電力電子課程設(shè)計(jì)開關(guān)電源

1、島科技大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)題目指導(dǎo)教師張偉輔導(dǎo)教師喬峰學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號(hào)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院學(xué)院智能電網(wǎng)信息工程專業(yè)131別壬2016年 月 日開關(guān)電源設(shè)計(jì)摘要隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，電子設(shè)備 的種類也越來(lái)越多。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源向輕，薄，小和高效率 方向發(fā)展。開關(guān)電源因其休積小，重量輕和效率高的優(yōu)點(diǎn)而在各種電子信息設(shè)備 屮得到廣泛的應(yīng)用。伴隨著人們對(duì)開關(guān)電源的進(jìn)一步升級(jí)，低電壓，大電流和高 效率的開關(guān)電源成為研究趨勢(shì)。開關(guān)電源分為ac/dc和dc/dc,其屮dc/dc變換已實(shí)現(xiàn)模塊化，其設(shè)計(jì)技術(shù) 和生產(chǎn)工藝2相對(duì)成熟和標(biāo)準(zhǔn)化。dc/dc變換是將i占i

2、定的直流電壓變換成可變的 直流電壓，也稱為直流斬波。斬波電路主要用于電子電路的供電電源，也可拖動(dòng) 直流電動(dòng)機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等。1gbt降壓斬波電路就是直流斬波屮最基本的一種電路，是用1gbt作為全控 型器件的降壓斬波電路，用于直流到直流的降壓變換。igbt是mosfet與雙極晶 體管的復(fù)合器件。它既冇mosfet易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，又具冇功率品體管電壓、電流 容量大等優(yōu)點(diǎn)。其頻率特性介于mosfet與功率晶體管之間，可正常工作于兒十 千赫茲頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、屮功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。所以用 1gbt作為全控型器件的降壓斬波電路就有了 1gbt易驅(qū)動(dòng)，電壓、電流容量大的 優(yōu)點(diǎn)。直流斬波降

3、壓斬波電路由于易驅(qū)動(dòng)，電壓、電流容量大在電力電子技術(shù)應(yīng)用 領(lǐng)域屮冇廣闊的發(fā)展前景，也由于開關(guān)電源向低電壓，大電流和高效率發(fā)展的趨 勢(shì)，促進(jìn)了 1gbt降壓斬波電路的發(fā)展。關(guān)鍵字：電力電子技術(shù)直流僑波igbt 開關(guān)電源。關(guān)鍵詞：電力電了技術(shù)；整流濾波；igbt；開關(guān)電源switching power supply designabstractwith the rapid development of power electronic technology, the application of electronic systems has become more and more widely,

4、 and more and more types of electronic devices have also become more and more popular. miniaturization of electronic equipment and low cost to make the power supply to light, thin, small and high efficiency direction. due to its small size, light weight and high efficiency, switching power supply ha

5、s been widely used in all kinds of electronic information equipment. along with the further upgrade of the switching power supply, low voltage, high current and high efficiency switching power supply has become the research trend.switching power supply is divided into ac/dc and dc/dc, in which the d

6、c/dc transform has been modular, its design technology and production process has been relatively mature and standardized. dc/dc transform is a fixed dc voltage into a variable dc voltage, also known as dc chopping. chopping circuit is mainly used for the power supply of electronic circuit, but also

7、 can drive the dc motor or with the battery load, etctgbt buck chopper circuit is one of the most basic dc chopping circuit, tgbt is used as a ful 1 control device of the buck chopper circui t for dc to dc buck converter. tgbt is a compound device of mosfet and bipolar transistor it not only has the

8、 characteristics of mosfet easy to drive, but also has the power transistor voltage, large current capacity and so on. between its frequency characteristics between mosfet power transistor can work nonnslly in the tens of thousands of hz frequency range, so in the high frequency, 1 arge power appl i

9、cations occupy the dominant position. so with 1gbt as a full control device of the buck chopper circuit with igbt easy to drive, voltage, large current capacity of the advantages.dc chopper and buck chopper circuit due to easy to drive, voltage, current capacity large in power electronic technology

10、applicati（）ns have broad prospects for development, the power switch to the low voltage, high current and high efficiency, the development trend, promote the development of igbt buck chopper circuit. keywords: power electronics technology dc chopper igbt switch power supply.key words：power electroni

