基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计_毕业论文.doc

基于uc3844通用变频器辅助电源的研究设计 毕 业 论 文 题 目： 基于uc3844通用变频器辅助电源的研究设计 学院： 电气信息学院 专业：电气自动化 班级： 学号： 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：2013 年 5 月 30 日基于uc3844通用变频器辅助电源的研究设计湖南工程学院毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 基于uc3844通用变频器辅助电源的研究设计 姓名 系别 电气与信息系 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 一、 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通用变频器应用范围广、需求量大，这就为研究通用变频器的模块化、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（dc 350v-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：1、 设计完善的硬件电路2、 元器件有关参数计算及选型3、 完成样机制作并进行调试4、 完成设计报告的撰写二、 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（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09日 毕业设计答辩（公开答辩、分组答辩）。 基于uc3844通用变频器的辅助电源的研究设计 摘要 ：通用变频器作为早个商品开始在国内上市，是最近十年内的事情，并且销售额逐年增加，至今为止全年有超过数十亿元（rmb）的市场。对于许多用户而言,这十年中历经多次更新，现在所使用的变频器大部分属于目前最先进的机型。若从应用的角度来说，我们的水准与发达国家已经很接近。本课题是设计一个通用变频器的多路输出的反激式开关电源，电源取高压直流（dc 350v-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（dc 350v-700v）输入多路（5路：24v/200ma；15v/200ma；5v/1a）隔离输出。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i基于uc3844通用变频器辅助电源的研究设计design of auxiliary power supply based on uc3844 general inverterabstract：as a goods start early in the domestic market, is nearly a decade,general converter sales increased year by year, this year more than billions of yuan (rmb) in the market. for many users, this decade has been a lot of time to update, now the frequency converter used mostly belongs to the most advanced models if from the point of view of application, we have very close to level with the developed countries. this topic is to design a general inverter multiplexed output of the flyback type switch power supply, power supply from high voltage direct current (dc 350 v - 700 - v). requirements based on uc3844 dedicated pwm chip, adopt the structure of the flyback high voltage direct current (dc 350 v - 700 - v) input multiplexer (24 v / 5:200 ma, + 15 v / 200 ma; 5 v / 1 a) isolation of the output. design of the system should comply with the regulations of the industry.keywords: uc3844，switching power supply，the flyback converteriii基于uc3844通用变频器辅助电源的研究设计目录基于uc3844通用变频器的辅助电源的研究设计idesign of auxiliary power supply based on uc3844 general inverterii前 言1第一章 绪论21.1 通用变频器的发展21.2 通用变频器工作原理31.2.1变频器的基本控制方式31.2.2 变频器输出电压调制和pwm技术51.3 通用变频器的开关电源简介71.3.1 开关电源的发展71.3.2开关电源的优点：91.3.3 开关电源的构成91.3.4保护电路141.3.5开关电源中的辅助电源151.4 uc3844芯片介绍171.5 课题来源及主要研究内容181.5.1课题来源181.5.2 主要研究内容19第二章 开关电源的设计192.1 主电路拓扑202.2主要器件介绍202.2.1 pc817202.2.2 tl431212.2.3 开关功率管的选择222.3 变压器设计232.3.1 计算一次绕组参数232.3.2计算磁芯参数242.3.3 计算变压器有效体积252.3.4确定一次绕组匝数n1252.3.5 确定自馈绕组n2和二次绕组n3 的匝数262.3.6 计算空气气隙272.4缓冲电路设计282.5驱动电路和控制电路设计302.6电流反馈电路设计312.7电压反馈电路设计32第三章 斜坡补偿343.1 斜率补偿的类型与补偿方程343.2 正斜率补偿及其补偿电路354.3 正斜率补偿的电路优化36结束语38参考文献39致 谢40附 录4141基于uc3844通用变频器辅助电源的研究设计前 言 在电源日新月异的今天，新型、高效、环保的电源产品越来越受到人们的重视。