宽输入变频开关电源设计说明

1、科信学院课程设计说明书（2017/2018学年第一学期）课程名称:电力电子技术应用设计课程设计 题 目:宽电压输入变频开关电源的设计专业班级：电气工程及其自动化 1425学生 ：学 号：指导教师：增环、杜永、路巍等设计周数：两周设计成绩 ：2018 年1月5日引言开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占 空比来调整输出电压。开关电源具有以下特征：电源电压和负载在规定的围变化时，输出电压 应保持在允许的围或按要求变化；输出与输入之间有良好的电气隔离；可以输出单路或多路 电压，各路之间有电气隔离。常用的开关电源多采用固定开关频率，当输入电压过高时，占空比过小

2、，开通时间太短，可能引起开通脉冲丢失，造成电源工作不稳定。常用的开关电源输入是市电经整流后的稳定电压，但 一些供电不稳定的场合或因某些设备导致市电局部不稳定，输入电压会存在大围的波动，为了适应这种情况，本课程设计了一款50v-260v的交流输入，多路输出的具有自主改变开关频率的辅助电 源。根据输入电压大小改变开关频率，保证电源在宽输入电压围，可靠的为系统供电。在本课题设计开发过程中，我们使用Matlab数学仿真及Altium Designer 软件，并最终实现电 路改造设计，并达到预期的效果。关键字；宽输入 变频 开关电源目录一、开关电源现状和发展 41.1开关电源现状 41.2开关电源类型

3、4二、设计方案 42.1 设计要求 42.2设计思路 5三、方案设计 53.1 控制电路设计 53.2误差放大器设计 93.3过/欠电压保护 93.4过流/过载保护 103.5反激变压器设计 103.6反馈回路设计 113.7设计小结 12四课程设计总结 12参考文献 13一、开关电源现状和发展1.1开关电源现状目前，开关电源正在向“四化”的方向发展：应用技术的高频化、硬件结构的模块化、软件控制的数字化和产品性能的绿色化。开关电源最突出的优点是体积小，重量轻。这一优点是和系统的高频工作状态相关的。进一 步提高工作频率，电源的体积和重量将更加小，从而实现更高的功率密度。使开关电源进入更广 泛的领

4、域。开关电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进入到全数字控制阶段。全数字控制作为 开关电源的发展趋势，已经在许多功率变换设备中得到应用。近两年来，高性能全数字控制芯片 相继开发，费用也降到比较合理的水平，欧美已有很多公司开发并且制造出开关变换器的数字控 制芯片及软件。1.2开关电源类型开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源，或 DC/DC电压变换；后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压方式、平均值输出电压方式、 幅值输出电压方式。同样，前一

5、种工作方式多用于 DC/AC逆变电源，或DC/DC 电压变换；后两种工作方式多用于开关稳压电源。根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：串联式 开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中，变压器式开关电源（后面简称 变压器开关电源）还可以进一步分成：推挽式、半桥式、全桥式等多种；根据变压器的激励和输 出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、单激式和双激式等多种；如果从用途上来分，还可以分成更多种类。2.1设计要求设计一个宽电压输入变频开关电源（1 ）认真查阅选用器件的技术资料，参考教材中相关容,选择合适的构成方案，绘制总体结构框图。（2）设计并

6、绘制完整的电路原理图（3）按照计算电路参数和仿真波形的需要绘制仿真电路图或建立仿真模型并进行电路的计算机仿真（4）通过计算和仿真，选择电路图中所有元件，列出器件清单，包括器件名称，型号和规格，封装形式，数量 等;对变压器要说明原副边绕组的构成以及每个绕组的电压和电流。（5）在选择电路参数下通过 仿真获取至少 9个主要点的波形，建议如下：核心控制芯片振荡器的波形和控制输出的波形，主 开关管承受电压和流过电流的波形，变压器原边绕组电压和电流的波形，变压器各副边绕组中电流的波形。（6）通过仿真验证控制电路器件参数的合理性，说明在选定的参数下输入电压低至多少时电源仍能正常工作。（7）总结设计工作，撰写

