基于uc3844变频器辅助电源研究设计毕业（论文）设计

基于UC3844变频器辅助电源的研究设计经过数十次的修改与修订，此版本为最终完美版~毕业论文题目：基于UC3844变频器辅助电源的研究设计学院：电气信息学院专业：班级：学号：学生姓名：导师姓名：完成日期：2015年6月诚信声明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名：日期：年月日湖南工程学院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目：基于UC3844变频器辅助电源的研究设计姓名系别电气信息学院专业电气工程及其自动化班级学号指导老师职称助教教研室主任谢卫才1、本任务及要求：随着工农业中电机应用的普及，有着良好的调速性能的变频器应用范围广、需求量大，这就为研究变频器的模块化、系统化提供了很好的前景。变频器中的辅助电源是首先要解决的问题。研究设计基于UC3844专用PWM发生芯片，采用反激变换器结构的高压直流（DC350V-700V）输入多路（5路：24V/200mA；±15V/200mA；5V/1A）隔离输出电源。设计完成的该系统应符合各项行业规定。设计的主要内容：a)设计完善的硬件电路b)元器件有关参数计算及选型c)完成样机制作并进行调试d)完成设计报告的撰写2、进度安排及完成时间：1月12日-1月18日查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告。2月25日-3月05日查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告。3月06日-3月15日毕业实习、撰写实习报告。3月16日-4月22日主要完成系统软硬件构建的初步设计。4月23日-5月10日修改系统硬件构建设计。5月11日-5月20日完成系统的主电路设计与元器件计算。5月21日-5月25日完成工艺设计。5月26日-6月01日撰写毕业设计 说明书 房屋状态说明书下载罗氏说明书下载焊机说明书下载罗氏说明书下载GGD说明书下载 （论文）。6月02日-6月06日修改、装订毕业设计说明书、指导教师评阅。6月07日-6月14日毕业设计答辩（公开答辩、分组答辩）。目录摘要IAbstractII1第1章绪论11.1变频器的发展21.2变频器工作原理31.2.2变频器输出电压调制和PWM技术41.3变频器的开关电源简介41.3.1开关电源的发展51.3.2开关电源的工作原理61.3.3开关电源的优点61.3.4开关电源的构成111.3.5开关电源中的辅助电源131.4UC3844芯片介绍131.5课题来源及要求131.5.1课题来源141.5.2课题要求15第2章开关电源的设计152.1主电路拓扑152.2主要器件介绍152.2.1PC817162.2.2TL431182.2.3开关功率管的选择182.3变压器设计192.3.1计算一次绕组参数202.3.2计算磁芯参数212.3.3计算变压器有效体积212.3.4确定一次绕组匝数N12.3.6计算空气气隙22242.4缓冲电路设计252.5驱动电路和控制电路设计272.6电流反馈电路设计272.7电压反馈电路设计29第3章斜坡补偿293.1斜率补偿的类型与补偿方程313.2正斜率补偿及其补偿电路313.3正斜率补偿的电路优化33结束语34参考文献36致谢基于UC3844变频器的辅助电源的研究设计摘要：随着电子技术高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备种类也越来越多，它们与人们工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，因此，对电源的要求更加灵活多样。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。UC3844是高性能固定频率电流模式控制器专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 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。这些集成电路具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、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式输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。本课题是设计一个变频器的多路输出的反激式开关电源，电源取高压直流（DC350V-700V）。要求基于UC3844专用PWM发生芯片，采用反激变换器结构的高压直流（DC350V-700V）输入多路（5路：24V/200mA；±15V/200mA；5V/1A）隔离输出电源。设计完成的该系统应符合各项行业规定。