高频开关式直流稳压电源具有体积小、效率高、和占空间小等特点，因此获得了广泛的关注研究和应用。开关电源的控制电路可以分为电压控制型和电流控制型，电压控制型是一个单闭环电压控制系统，因此系统响应速度慢，很难达到令人满意的调整率精度。而电流控制型较电压控制型拥有很多不能相比的优点。 uc3844是国内应用比较广泛的一种电流控制型脉宽调制器。这里说的电流型脉宽调制器，其原理是按反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比，使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。uc3844的结构上有电压环、电流环双环系统，因此，无论开关电源的负载调整率、电压调整率、和瞬态的响应特性都有很大提高，是目前比较理想、应用比较广泛的新型控制器。41第一章 绪论1.1 通用变频器的发展变频器如今已经应用于各行业多种设备,并逐渐作为当今电能节省,改善工艺流程，改造传统型工业,提高生产自动化水平,提高产品的质量,改善环境的主要技术之一。变频器技术是一种全新绿色环保技术,是国民经济以及日常生活中普遍需要的新兴技术,也是国际上电子技术更新最快的领域之一。 交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一，这是和电力电子器件制造技术、变流技术控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切相关。 随着微机技术、电力电子技术和调速控制理论的不断发展，变频器作为一种智能调速“电源”也在不断地更新。从变频器被发明以来，通用变频器已经经历以下几个发展阶段：模拟式、数字式、智能式、多功能型和现在的通用变频器。新型通用变频器不仅采用高频载波方式的正弦波spwm调制实现静音化，还在通用变频器输入侧加交流电抗器，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，在抗干扰和抑制高次谐波方面皆符合国际标准，实现清洁电能的变换。比如柔性pwm的控制技术，它实现了更低的噪音运行。为更好地发挥变频调速控制技术的独特功能，并尽可能满足现场控制的需要，新型通用变频器派生了许多专用机型，例如风机水泵专用型、机械主轴传动专用型、交流电梯专用型、电源再生专用型、起重机专用型、纺织机械专用型、恒压供水专用型、机车牵引专用型、中频驱动专用型、单相变频器等。新型通用变频器不仅发展单机的数字化、智能化外，还向集成化、系统化的方向飞速发展。如西门子公司的集通讯、设计和数据管理于一体的“全集成自动化”（tia）平台概念，它可以使伺服装置、控制器、变频器及通讯装置等配置，更甚至于自动化和驱动系统以及通讯和数据管理系统都可以像驱动装置嵌入全集成自动化的系统那样进行，其目的是为广大用户提供最好的系统功能。新型通用变频器可提供多种兼容的通信接口，支持多种不同的通信协议，内装rs485接口，可由个人计算机向通用变频器输入运行命令和设定功能码数据等，通过选件可与现场总线：profibus-dp、interbus-s 、device net 、modbusplus、cc-link、lonworks、ethernet、can open、t-link等通讯。如西门子、vacon、富士、日立、三菱、台安等品牌的通用变频器，均可通过各自可提供的选件支持上述几种或全部类型的现场总线。新型通用变频器可以内置多种应用软件，有的品牌可提供多达130余种的应用软件，以满足现场过程控制的需要，如pid控制软件、张力控制软件、速度级链、速度跟随、电流平衡、变频器功能设置软件、通讯软件等。变频器功能设置软件可以在windows95/98环境下设置变频器的功能及数据通讯。并且，用户只要设定数据组编码，而不必逐项设置，通用变频器会将运行参数自动调整到最佳状态（矢量型变频器可对电机参数进行自整定）。1.2 通用变频器工作原理1.2.1变频器的基本控制方式 在各种异步电机调速控制系统中，目前效率最高、性能最好的系统是变压变频调速控制系统。异步电动机的变压变频调速控制系统一般简称为变频器。由于通用变频器使用方便、可靠性高，所以它成为现代自动控制系统的主要组成元件之一。 根据异步电动机的转速表达式： 可知，改变频率就能改变电动机的转速，但是在实际实验中发现单纯改变电动机的频率会烧坏电动机。由电机学可知，定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果，本质上是定子绕组的自感电动势。其三相异步电机定子每相电动势的有效值是：式中：e1:气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为v； f1:定子频率，单位为hz； n1:定子每相绕组串联匝数； kr1:与绕组结构有关的常数； m:每极气隙磁通量，单位为wb。 由上式可知，如果定子每相电动势的有效值e1不变，当我们改变定子频率时就会出现下面两种情况： 如果 f1大于电机的额定频率 f1n， 那么气隙磁通量m就会小于额定气隙磁通量mn。其结果是：尽管电机的铁心没有得到充分利用是一种浪费，但是在机械条件允许的情况下长期使用不会损坏电机。 