寬輸入變頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、科信學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書（2017/2018學(xué)年第一學(xué)期）課程名稱 ：電力電子技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)題 目 ： 寬電壓輸入變頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì) 專業(yè)班級 ： 電氣工程及其自動(dòng)化1425 學(xué)生姓名 ： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師 ： 劉增環(huán)、杜永、路巍等 設(shè)計(jì)周數(shù) ： 兩周 設(shè)計(jì)成績 ： 2018年1月5日引言 開關(guān)電源就是采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件，通過周期性通斷開關(guān)，控制開關(guān)元件的占空比來調(diào)整輸出電壓。開關(guān)電源具有以下特征：電源電壓和負(fù)載在規(guī)定的范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓應(yīng)保持在允許的范圍內(nèi)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。常用的開關(guān)電源多采用固定開

2、關(guān)頻率，當(dāng)輸入電壓過高時(shí)，占空比過小,開通時(shí)間太短,可能引起開通脈沖丟失，造成電源工作不穩(wěn)定。常用的開關(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)存在大范圍的波動(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關(guān)頻率的輔助電源。根據(jù)輸入電壓大小改變開關(guān)頻率,保證電源在寬輸入電壓范圍內(nèi),可靠的為系統(tǒng)供電。 在本課題設(shè)計(jì)開發(fā)過程中,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 開關(guān)電源 目錄一、開關(guān)電源現(xiàn)狀和發(fā)展31

3、.1 開關(guān)電源現(xiàn)狀31.2 開關(guān)電源類型4二、設(shè)計(jì)方案42.1 設(shè)計(jì)要求42.2 設(shè)計(jì)思路5三、方案設(shè)計(jì)53.1 控制電路設(shè)計(jì)53.2 誤差放大器設(shè)計(jì)93.3 過/欠電壓保護(hù)103.4 過流/過載保護(hù)103.5反激變壓器設(shè)計(jì)113.6反饋回路設(shè)計(jì)113.7 設(shè)計(jì)小結(jié)13四 課程設(shè)計(jì)總結(jié)13參考文獻(xiàn)13一、開關(guān)電源現(xiàn)狀和發(fā)展1.1 開關(guān)電源現(xiàn)狀 目前，開關(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，電源的體積和重量將更加小，從而實(shí)現(xiàn)更高的功率

4、密度。使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的領(lǐng)域。 開關(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)字控制作為開關(guān)電源的發(fā)展趨勢，已經(jīng)在許多功率變換設(shè)備中得到應(yīng)用。近兩年來，高性能全數(shù)字控制芯片相繼開發(fā)，費(fèi)用也降到比較合理的水平，歐美已有很多公司開發(fā)并且制造出開關(guān)變換器的數(shù)字控制芯片及軟件。1.2 開關(guān)電源類型開關(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關(guān)穩(wěn)壓電源。另外，開關(guān)電源輸出電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

5、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關(guān)穩(wěn)壓電源。根據(jù)開關(guān)器件在電路中連接的方式，目前比較廣泛使用的開關(guān)電源，大體上可分為：串聯(lián)式開關(guān)電源、并聯(lián)式開關(guān)電源、變壓器式開關(guān)電源等三大類。其中，變壓器式開關(guān)電源（后面簡稱變壓器開關(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；如果從用途上來分，還可以分成更多種類。 二、設(shè)計(jì)方案 2.1 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一個(gè)寬電壓輸入變頻開關(guān)電源（1）認(rèn)真查閱選用器件的技術(shù)資料，參考教材中相關(guān)內(nèi)容，選擇合適的構(gòu)成方

6、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，型號和規(guī)格，封裝形式，數(shù)量等；對變壓器要說明原副邊繞組的構(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，主開關(guān)管承受電壓和流過電流的波形，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）通過仿真驗(yàn)證控制電路器件參數(shù)的合理性，說明在選定的參數(shù)下輸入電壓低至多少時(shí)電源仍能正常工作

7、。（7）總結(jié)設(shè)計(jì)工作，撰寫設(shè)計(jì)說明書。 2.2 設(shè)計(jì)思路 開關(guān)電源大致由主電路操控電路、檢測電路、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，改變其脈寬或脈頻，使傳出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供操控電路對電源進(jìn)行各種保護(hù)

8、措施。3. 檢測電路提供保護(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。三、方案設(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

9、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),PWM比較器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn),鎖存器置零,VT截止。因而誤差信號Ve實(shí)際上控制的是電感峰值電流。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)時(shí)間和單個(gè)脈沖測量鎖存。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（SO-14）。SO-14封裝的圖騰柱式輸出級有單獨(dú)的電源和接地

10、管腳。 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),控制電路無需經(jīng)過誤差放大器即能進(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)成專用來進(jìn)行負(fù)載變化的調(diào)節(jié)2) 對負(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

11、后因素,電感電流已達(dá)預(yù)定值,而Ci在調(diào)節(jié)過程中充的電壓卻要過一段時(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)器就無需RiCi,電路得以簡化。4) 限流電路簡單。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故障的發(fā)生5) 對模塊結(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 UC3845內(nèi)部電路框圖及引腳圖 帶滯后的輸入欠壓鎖定。  封裝引腳圖：  其特點(diǎn)為  (1)電流模式工作，輸出開關(guān)頻率為500&

12、#160;kHz。  (2)輸出占空比可從5070調(diào)節(jié)。(3)自動(dòng)前饋補(bǔ)償。  (4)逐個(gè)周期的限流保護(hù)，鎖定式脈沖寬度調(diào)制(PWM)。  (5)有欠壓鎖定的內(nèi)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/欠電壓保護(hù)當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓過壓或者欠壓時(shí)（過/欠壓判斷電路略），可

13、使圖5中的過/欠壓輸入端為低電平，光耦OP1輸出高電平，因此，就會(huì)通過加速電容C6和二極管D6對UC3845的腳16施加正脈沖，從而使圖3所示的UC3845芯片內(nèi)部晶閘管導(dǎo)通，通過內(nèi)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OP1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/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/欠電壓保護(hù)電路3.4 過流/過載保護(hù)當(dāng)過流或者過載時(shí)，比較器LM

14、393輸出7加在腳16，同樣會(huì)封鎖脈沖輸出。由于晶閘管維持導(dǎo)通，所以系統(tǒng)當(dāng)不過流不過載時(shí)，必須重新啟動(dòng)才能有脈沖輸圖5 過流/過載保護(hù)電路3.5反激變壓器設(shè)計(jì) 變壓器技術(shù)規(guī)格：1 開關(guān)頻率180kHZ,最大占空比50%2 N2功率：15V，3A3 N3功率，-15V, 1A變壓器參數(shù)的設(shè)計(jì)對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)范允許的最低電壓時(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)輸出功率最大時(shí)，變壓器溫升應(yīng)在規(guī)范要求之內(nèi)。應(yīng)滿足一、二次側(cè)銅耗相等、

15、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。但對于多路輸出的反饋電路，由于對于每個(gè)輸出應(yīng)用場合的不同，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，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)是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會(huì)，從事職業(yè)工作前一個(gè)必不少的過程”千里之行始于足下”，通過這次課程設(shè)計(jì)，我深深體會(huì)到這句千古名