关键词：UC3844、开关电源、反激变换器DesignofauxiliarypowersupplybasedonUC3844inverterAbstract：Withhigh-speeddevelopmentofelectronictechnologyisfindingwiderandwiderapplicationfieldsofelectronicsystem,electronicequipmentisalsomoreandmore,theirrelationswiththepeopleworkandlifeisincreasinglyclose,andelectronicequipmentisinseparablefromthereliablepowersupply,therefore,therequirementtothepowersupplyismoreflexible.Switchingpowersupplyisthemodernpowerelectronictechnology,tocontroltheturn-onandturnofftimeratio,tomaintainastableoutputvoltageofpowersupply,switchingpowersupplyfromthegeneralpulsewidthmodulation(PWM)controlICandMOSFET.Withthedevelopmentandinnovationofpowerelectronictechnology,thetechnologyofswitchingpowersupplyisalsoconstantlyinnovated.Atpresent,theswitchingpowersupplyischaracterizedbysmall,lightweightandhighefficiency.Itiswidelyusedinalmostallelectronicdevices,anditisapowersupplymodewhichisindispensableinthedevelopmentofelectronicinformationindustry.UC3844isahighperformancefixedfrequencycurrentmodecontrollerdesignedforofflineandDCtoDCconverterapplicationsanddesign,withminimalexternalcomponentscangetcosteffectivesolutionstoprovideforthedesignstaff.Theseintegratedcircuitshaveafinetunedoscillator,accuratedutycyclecontrol,temperaturecompensatedreference,andhighgainerroramplifier.Thecurrentsamplingcomparatorandahighcurrenttotempoleoutput,isanidealdevicefordrivingpowerMOSFET.Thistopicistodesignamultipleoutputflybackconvertertypeswitchingpowersupply,powersupplyforhighvoltagedirectcurrent(DC350V-700V).RequirementsbasedonUC3844dedicatedPWMchip,usingthestructureoftheflybackhighvoltagedirectcurrent(DC350V-700V)inputmultiplexer(5line:24V/200mA；±15V/200mA；5V/1A)toisolatetheoutputpower.Designofthesystemshouldcomplywiththeregulationsoftheindustry.Keywords:UC3844，SwitchingPowerSupply，Theflybackconverter第1章绪论1.1变频器的发展变频器经过逐年的飞速发展，如今已应用于多种设备和多种行业,并且逐渐作为当今电能节省、改善工艺流程、改良传统型工业、提高生产自动化水平、提高工业产品的质量和改善环境的主要技术之一。变频器技术作为一种全新的绿色环保技术,是日常生活和工业生产中急需的高级技术,同时也是国际上电子技术更新最快的领域之一。 随着电力电子技术、微机技术和自动控制原理的不断发展，变频器作为一种智能调速电源，其功能和结构也在不断地发展更新。自第一代变频器以来，变频器已经经历好几个发展阶段：即模拟式、数字式、智能式、多功能型和现在的新型通用变频器。新型变频器为了实现静音化，在方式上采用高频载波方式的正弦波SPWM调制，还在其输入侧附加交流电抗器，而在逆变电路中则采取PWM控制技术，以改善输入电流的波形和降低电网的谐波。新型变频器不仅发展单机的数字化、智能化外，还向其他方向飞速发展。例如集成化和系统化。现在有一种集通讯、设计和数据管理于一体的“全集成自动化”平台概念，它可以使自动化和驱动系统以及通讯和数据管理系统，以及伺服装置、控制器、变频器及通讯装置等配置，都可以像驱动装置嵌入全集成自动化的系统那样进行，可以为广大用户提供最好的系统功能。富士、三菱、西门子、日立、VACON等品牌的变频器，均可通过不同的选件支持不同类型的现场总线。因为新型变频器可与现场的总线：CANOpen、Profibus-DP、Ethernet、DeviceNet、Interbus-S、CC-Link、LONWORKS、ModbusPlus、T-LINK等通讯。可以提供多种不同而且兼容的通信接口，支持多种要求的通信 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 ，而且可由个人计算机向变频器内输入命令和设定功能等等用途。