如果 f1小于电机的额定频率 f1n，那么气隙磁通量m就会大于额定气隙磁通量m。其结果是：电机的铁心产生过饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。 要实现变频调速，在不损坏电机的条件下，充分利用电机铁芯，发挥电机转矩的能力，最好在变频时保持每极磁通量m为额定值不变。 对于直流电机而言励磁系统是独立的，尽管存在电枢反应，但只需对电枢反应作适当的补偿，保持m不变很容易做到。在交流异步电机中，磁通是定子和转子磁动势合成产生的，但是如何才能保持磁通基本不变呢？1、 基频以下调速 要保持m不变，当频率f1从额定值f1n 向下调节时，必须同时降低e1，使e1/f1常数。即采用电动势与频率之比恒定的控制方式。 然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势的值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压u1e1，则得： 这是恒压频比的控制方式。在恒压频比条件下改变频率时，我们能够证明：机械特性基本上是平行下移的，如图所示。 图1-1恒压频比下的调速机械特性 、 基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从f1n往上增高，但电压u1却不能超过额定电压u1n，最多只能保持u1=u1n 。由以上公式可知，这将迫使磁通随频率升高而降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。在基频f1n以上变频调速时，由于电压u1=u1n 不变，我们不难证明当频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，如图所示。由于频率提高而电压不变，气隙磁动势必然减弱，导致转矩减小。由于转速升高了，可以认为输出功率基本不变。所以，基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。 图1-2 基频以上调速的机械特性曲线 通过以上分析可知，异步电动机变频调速时必须按照一定规律使变频和调压合理配合，变频器的整流虑波电路和逆变电路就是要完成此项任务。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，其作用是把工频交流电通过整流器转换成直流电，目前变频器的整流技术主要是采用二极管桥式电路进行不控整流。二极管整流的主要缺点是：产生谐波和不可控制性。谐波对电网造成了严重的“污染”；不可控制性不仅使能量只能从交流到直流进行单向流动，而且所得直流电大小不可调节。治理这种电网“污染”最根本的措施就是将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。 变频器的逆变电路依据逆变电路输出电压调制方法有脉幅调制pam (pulse amplitude modulation)、脉宽调制pwm (pulse width modulation）、正弦脉宽调制spwm等3种类型。由于逆变电路输出电压调制方法不同，要求逆变电路中各半导体器件控制信号也不同。 脉宽调制pwm（pulse width modulation)就是要求逆变电路输入直流电压的有效值是不可控制的，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，达到其输出电压变频改变和输出脉冲占空比变化，从而实现频率和电压值配合改变目的，如图所示。 图1-3a频率占空比小 图1-3b 频率占空比大 在众多分类方法中，最基本的就是将整流器分为电压型和电流型两大类。电压型pwm整流器（voltage source rectifier,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。vsr以其简单的结构、较低的损耗、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1-4一种三相电压型pwm整流器电流型pwm控制系统框图如图所示。 图1-5 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)电压调整率好。输入电压的变化立即引起电感电流的变化,电感电流的变化立即反映到电流控制回路而被抑制,不像电压控制要经过输出电压反馈到误差放大器,然后再调节的复杂过程,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,因而可以达到较高的线形调整率。 b)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,以适应负载变化造成的输出电压的变化,因而可大大改善负载调整率。 c)系统稳定性好。从控制理论的角度讲,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,系统稳定性好。1.3 通用变频器的开关电源简介1.3.1 开关电源的发展 电力电子传动技术已经渗透到人类生产和生活的各个领域，变频器作为电力电子传动设备必不可少的部分也得到了很大的发展，变频器技术已经从单一的控制电机发展到包含过压欠压保护、故障报警、检测反馈等等多系统的变频器控制系统。因此，需要有多路稳定输出的电源来保证如此复杂的变频控制系统正常稳定的工作。 变频器朝着小型化和低成本化方向发展，加速了电源向轻、薄、小和高效等方向发展。传统的晶体管稳压电源是连续控制的线性稳压电源，这种传统稳压电源技术比较成熟，已开发出大量集成化的稳压电源模块，这此类电源的优点是：稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等，但这类电源有致命的缺点是体积大，因为它包括需要笨重的工频变压器，体积和重量都很大的滤波器。