《开关电源设计_电力电子课设》由会员分享，可在线阅读，更多相关《开关电源设计_电力电子课设（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、. . . . .目录1 概述12 方案论述22.1 整流平波32.2 高频逆变42.3 高频变压52.4 高频整流62.5 滤波器62.6 保护电路62.7 脉宽调制72.7.1脉宽调制原理72.7.2 UC3842简介73 参数设计93.1 整流平波参数设计93.2 逆变器参数设计103.3 变压器参数设计103.3.1 电源变压器铁芯内的磁感应强度分析113.3.2 逆变电源变压器偏磁原因分析及抗偏磁措施113.3.3 变压器参数计算123.4 滤波器参数设计13心得体会14参考文献15符录16开关电源设计1 概述所谓开关电源，广义上凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一
2、形态的主电路都叫做开关变换电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源。开关电源根据输入输出的性质不同可分为AC/DC和DC/DC两大类。AC/DC称为一次电源，也常称为开关整流器。值得指出的是，AC-DC变换不单是整流的意义，而是整流后又做DC-DC变换。所以说，DC-DC变换器是开关电源的核心。DC/DC称为二次电源，其设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，所以现在DC/DC变换器已实现模块化。开关电源的优点:功耗小，效率高。开关电路中，功率晶体管在信号源的激励下，交替工作在导通截止和截止导通的开关状态，转换速度很快，频率一般在几十到几KHz。体积小，重量轻。由于去除
3、了线性电源笨重的工频变压器，并且在功晶体管上的耗散功率大幅度降低之后，就省去了较大的散热片，因此开关稳电源的体积和重量都可以得到大大减少。稳压范围宽。开关电源的输出电压是由信号源的占空比或者信号源的率来调节的，输入电压的变化也可以通过变频或调宽进行补偿。在工频电网压有较大的变化或负载有较大的变化时，它仍能保证有较稳定的输出电压，以稳压范围宽、稳压效果好。滤波的效率大为提高，使滤波电容的容积和体积大为减小。开关电源的缺点:开关干扰严重。功率晶体管工作在开关状态，它产生的交流电压和电会对电路的其它器件产生尖峰干扰和谐波干扰，这些干扰如不能抑制、消除屏蔽，就会严重地影响整个系统的工作。此外由于没有工
4、频变压器的隔离，些干扰就会倒入电网，对周围的电磁环境产生谐波干扰。电路结构较复杂，故障率高，维修困难。开关电源的分类：开关电源因体积小、重量轻、效率高等优点，在中、小功率乃至大功率领域都得到了广泛的应用。从输入输出之间是否有变压器隔离分，可以分成有隔离和无隔离另类每一类中又有多种拓扑结构：Buck、Boost、Buck-Boost等。若按激励形式不通，可分为自激励式和他激励式两种。其中自激励式包括单管式变换器和推挽式变压器两种；他励式变压器按不同的调节模式分为：脉宽调制、脉频调制，脉冲跨周期调制等。脉冲宽度调制（PWM）的开关频率恒定，通过调节导通脉宽来改变占空比，脉冲频率调制（PFM）的脉冲
5、宽度恒定，通过调节开关频率来实现对电能的控制；脉冲跨周期调制（PSM）检测反馈反馈信号电平，决定是否在该时钟周期内工作。目前应用比较广泛的是脉冲宽度调制模式，包括正激式、反激式、半桥式和全桥式等。2 方案论述本次设计任务的初始条件为：输入220V,50Hz的单向交流电压，要求输出双路直流电压：+10V，-10V，要求直流最大输出电流2A。AC/DC双路输出开关电源的设计，主要就是首先对输入的220V,50Hz的交流电源进行整流滤波，得到直流电压，再经过高频逆变得到高频交流电压，然后在经过高频变压器降压，再经过高频整流得到脉动直流，最后经过滤波器得到要求的直流电。整体设计方框图如图1所示：整流滤
6、波 高 频 逆 变变压器高频整流滤波器220V50Hz直流高频交流高频交流脉动直流直流保护电路脉宽调制控制（PWM）驱动图1 整体设计方框图整流部分是利用具有单向导电性质的二极管构成的桥式电路来实现；滤波部分则是利用电容电感器件的储能效应，构成LC电路来实现的；高频逆变电路则是通过开关电力电子器件的开通关断性质实现的；高频变压器降压则是通过互感变压器实现降压的；高频整流则是通过整流器件实现交流变脉动直流的；而滤波器则是通过电容的滤波效应实现脉动直流向直流的转化的。2.1 整流平波所谓整流，就是把交流电变成直流电。整流滤波电路设计如图2所示：图2 整流平波电路设计图整流电路工作原理：在输入交流电
7、压的正半周期，二极管D1、D4承受正向电压导通，D2、D3承受反向电压截至，整流输出电压等于输入电压；在输入交流电压的负半周期，二极管D2、D3承受正向电压导通，二极管D1、D4承受反向电压截至，输出电流是输入电流的相反数。整流电路工作时的波形如图3所示：由图3可知，经过二极管整流桥后，输入的正弦电压成了正的电压，同时由于电容电感的储能效应，整流桥输出的电压和电流会进一步变的平直。当然电容量越大，滤波效果越好，输出波形越趋于平滑，输出电压也越高。但是，电容量达到一定值以后，再加大电容量对提高滤波效果已无明显作用。通常应根据负载电压和输出电流的大小选择最佳电容。图3 整流滤波电路工作电压波形2.