11、c technology; rectifier and filter; tgbt; switching power supply目錄az.>vhu s 1第1章方案論述11.1整流平波212高頻逆變31.3高頻變壓41.4高頻整流51. 5濾波器51.6保護(hù)電路51.7脈寬調(diào)制61. 7. 1脈寬調(diào)制原理61.7.2 uc3842 簡(jiǎn)介6第2章參數(shù)設(shè)計(jì)82.1整流平波參數(shù)設(shè)計(jì)82. 2逆變器參數(shù)設(shè)計(jì)92. 3變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)92. 3.1電源變壓器鐵芯內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分析92. 3.2逆變電源變壓器偏磁原因分析及抗偏磁措施 102. 3.3變壓器參數(shù)計(jì)算102.4濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)11結(jié)論13參

12、考文獻(xiàn)14附錄15致謝16刖m所謂開關(guān)電源，廣義上凡用半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變成為另一 形態(tài)的主電路都叫做開關(guān)變換電路；轉(zhuǎn)變吋用自動(dòng)控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護(hù)環(huán)節(jié)則稱為 開關(guān)電源。開關(guān)電源根據(jù)輸入輸岀的性質(zhì)不同可分為ac/dc和dc/dc兩大類。ac/dc稱為 一次電源，也常稱為開關(guān)整流器。值得指出的是，ac-dc變換不單是整流的意義，而是整 流后又做dc-dc變換。所以說(shuō)，dc-dc變換器是開關(guān)電源的核心。dc/dc稱為二次電源， 其設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國(guó)內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，所以現(xiàn)在dc/dc變換器已實(shí)現(xiàn)模塊化。開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)：功耗小，效率高。開關(guān)電路中，功率品體管在信號(hào)源

13、的激勵(lì)下，交替工作在導(dǎo)通一截 止和截止一導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度很快，頻率一般在幾十到幾khz。體積小，重量輕。由于去除了線性電源笨重的工頻變壓器，并且在功品體管上的耗散 功率大幅度降低之后，就省去了較大的散熱片，因此開關(guān)穩(wěn)電源的體積和重量都可以得到 大大減少。穩(wěn)壓范圍寬。開關(guān)電源的輸出電壓是曲信號(hào)源的占空比或者信號(hào)源的率來(lái)調(diào)節(jié)的，輸 入電壓的變化也可以通過(guò)變頻或調(diào)寬進(jìn)行補(bǔ)償。在工頻屯網(wǎng)壓有較大的變化或負(fù)載有較大 的變化時(shí)，它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓，以穩(wěn)壓范圍寬、穩(wěn)壓效果好。濾波的效率 人為提高，使濾波電容的容積和體積人為減小。開關(guān)電源的缺點(diǎn)：開關(guān)干擾嚴(yán)重。功率品體管工作在開關(guān)狀態(tài)，它產(chǎn)生

14、的交流電壓和電會(huì)對(duì)電路的其它 器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧波干擾，這些干擾如不能抑制、消除屏蔽，就會(huì)嚴(yán)重地影響整個(gè)系 統(tǒng)的工作。此外rti于沒有工頻變壓器的隔離，些干擾就會(huì)倒入電網(wǎng)，對(duì)周圍的屯磁環(huán)境產(chǎn) 生諧波干擾。電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，故障率高，維修困難。開關(guān)電源的分類：開關(guān)電源因體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在中、小功率乃至大 功率領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。從輸入輸出之間是否有變壓器隔離分，可以分成有隔離和 無(wú)隔離另類每一類中又有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：buck、boost> buck-boost等。若按激勵(lì)形式不 通，可分為自激勵(lì)式和他激勵(lì)式兩種。其中自激勵(lì)式包括單管式變換器和推挽式變壓器兩 種；他勵(lì)式變壓器