新型变频器其中可以设置多种应用类软件，甚至有的品牌可提供多达100余种的应用软件，随时满足各种现场需要。比如速度级链、电流平衡、速度跟随、变频器功能设置软件、PID控制软件、通讯软件等。变频器功能设置软件可以在WINDOWS95或者98的系统下设置变频器的功能和数据通讯。并且，用户只要设定数据组编码，而不必逐项设置，变频器会将运行参数自动调整到最佳状态。1.2变频器工作原理变频器的工作原理是通过控制电路来控制主电路，主电路中的整流器将交流电转变为直流电，直流中间电路将直流电进行平滑滤波(电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。)，逆变器最后将直流电再转换为所需频率和电压的交流电，部分变频器还会在电路内加入CPU等部件，来进行必要的转矩运算。（1）整流器最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。（2）平波回路在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。（3）逆变器同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。（5）保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。1.2.2变频器输出电压调制和PWM技术整流是变频器的重要组成部分，它可以通过整流器把工频交流电转换成直流电。目前变频器主要是依靠二极管桥式电路的整流技术进行整流。二极管整流的主要缺点是：产生谐波和不可控制性。谐波会严重“污染”电网，不可控制性会使电路无法调节所得直流电的大小。治理这种电网“污染”最根本的措施就是将PWM技术引入整流器的控制，实现网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数。变频器的逆变电路根据逆变电路输出电压调制 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 分类有脉幅调制PAM、脉宽调制PWM、正弦脉宽调制SPWM等3种类型。脉宽调制PWM即要求逆变电路输入直流电压的有效值是不能控制的，也就是整流电路应为二极管控桥路，而逆变电路通过控制全控元件的开关频率和开关时间的长短，用来改变其输出电压变频和输出脉冲占空比，因此实现频率和电压值配合改变目的。整流器分为电压型和电流型两大类。电压型PWM整流器（VoltageSourceRectifier,简称VSR）最显著的拓扑结构特征就是直流侧采用电容进行直流储能，从而使直流侧呈低阻抗的电压源特性。它以其较低的损耗、简单的结构、方便的控制和较快的响应速度等一系列优点，一直成为PWM整流器研究的重点。下图是三相电压型PWM整流器。图1.1一种三相电压型PWM整流器电流型PWM控制系统的流程框图如图所示。图1.2电流型PWM控制系统框图该系统采用电流电压双闭环串级控制结构,内环是电流环,外环是电压环。控制原理是:给定的电压Ug与从输出反馈回的电压Ur进行比较,得到的电压误差经电压调节器输出作为另一个给定的电压信号Ue。该信号与经电阻采样反映电流变化的信号Us进行比较,输出一个占空比可调节的PWM脉冲信号,从而使得输出的电压信号V0保持恒定。电流型PWM控制的优点如下:a)负载调整率好。由于电压误差放大器可专门用于控制占空比,可以很快适应负载变化造成的输出电压的变化,因此可以显著改善负载调整率。b)电压调整率好。输入电压的变化会带动电感电流的变化,电感电流的变化立即被电流控制回路感应而被抑制,不需要类似电压控制调节的复杂过程，所以响应快。如果输入电压的变化是持续的,电压反馈环也起作用,可以达到较高的调整率。c)系统稳定性好。电压控制单闭环系统是一个无条件的二阶稳定系统。而电流控制双闭环系统是一个无条件的一阶稳定系统,因此系统稳定性好。1.3变频器的开关电源简介1.3.1开关电源的发展开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs)下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET、变压器。SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用，GTR驱动困难，开关频率低，逐渐被IGBT和MOSFET取代。开关电源高频化和小型化，使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了开关电源的发展前进，每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。另外，开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N+1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。1.3.2开关电源的工作原理：开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，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）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。