8、2 高频逆变与整流相对应，逆变就是把直流电变称交流电。逆变电路是利用电力电子开关元件的开关特性对直流电进行开关，变为交流电。一般功率较大的变频器用可控硅。逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使电力电子开关器件导通和关断。图4 全桥逆变电路设计图图4为设计电路中的逆变器全桥逆变器。全桥逆变电路由四个开关组成，互为对角的两个开关同时导通，而同一侧桥上两开关交替导通，将直流电压逆变成交流电压，加在变压器的一侧。改变开关的占空比，就可以改变整流电压的平均值，也就改变了输出电压。为了避免在同一侧半桥中上下两个开关在换流的过程中发生短暂的同时导通现象而损坏开
9、关，每个开关各自的占空比不能超过50%，并且留有裕量。2.3 高频变压变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯。在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、匹配阻抗等。变压器的基本原理：当一个正弦交流电压U1加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流I1并产生交变磁通1，它沿着铁心穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线圈中感应出互感电势U2，同时1也会在初级线圈上感应出一个自感电势E1，E1的方向与所加电压U1方向相反而幅度相近，从而限制了I1的大小。为了保持磁通1的存在就需要有一定的电能消耗，并且变压器本身也有一定的损耗，尽管此时次级没接负载，初级线
10、圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为“空载电流”。如果次级接上负载，次级线圈就产生电流I2，并因此而产生磁通2，2的方向与1相反，起了互相抵消的作用，使铁心中总的磁通量有所减少，从而使初级自感电压E1减少，其结果使I1增大，可见初级电流与次级负载有密切关系。当次级负载电流加大时I1增加，1也增加，并且1增加部分正好补充了被2所抵消的那部分磁通，以保持铁心里总磁通量不变。如果不考虑变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电功率。变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，但是不能改变允许负载消耗的功率。本次设计中所用的变压器如图5所示： 图5 变压
11、器设计图2.4 高频整流高频整流与前面2.1节所讲述的整流原理是基本一致的，在这里就不再赘述。2.5 滤波器LC滤波器适用于高频信号的滤波，它由电感L和电容C所组成，由于感抗随频率增加而增加，而容抗随频率增加而减小，因此，LC低通滤波器的串臂接电感，并臂接电容，高通滤波器的L、C位置，则与它相反。带通滤波器则是二者的组合。在本次设计中，所用的滤波器如图6所示：当流过电感的电流发生变化时，线圈中产生自感电势阻碍电流的变化，而电容两端的电压不能发生突变，所以经过如图6所示的滤波器后，输出的电流和电压的脉动减小。图6 滤波器电路设计2.6 保护电路通过在UC3842的采样电压处接入一个射极跟随器，从
12、而在控制电压上增加了一个与脉宽调制时钟同步的人为斜坡，它可以在后续的周期内将I扰动减小到零。因此，即使系统工作在占空比大于50或连续的电感电流条件下，系统也不会出现不稳定的情况。不过该补偿斜坡的斜率必须等于或略大于m22，系统才能具有真正的稳定性。取样电阻改用无感电阻。无感电阻是一种双线并绕的绕线电阻，其精度高且容易做到大功率。采用无感电阻后，其阻抗不会随着频率的增加而增加。这样，即使在高频情况下取样电阻所消耗的功率也不会超过它的标称功率，因此也就不会出现炸机现象。反馈电路改用TL43l加光耦来控制。我们都知道放大器用作信号传输时都需要传输时间，并不是输出与输入同时建立。如果把反馈信号接到UC
13、3842的电压反馈端，则反馈信号需连续通过两个高增益误差放大器，传输时间增长。由于TL431本身就是一个高增益的误差放大器，因此，在保护电路中直接采用脚1做反馈，从UC3842的脚8(基准电压脚)拉了一个电阻到脚l，脚2通过R18接地。这样做的好处是，跳过了UC3842的内部放大器，从而把反馈信号的传输时间缩短了一半，使电源的动态响应变快。另外，直接控制UC3842的脚l还可简化系统的频率补偿以及输出功率小等问题。2.7 脉宽调制2.7.1脉宽调制原理PWM 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。在采样控制理论中有一条重要
14、的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理以正弦PWM 控制为例。把正弦半波分成N 等份，就可把其看成是N 个彼此相连的脉冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于/N ，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积 （冲量）相等，就得到PWM 波形。各PWM 脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，
15、PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM 波形。可见，所得到的PWM 波形和期望得到的正弦波等效。2.7.2 UC3842简介 UC3842是一种高性能的固定频率电流型控制器，单端输出，可直接驱动MOSFET，具有管脚数量少、外围电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点。通过高频变压器与供电电源隔离，非常适于2050W的小功率的辅助电源，其内部结构如图7所示。它具有两个控制环路，一个是输出电压反馈误差放大器，用于同基准电压比较后产生误差电压；另一个是变压器原边中的电流在采样电阻上产生的电压与误差电压进行比较调节调制脉冲的宽度，这些都是在时钟所限定的固定频率下工作。图7 UC3842内部结构图UC3842 采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，共有8
