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1、电力电子系列实验 主讲人：孙凯 电 话：15953329398 E_mial：sunkaixinxiang 本课程的目的： o掌握单端反激式开关电源的原理； o掌握PWM控制器UC3843的原理及其外围 电路的设计方法； o掌握PWM控制器1203P60的原理及其外围 电路的设计方法； o掌握功率MOSFET的驱动及保护电路的原 理及其设计方法； o掌握开关电源的原理、元器件选型、外围电 路设计方法； 参考文献： （1）沙占友，新型单片开关电源设计与应 用，电子工业出版社，2004。 （2）杨承丰，开关电源，1987 。 （3）胡存生，胡鹏，集成开关电源的设计 制作调试与维修，1995。 （4
2、）慕丕勋，冯桂林，开关稳压电源原理 与实用技术，科学出版社，2005。 （5）Beston Sensors，瞬态电压抑制器 TVS （6）刘胜利，现代高频开关电源实用技 术，2001。 （7）姜德来，张晓峰，吕征宇。一种有效的 反激钳位电路设计方法J。电源技术应用， 2005， （8）徐德鸿，沈旭，周邓燕，开关电源设 计指南（原书第二版），机械工业出版社 ，2006 。 （9）常敏慧等编著，开关电源应用、设计 与维修，2000。 （10）Sanjaya Maniktala著，王志强译， 精通开关电源设计，人民邮电出版社， 2008。 （11）张廷鹏，吴铁军，徐明，张生舟， 通 信用高频开关电源
3、人民邮电出版社，2008 。 （12）张占松 蔡宣三编著。开关电源的原理 与设计 （修订版）。 1.开关电源的技术指标： o绕组数量：10个 （1）绕组 ：初级绕组； （2）绕组 ：自馈绕组16V/20mA； （3）绕组 ：输出绕组 15V/0.5A； （4）绕组 ：输出绕组20V/0.5A； （5）绕组 ：输出绕组20V/0.5A； （6）绕组 ：输出绕组20V/0.5A； （7）绕组 ：输出绕组20V/0.5A； （8）绕组 ：输出绕组5V/1A； （9）绕组 ：输出绕组15V/0.5A； o开关电源的输出功率： o开关电源的效率：0.8 o开关电源的输入功率： o开关电源的频率： o额定
4、输入直流电压： o最小输入直流电压： o最大输入直流电压： o输入平均电流（即额定输入电流） ： o最大平均输入电流 o最小平均输入电流 o输入电压的纹波 对于交流离线式变换器，输入纹波电 压 一般设计为输入交流电压峰值的 5%8%。对于DC-DC变换器纹波电 压峰峰值设计为0.10.5V。 2. 输入整流部分的设计 o整流电路的原理图： 整流电路主要的数量关系 o输出电压平均值： （1）空载时， （2）重载时， 整流电路主要的数量关系 o电流平均值： （1）输出电流平均值： （2）二极管电流平均值： 整流电路主要的数量关系 o二极管承受的最大反向电压： o输入交流电压额定值：220VAC o
5、输入交流电压最大值：260VAC o输入交流电压最小值：180VAC 输入整流器的组成部分： oEMI滤波器； o启动浪涌电流抑制器； o浪涌电压抑制器； o电容滤波的单相桥式不可控整流电 路； o输入滤波电容； 输入整流器的组成部分： 输入滤波器： o凡是接在交流电网与开关电源输入 之间的滤波设备都叫输入滤波，其 主要作用是抑制开关电源本身对交 流电网的反干扰，同时也抑制交流 电源中的高频干扰串入开关电源。 输入滤波一般是由低通滤波与共模 扼流圈等元件组成。 具有电容C和共模扼流圈所组成的输入滤 波电路 o上图中，C为高频旁路电容，一般为 0.01uF0.1uF的高频滤波电容， 抑制输入电压
