电气工程课程设计-反激型开关电源设计

PAGEXII PAGEXII东北石油大学课程设计课程课程电气工程课程设计题目反激型开关电源电路设计院系电气信息工程学院电气工程系专业班级电气1学生姓名学生学号指导教师东北石油大学课程设计任务书课程电气工程课程设计题目反激型开关电源电路设计专业电气工程及其自动化姓名学号主要内容：主电路的确定，主电路的分析说明，主电路元器件、变压器的计算和选型，以及控制电路设计。报告最后给出所设计的完整电路图。基本要求：1、交流输入电压AC190V~570V2、直流输出①3.3V1.5A②5V500mA③15V100mA3、输出纹波电压≤0.2V；。参考资料：[1]杨旭，裴云庆，王兆安．开关电源技术[M]．北京：机械工业出版社，2004．[2]张占松，蔡宣三.．开关电源的原理与设计[M]．北京：电子工业出版社，1998．[3]王兆安，刘进军．电力电子技术[M]．北京：机械工业出版社，2009．[4]童诗白，华成英．模拟电子技术基础[M]．北京：高等教育出版社，2006．[5]詹艳君，杨笔锋，涂永生．基于UC3842反激式开关电源的设计．完成期限指导教师专业负责人电气工程课程设计（报告）PAGE13 目录TOC\o"1-2"\h\z\u1设计要求 22电路的设计原理 22.1电路的总体方案设计 22.2开关稳压电源原理 23开关变压器设计 33.1稳压电源设计原理 错误！未定义书签。4主要元器件的选型 84.1EMI滤波电路 84.2整流电路的设计 84.3控制电路模块 94.4反馈电路的设计 94.5输出电流反馈 104.6输出整流滤波电路设计 115电路仿真与结果 126结论 12参考文献 13

1设计要求（1）开关电源主电路的设计和参数选择。（2）IGBT电流、电压额定的选择。（3）开关电源驱动电路的设计。（4）开关变压器设计。（5）画出完整的主电路原理图和控制电路原理图。（6）电路仿真分析和仿真结果。2电路的设计原理2.1电路的总体方案设计输入—EMI滤波—整流(也就一般的AC/DC类似全桥整流模块)—DC/DC模块(全桥式DC—AC—高频变压器—高频滤波器—DC)—输出。系统可以划分为变压器部分、整流滤波部分和DC-DC变换部分，以及负载部分，其中整流滤波和DC-DC变换器构成开关稳压电源。整流电路是直流稳压电路电源的组成部分。整流电路输出波形中含有较多的纹波成分，所以通常在整流电路后接滤波电路以滤去整流输出电压的纹波。直流/直流转换电路,是整个开关稳压电源的核心部分。开关稳压电源的基本原理框图如图2.1所示。+4-162.2开关稳压电源原理+4-16EMI滤波电路频变换器整流滤波电路L控制电路输出整流滤波辅助电路EMI滤波电路频变换器整流滤波电路L控制电路输出整流滤波辅助电路GNDGNDNN反馈反馈电路图2.1开关稳压电源原理框图开关电源的主电路主要处理电能，而控制电路主要处理电信号，属于弱点电路，但它控制这主电路的开关器件的工作，一旦出现失误，将造成严重后果，是整个电源停止工作或损坏。本设计的控制电路中PWM模块使用UC3842PWM控制器。系统工作原理：380V的交流输入电压经保险管和EMI滤波器（滤除电网上的高频电压成分同时防止开关稳压电源自身产生的高频串入电网）后整流并滤波平滑后为电路提供约500V直流工作电压,起动电路由电容C12和R18,R19构成，C12经电阻R18,R19充电，C12的电压达到16V时,UC3842启动并有输出,使MOS开关Q(型号2SK725耐压500V，电流15A，功率125W)导通，量存贮在变压器T1中。此时，由于二次侧各路整流二极管反向偏置,故能量不能传到T1的二次侧，T1的一次侧电流通过电阻R22检测并UC3842内部提供的1V基准电压进行比较，当达到这一电平时，Q关断，所有变压器的绕组极性反向,输出整流二极管正向偏置，存贮在T1中的能量传输到输出电容器中。启动结束后,反馈线圈Nc的电压整流后经取样电阻分压回送到误差放大器的反向端(脚2)和UC3842内部的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对输出的控制。这样，能量周而复始地存贮释放,给输出端提供电压。C12在刚开始时必须存贮足够的能量才能维持控制系统工作。3开关变压器设计反激式变压器是反激开关电源的核心，它决定了反激变换器一系列的重要参数。变压器适用场合：交流电压变化范围190V~570V，工作频率为100kHz，直流输出为①3.3V，1.5A；②5V，500mA；③15V，100mA。