为了符合变频调速器的小型化轻型化的发展，电源技术工程师开始研发新的电源，开关电源因其特有的优点而受到关注，而且到目前为止已经成功应用到了变频器设备中。开关电源是指电路中的电力电子器件工作在开关状态的稳压电源，是一种高频电源变换电路,采用直-交-直变换,能够高效率地产生一路或多路可调整的高品质的直流电压。开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压。开关电源的基本构成如图所示，其中dc/dc变换器进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有起动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路（r1、r2）检测输出电压变化，与基准电压ur比较，误差电压经过放大及脉宽调制（pwm）电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。 图1-6 一种电路实现形式 1.3.2开关电源的优点： 开关电源的电路结构比较复杂，但是和线性电源相比有如下几个突出的优点：(1)功耗小，效率高。功率晶体管在激励信号的激励下，交替工作在饱和导通与截止的开关状态，转换速度很快，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，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可以达到80%以上。(2)体积小，重量轻。由于没有采用笨重的工频变压器，并且在功率晶体管上的耗散功率大幅降低后，又省去较大的散热片，因此开关稳压电源的体积和重量都可以得到减小。(3)稳压范围宽。开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比或者激励信号的频率来调节的，输入电压的变化也可以通过变频或调宽来进行补偿。在工频电网电压有较大变化或负载有较大变化时，它仍能保证有较稳定的输出电压，所以稳压范围宽、稳压效果好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样，开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。(4)滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50khz，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。在相同的纹波输出电压的要求下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容容量的1500一11000。(5)电路形式灵活多样。例如，有自激式和他激式；有调宽型和调频型；有单端式和双端式，等等。设计者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。1.3.3 开关电源的构成变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。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1-7 开关电源的基本构成 图1-8开关型稳压电源的原理电路1.整流滤波电路变频器的原理，就是通过交直流转换，把我们的常用的电源，调整成频率、电压都可调的电源，进而实现对电机的无级调速，以及节能的目的。 变频器的整流虑波电路和逆变电路依据电路中所用的半导器件分类，可分为二极管单相桥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、晶闸管三相桥半控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等4类。 变频器的整流虑波电路和逆变电路依据逆变电路中所用的半导体器件分类，可分为用晶体三极管组成的三相桥式逆变电路、用绝缘栅双极型晶体三极管组成的三相桥式逆变电路、用门极晶闸管组成的三相桥式逆变电路、用mos场效应管组成的三相桥式逆变电路等4种类型。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，对变频器产生的谐波进行抑制。第二，对将要进入变频器的电网中的谐波进行阻止。第三，抑制电网的换相缺口；第四，缓和电网中的尖峰脉冲；第五，有一定的节能效果，约为510%； 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，同时还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：pwm变换器 脉冲宽度调制（pwm）是英文“pulsewidthmodulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。脉冲宽度调制（pwm）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。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，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(on)，要么完全无(off)。电压或电流源是以一种通(on)或断(off)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用pwm进行编码。其工作原理如图 ： 图1-9 pwm变换器原理图 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的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是pwm相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将pwm用于通信的主要原因。