1.3.3开关电源的优点：开关电源的电路结构与线性电源相比有如下几个优点： (1)功耗小，效率高。激励信号激励功率晶体管，晶体管交替工作在饱和导通与截止的快速开关状态，频率一般在几十到几百kHz。这就使得功率晶体管的损耗较小，电源的效率可以达到80%以上。 (2)滤波的效率高，大大减小了滤波电容的容量和体积。开关稳压电源的工作频率是线性稳压电源的频率的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。采用开关稳压电源时，在相同的纹波输出电压的要求下，滤波电容的容量远小于线性稳压电源中滤波电容容量。(3)稳压范围宽。激励信号的占空比和激励信号的频率是用来调节开关稳压电源输出电压的，并且通过变频或调宽，可以对输入电压的变化进行补偿。在电网电压不稳定的时候，或者负载有较大的变化时，它仍然可以保证稳定的输出电压，因此它的稳压范围较宽、稳压效果比其他电源好。(4)体积小。开关稳压电源没有体积较大工频变压器，并且省去了很多散热片，因为其在功率晶体管上的耗散功率大幅降低。因此开关稳压电源无论是体积还是重量都有所减小。 (5)电路形式较多。例如，有调宽型和调频型，自激式和他激式，有单端式和双端式。设计师可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。1.3.4开关电源的构成变频器开关电源主要包括整流滤波电路、变换器、控制电路、保护电路组成。图1.3开关电源的基本构成1.整流滤波电路变频器的整流虑波电路和逆变电路，可分为晶闸管三相桥半控式整流和三相逆变电路、二极管单相桥式整流和三相逆变电路、晶闸管三相桥全控式整流和三相逆变电路、二极管三相桥式整流和三相逆变电路等4类。在变频器整流的过程中，可以产生大量的高次谐波，据绿波杰能的不完全统计，最高的电流畸变率，可以达到70%以上。这些高次谐波，会通过与变频器输入端连接的电源线，进入到电网中，进而会影响到使用这一电网的敏感设备的正常工作。变频器输入滤波器，就是为了解决变频器干扰电网的问题，同时，亦能解决变频器遭受电网中的谐波危害所产生的过压、过流、欠压、过载、过热等误报警、误动作、拒动等问题。输入滤波器的作用：第一，对将要进入变频器的电网中的谐波进行阻止。第二，对变频器产生的谐波进行抑制。 第三，缓和电网中的尖峰脉冲； 第四，抑制电网的换相缺口；输出整流滤波器的作用是将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时防止高频噪声对负载的干扰。 2.变换器开关电源有两种常用的变换器：①PWM变换器 脉冲宽度调制简称脉宽调制。它的原理是利用微处理器的数字输出控制模拟电路。是一种非常有效的技术，在通信、功率控制、测量与变换等许多领域都有所应用。通过参数相应载荷的变化来调制晶体管基极或栅极的偏置，以此改变晶体管导通的时间，这种方式能使电源输出电压在外部工作条件变化时，一直保持恒定。 脉冲宽度调制（PWM）通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，所以不论在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么为0，要么完全存在。图1.4PWM变换器原理图电压或电流源是以一种通或断的重复脉冲序列。直流供电加到负载上的时候就是通的时候，供电被断开的时候就是断的时候。所以如果带宽够的话，所有模拟值都可以使用PWM来编码。其工作原理如上图1.4。多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。   PWM相对于模拟控制的另外一个优点是对噪声抵抗能力的增强，所以某些时候我们必须以PWM进行通信。通过将模拟信号转向PWM，可以很大程度上地延长通信距离。通过适当的LC或RC网络可以在接收端滤除调制高频方波，并将信号还原为模拟形式。 ②DC/DC变换器DC/DC变换器在开关电源中，一般来说是要求输入与输出间进行电隔离的。在这种情况下需要使用称为隔离变换器的变压器进行隔离。隔离变换器可以把直流电压变换为高频方波电压，把直流电流变换为高频方波电流。通过升压降压变换和整流平滑滤波，最后变为直流电压或电流。DC/DC变换器有5种基本类型：单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。下面重点分析隔离式单端反激转换电路，电路结构图如图所示。图1.5隔离式单端反激转换电路单端反激式变换器又称电感储能式变换器，其变压器兼有储能、变压、隔离三重作用。所谓单端，指变压器磁芯仅工作在其磁滞回线的一侧。当功率开关管S导通时，直流输入电压Vin加在初级绕组上，在变压器初级电感线圈中储存能量，由于次级绕组感应电压为上负下正，使二极管D反偏截止，次级绕组中无电流，此时电能转化为磁能存储在初级电感中。当S截止时，初级感应电压极性反向，使次级绕组感应电压极性反转，二极管D导通，储存在变压器中的能量传递给输出电容C，同时给负载供电，磁能转化为电能释放出来。当开关管重新导通时，负载电流由电容C来提供，同时变压器初级绕组重新储能，如此反复。从以上电路分析可以看出，S导通时，次级绕组无电流；S截止时，次级绕组有电流，这就是“反激”的含义。所谓反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流脉冲电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。