15、按不同的調(diào)節(jié)模式分為：脈寬調(diào)制、脈頻調(diào)制，脈沖跨周期調(diào)制等。脈 沖寬度調(diào)制（pwm）的開關(guān)頻率恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)通脈寬來(lái)改變占空比，脈沖頻率調(diào)制（pfm） 的脈沖寬度恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)開關(guān)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的控制；脈沖跨周期調(diào)制（psm）檢測(cè) 反饋反饋信號(hào)電平，決定是否在該吋鐘周期內(nèi)工作。目前應(yīng)用比較廣泛的是脈沖寬度調(diào)制 模式，包括正激式、反激式、半橋式和全橋式等。第1章方案論述本次設(shè)計(jì)任務(wù)的初始條件為：交流輸入單相電壓220v,電壓波動(dòng)±50%；直流輸出電 壓15v, 6a；輸岀紋波電壓w0.2v；開關(guān)頻率lookhzoac/dc雙路輸出開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，主耍就是首先對(duì)輸入的220v, 50

16、iiz的交流電源進(jìn)行 整流濾波，得到直流電壓，再經(jīng)過(guò)高頻逆變得到高頻交流電壓，然后在經(jīng)過(guò)高頻變壓器降 壓，再經(jīng)過(guò)高頻整流得到脈動(dòng)直流，最后經(jīng)過(guò)濾波器得到要求的直流電。整體設(shè)計(jì)方框圖如圖1所示：整流部分是利用具有單向?qū)щ娦再|(zhì)的二極管構(gòu)成的橋式電路來(lái)實(shí)現(xiàn)；濾波部分則是利用電容電感器件的儲(chǔ)能效應(yīng)，構(gòu)成lc電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的；高頻逆變電路則是通過(guò)開關(guān)電力電子 器件的開通關(guān)斷性質(zhì)實(shí)現(xiàn)的；高頻變壓器降壓則是通過(guò)互感變壓器實(shí)現(xiàn)降壓的；高頻整流 則是通過(guò)整流器件實(shí)現(xiàn)交流變脈動(dòng)直流的；而濾波器則是通過(guò)電容的濾波效應(yīng)實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)直流向直流的轉(zhuǎn)化的。d2、d3承受反向電壓截至，整流輸出電壓等于輸入電壓；在輸入交流電圧的負(fù)半周

17、期，二極管d2、d3承受正向電壓導(dǎo)通，二極管di、d4承受反向電壓截至，輸岀電流是輸入電流 的相反數(shù)。整流電路工作時(shí)的波形如圖3所示：由圖3可知，經(jīng)過(guò)二極管整流橋后，輸入的正弦電壓成了正的電壓，同時(shí)由于電容電 感的儲(chǔ)能效應(yīng)，整流橋輸出的電壓和電流會(huì)進(jìn)一步變的平直。當(dāng)然電容量越人，濾波效果 越好，輸出波形越趨于平滑，輸出電壓也越高。但是，電容量達(dá)到一定值以后，再加大電 容量對(duì)提高濾波效果已無(wú)明顯作用。通常應(yīng)根據(jù)負(fù)載電壓和輸出電流的人小選擇最佳電 容。1.2高頻逆變與整流相對(duì)應(yīng)，逆變就是把直流電變稱交流電。逆變電路是利用電力電子開關(guān)元件的開關(guān)特性對(duì)直流電進(jìn)行開關(guān)，變?yōu)榻涣麟?。一?功率較大的變頻器

18、用可控硅。逆變電路同整流電路相反，逆變電路是將直流電壓變換為所 要頻率的交流電壓，以所確定的時(shí)間使電力電子開關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷。圖4全橋逆變電路設(shè)計(jì)圖圖4為設(shè)計(jì)電路中的逆變器一全橋逆變器。全橋逆變電路由四個(gè)開關(guān)組成，互為對(duì)角 的兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，而同一側(cè)橋上兩開關(guān)交替導(dǎo)通，將直流電壓逆變成交流電壓，加在 變壓器的-側(cè)。改變開關(guān)的占空比，就可以改變整流屯壓叫的平均值，也就改變了輸出電 壓。為了避免在同一側(cè)半橋中上下兩個(gè)開關(guān)在換流的過(guò)程中發(fā)生短暫的同時(shí)導(dǎo)通現(xiàn)彖而 損壞開關(guān)，每個(gè)開關(guān)各自的占空比不能超過(guò)50%,并且留有裕量。1.3高頻變壓變壓器是利用電磁感應(yīng)的原理來(lái)改變交流電壓的裝置，主要構(gòu)件是初級(jí)線

