電氣1002馬釗10053215電力電子課程設計報告.

1、1、 課程設計目的（1）熟悉Power MosFET的使用；（2）熟悉磁性材料、磁性元件及其在電力電子電路中的使用；（3）增強設計、制作和調(diào)試電力電子電路的能力；2、 課程設計的要求與內(nèi)容本課程設計要求根據(jù)所提供的元器件設計并制作一個小功率的單端反激式開關電源。我的設計要求雙路輸出，要求輸出電壓電流為10V/1A、和6V/0.5A，畫出必要的設計電路圖，進行必要的電路參數(shù)計算,完成電路的焊接任務。對焊接完成的板子進行輸出調(diào)試，盡可能的達到要求輸出標準。3、 反激式功率變換器的原理及設計方法1、開關型穩(wěn)壓電源的電路結構（1）按驅(qū)動方式分，有自激式和他激式。（2）按DC/DC變換器的工作方式分：單

2、端正激式和反激式、推挽式、半橋式、全橋式等；降壓型、升壓型和升降壓型等。（3）按電路組成分，有諧振型和非諧振型。（4）按控制方式分：脈沖寬度調(diào)制(PWM)式；脈沖頻率調(diào)制(PFM)式；PWM與PFM混合式。DC/DC變換器用于開關電源時，很多情況下要求輸入與輸出間進行電隔離。這時必須采用變壓器進行隔離，稱為隔離變換器。這類變換器把直流電壓或電流變換為高頻方波電壓或電流，經(jīng)變壓器升壓或降壓后，再經(jīng)整流平滑濾波變?yōu)橹绷麟妷夯螂娏鳌Ｒ虼?，這類變換器又稱為逆變整流型變換器。DC/DC變換器有5種基本類型：單端正激式、單端反激式、推挽式、半橋式和全橋式轉換器。下面重點分析隔離式單端反激轉換電路，電路結構

3、圖如圖1所示。圖1 電路結構圖電路工作過程如下：當M1導通時，它在變壓器初級電感線圈中存儲能量，與變壓器次級相連的二極管VD處于反偏壓狀態(tài)，所以二極管VD截止，在變壓器次級無電流流過，即沒有能量傳遞給負載；當M1截止時，變壓器次級電感線圈中的電壓極性反轉，使VD導通，給輸出電容C充電，同時負載R上也有電流I流過。M1導通與截止的等效拓撲如圖2所示。 圖2 M1導通與截止的等效拓撲2、反激變換器工作原理基本反激變換器如圖3所示。假設變壓器和其他元器件均為理想元器件，穩(wěn)態(tài)工作如下：（1） 當有源開關Q導通時，變壓器原邊電流增加，會產(chǎn)生上正下負的感應電動勢，從而在副邊產(chǎn)生下正上負的感應電動勢，如圖3

4、（a）所示，無源開關VD1因反偏而截止，輸出由電容C向負載提供能量，而原邊則從電源吸收能量，儲存于磁路中。（2） 當有源開關Q截止時，由于變壓器磁路中的磁通不能突變，所以在原邊會感應出上負下正的感應電動勢，故VD1正偏而導通，如圖3（b）所示，此時磁路中存儲的能量轉到副邊，并經(jīng)二極管VD1向負載供電，同時補充濾波電容C在前一階段所損失的能量。輸出濾波電容除了在開關Q導通時給負載提供能量外，還用來限制輸出電壓上的開關頻率紋波分量，使之遠小于穩(wěn)態(tài)的直流輸出電壓。（a）（b）圖3 反激變換器工作狀態(tài)反激變換器的工作過程大致可以看做是原邊儲能和副邊放電兩個階段。原邊電流和副邊電流在這兩個階段中分別起到

