中国石油大学(华东)电力电子课程设计报告

1、 电力电子课程设计报告 -小功率反激式开关电源设计 专业班级：电气12-4班 成员 实习日期：2015.7.62015.7.13 目录一、 设计目的二、 设计要求三、 设计原理及设计思路四、 设计参数计算五、 电路的布局与布线六、 调试遇到的问题与解决办法七、 设计总结1、 设计目的（1）熟悉Power MosFET的使用；（2）熟悉磁性材料、磁性元件及其在电力电子电路中的应用；（3）增强设计、制作和调试电力电子电路的能力。2、 设计要求 本课程设计要求根据所提供的元器件设计并制作一个小功率的反激式开关电源。电源输入电压/输出电压：150/10V,输出电流：1A,具备过流保护功能。3、 设计原

2、理 1、引言电力电子技术有三大应用领域：电力传动、电力系统和电源。在各种用电设备中，电源是核心部件之一，其性能影响着整台设备的性能。电源可以分为线性电源和开关电源两大类。线性电源是把直流电压变换为低于输入的直流电压，其工作原理是在输入与输出之间串联一个可变电阻（功率晶体管），让功率晶体管工作在线性模式，用线性器件控制其“阻值”的大小，实现稳定的输出，电路简单，但效率低。通常用于低于10W的电路中。通常使用的7805、7815等就属于线性电源。开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小），所以

3、开关电源具有能耗小、效率高、稳压范围宽、体积小、重量轻等突出优点，在通讯设备、仪器仪表、数码影音、家用电器等电子产品中得到了广泛的应用。反激式功率变换器是开关电源中的一种，是一种应用非常广泛的开关电源。2、基本反激变换器工作原理基本反激变换器如图 1 所示。假设变压器和其他元器件均为理想元器件，稳态工作。（1）当有源开关 Q 导通时，变压器原边电流增加，会产生上正下负的感应电动势，从下。而在副边产生下正上负的感应电动势，如图 2(a)所示，无源开关 VD1 因反偏而截止，输出由电容 C 向负载提供能量，而原边则从电源吸收电能，储存于磁路中。（2）当有源开关 Q截止时，由于变压器磁路中的磁通不能

4、突变，所以在原边会感应出上负下正的感应电动势，而在副边会感应出上正下负的感应电动势，故 VD1 正偏而导通，如图 2(b)所示，此时磁路中的存储的能量转到副边，并经二极管 VD1 向负载供电，同时补充滤波电容 C 在前一阶段所损失的能量。输出滤波电容除了在开关 Q 导通时给负载提供能量外，还用来限制输出电压上的开关频率纹波分量，使之远小于稳态的直流输出电压。2反激变换器的吸收电路实际反激变换器会有各种寄生参数的存在，如变压器的漏感，开关管的源漏极电容。所以基本反激变换器在实际应用中是不能可靠工作的，其原因是变压器漏感在开关Q截止时，没有满意的去磁回路。为了让反激变换器的工作变得可靠，就得外加一

5、个漏感的去磁电路，但因漏感的能量一般很小，所以习惯上将这种去磁电路称为吸收电路，目的是将开关Q的电压钳位到合理的数值。在220V AC输入的小功率开关电源中，常用的吸收电路主要有RCD吸收电路和三绕组吸收电路。其结构如图3(a)(b)所示。 （a） (b)图2吸收电路四.设计参数计算 在本次实习中提供的变压器的铁芯是EE28铁氧体铁芯，其在25摄氏度的磁导率为，铁芯的初始磁导率为。变压器选择的相关参数包括：原副边匝数比、原边匝数NS、副边匝数和气隙，本次试验中用到的变压器的绕组的漆包线已经给定，无需选择。（1）原副边匝数比及其匝数的确定： 根据实习任务的要求;需要的直流输出电压为8V和6V，由

6、器件本身的参数可以知道其耐压。，如果考虑到漏感引起的的电压尖峰，开关管两端承受的关断电压为：，一般来说开关管的耐压需要在这个基础之上留下至少30%的裕量。假设开关管的耐压极限为，。为了保证电路工作于DCM模式，磁路储能和放电总时间应该控制在0.8T以内，所以,（2）原副边匝数的计算： 根据器件的资料，可以查的磁芯的有效磁导面积，原边的匝数应该保证在最大占空比是磁路仍不饱和，电压冲量等于磁链的变化量，固，通常原边的匝数取到这个计算之的两倍。副边匝数根据变比可以求出。（3）气隙长度的计算 假设变压器的输出功率为，效率为，有以下关系成立：，所以可以得到，其中有以下关系；，则原边的峰值电流为：，带入上