计算原边绕组流过的峰值电流每一工作周期能量乘上工作频率f为输出的功率（3-1）设为不连续工作模式，在单位时间内电流为0至，则因为所以（3-2）式（3-1）与（3-2）之比为化简得：（3-3）为求得，应以最小值带入式中的20V假设为直流纹波及二极管压降之和。设反激变压器最大占空比，代入式（3-3）得：求出原边绕组的电感值由式（3-2）得：假设电压波动下限为7%，则，求在时，有最小占空比。当输入电压由最大到最小变化时，占空比由最小变化到最大。其关系可表示为：（3-4）式中k——电压,按峰值时向上波动10%计算，即：假设直流纹波电压及二极管管压降之和为15V，故上式中减去15V代入式（3.1.4）选择磁芯尺寸计算磁芯面积乘积AP。AP为（磁芯窗口面积）和（磁芯有效截面积）的乘积。在厂商资料目录中查处AP值。设计者根据客户要求的限高等尺寸和形状来决定使用哪一种经济的磁芯及其形状和大小。如果原边绕组的线径为，带绕组的磁芯所占的AP值为，可按下式计算：（3-5）式中表明工作磁感应强度变化值取饱和值的一半。例如TDKH7CL的材料，E-E形式的磁芯，100℃时，如图3.1所示。图3.1TDKH7CL磁芯B-H特性曲线如果我们引用欧美国家常用的单位密耳，可写为（mil）。用它时对选择导线会简单一些。所谓密耳是导线直径或薄板厚度的单位。1mil=0.001英寸直径为1密耳的金属丝面积称为圆密耳，可写为（），换算时，可考虑其关系为：1圆密耳=（英寸）=（）附表一列出美式线规AWG重薄膜绝缘的导线规格，包括直径大小标称的圆密耳和每千英尺的电阻值。设我们选择导线时，确定电流密度值为，则通过0.16A电流时需要的圆密耳为。参阅附表一选取NO.31AWG，其直径最大为0.0108。所以，代入式（3-5）得：占窗口大部分面积的是副边绕组（因电流大，导线多股等原因）和绝缘材料，一般只为AP的（1/4~1/3）以下，取所以又TDK产品目录中可查出EE19/8/9的磁芯与线圈骨架乘积为：,选取此型号磁芯与线圈骨架合适。磁芯具体尺寸为19.05cm，8.05cm，8.71cm。计算气隙长度由于反激工作模式是单向激磁，为防止磁饱和，应加气隙。气隙会产生较大的磁阻，而且大多数变压器所存储的能量是在气隙所构成的体积中，故有：（3-6）式中H——气隙磁场强度——空气导磁率=1；——气隙的体积，整理上式得（3-7）则因此，应在磁芯中心柱打磨出气隙0.013cm，或在磁芯两外侧心柱各打磨出0.0065cm，在这个基础上再进行调整。也可以选取已有气隙相近的磁芯，并直接进行调整。原边绕组匝数计算用或进行计算。前式算得，后式算得。取。副边绕组匝数计算按输入最小电压，导通占空比最大，算得副边绕组的匝数：因为整理得：（3-8）代入数据：因为副边存在绕阻压降和二极管导通压降，故取。当输出电压为3.3V时，考虑到E型磁芯磁路可能产生磁饱和。使变压器的调节性能变差，因此2.91取整数值为3。当输出电压为5V时，同样考虑到E型磁芯磁路可能产生磁饱和。使变压器的调节性能变差，因此4.07取整数值为5。当输出电压为15V时，同样考虑到E型磁芯磁路可能产生磁饱和。使变压器的调节性能变差，因此10.85取整数值为11。辅助电路输出的电压为10—34V，取16V，则同样考虑到E型磁芯磁路可能产生磁饱和。使变压器的调节性能变差，因此11.53取整数值为12。副边绕组的线径同样按照400c·m/A考虑，通过1.5A电流需要：圆密耳，应选取AWGNO22型导线；通过500mA电流需要：圆密耳，应选取AWGNO27型导线；通过100mA电流需要：圆密耳，应选取AWGNO33型导线。最后对变压器的原边副边参数见表3-2。表3-2变压器原边副边参数表原边副边1副边2副边3辅助绕组匝数127251112电流(A)0.10.015每匝导线的最大直径（英寸）0.01080.02810.01640.00880.0182所选导线型号AWGNO31AWGNO22AWGNO27AWGNO33AWGNO264主要元器件的选型4.1EMI滤波电路为减小体积、降低成本,单片开关电源一般采用简易式单级EMI滤波器,典型电路图4.1所示。图中的L、C1和C2用来滤除共模干扰,C3和C4滤除串模干扰。R为泄放电阻,可将C3上积累的电荷泄放掉,避免因电荷积累而影响滤波特性;断电后还能使电源的进线端L、N不带电,保证使用的安全性。EMI滤波器能有效抑制单片开关电源的电磁干扰。图4.1EMI滤波电路EMI电路C2为X电容，C3、C4为Y电容，L为滤波电感表4.1电容电感型号图C1C2C3C4L电容/电感量0.1uF0.1uF0.1uF0.1uF30mH耐压值630V630V630V630V630V型号MKT1822MKT1822MKT1822MKT1822色环AL05104.2整流电路的设计在整流滤波环节采取的是单相整流滤波电路，本电路常用于小功率的单相交流输入的场合。