5、勵磁電流的作用。如果在下一次Q導通之前，副邊已將磁路的儲能放光，即副邊電流變?yōu)榱?，則稱變換器運行于斷續(xù)電流模式（DCM），反之，則在副邊還沒有將磁路的儲能放光，即在副邊電流沒有變?yōu)榱阒?，Q又導通，則稱變換器運行于連續(xù)電流模式（CCM）。通常反激變換器多設計為斷續(xù)電流模式（DCM）下。當變換器工作于CCM下時，輸出與輸入電壓、電流之間的關系如下：，其中，。當變換器工作于DCM下時，上述關系式仍然成立，只不過此時的增益M變?yōu)椋海梢钥闯?，改變開關器件Q的占空比和變壓器的匝數(shù)比就可以改變輸出電壓。3、 反激變換器的吸收電路由于在實際中反激變換器存在各種寄生參數(shù)，如變壓器的漏感，開關管的源漏極電容。

6、所以基本反激變換器在實際應用中是不能可靠工作的，其原因是變壓器漏感在開關Q截止時，沒有滿意的去磁回路。為了讓反激變換器的工作變得可靠，就得外加一個漏感的去磁回路，但因漏感的能量一般很小，所以習慣上將這種去磁回路稱為吸收電路，目的是將開關Q的電壓鉗位到合理的數(shù)值。在220VAC輸入的小功率開關電源中，常用的吸收電路主要有RCD吸收電路。其結構如圖4所示。圖4吸收電路4、 反激式變換器變壓器的設計在本次實習中提供的變壓器的鐵芯是EE28鐵氧體鐵芯，其在25攝氏度的磁導率為，鐵芯的初始磁導率為。變壓器選擇的相關參數(shù)包括：原副邊匝數(shù)比、原邊匝數(shù)、副邊匝數(shù)和氣隙，本次試驗中用到的變壓器的繞組的漆包線已經(jīng)

7、給定，無需選擇。（1）原副邊匝數(shù)比及其匝數(shù)的確定：根據(jù)實習任務的要求;需要的直流輸出電壓為7V，由器件本身的參數(shù)可以知道其耐壓。，如果考慮到漏感引起的的電壓尖峰，開關管兩端承受的關斷電壓為：，一般來說開關管的耐壓需要在這個基礎之上留下至少30%的裕量。假設開關管的耐壓極限為，。為了保證電路工作于DCM模式，磁路儲能和放電總時間應該控制在0.8T以內(nèi)，所以,（2）原副邊匝數(shù)的計算：根據(jù)器件的資料，可以查的磁芯的有效磁導面積，原邊的匝數(shù)應該保證在最大占空比是磁路仍不飽和，電壓沖量等于磁鏈的變化量，固，通常原邊的匝數(shù)取到這個計算之的兩倍。副邊匝數(shù)根據(jù)變比可以求出。（3）氣隙長度的計算假設變壓器的輸出

8、功率為，效率為，有以下關系成立：，所以可以得到，其中有以下關系；，則原邊的峰值電流為：，帶入上式可以得到初級電感。其中，為電感系數(shù)，為磁阻。氣隙的長度為 5、控制系統(tǒng)的設計（1）振蕩器：振蕩器的頻率有定時元件，決定，我的頻率選為90KHZ。（2）電壓誤差放大器：在本次實習中在輸入與輸出的隔離開關電源中，為了減小誤差，通常采用外置電壓環(huán)，即將U3845的內(nèi)部誤差放大器旁路掉。（3）電流比較器:電流比較器的門檻值有誤差放大器的輸出給定，當電壓誤差放大器顯示輸出電壓太低時，電流的門檻值就增大，使輸出到負載的能量增加，反之也一樣。整個控制部分的原理圖如下所示；圖5控制部分原理圖幾個重要器件的介紹:（1

9、）UC3845UC3845芯片為SO8或SO14管腳塑料表貼元件。專為低壓應用設計。其欠壓鎖定門限為8.5v（通），7.6V（斷）；電流模式工作達500千赫輸出開關頻率；在反激式應用中最大占空比為0.5;輸出靜區(qū)時間從50%70%可調(diào)；自動前饋補償；鎖存脈寬調(diào)制，用于逐周期限流；內(nèi)部微調(diào)的參考源；帶欠壓鎖定；大電流圖騰柱輸出；輸入欠壓鎖定，帶滯后；啟動及工作電流低。芯片管腳圖及管腳功能如圖6所示。圖6 UC3845芯片管腳圖1腳：輸出/補償，內(nèi)部誤差放大器的輸出端。通常此腳與腳2之間接有反饋網(wǎng)絡，以確定誤差放大器的增益和頻響。2腳：電壓反饋輸入端。此腳與內(nèi)部誤差放大器同向輸入端的基準電壓（2.