下图是反激式变压器开关电源的简单工作原理图：图1.6反激式变压器开关电源原理图图中变压器的初级绕组与次级绕组同名端相反，inU为输入直流电压，开关S为功率开关管，C为输出滤波电容，R为负载，L1i为初级绕组电流，L2i为次级绕组电流；oU和oi为输出电压和电流，参考方向如图1.6所示。 反激变换电路由于具有拓扑简单，输入输出电气隔离，升/降压范围广，多路输出负载自动均衡等优点，广泛用于多路输出的机内电源中。在反激变换器中，变压器起着电感和变压器的双重作用，由于变压器磁芯处于直流偏磁状态，为防磁饱和要加入气隙，漏感较大。功率管导通时，电感电流变化率和电流峰值很大，生成功率开关管开通时的电流尖峰；当功率管关断时，也会产生很高的关断电压尖峰，给功率管造成很大负担，会损坏功率管。因此，要想法设法限制反激变换器功率开关电流尖峰和电压尖峰。反激变换器具有容易进行多路隔离输出、输入输出电气全部隔离、简单有效、高可靠性的优点。因此，反激变换器是对开关电源来说非常重要,电力电子技术研究人员对此进行了大量的研究。反激变换器的参数由反激式变压器来决定，如最大峰值电流和占空比，反激式变压器的设计，就是对所有的工作器件做一个合理的安排和规划，参数计算要尊重事实规律和理论。这样才能最大化发挥芯片的作用。若是变压器设计得不合理，参数计算不正确，规格没有按照要求。整个开关电源的性能会受到很大影响，比如输出功率降低，损耗加大，使用寿命缩短，容易出现故障等等。反激式变压器开关电源，相比其他开关电源要节省很多器件。因此，反激式变压器开关电源的体积比其他类型的开关电源的体积要小很多。此外，其输出电压的占空比调幅，还比正激式变压器开关电源要高。因此，反激式变压器开关电源要求调控占空比的误差信号幅度比较低，误差信号放大器的增益和动态范围也比较小，且成本也要降低。也正是由于这些优点，目前，反激式变压器开关电源在家电领域中还是被广泛使用。3.控制电路开关电源的控制电路有电流控制和电压控制两种，电流控制是一个电压、电流双闭环控制系统，电感电流不是一个独立变量，从而使开关变换器成为一个一阶无条件的稳定系统，因而很容易得到大的开环增益以及小信号、大信号特性。电压控制是一个单闭环电压控制系统，控制过程中，电源电路中的电感电流未直接参与控制，是独立变量，开关变换器为二阶系统的一个有条件的稳定系统。4.保护电路开关电源的输入电路大都采用电容滤波型整流电路，在进线电源合闸瞬间，由于电容器上的初始电压为零，电容器充电瞬间会形成很大的浪涌电流，特别是大功率开关电源，采用容量较大的滤波电容器，使浪涌电流急剧上升。在电源接通瞬间通过很大的浪涌电流，重者往往会导致输入熔断器烧断或合闸开关的触点烧坏，整流桥过流损坏；轻者也会使空气开关合不上闸。上述现象均会造成开关电源无法正常工作，为此几乎所有的开关电源都设置了防止流涌电流的软启动电路，以保证电源正常而可靠运行。1.3.5开关电源中的辅助电源开关电源一般由功率主回路、控制回路和辅助电源组成。功率主回路主要用来给用户负载供电，开关电源中的辅助电源主要用于给控制电路、驱动电路或电源系统的监控电路供电。辅助电源的设计方法不但影响整个电源的效率、体积、稳定性、可靠性和成本，而且还将影响到整个开关电源的工作条件。一个重要的原因就是隔离问题。例如在离线式开关电源中，如果其内部的辅助电源和功率主回路输入共地，那么就需要用光耦或变压器来对输出电压采样信号进行隔离。而如果是内部辅助电源和功率主电路输出共地，那么一般不需要对电压采样信号隔离，这时只需对驱动信号隔离。由于所需辅助电源的功率一般比较小，辅助电源应该力求简单、可靠和小型化。根据辅助电源与功率主回路的关系，开关电源中的辅助电源可以分为两大类：独立型和非独立型。(1)独立型：辅助电源独立于功率主回路。主要用于大功率或中功率电源系统，比如在通讯电源、ATX电源中，需要电源正常或失败信号或电源远程控制的功能时，在功率主回路即使不工作时，辅助电源也要正常供电。下面是几种常见的独立型辅助电源设计方法。第一种方法：需要用稳压器的传统的线性电源作为辅助电源。它是用普通的矽钢片低频变压器降压之后，再经过四只二极管全波整流，经过平滑滤波后输入到三端稳压器7815输入端。这种设计中，低频变压器的体积往往选的足够大，以满足各种安全规范中对绝缘和漏电特性的要求。但由于它的简单、可靠和方便，以及完全的隔离特性，所以在大功率开关电源系统中，低频变压器不会影响到整个电源的尺寸和造价时，它将是一个不错的选择。　图1.7UC3844的反激式开关电源第二种方法：需要用稳压器7815,的一种不用低频变压器降压的简易辅助电源。用两只无极性的高频电容，先并串联两只限流电阻，然后从电网电压中取得低频脉动电压。通过集成稳压器7815提供所需的电压。为了防止浪涌电压损坏7815，IC输入端需要并联一只稳压二极管用来保护。另外，全波整流需要四只二极管。第三种方法：由自激式开关变换器构成非常轻巧的辅助电源，可以方便地产生辅助电源。本设计采用这种方法。(2)非独立型：由主变换器高频变压器输出的一部分构成辅助电源。因为其有利于减小电源体积，实现小型化和节约成本的原因，在小功率电源系统中广泛使用。非独立型的特点是辅助电源与主变换器息息相关。如果主电路不工作，辅助电路将关闭，辅助电源不供电，主变换器也随之不工作。因此在电源的启动阶段，需要给控制电路提供启动电能，使其渐渐进入工作状态。启动方法：启动时直接由直流输入端提供起动电压，如图1-11。这是一个由UC3844构成的反激式小型开关电源，它的辅助电源由主变换器变压器一个绕组提供。