从模拟信号转向pwm可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的rc或lc网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。dc/dc变换器dc/dc变换器用于开关电源时，很多情况下要求输入与输出间进行电隔离。这时必须采用变压器进行隔离，称为隔离变换器。这类变换器把直流电压或电流变换为高频方波电压或电流，经变压器升压或降压后，再经整流平滑滤波变为直流电压或电流。因此，这类变换器又称为逆变整流型变换器。 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1-10 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inu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1-11 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1-11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。当功率管关断时，会产生很高的关断电压尖峰。导致开关管的电压应力大，有可能损坏功率管；导通时，电感电流变化率大，电流峰值大，ccm 模式整流二极管反向恢复引起功率开关管开通时高的电流尖峰。因此，必须用箝位电路来限制反激变换器功率开关电压、电流应力。由于反激变换器具有高可靠性、电路拓扑简洁、输入输出电气隔离、升/降压范围宽、易于多路输出等优点。因此，反激变换器是中小功率开关电源理想的电路拓扑,电力电子技术研究人员对此进行了大量的研究。 正反激式变压器开关电源少用一个大储能滤波电感，以及一个续流二极管，因此，反激式变压器开关电源的体积要比正激式变压器开关电源的体积小，且成本也要降低。此外，反激式变压器开关电源输出电压受占空比的调制幅度，相对于正激式变压器开关电源来说要高很多，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。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。 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，如占空比d，最大峰值电流，设计反激式变压器，就是要让反激式开关电源工作在一个合理的工作点上。这样可以让其的发热尽量小，对器件的磨损也尽量小。同样的芯片，同样的磁芯，若是变压器设计不合理，则整个开关电源的性能会有很大下降，如损耗会加大，最大输出功率也会有下降。3.控制电路开关电源的控制电路可以分为电压控制型和电流控制型，前者是一个单闭环电压控制系统，在其控制过程中，电源电路中的电感电流未参与控制，是独立变量，开关变换器为二阶系统，而二阶系统是一个有条件的稳定系统；后者是一个电压、电流双闭环控制系统，电感电流不再是一个独立变量，从而使开关变换器成为一个一阶无条件的稳定系统，因而很容易不受约束地得到大的开环增益和完善的小信号、大信号特性。1.3.4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、辅助电源和控制回路组成。功率主回路主要用来给用户负载供电，而开关电源的辅助电源主要用来给功率主回路的控制电路、驱动电路或电源系统的监控电路供电。辅助电源的设计不但影响到整个电源的体积、效率、稳定性、可靠性和成本，而且还将影响到整个开关电源的设计策略。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，则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。2 开关电源辅助电源的特点及种类由于所需辅助电源的功率一般较小，辅助电源应该力求简单、可靠和小巧。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：(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： 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后，又经过四只二极管全波整流，经c5、c6平滑滤波后加到三端稳压器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。第二种方法：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，直接从两路220v(经过输入滤波电路之后)电网电压中取得低频脉动电压，并串联两只电阻限流。然后经过四只二极管全波整流，最后再输入集成稳压器7815，以提供所需电压。ic输入端并联一只稳压二极管箝位，防止浪涌电压损坏7815。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。(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。主要用于中小功率电源系统，有利于减小整个电源的体积，实现小型化，节约成本。特点是辅助电源与主变换器二者的工作状态互相制约。如果辅助电源不给控制电路供电，主变换器将不工作。而当主电路不工作，辅助电路也随之关闭。所以在电源的启动阶段需要一些方法给控制电路提供能量，然后过渡到正常的工作状态。启动方法：启动时直接由直流输入端提供起动电压，如图1-12。 图1-12 uc3844的反激式开关电源这是一个由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。3 开关电源中的辅助电源设计的原则虽然辅助电源所需要输出功率不大，但它是开关电源中的非常重要的组成部分，将影响到整个电源的性能。