19、圈、次級(jí)線 圈和鐵芯。在電器設(shè)備和無(wú)線電路中，常用作升降電壓、匹配阻抗等。變壓器的基本原理：當(dāng)一個(gè)正弦交流電壓u1加在初級(jí)線圈兩端時(shí)，導(dǎo)線中就冇交變 電流ii并產(chǎn)生交變磁通(1)1,它沿著鐵心穿過(guò)初級(jí)線圈和次級(jí)線圈形成閉合的磁路。在次 級(jí)線圈中感應(yīng)岀互感電勢(shì)u2,同時(shí)d)l也會(huì)在初級(jí)線圈上感應(yīng)出一個(gè)自感電勢(shì)el, el的 方向與所加電壓u1方向相反而幅度相近，從而限制了 ii的大小。為了保持磁通d)l的存 在就需要有一定的電能消耗，并11變壓器本身也有一定的損耗，盡管此時(shí)次級(jí)沒接負(fù)載， 初級(jí)線圈中仍有一定的電流，這個(gè)電流我們稱為“空載電流”。如果次級(jí)接上負(fù)載，次級(jí)線圈就產(chǎn)生電流12,并因此而產(chǎn)

20、生磁通d)2, d)2的方向與 巾1相反，起了互相抵消的作用，使鐵心中總的磁通量有所減少，從而使初級(jí)自感電壓e1 減少，其結(jié)果使t1增大，可見初級(jí)電流與次級(jí)負(fù)載冇密切關(guān)系。當(dāng)次級(jí)負(fù)載電流加大時(shí) ii增加，巾1也增加，并且巾1增加部分正好補(bǔ)充了被d)2所抵消的那部分磁通，以保持 鐵心里總磁通量不變。如果不考慮變壓器的損耗，口j以認(rèn)為一個(gè)理想的變壓器次級(jí)負(fù)載消 耗的功率也就是初級(jí)從電源取得的電功率。變壓器能根據(jù)需耍通過(guò)改變次級(jí)線圈的圈數(shù)而 改變次級(jí)電壓，但是不能改變?cè)试S負(fù)載消耗的功率。木次設(shè)計(jì)中所用的變壓器如圖5所示：圖5變壓器設(shè)計(jì)圖1.4高頻整流高頻整流與而面1.1節(jié)所講述的整流原理是基本一致的

21、，在這里就不再贅述。1.5濾波器lc濾波器適用于高頻信號(hào)的濾波，它由電感l(wèi)和電容c所組成，由于感抗隨頻率增加 而增加，而容抗隨頻率增加而減小，因此，lc低通濾波器的串臂接電感，并臂接電容，高 通濾波器的l、c位置，則與它相反。帶通濾波器則是二者的組合。在本次設(shè)計(jì)中，所用的濾波器如圖6所示：當(dāng)流過(guò)電感的電流發(fā)生變化時(shí)，線圈中產(chǎn) 生自感電勢(shì)阻礙電流的變化，而電容兩端的電壓不能發(fā)生突變，所以經(jīng)過(guò)如圖6所示的濾 波器后，輸出的電流和電壓的脈動(dòng)減小。l11sc5+c21圖6濾波器電路設(shè)計(jì)1.6保護(hù)電路通過(guò)在uc3842的采樣電壓處接入一個(gè)射極跟隨器，從而在控制電壓上增加了一個(gè)與 脈寬調(diào)制時(shí)鐘同步的人為斜

22、坡，它可以在后續(xù)的周期內(nèi)將擾動(dòng)減小到零。因此，即使 系統(tǒng)工作在占空比大于50%或連續(xù)的電感電流條件下，系統(tǒng)也不會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。不 過(guò)該補(bǔ)償斜坡的斜率必須等于或略大于m2 / 2,系統(tǒng)才能具有真正的穩(wěn)定性。取樣電阻改用無(wú)感電阻。無(wú)感電阻是一種雙線并繞的繞線電阻，其精度高且容易做到 大功率。采用無(wú)感電阻后，其阻抗不會(huì)隨著頻率的增加而增加。這樣，即使在高頻情況下 取樣電阻所消耗的功率也不會(huì)超過(guò)它的標(biāo)稱功率，因此也就不會(huì)岀現(xiàn)炸機(jī)現(xiàn)象。反饋電路改用tl431加光耦來(lái)控制。我們都知道放大器用作信號(hào)傳輸吋都需要傳輸吋 間，并不是輸岀與輸入同時(shí)建立。如果把反饋信號(hào)接到uc3842的電壓反饋端，則反饋信 號(hào)