在启动阶段，由直流输入端经过电阻分压后加到UC3844的供电端(7端)，给电容C2充电，等到UC3844的7脚电压超过16V时，芯片起振，PWM信号产生，变换器工作，辅助电源电压开始建立。但由于限流电阻RIN的作用，有可能使得芯片7脚电压降低至10V而使得芯片停止工作。之后主电路又通过RIN电阻给UC3844芯片供电，芯片工作。如此反复，直至芯片正常工作所需的辅助电源电压建立后，电源才正常工作。1.4UC3844芯片介绍UC3844是一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片，由该集成电路构成的开关稳压电源与一般的电压控制型脉宽调制开关稳压电源相比具有外围电路简单、具有过流限制、稳定幅度大、频响特性好、电压调整率好、过压保护和欠压锁定等优点。UC3844是一种电流型单端输出式PWM控制芯片,它主要由高频振荡、误差比较、电流取样比较、脉宽调制锁存、欠压锁定、过压保护等功能电路组成。引脚1为误差放大器补偿端,引脚2接电压反馈信号,引脚3接电流检测信号,引脚4外接时间电阻RT及CT用来设置振荡器的频率,引脚5为接地端,引脚6为推挽输出端,可提供大电流图腾柱输出,引脚7接芯片工作电压,引脚8提供5V的基准电压。UC3844的最大占空比为50%,启动电压16V,具有欠压锁定和过压保护的功能。当工作电压过大，大于34V的时候,负责稳压的稳压管开始稳压,使内部电路在小于34V的电压下工作;当输入电压低于10V的时候,芯片会被暂时锁定,控制器此时停止工作。UC3844的工作原理是:反馈电压和2.5V基准电压之差,经误差放大器E/A放大后作为门限电压,与反馈电流经采样后的电压,一起送到电流感应比较器。当电流取样电压超过门限电压后,比较器输出高电平触发RS触发器,然后经或非门输出低电平,关断功率管,并保持这种状态直至振荡器输出脉冲到触发器和或非门为止。这段时间的长短由振荡器输出脉冲宽度决定。PWM信号的上升沿由振荡器决定,下降沿由功率开关管电流和输出电压共同决定。反转触发器限制PWM的占空比调节范围在0～50%之内。UC3844的振荡工作频率由引脚4与引脚8之间所接定时电阻RT、脚4 与地之间所接定时电容CT设定。计算公式为: (1.1)1.5课题来源及要求1.5.1课题来源随着变频器技术的飞速发展，变频器已经在众多领域，各行各业得到广泛使用,是当今改善工艺流程,节省能源,改革传统工业,提高产品工作质量,提高生产自动化进程,节省人力资源的主要技术之一。变频器技术是一种新兴的环保型技术,在我国经济高速发展的背景下，变频器技术得到前所未有的广泛应用。而且在世界范围内，它也是一种不断注入新鲜血液的科学技术。在我国，超过60%的发电是通过电动机消耗掉的，所以，调速传动一直是一个很重要的行业，而且目前己有一定程度的发展规模。异步电动机由于转子侧的电流由电磁感应产生，不需要从外部进入，故而具有体积小、结构简单、价格低廉、重量轻等优点，刚刚发明就被人们广泛使用并被不断改进，在工农业中一直占有龙头老大的地位。随着科技的不断进步，随着生产技术的不断进步和发展，人们开始在变频调速上提高要求，而异步电动机在调速方面是很大缺陷。而交流电机的调速问题，随着变频技术的出现解决。随着微电子技术、电力电子技术以及自动控制原理的不断发展，各种新型电机控制技术的方案不断被提出，使交流电机的调速一直简单方便。本次课题是针对国内现有的变频器内部电源的使用需求提出的。随着工农业中电机应用的普及，有着良好的调速性能的变频器应用范围广、需求量大，这就为研究变频器的模块化、系统化提供了很好的前景。其中变频器中的辅助电源是首先要解决的问题。1.5.2课题要求综上，本论文的开关电源要求：基于UC3844专用PWM发生芯片，采用反激变换器结构的高压直流（DC350V-700V）输入多路（5路：24V/200mA；±15V/200mA；5V/1A）隔离输出电源。设计完成的该系统应符合各项行业规定。第2章开关电源的设计2.1主电路拓扑下图是所设计电源的简单图，其主电路采用单端反激式变换电路，220V交流输入电压经桥式整流、电容滤波变为直流后，供给单端反激式变换电路，并通过电阻R1、C2为UC3844提供初始工作电压。为提高电源的开关频率，电路中采用功率MOSFET作为功率开关管，在UC3844的PWM控制下，将能量传递到输出端。此外，在高频变压器原边设置了RCD缓冲电路用于抑制电压尖峰。图2.1主电路主要结构图2.2主要器件介绍2.2.1PC817PC817是一个比较常用的光电耦合器,内部结构如图2.2所示，其中脚1为阳极，脚2为阴极，脚3为发射极，脚4为集电极。同时它还拥有以下特点:（1）电流传输比CTR:IF=5mA,VCE=5V时最小值为50%；（2）输入和输出之间的隔绝电压高Viso(rms):5.0KV。当输入端加电信号时，发光器发光，受光器接受光线后开始导通，产生光电流从输出端输出。PC817改变了以往普通光电耦合器只能传输数字信号的弱点。它能够传输连续变化的电流信号或模拟电压，这样，随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，改变光敏晶体管的导通程度，输出的电压或电流也不同。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UC3844的工作。在电路中，PC817光电耦合器不但可以起到反馈作用，而且可以起到隔离作用。图2.2PC817内部框图2.2.2TL431TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压可以任意地设为从2.5V到36V范围内的任何值，只用两个电阻就可以办到。