fā)展 4 1

3、.1開(kāi)關(guān)電源現(xiàn)狀 4 1.2開(kāi)關(guān)電源類(lèi)型 4 二、設(shè)計(jì)方案 4 2.1 設(shè)計(jì)要求 4 2.2設(shè)計(jì)思路 5 三、方案設(shè)計(jì) 5 3.1 控制電路設(shè)計(jì) 5 3.2誤差放大器設(shè)計(jì) 9 3.3過(guò)/欠電壓保護(hù) 9 3.4過(guò)流/過(guò)載保護(hù) 10 3.5反激變壓器設(shè)計(jì) 10 3.6反饋回路設(shè)計(jì) 11 3.7設(shè)計(jì)小結(jié) 12 四課程設(shè)計(jì)總結(jié) 12 參考文獻(xiàn) 13 一、開(kāi)關(guān)電源現(xiàn)狀和發(fā)展 1.1開(kāi)關(guān)電源現(xiàn)狀 目前，開(kāi)關(guān)電源正在向“四化”的方向發(fā)展：應(yīng)用技術(shù)的高頻化、硬件結(jié)構(gòu)的模塊化、軟件 控制的數(shù)字化和產(chǎn)品性能的綠色化。 開(kāi)關(guān)電源最突出的優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕。這一優(yōu)點(diǎn)是和系統(tǒng)的高頻工作狀態(tài)相關(guān)的。進(jìn)一 步提高工作頻率

4、，電源的體積和重量將更加小，從而實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣 泛的領(lǐng)域。 開(kāi)關(guān)電源的控制已經(jīng)由模擬控制，模數(shù)混合控制，進(jìn)入到全數(shù)字控制階段。全數(shù)字控制作為 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)，已經(jīng)在許多功率變換設(shè)備中得到應(yīng)用。近兩年來(lái)，高性能全數(shù)字控制芯片 相繼開(kāi)發(fā)，費(fèi)用也降到比較合理的水平，歐美已有很多公司開(kāi)發(fā)并且制造出開(kāi)關(guān)變換器的數(shù)字控 制芯片及軟件。 1.2開(kāi)關(guān)電源類(lèi)型 開(kāi)關(guān)電源一般有三種工作模式：頻率、脈沖寬度固定模式，頻率固定、脈沖寬度可變模式，頻 率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于DC/AC逆變電源，或 DC/DC電壓變換；后兩種工 作模式多用于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。另外，開(kāi)關(guān)電源輸出電

5、壓也有三種工作方式：直接輸出電壓方式、 平均值輸出電壓方式、 幅值輸出電壓方式。同樣，前一種工作方式多用于 DC/AC逆變電源，或DC/DC 電壓變換；后兩種工作方式多用于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。 根據(jù)開(kāi)關(guān)器件在電路中連接的方式，目前比較廣泛使用的開(kāi)關(guān)電源，大體上可分為：串聯(lián)式 開(kāi)關(guān)電源、并聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源、變壓器式開(kāi)關(guān)電源等三大類(lèi)。其中，變壓器式開(kāi)關(guān)電源（后面簡(jiǎn)稱(chēng) 變壓器開(kāi)關(guān)電源）還可以進(jìn)一步分成：推挽式、半橋式、全橋式等多種；根據(jù)變壓器的激勵(lì)和輸 出電壓的相位，又可以分成：正激式、反激式、單激式和雙激式等多種；如果從用途上來(lái)分，還 可以分成更多種類(lèi)。 2.1設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一個(gè)寬電壓輸入變頻開(kāi)關(guān)電源（ 1

6、 ）認(rèn)真查閱選用器件的技術(shù)資料，參考教材中相關(guān)容, 選擇合適的構(gòu)成方案，繪制總體結(jié)構(gòu)框圖。（2）設(shè)計(jì)并繪制完整的電路原理圖（3）按照計(jì)算電 路參數(shù)和仿真波形的需要繪制仿真電路圖或建立仿真模型并進(jìn)行電路的計(jì)算機(jī)仿真（4）通過(guò)計(jì)算 和仿真，選擇電路圖中所有元件，列出器件清單，包括器件名稱(chēng)，型號(hào)和規(guī)格，封裝形式，數(shù)量 等; 對(duì)變壓器要說(shuō)明原副邊繞組的構(gòu)成以及每個(gè)繞組的電壓和電流。（5）在選擇電路參數(shù)下通過(guò) 仿真獲取至少 9個(gè)主要點(diǎn)的波形，建議如下：核心控制芯片振蕩器的波形和控制輸出的波形，主 開(kāi)關(guān)管承受電壓和流過(guò)電流的波形，變壓器原邊繞組電壓和電流的波形，變壓器各副邊繞組中電 流的波形。（6）通過(guò)仿