23、需連續(xù)通過(guò)兩個(gè)高增益誤差放大器，傳輸吋間增長(zhǎng)。由于tl431木身就是一個(gè)高增益的 誤差放大器，因此，在保護(hù)電路中直接采用腳1做反饋，從uc3842的腳8（基準(zhǔn)電壓腳） 拉了一個(gè)電阻到腳1,腳2通過(guò)r18接地。這樣做的好處是，跳過(guò)了 uc3842的內(nèi)部放大器, 從而把反饋信號(hào)的傳輸時(shí)間縮短了一半，使電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變快。另外，直接控制uc3842 的腳1還可簡(jiǎn)化系統(tǒng)的頻率補(bǔ)償以及輸出功率小等問(wèn)題。1-7脈寬調(diào)制1.7. 1脈寬調(diào)制原理pwm控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制， 來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。在釆樣控制理論屮冇一條重要的結(jié)論：沖量 相等而形

24、狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同，沖量即窄脈沖的而 積。效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸岀響應(yīng)波形基本相同。上述原理稱為而積等效原理以正弦 pwm控制為例。把正弦半波分成n等份，就可把其看成是n個(gè)彼此相連的脈沖列所組成 的波形。這些脈沖寬度相等，都等丁兀/n ,但幅值不等但脈沖頂部不是水平直線而是曲 線，各脈沖幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形 脈沖代替，使矩形脈沖的屮點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的屮點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦 波部分而積（沖量）相等，就得到pwm波形。各pwm脈沖的幅值相等而寬度是按正弦規(guī) 律變化的。根據(jù)而積等效原理，pwm波形和正弦

25、半波是等效的。對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也 可以用同樣的方法得到pwm波形。可見，所得到的pwm波形和期望得到的正弦波等效。1.7.2 uc3842 簡(jiǎn)介uc3842是一種高性能的固定頻率電流型控制器，單端輸出，可直接張動(dòng)mosfet,具 有管腳數(shù)量少、外圍電路簡(jiǎn)單、安裝與調(diào)試簡(jiǎn)便、性能優(yōu)良、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)高頻 變壓器與供電電源隔離，非常適于2050w的小功率的輔助電源，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。 它具有兩個(gè)控制環(huán)路，一個(gè)是輸出電壓反饋誤差放大器，用于同基準(zhǔn)電壓比較后產(chǎn)生誤差 電壓；另一個(gè)是變壓器原邊中的電流在采樣電阻上產(chǎn)生的電壓與誤差電壓進(jìn)行比較調(diào)節(jié)調(diào) 制脈沖的寬度，這些都是在時(shí)鐘所限定的固定頻

26、率下工作。呃動(dòng) 輸出uc3842采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式，共冇8個(gè)引腳，各腳功能如下：comp 丄rj/ct uc3842腳是誤差放大器的輸出端，外接阻容元件用于改善誤差放大器的增益和頻率特性；腳 是反饋電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2. 5v基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差 電壓，從而控制脈沖寬度；腳為電流檢測(cè)輸入端，當(dāng)檢測(cè)電壓超過(guò)iv吋縮小脈沖寬度 使電源處于間歇工作狀態(tài)；腳為定時(shí)端，內(nèi)部振蕩器的工作頻率出外接的阻容吋間常數(shù) 決定，f=1.8/(rtxct)；腳為公共地端；腳為推挽輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、 下降時(shí)間僅為50ns驅(qū)動(dòng)能力為土1a ；腳是直流電源供電端，具

27、冇欠、過(guò)壓鎖定功能， 芯片功耗為15mw；腳為5v基準(zhǔn)電壓輸出端，有50n)a的負(fù)載能力。uc3842的引腳圖如 圖8所示-urcftoutgnd圖8 uc3842引腳圖uc3842其主要特點(diǎn)如下：(1) 良好的負(fù)載調(diào)整率因?yàn)檎`差放大器可專門用于控制由于負(fù)載變化造成的輸出電 壓變化。(2) 電壓調(diào)整率好，可達(dá)到0 01%/v這是由于輸入電壓的變化可立即反映為變壓器 原邊電流的變化，它不經(jīng)過(guò)任何誤差放大器就能在比較器屮改變輸出脈沖寬度，再加上一級(jí)輸出電壓至謀差放大器控制，能夠使電壓調(diào)整率更好。(3) 過(guò)流保護(hù)電路的簡(jiǎn)化由于采樣電阻上的信號(hào)對(duì)應(yīng)變壓器原邊屯流的峰值，所以形 成逐個(gè)脈沖限流電路，只耍