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中，我们可以用它代替齐纳二极管，例如，可调压电源、数字电压表、运放电路、开关电源等等。TL431的功能如图2.3。由图可看出，VI是内部的2.5V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电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管，电流会从1-100mA逐渐变化。图2.3TL431的功能模块示意图在开关电源的设计中，经过TL431反馈，使得电流输出并将误差放大，TL431的沉流端驱动一个光耦的发光部分，这时反馈电压由处在电源高压主边的光耦感光部分得到。反馈电压可以用来调整一个电流模式的PWM控制器的开关时间，得到一个稳定的直流电压输出。由于TL431的内部含有2.5V基准电压，在REF端引入输出反馈时，器件可以由一个很宽范围的分流来控制输出电压。当R1和R2的阻值确定时，两者对Vo分压，并且引入反馈，Vo增大导致反馈量增大。TL431的分流增加，导致Vo逐渐下降，如图2.4的电路：图2.4TL431的典型应用选择不同的R1和R2的值可以调整从2.5V到36V范围内的电压输出，有一种特殊情况，当R1=R2时，Vo=5V。然后要注意的是，在选择电阻时一定要保证TL431工作的必要条件，那就是通过阴极的电流大于1mA。2.2.3开关功率管的选择开关功率管可选用MOS功率管或双极型功率管。双极型功率管是具有功率输出能力的双极、结型晶体管（BJT）。应有两种载流子（电子与空穴）流过晶体管，故称之为双极型，这与仅利用一种载流子的场效应管不同。目前大量使用的PNP或NPN面结型功率管均属于双极型功率管，其开关时间为微秒级，一般只能工作在几十个千赫以下。这种功率管在工作时若UCE突然跌落，管子就在极短时间内从高压小电流变成低压大电流状态，所呈现的负阻想象称作二次击穿。由于它存在二次击穿现象，因此只能用在安全工作区以内，这就使实际功耗必须大大低于器件的最大允许功耗。本电路的开关功率管设计采用MOS管，MOS管具有输入阻抗高、高耐压、通态电阻小、开关速度快、成本低廉等优点，是一种有广大发展前途的新型MOS功率器件。由于单端反激式开关电源中所产生的反向电动势e=170V，绕组漏感造成的尖峰电压Ul»100V，那么UImax+e+Ul»650V，因此开关功率管应能承受650V以上的高压。另外，考虑到MOS管的损耗分为开关损耗和导通损耗，开关损耗与开关频率有关，导通损耗与MOS管导通电阻Rds有关，因此在选择开关管的时候，为了减少其导通损耗，通常选择导通电阻小的MOS管。这里采用型号为2SK2611的MOS管，其漏源间能承受最高电压900V，最大漏极电流9A，最大漏极耗散功率150W，导通电阻Rds=1.2W，完全能满足要求，但是在使用过程中必须加合适的散热器，并使用硅脂涂层。2.3变压器设计变压器在开关电源设计中占有很重要的部分，它严重影响着电源的效率、工作能力和输出功能。在设计时，我们不仅要考虑工作中频率、输入和输出电压、主电路的形式、转换功率容量，还要考虑绕组绕制的方式、空间大小、散热方式、工作环境、铁芯材料和形状和成本等多种方面的因素。在设计单端反激式变换电路的变压器时，我们要注意到它也可以有电抗器的功能，所以要根据实际情况来设计。图2.5开关电源的变压器部分如图2.5，MOSFET功率开关管因为PWM脉冲激励开始导通，变压器的原边绕组上开始流入直流输入电压，变压器次级绕组上感应出的电压使整流二极管阻断，此时电源能量以磁能形式存储在电感里；当MOSFET开关管截止时，原边绕组两端电压反向开始给原边绕组回路施加电压，副边绕组上的电压极性随之颠倒，这时候输出端的整流二极管开通通，储存在变压器中的电压释放给负载电路，完成电流的输出。2.3.1计算一次绕组参数根据技术指标的要求，输入功率约为62.5W，则原边峰值电流为:Ipk=2Po/(Vin(max)Dmax)=0.23A(2.1)式中：Po为输出功率，32.2W；Vin(max)为交流电压的最大值(经过整流后得到的直流电压的数值，取700V；Dmax为最大占空比，取0.4。变压器的初级电感量为:Lp=Vin(max)×Dmax/(Ipk×f)=10.1mH(2.2)式中：Vin(max)为交流电压的最小值经过整流后得到的直流电压的数值，取350V；Dmax为最大占空比，取0.4；f为工作频率，UC3844的振荡工作频率由引脚4与引脚8之间所接定时电阻RT、引脚4与地之间所接定时电容CT设定。计算公式为:f=1/T=RTCT/0.55=1.72RTCT(2.3)这里取f为60kHz。设满载时的峰值电流为Ip，在进行短路保护时的过载电流为Is，则(2.4)(2.5)(2.6)在一次绕组上储存的电能为(2.7)2.3.2计算磁芯参数高频变压器的最大承受功率PM与磁芯截面积S1（单位是cm2）之间存在下述经验公式(2.8)其中，PM的单位取W。其中Sj=CD，C为舌宽；D为磁心厚度，Pm单位为W。现实际输出功率Po=19.2+3+10=32.2W。设开关电源的效率η=85%，则高频变压器的额定输入功率P1=Po/η=37.9W，设计高频变压器时留出一点余量，可取Pm=50W。