7、设计说明书。22设计思路开关电源大致由主电路操控电路、检测电路、辅助电源四大部份组成1. 主电路冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。传出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。2. 控制电路一方面从传出端取样，与设定值进行比较，然后去操控逆变器，改变其脉宽或脉频，使传出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供操控电路对电源进行各种保护措施。3. 检测电路提供保护电路中

8、正在运行中各种参数和各种仪表数据。4. 辅助电源实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和操控电路（PWM等芯片）工作供电。二、万案设计3.1 控制电路设计UC3845是高性能固定频率电流模式控制器，为离线和直流至直流变换器应用而设计，为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案。该集成电路的特点是：具有振荡器、温度补偿的参考、高增益误差放大器，电流取样比较器和大电流图腾柱输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。其它的保护特性包括带滞后的输入和带滞后的参考欠压锁定逐周电流限制单个脉冲测量锁存，以及每隔一个振荡周期将输出消隐的触发器。允许将输出静区定为50%至70%。这些器件可提供8

9、管脚双列直插塑料封装和 14管脚塑料表面贴装 SO-14封装SO-14封装的图腾柱式 输出级有分离的电源和接地管脚。UC3845是电流控制集成芯片，其工作原理见图1,是在电压控制型电路的基础上增加了一个电流反馈环节，当采样电压 Vs与Ve相同时，PWMb匕较器的状态翻转，锁存器置零，VT截止。因而误差信号 Ve实际上控制的是电感峰值电流。(S0-14)。其它的保护特性包括输入和参考欠压锁定，各有滞后、逐周电流限制、可编程输出静区时间 和单个脉冲测量锁存。这些器件可提供8脚双列直插塑料封装和 14脚塑料表面贴装封装 S0-14封装的图腾柱式输出级有单独的电源和接地管脚。其工作原理框图如下；图1电

10、流控制型电路原理图电流控制型特点:电流控制型较之电压控制型的优点主要有如下几点：1）对输入电压的响应快。当输入电压发生变化时，控制电路无需经过误差放大器即能进行调节 ,因而电路线性调节好。误差放大器即能进行调节，因而电路线性调节好。误差放大器被设计成专用来进行负载变化的调节2）对负载变化响应快，回路稳定性好。变换器中电感电流是连续的，控制峰值电流就相当于控制平均电流。在电流控制型电路中，可把电感器当作一个误差电压控制的电流源，误差放大器构成的闭环控制的响应频带比电压控制型3）电流控制型电路中由误差放大器构成的调节器可以简化。图4（a）为电压控制型电路的调节器,由于电感电路滞后因素，电感电流已达

11、预定值，而Ci在调节过程中充的电压却要过一段时间才 能放完;（b）为电流控制型电路的调节器。因电流控制型电路本身具有一个电流反馈，调节器就无需RiCi，电路得以简化。4）限流电路简单。只要限制误差放大器的输出电压即可达到限制峰值电流。电压控制型电路常会因输入电压的浪涌而产生很大的尖峰电流损坏晶体管。电流控制型电路则可避免这类故障的发生5）对模块结构并联工作系统具有自动电流分配和均流功能。图2 UC3845部电路框图及引脚图管脚连接图7卜密1X-Z 1a社hk嵐燼27*CC3"了Mbrli堆1n14恤2电压反诚31L VGC辛胸I411 Vc5£!1r地RtCt 丫4r迪船地