7、真驗(yàn)證控制電路器件參數(shù)的合理性，說(shuō)明在選定的參數(shù)下輸入電壓低至多 少時(shí)電源仍能正常工作。（7）總結(jié)設(shè)計(jì)工作，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 22設(shè)計(jì)思路 開(kāi)關(guān)電源大致由主電路操控電路、檢測(cè)電路、輔助電源四大部份組成 1. 主電路 沖擊電流限幅：限制接通電源瞬間輸入側(cè)的沖擊電流。 輸入濾波器：其作用是過(guò)濾電網(wǎng)存在的雜波及阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋回電網(wǎng)。 整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電。 逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開(kāi)關(guān)電源的核心部分。傳出整流與濾波： 根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。 2. 控制電路 一方面從傳出端取樣，與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后去操控逆變器，改變其脈寬或

8、脈頻，使傳出 穩(wěn)定， 另一方面，根據(jù)測(cè)試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供操控電路對(duì)電源進(jìn)行各種保護(hù) 措施。 3. 檢測(cè)電路 提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。 4. 輔助電源 實(shí)現(xiàn)電源的軟件（遠(yuǎn)程）啟動(dòng)，為保護(hù)電路和操控電路（PWM等芯片）工作供電。 二、萬(wàn)案設(shè)計(jì) 3.1 控制電路設(shè)計(jì) UC3845是高性能固定頻率電流模式控制器，為離線和直流至直流變換器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì) 人員提供只需最少外部元件就能獲得成本效益高的解決方案。該集成電路的特點(diǎn)是：具有振蕩器、 溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖?、高增益誤差放大器，電流取樣比較器和大電流圖騰柱輸出，是驅(qū)動(dòng)功率MOSFET 的理想器件。其它的保護(hù)特性

9、包括帶滯后的輸入和帶滯后的參考欠壓鎖定逐周電流限制單個(gè)脈沖 測(cè)量鎖存，以及每隔一個(gè)振蕩周期將輸出消隱的觸發(fā)器。允許將輸出靜區(qū)定為50%至70%。這些 器件可提供8管腳雙列直插塑料封裝和 14管腳塑料表面貼裝 SO-14封裝SO-14封裝的圖騰柱式 輸出級(jí)有分離的電源和接地管腳。UC3845是電流控制集成芯片，其工作原理見(jiàn)圖1,是在電壓控制 型電路的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)電流反饋環(huán)節(jié)，當(dāng)采樣電壓 Vs與Ve相同時(shí)，PWMb匕較器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，鎖存器置零，VT截止。因而誤差信號(hào) Ve實(shí)際上控制的是電感峰值電流。 (S0-14)。 其它的保護(hù)特性包括輸入和參考欠壓鎖定，各有滯后、逐周電流限制、可編程輸出靜區(qū)

10、時(shí)間 和單個(gè)脈沖測(cè)量鎖存。這些器件可提供8腳雙列直插塑料封裝和 14腳塑料表面貼裝封裝 S0-14封裝的圖騰柱式輸出級(jí)有單獨(dú)的電源和接地管腳。 其工作原理框圖如下； 圖1電流控制型電路原理圖 電流控制型特點(diǎn): 電流控制型較之電壓控制型的優(yōu)點(diǎn) 主要有如下幾點(diǎn)： 1）對(duì)輸入電壓的響應(yīng)快。當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，控制電路無(wú)需經(jīng)過(guò)誤差放大器即能進(jìn)行調(diào)節(jié) , 因而電路線性調(diào)節(jié)好。誤差放大器即能進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而電路線性調(diào)節(jié)好。誤差放大器被設(shè)計(jì)成 專(zhuān)用來(lái)進(jìn)行負(fù)載變化的調(diào)節(jié) 2）對(duì)負(fù)載變化響應(yīng)快，回路穩(wěn)定性好。變換器中電感電流是連續(xù)的，控制峰值電流就相當(dāng)于控制平 均電流。在電流控制型電路中，可把電感器當(dāng)作一個(gè)誤差