28、采樣電阻上電壓達(dá)到iv,脈寬調(diào)制器就立即關(guān)閉，而這種峰值 電流檢測(cè)技術(shù)可以靈敏地、精確地限制輸出的最大電流。(4) 謀差放大器補(bǔ)償電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)定度提高并改善了頻率響應(yīng)這是由于采樣電阻上檢 測(cè)的峰值電流值能代表其平均值大小，整個(gè)電路可以看作一個(gè)誤差電壓控制源，變換器出 雙極點(diǎn)變?yōu)閱螛O點(diǎn)。(5) 采用電流環(huán)的自動(dòng)穩(wěn)流電流峰值控制口j改善開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和瞬態(tài)特性， 當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)影響時(shí)，只耍被檢測(cè)的電流發(fā)生變化，就立即反映到控制電路中，使z口 動(dòng)調(diào)節(jié)，而不會(huì)象單環(huán)調(diào)壓系統(tǒng)那樣要等輸出電壓發(fā)生變化后，才調(diào)節(jié)控制端，雙閉環(huán)控 制系統(tǒng)很好地提高了穩(wěn)壓電源的響應(yīng)速度。(6) 欠壓鎖定電路其開啟電壓為1

29、6v,關(guān)閉電壓為10v, uc3842的電源可以出高壓直流 電通過(guò)一個(gè)降壓電阻來(lái)提供，6v的啟動(dòng)關(guān)閉電壓回差可以有效地防止電路在閾值電壓附近 工作時(shí)的振蕩：在uc3842的輸入端設(shè)冇一個(gè)36v齊納管，保證內(nèi)部電路絕對(duì)工作在36v 以卜：防止可能高壓帶來(lái)的損壞。(7) 圖騰柱式輸岀uc3842輸出給開關(guān)管的平均電流為土200ma,最大峰值電流可達(dá)1.0a, 輸出低電平為16v,輸出高電平為13. 4v,故適合驅(qū)動(dòng)雙極晶體管或者m0sfet。芯片內(nèi) 部設(shè)置有pwm鎖存器，可保證輸出端在每個(gè)振蕩周期內(nèi)僅出現(xiàn)一個(gè)單控制脈沖，防止噪聲 干擾和功率管的超功耗。第2章參數(shù)設(shè)計(jì)2.1整流平波參數(shù)設(shè)計(jì)整流平波電

30、路設(shè)計(jì)圖如圖2所示，為單相全橋整流，整流后的直流波形經(jīng)電容平波和 可以得到平直無(wú)紋波的直流波形。單相整流橋進(jìn)線電壓有效值為u=220v,設(shè)電源輸岀功率 為2kva,假設(shè)功率因數(shù)為09,則流過(guò)整流二極管的電流約為10. 1a,給電流留一定裕 量，可取整流二極管的額定電流為20a,于是本文選擇耐壓為1000v額定電流為25a的整 流模塊作為單相整流橋。由圖3可知，經(jīng)過(guò)整流橋后輸出電壓為f y2u2 sin cad cotit 0空198v71（式1）為了保證濾波效果，應(yīng)盡量選取電容量較大的電容，因此選取經(jīng)過(guò)電容平波器后，輸出電壓變?yōu)椋篶 = w0uf（式2）u = 1.2/ = 264v2.2逆變

31、器參數(shù)設(shè)計(jì)逆變器在工作中，開關(guān)器件承受的最大正向電壓是來(lái)自于逆變器的輸入端。本設(shè)計(jì)采 用的逆變器是單相全橋逆變電路，當(dāng)輸岀交流側(cè)接阻感負(fù)載時(shí)需要捉供無(wú)功功率，因此在 每個(gè)igbt集電極與發(fā)射極間并聯(lián)了快恢復(fù)二極管，以給無(wú)功功率提供通道。在逆變橋前 串一個(gè)熔斷器是為了防止逆變器因死區(qū)時(shí)間不合適造成上下橋臂直通而短路、輸出負(fù)載端 短路或變壓器嚴(yán)重偏磁飽和時(shí)導(dǎo)致的初級(jí)繞組過(guò)流等現(xiàn)象起保護(hù)作用。整流橋輸岀經(jīng)過(guò)濾波后，作為逆變器的輸入，所以逆變器的輸入端電壓最大值為264v, 考濾到保留一定的裕量，可取igbt額定電壓為400vo2.3變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)變壓器在逆變電源中主要有兩個(gè)作用：變壓（包括升壓或降壓

