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1、现代电源技术综合实验指导书黄海宏 张学 李文生 朱元付编 杜少武审合肥工业大学电气与自动化工程学院2012年8月18日现代电源技术综合实验包括三部分：单端隔离型高频开关电源实验部分；隔离型桥式DC/DC实验部分；变频调速实验部分。这三个部分在实验箱电路板上有明显的区域标识，并且三个部分相互独立。实验1 单端隔离型高频开关电源实验一实验目的1.了解单端反激式开关电源的主电路结构、工作原理；2.掌握单端反激式变压器设计和绕制方法；3.学会开关电源调试的基本方法。二实验原理图1 单端反激式隔离变换器电路拓扑单端反激式隔离变换器图1所示。当VT导通时，输入电压Ui便加到变压器T的初级绕组N1上，根据变
2、压器T对应端的极性，次级绕组N2为下正上负，二极管VD截止，次级绕组N2中没有电流流过。当VT截止时，N2绕组电压极性变为上正下负，二极管VD导通，此时，VT导通期间储存在变压器（电感）中的能量使通过二极管VD向负载释放。本次实验输入为工频交流220V，经过工频隔离变压器将电压降到交流35V，再经过二极管整流和大电解电容滤波变成约48V的直流电压。采用UC3842作为PWM控制芯片，驱动功率MOSFET，控制高频变压器的原边通电，副边采用15V和+15V三路输出，其中+15V输出作为反馈端，实现电压稳压输出。图2 单端隔离型高频开关电源电路框图技术指标：输入：交流220V15%输出：+15V/
3、0.2A，15V /0.4A（实验者可调整）MOSFET开关频率：100kHz（实验者可调整）实验者可观测的数据和波形：交流输入电压波形、二极管整流后电压波形、电容滤波后电压波形、MOSFET的漏源极电压波形、输出电压波形、UC3842的锯齿波振荡器波形、UC3842的输出驱动波形。实验者可调整的参数：可改变反馈电压分压比进而改变输出电压数值；可改变RCD吸收电路参数观测MOSFET的漏源极电压波形变化情况；可改变功率MOSFET的驱动电阻数值参数观测MOSFET的漏源极电压波形变化情况；可改变UC3842的锯齿波振荡器电阻值，观测UC3842的输出驱动波形频率的变化情况。三实验设备单端隔离型
4、反激式变换器实验板1块（已含在实验箱内）DF1731直流稳压电源1台示波器1台数字万用表1块小一字螺丝刀1把四实验电路原理分析1.PWM控制芯片UC3842简介UC3842是一种单端输出控制电路芯片，其内部结构框图如图3所示。图3 UC3842内部结构框图该芯片电源电压范围30V，输出电流峰值1A，输出电流（连续）200mA，模拟输入（2脚、3脚）从0到2.6V，误差放大器下拉电流5mA，振荡频率范围100Hz500Hz，振荡器定时电阻(RT)500RT150k，振荡器电容(CT)1000pFCT1F。UC3842的管脚功能如下：1脚：输出补偿端。该管脚为误差放大器输出，并可用于环路补偿。2脚
5、：电压反馈端。该管脚为误差放大器的反相输入端，通常通过一个分压器连接至开关电源的输出，构成电压闭环。3脚：电流取样端。一个正比于所控电流的电压接至该引脚，利用电流测定、电流测定比较器构成电流闭环。当该引脚电压1.0V时，PWM控制芯片封锁输出脉冲。4脚：RT/CT端。用于外接振荡电阻和电容，将电阻RT跨接在4脚与8脚（Vref）两端，电容CT接在4脚与电源地之间。当RT5k时，振荡频率为： 5脚：接地端。是控制电路与电源的公共地。6脚：脉冲输出端。该输出可直接驱动功率MOSFET，具有1A的驱动（拉、灌）能力。7脚：电源供电端。启动门限电压为16V，最低工作电压为10V。8脚：基准电压输出端。
6、该引脚输出5V基准电压，具有50mA的带载能力，该电源通过RT向CT提供充电电流。 图4 UC3842及外围电路原理图整流后的直流电压经R1分压后向C9充电，当C9电压16V时，达到UC3842 7脚的启动电压门槛值，芯片开始工作：4脚输出锯齿波，其频率可通过电位器RP1调节；6脚输出方波驱动功率MOSFET工作，以控制变压器的原边通电。当输出高电平时，MOSFET开通。2.整流输出电路 图5 变压器副边输出电路原理图变压器副边采用+15V和15V三路输出，选择+15V输出1（X2）作为反馈端，15V输出2（X3）是变压器另两个绕组T2-4、T2-2的输出电压，经过7815和7915稳压输出。
7、变压器开始向负载传递能量时，+15V输出1作为反馈端开始工作：反馈电压向C9充电将UC3842的7脚电压钳制住保持不变；反馈电压经R3和电位器RP7分压后输入UC3842的2脚的误差放大器，与芯片内部2.5V基准电压作比较来调整驱动脉冲宽度，从而改变输出电压以实现反馈绕组电压稳压输出，由此可知调节图4中的电位器RP7可以改变反馈输出端的输出电压。3.电压尖峰抑制电路图6 DS波形尖峰抑制电路图6所示是驱动电阻和RCD缓冲电路部分，此部分设计用来抑制MOSFET漏源极电压波形尖峰即DS波形尖峰。通过J1可改变驱动电阻数值，通过J2J4的组合可改变RCD的R、C参数。五 调试引脚说明：X1：输入端