11、電壓控制的電流源，誤差放大器構(gòu)成的 閉環(huán)控制的響應(yīng)頻帶比電壓控制型 3）電流控制型電路中由誤差放大器構(gòu)成的調(diào)節(jié)器可以簡(jiǎn)化。圖4（a）為電壓控制型電路的調(diào)節(jié)器, 由于電感電路滯后因素，電感電流已達(dá)預(yù)定值，而Ci在調(diào)節(jié)過(guò)程中充的電壓卻要過(guò)一段時(shí)間才 能放完;（b）為電流控制型電路的調(diào)節(jié)器。因電流控制型電路本身具有一個(gè)電流反饋，調(diào)節(jié)器就 無(wú)需RiCi，電路得以簡(jiǎn)化。 4）限流電路簡(jiǎn)單。只要限制誤差放大器的輸出電壓即可達(dá)到限制峰值電流。電壓控制型電路常會(huì) 因輸入電壓的浪涌而產(chǎn)生很大的尖峰電流損壞晶體管。電流控制型電路則可避免這類(lèi)故障的發(fā) 生 5）對(duì)模塊結(jié)構(gòu)并聯(lián)工作系統(tǒng)具有自動(dòng)電流分配和均流功能。 圖2

12、 UC3845部電路框圖及引腳圖 管腳連接圖 7卜密 1 X-Z 1 a 社hk嵐?fàn)a 2 7 *CC 3 了 Mbrli 堆 1 n 14恤 2 電壓反誠(chéng) 3 1 L VGC 辛胸I 4 1 1 Vc 5 ! 1 r地 RtCt 丫 4 r迪船地 管腳功能說(shuō)明 i 1 諫管脾為誦羞枚坤出井可用于環(huán)路補(bǔ)償。 2 3 軸i反攢 謹(jǐn)哲腳拈疋，咸K塑的反枷輸入，iiiifia 個(gè)電陰分壓器連 至幵關(guān)電源輸出. 3 5 電濟(jì)取樣 Td比J屯博沖電沆也電MJ紗虺卜輸人，脈址訥牛闍便刃 此倡思中止輸出幵關(guān)梵導(dǎo)UL 4 7 RtJCt 逋迥將電阻島連呈僑并娜也釋Cr連錄哋，便鮒掘蔚器額率 和廉大輸出占空比可載

13、丁作擁率町達(dá)1 QMHZ. 5 （也 i斜他址齊涮電fif和戌源的公其地Me itwnyi而 6 10 諭輸出莊接嶇動(dòng)功率MOSFET的榜槻*商達(dá)1.U的絕值電 療曲此管曲拉刖ML輸出開(kāi)關(guān)頻率為掘疆黠頻車(chē)的一單。 7 12 Voc 該管腮捷控制星戒電蹄的正電 8 14 瞬搭対萼舟瑜出，它外電肌R,向電容Ct提供tl電紅 B 電瀝地 諧管腳足 亍按冋到電源的井高電源地返端iff對(duì)14怦胛 対裝而言），用丁減少揑制電略中開(kāi)黃瞬態(tài)喙市術(shù)訛科 11 vc 輸出補(bǔ)応 W）山加倒此訐曲的卽in氐 曲j 14 r；m n售.通垃分離曲電源連接*可卜咸水控制電踣中開(kāi)關(guān) 禺嘰聲的影響， q 地 時(shí)脾是控制電AH

14、fc噸端（僅對(duì)14管膵封製而言h井被接 冋電源地 - 2”T3 無(wú)連接（僅對(duì)14管加封裝而言人這些管譚徨有內(nèi)部連接 其特點(diǎn)為 電流模式工作，輸出開(kāi)關(guān)頻率為500 kHz。 輸出占空比可從 50%70%調(diào)節(jié)。 （3）自動(dòng)前饋補(bǔ)償。 (5) 有欠壓鎖定的部調(diào)整參考源。 (6) 高電流圖騰柱式輸出。 3.2誤差放大器設(shè)計(jì) 這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅外接元器件較少，而且在電壓采樣電路中采用了三端可調(diào)穩(wěn)壓管，使得輸 出電壓在負(fù)載發(fā)生較大的變化時(shí)，輸出電壓基本上沒(méi)有變化。實(shí)驗(yàn)證明與上述三種反饋電路相比, 該電路具有很好的穩(wěn)壓效果 圖3誤差放大器構(gòu)成的調(diào)節(jié)回路 3.3過(guò)/欠電壓保護(hù) 當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓過(guò)壓或者欠壓時(shí)(過(guò)/