32、）；電氣隔離。逆電源 變壓器與普通電源變壓器的工作狀況不一樣，逆變電源變壓器存在一些特殊問(wèn)題。首先， 逆變電源變壓器傳遞的是spwm波。其次，逆變電源變壓器容易擊現(xiàn)偏磁飽和問(wèn)題，而普 通電源變壓器岀現(xiàn)偏磁飽和的可能性很小。普通電源變壓器的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)比較成熟，普 通電源變壓器直接用在逆變電源當(dāng)屮容易出現(xiàn)偏磁飽和問(wèn)題，口前有關(guān)逆變電壓器設(shè)計(jì)的 資料很少，因此有必要說(shuō)明一下逆變電源變壓器的設(shè)計(jì)問(wèn)題。2. 3.1電源變壓器鐵芯內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分析設(shè)逆變電源輸出基波角頻率為基波峰值為“，除基波外的各次諧波峰值為"皿。變壓器的初級(jí)電壓表示為：（式3）8u、二 % cos（©/ + 4）

33、 + 工 uhtt cos（©f + 約）k=2如果忽略變壓器原邊繞組電阻上的壓降及漏感，原邊電壓°,與原邊繞組上的磁感應(yīng) 電勢(shì)弓.就口j近似相等即（式4）設(shè)件表示原邊繞組匝數(shù)，磁感應(yīng)電勢(shì)弓與鐵心內(nèi)的主磁通痂的關(guān)系可表示為d0（式 5）設(shè)s表示鐵心的截面積，鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度b與0有如下關(guān)系：（式6）結(jié)合式3到式6可知：逆變電源變壓器鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度b可表示如f：b =-（式 7）4.44n 憶 s逆變電源變壓器設(shè)計(jì)人、時(shí)所用的基本公式和普通電源變壓器設(shè)計(jì)吋所用的基本公式 是很相似的，因此可以把逆變電源變壓器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為一個(gè)普通電源變瓜器的設(shè)計(jì)，這個(gè) 普通電源變壓器初級(jí)所

34、承受電壓的頻率等于逆變電源的輸岀頻率，由此可見，逆變電源變 壓器不是按開關(guān)頻率設(shè)計(jì)的，而是按輸出頻率設(shè)計(jì)的。2. 3.2逆變電源變壓器偏磁原因分析及抗偏磁措施與普通變壓器的工作狀況不同，逆變電源變壓器容易出現(xiàn)偏磁問(wèn)題，偏磁是逆變電源 變壓器的特有現(xiàn)彖。這是由于當(dāng)變壓器鐵心屮的磁感應(yīng)強(qiáng)度存在宜流分量時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度 的波形止負(fù)半波不對(duì)稱，或向上偏或向下偏，這種現(xiàn)象稱為變壓器的偏磁現(xiàn)象。偏磁嚴(yán)重 時(shí)會(huì)導(dǎo)致變壓器鐵心出現(xiàn)磁飽和。變壓器磁飽和對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)的正常運(yùn)行將產(chǎn)生極英不 利的影響，表現(xiàn)在以下兒個(gè)方面：1）變壓器飽和時(shí)，由于勵(lì)磁電流很大，將導(dǎo)致逆變器開關(guān)器件的電流過(guò)大，可能使過(guò) 流保護(hù)動(dòng)作或開關(guān)器