8、X1稳压电源48V输入，注意红正黑负，如下图所示。X2：是变压器反馈绕组T2-1稳压后15V输出端子。X3：是变压器两个绕组T2-4、T2-2的输出电压经过7815和7915后的稳压输出端子。J16：J16的GND和AC可用于观察输入交流电压波形和电压值，其中GND接示波器探头的地；如下图所示。同理，GND和DC可用于观察经整流和滤波之后的直流电压波形和电压值；GND和CT可用于观察芯片UC3842的4脚的锯齿波输出；GND和OUT可用于观察芯片UC3842的6脚波形输出（MOS管驱动波形）。J21：可用于观察反馈绕组端输出电压。（见图5）J22：1端和12端为变压器副边输出电压观测端，分别对
9、应两个绕组T2-4、T2-2的输出电压，3端和9端是变压器两个绕组T2-4、T2-2的输出电压经过7815和7915稳压输出。（可参照图5的原理图）J29：为MOSFET漏源极电压波形尖峰观测端，即DS波形尖峰观测端。可以通过一些短路块的调整，来观测DS波形尖峰的变化（可参考图6）：1） J1用于调节驱动电阻，接上短路块后并联一电阻使总驱动电阻变小；2） J4接短路块时，表示RCD缓冲电路接入电路，但缓冲电路内部只有R8和C17起作用； J4、J3、J2均接短路块，内部R8、R9、C17和C18起作用，缓冲电路的总电阻变小，总电容变大。J5、J6、J7、J8为负载选择端：J5、J6端接上短路块
10、表示反馈绕组端接上负载；J7，J8端接上短路块表示变压器副边另两个绕组T2-4、T2-2端输出接上负载（参考图5）。六实验步骤1.反激式变压器设计设计一个安匝连续的反激变压器（1）决定设计反激变压器有关的电源参数。输入电压 Ui：487V输出电压 Uo：15V满载电流 Io：0.2A电路拓扑 反激连续模式开关频率 fs：100kHz设定占空比 D：在48V输入时0.4最大纹波电流 I：0.03A（次级），55V输入变压器效率 ：80%输出功率 =18W峰值短路电流 Isp：6.474A（次级） 次级电感 L：18.23H (D=0.4, I=0.03A)最大损耗（绝对）：2.0W最大温升 40
11、冷却方式 自然对流（2）初步计算：Uo等于输出电压加上整流器、功率开关、线圈和电感电阻压降，在额定Ui =48V和设定的占空比为0.4时匝比为：应首先计算低Ui时占空比D、交流和直流分量。低输入电压时的占空比为：线圈取整后，占空比要相应发生变化，电流推迟到后面计算。（3）部分参数计算：，且有，两式相除的，由此解得。 根据公式得初级短路峰值电流：另有： ，。由：，得初级电流：I1L=I0/n图7 不同频率下比损耗与峰值磁感应强度的关系（100）（4）用产品手册选择磁芯材料：磁芯材料为铁氧体，Philips 3C90。100时，饱和磁感应为0.32T。（5）决定磁芯工作的最大磁通密度和最大磁通密度
12、摆幅。如右图，采用磁芯比损耗为100W/cm3时，工作频率f =100kHz对应的B值约为120mT。电感安匝连续模式，饱和限制了最大磁通密度Bmax0.12T(3000高斯)。因此，在峰值短路时，B将达到Bmax。假定加了气隙的磁芯的BH特性线性度好，Bmax与电流纹波（在55V）将是：将峰峰值磁通密度摆幅除以2是0.03T（300高斯）。在3C90材料磁芯损耗曲线上查300高斯，纹波频率100kHz时比损耗近似为100mW/cm3。比经验值100mW/cm3小得多，磁芯损耗可忽略不计。因此，在ISP6.474A时达到Bmax，而I=0.045A时Bmax仅为0.0028T。（6）选取Bma
13、x=0.3T，反激变压器K1=0.0085磁芯类型选择：查表得磁芯EI22的磁芯AP=， 如果选择EI22容易引起磁饱和。因此选择EE25磁芯，其AP为0.3515cm4，裕量充分，查表得EE25磁芯的磁芯参数为：有效截面积 Ae：0.429cm2体积 Ve：4.17cm3磁路长度 le：4.95cm中柱直径 C：0.655cm，D：0.655cm窗口面积 Aw：0.8194cm2（7）根据需要的电感量计算次级匝数(LH;尺寸cm)：根据匝比求得初级匝数：（8）根据要求的电感量计算所需的气隙长度(LH;尺寸cm)：（9）计算100kHz时的穿透深度（10）计算导线尺寸次级线圈：Uo=41V，1
14、Dmax=0.56。输出电流：Io=0.2A平均峰值电流：电流有效值：选择电流密度为4A/mm2，导线截面为0.267/=0.066mm2，次级线圈可以选用AWG30号导线绕制，每股导线截面0.06785mm2。初级线圈：Ui=41V，0.44。因为初级和次级的平均安匝总是相等的，一起驱动电感磁芯。因此平均峰值电流：I1a=I2a/n有效值电流：峰值短路电流：另有： ，由：，得初级电流：选择电流密度为4A/mm2，导线截面为0.13/4=0.0325mm2，初级线圈可以选用AWG33号导线绕制，每股导线截面0.03662mm2。T2-4和T2-2端匝数按类似方法计算。设计变压器时采用不同匝比可得到不同输出电压值，由于稳压块7815和7915的启动电压在17V-30V之间，因此绕制变压器时T2-4和T2-2的匝数与T2-1（+15V）的不同。单排插针J22的1脚和9脚用来测变压器T2-4、T2-2端输出电压值，本实验中取此值约为25V，最后输出端稳定输出15V电压。2.变压器绕制方法：设变压器原边匝数为n1，副边+15V（反馈端）匝数为n2，15V匝数为n3。1） 拿到变压器骨架后