则Si=0.15(2.9)2.3.3计算变压器有效体积在单端反激式变换器电路中，变压器初级绕组只在B—H待佐曲线(磁滞回线)的一个方向上被驱动，因此，在设计时注意不要使其饱和，所选择的磁芯一定要有足够大的有效体积，通常应用空气隙来扩大其有效体积。传输变压器有效体积v的计算公式如下：(2.10)ILamx最大负载电流L：变压器次级绕组的电感量：空气的导磁率，其值为15：所选磁芯的磁性材料的相对导磁率Bmax：磁芯的最大磁通密度相对导磁率从应尽可能选得大一些，以避免由于喂制磁充尺寸和线径，以及铜损和铁损引起磁芯温升过高。2.3.4确定一次绕组匝数N1可由下式确定N1，R值设定为0.5，磁铁密度Bpk怎么变化都不会超过0.3T。(2.11)我们查得数据可知，高频变压器EER28磁心有效面积Ae=0.814cm2此通报和密度B=21.9T带入数据得到(2.12)2.3.5确定自馈绕组Ns和二次绕组的匝数一旦一次绕组确定之后，利用下式即可计算N2，N3的匝数(2.13)式中——绕组N2（或N3）两端的电压；——输出整流二极管的正向压降。自馈绕组N2回路中的整流管VD1，其≈1V。绕组两端的有效值电压为20V时，经整流滤波后可获得大约16V的直流电源，开始向UC3844供电。(2.14)实际取5匝。二次绕组N3回路中可以使用肖特基整流二极管，U≈0.4V，Uo=5V，故(2.15)鉴于当输出电流Io达到5A时，在输出电阻及绕组的铜阻上均会产生压降，会果断输出电压的跌落，因此应适当增加N3的匝数，以提升UO。实际取N3=2匝，用2股1.0mm高强度漆包线并联后绕制而成。Uo=15V时，(2.16)实际取4匝。Uo=24V时，(2.17)实际取6匝。2.3.6计算空气气隙为防止高频变压器发生磁饱和现象而损坏开关功率管，需要在EER28型磁心的两个侧面各留出一定的空气气隙d。假如磁场集中于气隙处而未向外部泄露，则(2.18)这里去B=500mT，把N1=53，Is=0.7A代入可得(2.19)保留余量，每边可留出1mm的气隙。另外，利用AP法选择最小尺寸的磁芯 (2.20)式中：Lp为变压器初级电感量；Lpk为原边峰值电流；j为电流密度，这里取为3；Ke为铁芯截面有效系数，选铁氧体铁芯，Ke=0.98；Kc为铁芯窗口的有效利用系数，取0.36；△Bmax为磁通密度的最大变化量，取0.2据此可选EER28型磁芯导线截面积为Sx=Iin(max)/j=0.28/3=1mm2 可选择直径为1mm的漆包线。反激变换器在工作于CCM模式下电流应力、外特性、原边电感量及反向恢复问题的分析。在CCM模式下原边电感为变换器处于电感电流临界连续时感值的k倍，其表达式为(2.21)由流过电感的电流与加在其上的电压关系可得电感电流变化量(2.22)代入上式可得(2.23)由CCM模式电流波形关系可得(2.24)(2.25)将上式联立可得每个开关周期电感电流峰值和最小值(2.26)(2.27)电感电流的峰值和最小值与之比为(2.28)每个开关周期电感电流有效值为(2.29)2.4缓冲电路设计在反激变换器的工作过程中，容易引起开关应力变高，从而导致开关出现损耗的原因一般有两个:一个是负载线连接不合理，第二个是当MOSFET功率开关管关断时，漏电感引起开关管集电极电压骤然升高。抑制开关应力的办法有两种，即耗散过电压，和减小漏电感。减小漏电感主要靠生产和制造工艺的手法；耗散过电压则依靠和电感线圈并联的RC缓冲电路，或与开关并联的RC缓冲电路。图2.6缓冲电路每当开关管由导通变为截止时，在变压器的一次绕组上就会产生尖峰电压和感应电压。由于高频变压器存在漏感而形成的尖峰电压，它对电路造成极大冲击，因为很容易损坏功率开关管。为此，在电路中加入RCD缓冲电路，用于吸收尖峰电压。缓冲的电容要满足在开关管集电极电流降为0时，其集电极电压不能超过Vceo的70%，即(2.30)取10nF/400V   式中：Ip是原边电流；Vceo是晶体管的Vceo额定值(500V)。按RC时间常数为0.5toff(min)来计算电阻R值，即R=0.5toff(min)/C×102=12.5kΩ取15kΩ             电阻消耗功率为：(2.31)f=2.79W              式中：Vc为整流后的直流电压350V；f为工作频率60kHz。为保证此电源能长时间工作，电阻的额定功率应留有一定余量，故选用5w的功率电阻。2.5驱动电路和控制电路设计UC3844内部主要由5.0V基准电压源、用来调节占空比的振荡器、电流测定比较器、误差放大器、降压器、PWM锁存器和适用于驱动功率管MOSFET的电流推挽输出电路等部件构成。UC3844的外部由驱动电路和控制电路所包围，用于对基于UC3844的电路进行控制和驱动。驱动电路，其实质是一个功率放大电路，从而满足负载额定功率使得负载可以正常工作，从而可以响应微弱的输入信号，所以对于不同的负载就需要不同的驱动电路，但实质是一样的，比如LED驱动电路，电机驱动电路，继电器驱动电路，扬声器驱动电路等。图2.7UC3844的典型外围电路UC3844的典型外围电路如图所示，图中脚7是其电源输入端，芯片的开启电压为16V，过压保护的电压上限是34V，欠压锁定电压为10V。用稳压二极管进行稳压，同时并联值为10uF的电解电容用于滤波。刚开始时由原边的主电路向芯片进行供电，等电路正常工作以后，开始由副边进行供电。原边主电路向其供电时需加限流电阻，考虑芯片的发热和散热水平条件，其值取为80kΩ/5W，在输出端与稳压管相连接处串入二极管，用于防止输出电压不稳定时，超高电压直接进入稳压二极管，致其烧坏。脚4接振荡电路，产生所需要频率的锯齿波，工作频率为=1.8/