6、中的高频成分，而对 工频电压没有影响。考虑到开关电 源在开关管关断时会产生尖峰电压 ，故电容C在选用时应注意其耐压应 为二倍电源电压峰值以上的无感电 容，其连线要尽可能短。 oL1和L2是绕在同一闭路磁环中的两 个匝数相同，在同名端输入一同向 电流，产生相同磁通的线圈。 oL1和L2采用无气隙高频特性良好的 磁心材料，L1和L2用双线并绕方法 ，而且适当加大匝间距离，以减小 分布电容，提高频率特性。 oL1和L2主要吸收共模噪声。当输电网中有 共模噪声时，这种方向相同的纵向噪声电流 If，这时两个线圈产生的磁通f顺向串联磁 通相加，电感呈现出高阻抗，阻止共态噪声 进入开关电源，同时特阻止了开关
7、电源内所 产生的噪声向公共电网扩散，以避免污染交 流电网。对于工频电源I1来说为一进一出 ，L1和L2产生的磁通为反向串联磁通相减 感抗为零，故毫无影响。 启动浪涌电流抑制器： o负热敏电阻，即负温度系数热敏电 阻，或NTC电阻。 o使用NTC电阻的开关电源，在每次 关机后不要马上开机，最好等一分 钟以后再开机，只有等NTC电阻温 度降下来后，它的阻值才能上去， 再次开机才能起限流作用。 o输入电容Cin的输入电流峰值一般为 输入电流的35倍，所以NTC的电 阻值必须满足 o为了降低损耗，NTC的阻值越小越 好，一般取612欧姆。 浪涌电压抑制器 o使用双向TVS管抑制浪涌电压。 oTVS管即
8、瞬态电压抑制器。 输入滤波电容Cin： o输入滤波电容的ESR值越小，则滤 波电压的纹波越小，滤波效果越好 。 oESR即等效串联电阻。它表示电解 电容呈现的电阻值的总合。一般情 况下，ESR值越低的电容，性能越 好。 o对于输入滤波电容，首先要确定电 源直流输入端能承受多大的电压纹 波。要想电压纹波小，输入电容就 要大，这样上电时的浪涌电流也更 大。滤波电容的选择有三个方面的 考虑：满足期望的电压纹波，电容 的额定电压，电容的额定纹波电流 。 o对于交流离线式变换器，输入纹波 电压一般设计为输入交流电压峰值 的5%8%。对于DC-DC变换器纹 波电压峰峰值设计为0.10.5V。 o输入电压较
9、宽时，一般取比例系数 3uF/W，即每瓦输出功率对应3uF 的电容量。 o如果输入电压比较稳定（如蓄电池 输入），一般取比例系数1uF/W， 即每瓦输出功率对应1uF的电容量。 输入滤波电容的计算公式： o为了降低输入电压纹波，一般把输 入电容滤波电容用多个并联使用， 以降低电容的ESR值。 o输入滤波电容上还要并上一个或两 个陶瓷电容（约0.1uF），以吸收纹 波电流的高频分量。 o输入滤波电容和与之并联的高频滤 波电容的额定电压UW一般为： （1）对于交流离线式变换器： （2）对于DC-DC变换器： 输入整流器参数计算： o在选择整流器时，设计者必须要查 对下面一些重要参数： （1）最大正
10、向整流电流 这个参数主要根据开关电源设计的输 出 功率决定。 （2）峰值反向截止电压(PIV) 由于整流器工作在高电压的环境，所 以 它们必须有较高的PIV值。对单相桥式 整流电路而言，一般应在600V以上。 （3）要有能承受高的浪涌电流的能力 。 浪涌电流是由开关管导通时的峰值电 流 所产生的。 o输入整流二极管一般采用普通的整 流二极管，如1N400X系列的整流 二极管。 o最小的二极管等级要符合下面的条 件： o典型应用如下： （1）如果电流1A，选1N400X （2）如果电流1.5A，选1N539X （3）如果电流3A，选1N540X （4）如果电流6A，选MR75X 常用整流二极管：
11、 o1N4001、 1N4002、 1N4003、 1N4004、 1N4005、 1N4006、 1N4007 o1N5400、 1N5401、 1N5402、 1N5404、 1N5406、 1N5407、 1N5408 3.单端反激式开关电源的原理 4.高频变压器的设计 o开关电源 “黑箱”考虑 o“黑箱”参数估计 （1）输出电压； （2）输出功率； （3）电源效率； （4）输入功率； （5）平均输入电流： （6）最大的平均输入电流： 计算最大平均输入电流的目的是为确 定 变压器初级绕组导线的尺寸（指线径 、 粗细）提供依据。 （7）输入峰值电流 计算输入峰值电流（即变压器初级绕 组 的