15、欠壓判斷電路略)，可使圖 5中的過(guò)/欠壓輸入端為低 電平，光耦 0P1輸出高電平，因此，就會(huì)通過(guò)加速電容C6和二極管D6對(duì)UC3845的腳16施加正 脈沖，從而使圖3所示的UC3845芯片部晶閘管導(dǎo)通，通過(guò)部電路使腳1電平被拉至接近地電平， 電路進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，UC3845芯片輸出脈沖封鎖。另外，光耦0P1輸出的高電平使三極管 Q407飽和 導(dǎo)通接地。由于電容 C6的加速作用，三極管 Q407比前述晶閘管導(dǎo)通稍微遲后。由于三極管的導(dǎo) 通壓降小于晶閘管的導(dǎo)通壓降，晶閘管不能維持導(dǎo)通即晶閘管恢復(fù)關(guān)斷。當(dāng)過(guò)/欠壓故障消除后， 三極管Q407截止，系統(tǒng)重新輸出脈沖。 圖4 過(guò)/欠電壓保護(hù)電路 3.4過(guò)流

16、/過(guò)載保護(hù) 當(dāng)過(guò)流或者過(guò)載時(shí)，比較器 LM393輸出7加在腳16,同樣會(huì)圭寸鎖脈沖輸出。由于晶閘管維持 導(dǎo)通，所以系統(tǒng)當(dāng)不過(guò)流不過(guò)載時(shí)，必須重新啟動(dòng)才能有脈沖輸 圖5過(guò)流/過(guò)載保護(hù)電路 3.5反激變壓器設(shè)計(jì) 變壓器技術(shù)規(guī)格： 1開(kāi)關(guān)頻率180k HZ,最大占空比50% 2 N2 功率：15V, 3A 3 N3 功率，-15V, 1A 變壓器參數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)電源裝置的性能有至關(guān)重要的影響，變壓器設(shè)計(jì)得當(dāng)，電路才能夠穩(wěn)定運(yùn)行。 其設(shè)計(jì)要求有： 一、二次繞組電壓的變比應(yīng)滿足要求值。當(dāng)輸入電壓降至規(guī)允許的最低電壓時(shí)，輸出電壓仍能 滿足規(guī)定的額定值。 當(dāng)輸入電壓及占空比最大時(shí)，變壓器磁芯不允許出現(xiàn)飽和。 當(dāng)

17、輸出功率最大時(shí)，變壓器溫升應(yīng)在規(guī)要求之 應(yīng)滿足一、二次側(cè)銅耗相等、銅損耗與鐵損耗相等的原則，以使總損耗最低，獲得較高效率。 一、二次側(cè)漏感、分布電容應(yīng)限制在最小值。 3.6反饋回路設(shè)計(jì) 圖3.5電路原理圖 (*5 vi* m功健 圖3實(shí)鑿液形 3.7設(shè)計(jì)小結(jié) 可以根據(jù)具體要求選取不同的反饋方式。但對(duì)于多路輸出的反饋電路，由于對(duì)于每個(gè)輸出應(yīng) 用場(chǎng)合的不同，要求輸出精度不同，所以在反饋中各個(gè)正極性輸出端占反饋量的比例也不同。要 根據(jù)具體要求具體設(shè)計(jì)以滿足應(yīng)用要求。 四課程設(shè)計(jì)總結(jié) 兩周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識(shí)，也培養(yǎng)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。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，與同學(xué)分工設(shè)計(jì)， 和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會(huì)了合作，學(xué)會(huì)了運(yùn)籌帷幄，學(xué)會(huì)了寬容，學(xué)會(huì)了 理解，也學(xué)會(huì)了做人與處世。 課程設(shè)計(jì)是我們專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會(huì)，從事