12、管脚功能说明i1谏管脾为诵羞枚坤出井可用于环路补偿。23軸i反攒谨哲脚拈疋，咸K塑的反枷输入，iiiifia 个电阴分压器连 至幵关电源输出.35电濟取样Td比J屯博冲电沆也电MJ紗虺卜输人，脉址讷牛闍便刃 此倡思中止输出幵关梵导UL47RtJCt逋迥将电阻岛连呈侨并娜也释Cr连录哋，便鮒掘蔚器额率 和廉大輸出占空比可載丁作拥率町达1 QMHZ.5（也i斜他址齐涮电fif和戌源的公其地Me itwnyi而610谕输出庄接岖动功率MOSFET的榜槻*商达1.U的绝值电 療曲此管曲拉刖ML输出开关频率为掘疆黠频車的一单。712Voc该管腮捷控制星戒电蹄的正电814瞬搭対萼舟瑜出，它外电肌R,向电容

13、Ct提供®tl电紅B电沥地谐管脚足 亍按冋到电源的井高电源地返端iff对14怦胛 対装而言），用丁减少揑制电略中开黄瞬态喙市術讹科11vc输出补応 W）山加倒此讦曲的卽in氐 曲j 14 r；m n售.通垃分离曲电源连接*可卜咸水控制电踣中开关 禺嘰声的影响，q地時脾是控制电AHfc噸端（仅对14管膵封製而言h井被接 冋电源地°-2”T3无连接（仅对14管加封装而言人这些管譚徨有内部连接°其特点为电流模式工作，输出开关频率为500 kHz。 输出占空比可从 50%70%调节。（3）自动前馈补偿。(5) 有欠压锁定的部调整参考源。(6) 高电流图腾柱式输出。3.2误

14、差放大器设计这种拓扑结构不仅外接元器件较少，而且在电压采样电路中采用了三端可调稳压管，使得输 出电压在负载发生较大的变化时，输出电压基本上没有变化。实验证明与上述三种反馈电路相比, 该电路具有很好的稳压效果图3误差放大器构成的调节回路3.3过/欠电压保护当系统输入电压过压或者欠压时(过/欠压判断电路略)，可使图 5中的过/欠压输入端为低电平，光耦 0P1输出高电平，因此，就会通过加速电容C6和二极管D6对UC3845的脚16施加正脉冲，从而使图3所示的UC3845芯片部晶闸管导通，通过部电路使脚1电平被拉至接近地电平，电路进入保护状态，UC3845芯片输出脉冲封锁。另外，光耦0P1输出的高电平

15、使三极管 Q407饱和导通接地。由于电容 C6的加速作用，三极管 Q407比前述晶闸管导通稍微迟后。由于三极管的导 通压降小于晶闸管的导通压降，晶闸管不能维持导通即晶闸管恢复关断。当过/欠压故障消除后，三极管Q407截止，系统重新输出脉冲。图4 过/欠电压保护电路3.4过流/过载保护当过流或者过载时，比较器 LM393输出7加在脚16,同样会圭寸锁脉冲输出。由于晶闸管维持 导通，所以系统当不过流不过载时，必须重新启动才能有脉冲输图5过流/过载保护电路3.5反激变压器设计变压器技术规格：1开关频率180k HZ,最大占空比50%2 N2 功率：15V, 3A3 N3 功率，-15V, 1A变压器

16、参数的设计对电源装置的性能有至关重要的影响，变压器设计得当，电路才能够稳定运行。 其设计要求有： 一、二次绕组电压的变比应满足要求值。当输入电压降至规允许的最低电压时，输出电压仍能 满足规定的额定值。 当输入电压及占空比最大时，变压器磁芯不允许出现饱和。 当输出功率最大时，变压器温升应在规要求之 应满足一、二次侧铜耗相等、铜损耗与铁损耗相等的原则，以使总损耗最低，获得较高效率。 一、二次侧漏感、分布电容应限制在最小值。3.6反馈回路设计图3.5电路原理图(*>5 vi* m功健图3实鑿液形3.7设计小结可以根据具体要求选取不同的反馈方式。但对于多路输出的反馈电路，由于对于每个输出应 用场合的不同，要求输出精度不同，所以在反馈中各个正极性输出端占反馈量的比例也不同。要 根据具体要求具体设计以满足应用要求。四课程设计总结两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何 去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计， 和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了 理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，