7、式可以得到初级电感。其中，为电感系数，为磁阻。气隙的长度为4、控制系统的设计（1）振荡器：振荡器的频率有定时元件，决定，f选90*2=180KHZ。（2）电压误差放大器：在本次实习中在输入与输出的隔离开关电源中，为了减小误差，通常采用外置电压环，即将U3845的内部误差放大器旁路掉。（3）电流比较器:电流比较器的门槛值有误差放大器的输出给定，当电压误差放大器显示输出电压太低时，电流的门槛值就增大，使输出到负载的能量增加，反之也一样。整个控制部分的原理图如下所示：图5控制部分原理图（1）UC3845UC3845芯片为SO8或SO14管脚塑料表贴元件。专为低压应用设计。其欠压锁定门限为8.5v（通

8、），7.6V（断）；电流模式工作达500千赫输出开关频率；在反激式应用中最大占空比为0.5;输出静区时间从50%70%可调；自动前馈补偿；锁存脉宽调制，用于逐周期限流；内部微调的参考源；带欠压锁定；大电流图腾柱输出；输入欠压锁定，带滞后；启动及工作电流低。芯片管脚图及管脚功能如图6所示。图6 UC3845芯片管脚图（2）TL431是一个良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。外部有三极分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）、参考端（REF）。其芯片体积小、基准电压精密可调，输出电流大等优点，所以可以用来制作多种稳压器件。其具体功能可用图7的功能模块示意。由图可看出，是一个内部的2.5

9、V基准源，接在运放的反相输入端。由运放特性可知，只有当REF端的电压十分接近VI时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管，电流将从1到100mA变化。图7 TL431的功能模块示意图 在开关电源设计中，一般输出经过TL431（可控分流基准）反馈并将误差放大，TL431的沉流端驱动一个光耦的发光部分，而处在电源高压主边的光耦感光部分得到的反馈电压，用来调整一个电流模式的PWM控制器的开关时间，从而得到一个稳定的直流电压输出。（3）PC817 PC817是一个比较常用的光电耦合器,内部结构如图8所示，其中脚1为阳极，脚2为阴极，脚3为发射极，脚4为集电

10、极。在开关电源中，当电流流过光二极管时，二极管发光感应三极管，对输出进行精确的调整，从而控制UC3842的工作。同时PC817光电耦合器不但可起到反馈作用还可以起到隔离作用。 图8 PC817内部框图 5、参数的计算与选择（1）根据输入最高直流电压和开关管Q的耐压确定原副边匝数比： 由电路要求输入U=150V，输出10V经过整流桥整流后，取，由于变比的取值要小于计算值，于是变压器的变比取到k=20.计算最大占空比：，由于占空比的取值要小于计算值，取D=0.4取开关频率f=75KHZ，得，为使磁路不饱和，取实际原边的匝数，由原边匝数及其变压器的变比得到10副边绕组的匝数为。（2）原边电

11、感及其气隙长度的计算由，（3）辅助绕组的计算辅助绕组的计算和副边绕组的计算方法一样，取取取D=0.4正常取2倍的值，所以（4)供电电路参数计算（5）电流检测参数计算电流检测电阻，所以。但实际选取1欧姆，2瓦的电阻。（6）电压反馈控制参数计算, 取 所以：，于是根据已有的元件取到 选取反馈电阻计算：5、 电路的布局与布线6、 调试中遇到的问题和解决办法（1） 电路焊接完成初次调试时，空载稳压输出10V可以实现，但是带负载时电路没有输出。经过检测辅助绕组边为UCB3845芯片供电回路的稳压二极管两端的电压为7.9V，未达到供电的8.5V,我们尝试修改Ra1的阻值使电压达到，但是都没有太大变化。于是

12、我们修改了变压器辅助绕组的匝数，由之前的5匝改为7匝，测试后烧坏了稳压管，于是我们又将匝数调整成6匝，最后是二极管两侧电压为稳定的11.4V，实现了带负载时的稳压输出。（2） 过流保护时采样电阻的选取，电阻大时限流值大，带1A负载时压降小；反之限流值小，压降大，合适值很难选取。我们稳压时芯片3管脚采用了104的电容，电流达到2A时仍没有过流保护。于是选用了471的电容，但是在未达到1A时压降就产生而且在1A时很大，限流值也无法满足要求。所以又选用了电容较大的472，采样电阻在1到5变化时电压均可以稳住但无法限流，又将电阻改为12时限流产生但压降过大，后来有逐步减小电阻，最后测量6.7时压降为2V左右，限流值达到1.6A，但是未精确达到要求。由于电阻阻值的限制，我们也无法得到更精确的阻值来实现要求。7、 设计总结经过本次课程设计，最终的结果