12、峰值电流）是为了计算初级绕组电 感 量，进而计算初级绕组匝数。 输入峰值电流也可以按照下式计算： （8）最大占空比 （9）开关频率： （10）变压器初级绕组反激电压 变压器初级的反激电压也称为尖峰电 压。 为了限制MOSFET的集电极安全电 压，一般取最大占空比为： 变压器初级绕组的反激电压也可以按 照 下式计算： （11）选择开关电源开关管（一般为 MOSFET）。 o变压器的基本关系式 o磁滞回线 每种磁性材料被磁化时，都会有一种S 形的特性曲线，称之为磁滞回线。用 画 在BH座标上的曲线来表示。它说明 了磁性材料被完全磁化和完全去磁这 一 周期的变化。 在磁场中，某一点的磁通集中的程度
13、， 称为该点的磁通密度或磁感应强度， 用 B表示。磁通密度的单位为特斯拉（用 符号T表示）或高斯（用符号G表示） ， 1T=10000G。 另一方面，产生磁通的磁力称为磁场 强 度，用符号H表示，其单位是安米， 用A/m表示。磁场强度用下面的公式 表示： 上式中，N为线圈匝数；I为线圈电流 ； Li为磁芯的长度。 下图表示了一个不带空气隙的铁氧体 磁 芯的磁滞回线（又称BH曲线）。 o在曲线图中，如果我们以曲线的a点 为起点，在此点的磁感应强度是正 向的最大值Bmax。当到达b点时， 它的磁感应强度为零。再下降到c点 ，即达到了磁感应强度的负方向的 最大值，再通过磁感应强度为零的d 点，又回到
14、了原始a点。这样，就得 到了一个完整的S型的磁化周期。 o 从上图的B-H曲线看出，Bmax是Hmax 达到了定值的点，在此点，即使磁 场强度H再增加， Bmax也不再增加 了。在这点磁感应强度的值被称为 饱和点，用符号Bsat表示。 o如果我们在磁芯中开一个气隙，将 建立起一个混合的磁通通路，它将 增大磁通的有效长度。 o对于一个给定的安培-匝数的乘积（ NI），带空气隙的磁芯通密度要比 没有空气隙的磁芯的磁通密度小， 也就是说，带有空气隙的磁芯的Bsat 比不带空气隙的磁芯的Bsat要小。因 此，引入空气隙就等于给磁滞回线 一个“斜角”，如图所示。 o从上图中可见，在高磁场强度处， 减少了
15、磁芯饱和的可能性，与不带 空气隙的磁滞回线相比，由于增加 了空气隙磁道，磁滞回线在B的方向 上被“压扁”了，也就是说，减小了 Bsat的值。 o大多数磁芯生产厂家都用标准的磁 化曲线来描述他们的磁性材料的特 性，如下图所示。 o一般情况下，开关电源变压器的设 计者选择Bmax的原则是要保证它在 B-H特性曲线的线性工作区工作。 一般取 Bmax=Bsat/2 o为了防止磁芯饱和，一般采取给磁 芯加气隙的措施。当然，也可以采 用更大的磁芯（在磁芯材料及形状 相同的条件下，磁芯尺寸越大，其 磁感应强度的饱和值Bsat越大）。 o一般不采取增大磁芯尺寸的办法来 增大Bsat，防止磁芯饱和。 EE磁芯
16、： EE磁芯及其骨架： EE磁芯及其骨架： EE磁芯及其骨架： EE磁芯及其骨架： ETD磁芯： ETD磁芯及其骨架： ETD磁芯及其骨架： 立式磁芯骨架 卧式磁芯骨架 ETD磁芯及其骨架： T磁芯： o计算初级绕组最小电感Lpri 。初级绕 组电感用于存储输出功率。 oLpri这个电感值是在最小输入工作电 压时，开关电源依然能够达到额定 输出电压所允许的最小电感值。 o在每个开关管导通的每个周期中， 存储在磁芯的能量为： o要验证变压器最大连续输出功率能 否满足负载所需的最大功率，可以 使用下式： o计算磁芯气隙 ： 的单位是厘米，单位为H 单位为A， （磁芯有效截面积）单位为平方厘米， 单位为特斯拉T，Bmax=Bsat/2 o计算初级绕组匝数 式中，的单位是cm，单位为A， 单位为T。 也可以用下面的公式计算初级绕组匝 数 ，结果和上式基本相同。 式中， 的单位是H，单位为A， （磁芯有效截面积）单位为 单位为T。 o计算次级绕组匝数 Nout(n)是第n个次级绕组