35、件損壞；2）變壓器飽和時(shí)，由于勵(lì)磁電流屮含冇大量的諧波成分，諧波電流在變壓器漏感上的 諧波壓降將導(dǎo)致輸岀電壓波形出現(xiàn)嚴(yán)重畸變；3）變壓器飽和時(shí)，由于勵(lì)磁電流很大，將使變壓器的發(fā)熱及噪聲增加。對(duì)逆變電源變壓器偏磁產(chǎn)生原因進(jìn)行深入研究，提出了有效的抗偏磁措施：1）盡量選用飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高的鐵磁材料作鐵芯，女ii 0. 1mm們的硅鋼片壓制而成的 鐵心，以提高變壓器對(duì)偏磁的承受能力。2）使給定的正弦波或三角載波盡量不含直流分量：開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的死區(qū)時(shí)間盡量一 致。3）盡量避免使用半波整流負(fù)載，即使電源帶半波整流負(fù)載，功率也不能很大。4）變壓器鐵芯間加氣隙。5）逆變電源輸岀功率較小時(shí)，變壓器原邊可以串

36、電容，隔離其直流成分。6）采用對(duì)變壓器原邊電壓屮的直流分量進(jìn)行補(bǔ)償控制來(lái)改善變壓器偏磁飽和的方法。2. 3. 3變壓器參數(shù)計(jì)算（1）確定變比k曲前面的計(jì)算可知，蒸憾濾波輸岀電壓的冇效值為264v,即變壓器輸入電壓冇效值“兀為264v,而變壓器輸出電壓"。為10v,所以變比k為= 26.4（式8）為保證在電網(wǎng)電壓較低時(shí)，輸出電壓還能達(dá)到10v,所以實(shí)際可以去變比k=26.（2）確定正常情況下變壓器鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)度的設(shè)定值值垃考慮劍使變壓器對(duì)偏磁有足夠的承受能力，鳥按下式選取,本文取 式屮鳥是鐵芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。（3）確定變壓器鐵芯技術(shù)指標(biāo)設(shè)逆變器輸出功率為2kva,故必須選功率大于2

37、kva的鐵心，經(jīng)查手冊(cè)知，由0. 1mm 的硅鋼片壓制而成cd25x50xl00型鐵心功率可以做到2184w,于是就選此鐵心作為逆變電 源變壓器的鐵心。鐵心凈截面積s=0. 00125加彳，磁路長(zhǎng)度1嚴(yán)355曲，鐵芯飽和磁感應(yīng) 強(qiáng)度為比十t.i員i邊繞組匝數(shù)為：入u264”心（式 9）n、= 173.454.44 fqbqs 4.44x400x0.4x1.7 x 0.00125取"二175匝。副邊匝數(shù)為：.n 175（式 10）n? = - = = 6.73一 k 26取“2二7匝。2.4濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)（式 11）濾波電路如圖6所示,串臂阻抗&和并臂阻抗z2乘積z>z2

38、 =餌（ / g = l/c = k 一旦l和cd的值確定后，k就為常數(shù)，不隨頻率變化。由于l/c具有阻抗平方量綱，故 也可以用濾波器另一重要參數(shù)來(lái)r表示常數(shù)k,即；k = l/c = r2低通濾波器的傳通條件是結(jié)合式11得：（式 12）0<a）l<r濾波器的截止頻率£為：（式 13）fc = r/ （2龍厶）=1 / （2vl7c）由此得:結(jié)合式11和式13得:（式 14）（式 15）c = l/ r2=l/（2龍£ lr） = 1 / （2/7?）參數(shù)計(jì)算：(1) 確定特性阻抗r ri2 9902設(shè)電源的額定容量為2000va,則額定負(fù)載電阻為：r, = =

39、 ±- = 24.2q "p 2000取 r = 0.5rl=2(2) 確定截止頻率£逆變電源輸出基波頻率為50hz,其它各次諧波的頻率為基波的整數(shù)倍，故最低次諧波 的頻率為100hz,要求任意次諧波不超過(guò)基波的3%,為了更好的衰減各次諧波，本文取截止頻率£ =70hzo(3) 確定濾波電感l(wèi) 曲式14得：l = 7? / （2龍乙）=12.1 / （2x70） = z15mh（4）確定濾波電容c由式15得：c = l/ r2=/（2兀£/?） = 1/（2x70x12.1） = 1 88wf結(jié)論本次電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，使我更深入了解了開關(guān)電源的設(shè)計(jì)以及一些芯片的使用 等。加深了我對(duì)理論知識(shí)的掌握，并把所學(xué)的知識(shí)系統(tǒng)、高效的貫穿到實(shí)踐中來(lái)，避免了 理論與實(shí)踐的脫離。同時(shí)我對(duì)protel 99 se