10、5 V）進行比較，調(diào)整脈寬。3腳：電流取樣輸入端。4腳：R T/CT振蕩器的外接電容C和電阻R的公共端。通過一個電阻接Vref通過一個電阻接地。5腳：接地。6腳：圖騰柱式PWM輸出，驅(qū)動能力為土1A.7腳：正電源腳。8腳：V ref，5V基準電壓，輸出電流可達50mA.（2）TL431TL431是一個良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準源。外部有三極分別為：陰極（CATHODE）、陽極（ANODE）、參考端（REF）。其芯片體積小、基準電壓精密可調(diào)，輸出電流大等優(yōu)點，所以可以用來制作多種穩(wěn)壓器件。其具體功能可用圖7的功能模塊示意。由圖可看出，VI是一個內(nèi)部的2.5V基準源，接在運放的反相輸入端。

11、由運放特性可知，只有當REF端的電壓十分接近VI時，三極管中才會有一個穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過三極管，電流將從1到100mA變化。圖7 TL431的功能模塊示意圖在開關電源設計中，一般輸出經(jīng)過TL431（可控分流基準）反饋并將誤差放大，TL431的沉流端驅(qū)動一個光耦的發(fā)光部分，而處在電源高壓主邊的光耦感光部分得到的反饋電壓，用來調(diào)整一個電流模式的PWM控制器的開關時間，從而得到一個穩(wěn)定的直流電壓輸出。（3）PC817PC817是一個比較常用的光電耦合器,內(nèi)部結構如圖8所示，其中腳1為陽極，腳2為陰極，腳3為發(fā)射極，腳4為集電極。在開關電源中，當電流流過光二極管

12、時，二極管發(fā)光感應三極管，對輸出進行精確的調(diào)整，從而控制UC3842的工作。同時PC817光電耦合器不但可起到反饋作用還可以起到隔離作用。 圖8 PC817內(nèi)部框圖4、 總電路圖的設計與布線5、 參數(shù)計算及器件選擇（1） 匝比計算給定額定輸入U=175V，經(jīng)整流橋整流后Ug=1.2*175=210V由于取值需小于此計算值，故取K=10占空比計算=0.2579取f=80kHz，則由得一般原邊Np取計算值得兩倍，則取Np=46 有Ns1=4.6同理的K2max=26.9則 K2=26.9*1017.1=15.7 有N2s=2.93 取3（2）原邊電感及其氣隙長度的計算由，(3)輔助繞組的計算計算方

13、法和副邊一致，要求輸出12V，則其變比為17.5 修正后為10.2所以Nsl=4.5（4）電氣檢測參數(shù)計算電流檢測電阻，?。?）電壓反饋控制參數(shù)計算， 故 取250即 即 取R6=10KR5， R5由電位器503代替6、 電路調(diào)試遇到的問題及解決方法1、 電路板第一次上電，無輸出，經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)UC3845的5腳沒有接地，反饋不能正常工作。2、 第二次上電，依然沒有輸出，首先想到的還是電路連線以及是否存在虛焊的問題，可是經(jīng)過幾遍細致的檢查后，沒有發(fā)現(xiàn)類似的問題，這個問題持續(xù)了一天多的時間，最后老師提供了一個直流穩(wěn)壓電源，直接給3845供電，上電后，輸出端有正常輸出，這說明主電路和控制電路兩部分的連線是沒有問題，并且不存在虛焊等現(xiàn)象，問題就轉移到了3845 的供電電路了。果然，在測變壓器輔助繞組兩端是沒有輸出，這就是問題的所在。3、 找到這個問題后，很是不解，在焊到板子之前，經(jīng)過信號發(fā)生器檢測