目前大量普及的微机、电视机等家电产品中所采用的开关电源中，电容滤波的单相不可控整流电路带阻感负载时，二极管承受最大正反向电压均为。在此后的电路中，涉及到选管子，选型号，故此处的电压取最大值，即整流后的值。表4.2二极管两端的耐压参数选择 耐压值型号电容值二极管1000VMDA210G滤波C电解电容250u4.3控制电路模块控制电路方面选择UC3842芯片，UC3842是单电源供电，带电流正向补偿，单路调制输出的集成芯片。UC3842是一种高性能的固定频率电流型控制器,是专为离线式直流变换电路设计的,它集成了振荡器、有温度补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电路、输入和基准欠电压锁定电路及PWM锁存器电路。该芯片主要有以下性能：(1)可调整振荡器的放电电流以产生精确的占空比；(2)最高开关频率可达500kHz;f=1.8/(Rt.Ct)Rt单位为KΩ,Ct单位UF,f单位为KHz；(3)带锁定的PWM(PulseWidthModulation),可以实现逐个脉冲的电流限制；(4)具有内部可调整的参考电源,可以进行欠压锁定；(5)图腾柱输出电路能够提供大电流输出,输出电流可达1A,可直接对MOSFET进行驱动；(6)带滞环的欠压锁定电路可有效地防止电路在阈值电压附近工作时的振荡等。UC384芯片需要外扩电路实现其控制电路的目的。输入电压经过降压电阻接入给3842提供16V的启动电压，使3842工作。参数的选择：启动降压电阻：因为整流输出为537V，=16V，，故反馈回路：管承受的反压为，故去二极管的型号为FR105,电容C3大小为100u。开关管VT:承受的反压为，型号为IRFBE30振荡电路：因为，，故取所以4.4反馈电路的设计反馈电路采用精密稳压源TL43l和线性光耦PC817。利用TL43l可调式精密稳压器构成误差电压放大器，再通过线性光耦对输出进行精确的调整。如图4.4所示，R4、R5是精密稳压源的外接控制电阻，它们决定输出电压的高低，和TL431一并组成外部误差放大器。当输出电压升高时，取样电压VR7也随之升高，设定电压大于基准电压(TL431的基准电压为2．5V)，使TL431内的误差放大器的输出电压升高，致使片内驱动三极管的输出电压降低，也使输出电压Vo下降，最后Vo趋于稳定；反之，输出电压下降引起设置电压下降，当输出电压低于设置电压时，误差放大器的输出电压下降，片内的驱动三极管的输出电压升高，最终使得UC3842的脚1的补偿输入电流随之变化，促使片内对PWM比较器进行调节，改变占空比，达到稳压的目的。图4.3电压反馈电路参数计算：光耦器件选择PC817，稳压管选型TL3414.5输出电流反馈图4.4过流保护过流保护电路是由R10、R9以及C9组成。R9上的电压反映了电流瞬时值，当开关电源发生过电流时，开关管S1漏极的电流会增大,会增大，接入UC3842的保护输入端③脚，当=1V时，UC3842芯片的输出脉冲将关断。通过调节R10和R9的分压比可以改变开关管的限流值，实现电流瞬时值的逐周期保护比较，属于限流式保护。输出脉冲关断，实现对电流平均值的保护，属于截流式保护。参数计算：由第三章可知，原边输出电流，UC3842输出电流，所以三极管漏极电流。假设，滤波电容C9=470pf。所以流过R9的电流。所以4.6输出整流滤波电路设计图4.5输出滤波电路输出电压经过二极管的半波整流以及LC滤波输出稳定的直流3.3V/1.5A，5V/0.5A，15V/0.1A参数的计算，3.3V侧滤波电路参数同理，5V侧滤波电路参数15V侧滤波电路参数5电路仿真与结果三路输出电压波形：图5.1三相输出电压波形6结论通过对开关电源主电路的设计和参数选择的仿真结果分析，仿真结果与预期要求一致。主电路中存在整流电路，控制电路模块运行良好。输出电流电压稳定，在保护电路中起到至关重要的作用。反激型开关电源电路对电气的额定值要求低，启动开关电源时，保证电压电流不至于过载，导致元件损坏，并且使电器运行达到稳定状态，开关损耗几乎为零。反激型开关电源电路适用于各种功率较低、额定值较低的电器当中，因为以上种种优点，应被广泛推广使用。电气工程课程设计（报告）参考文献[1]杨旭，裴云庆，王兆安．开关电源技术[M]．北京：机械工业出版社，2004．[2]张占松，蔡宣三.．开关电源的原理与设计[M