开关电源正向着轻、小、薄、高可靠、高稳定、高效率和智能化的方向发展，应根据整个开关电源系统的规格要求来选择合适的辅助电源系统，首先在满足可靠性的前提下，设计简单、轻巧和经济的辅助电源。1.4 uc3844芯片介绍uc3844是美国unitrode公司生产的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、电压调整率好、频响特性好、稳定幅度大、具有过流限制、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。其内部电路结构如图所示。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。 是电流型单端输出式pwm,其最大占空比为50%,启动电压16v,具有过压保护和欠压锁定功能。当工作电压大于34v时,稳压管稳压,使内部电路在小于34电压下可靠工作;当输入电压低于10v时,芯片被锁定,控制器停止工作。其内部框图和引脚图如图1-13所示。 图1-13 uc3844内部结构框图和引脚图 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050%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:引脚2是电压反馈端,将取样电压加至e/a误差放大器的反相输入端,与同向输入端的2.5v基准电压进行比较,产生误差电压。利用内部e/a误差放大器可以构成电压环。引脚3是电流反馈端,电流取样电压由引脚3输入到电流比较器。当引脚3电压大于1v时,输出关闭。利用引脚3和电流比较器可以构成电流环。引脚1是补偿端,外接阻容元件以补偿误差放大器的频率特性。引脚8为5v基准电压,带载能力50ma。引脚6为推挽输出端,有拉、灌电流的能力。引脚5为公共端。引脚7为集成块工作电源端,电压范围为8v40v。uc3844的输出级为图腾柱式电路,与sg3525的一端完全相同。输出平均电流值为200ma,最大峰值电流1a,可直接驱动功率管。由于峰值电流自限,可以不要串入限流电阻。对于电流型控制芯片uc3844,使输出驱动信号关断的方法有两种:一种是将引脚1电压降至1v以下,另一种是将引脚3电压升至1v以上。这两种方法都是使电流比较器输出高电平,pwm锁存器复位,关闭输出端,直至下一个时钟将pwm锁存器置位为止。根据这一原理,可以控制引脚1、3电压的变化,实现各种必要的保护。1.5 课题来源及主要研究内容1.5.1课题来源变频器已应用于各行各业多种设备,并成为当今节电,改造传统工业,改善工艺流程,提高生产过程自动化水平,提高产品质量,改善环境主要技术之一。变频器技术是一种绿色技术,是国民经济和日常生活中普遍需要新技术,也是国际上技术更新换代最快领域之一。在我国60%的发电是通过电动机消耗掉的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视，目前己有一定规模。三相交流异步电动机，由于转子侧的电流不从外部引入，而由电磁感应产生，故而具有结构简单牢固、体积小、重量轻、价格低廉、便于维护等优点，一经问世，就备受人们的青睐。与其他电动机相比，它在工农业生产设备中的占有率一直处于绝对领先的地位。另一方面，随着工农业生产的不断发展和进步，人们对调速的要求越来越高，而异步电动机在调速方面一直处于性能不佳的状态。然而，变频技术的出现改善了交流电机的调速性能。随着电力电子技术、微电子技术以及控制技术的不断发展，诸多新型电机控制技术不断被提出，使变频调速能很好地实现对交流电机的调速。本课题是针对国内现有的通用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通用变频器应用范围广、需求量大，这就为研究通用变频器的模块化、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 主要研究内容 综上，本论文的开关电源研究内容是：高压直流（dc 350v-700v），输出要求有一路独立15v，两路独立5v，四路24v一共是五路输出，输出电压纹波在5%范围内。要求输出动态响应性能好，输出电压稳定。要求：1、多路输出之间无电磁干扰；2、不论负载如何变化，各路输出的电压都要稳定，不能有大的波动；3、整个开关电源不能发射出过大的干扰信号，避免影响变频器的正常工作；4、要求其体积尽可能小，成本低廉，维修容易。 第二章 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，主电路采用单端反激式变换电路，220 v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，采用功率mosfet作为功率开关管，在uc3844的控制下，将能量传递到输出侧。为抑制电压尖峰，在高频变压器原边设置了rcd缓冲电路。图2-1 主电路主要结构图2.2主要器件介绍2.2.1 pc817pc817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。同时还具有以下特点: 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):5.0 kv。普通光电耦合器只能传输数字信号（开关信号），不适合传输模拟信号。线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件，能够传输连续变化的模拟电压或电流信号，这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，从而使光敏晶体管的导通程度也不同，输出的电压或电流也随之不同。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uc3842的工作。同时pc817光电耦合器不但可以起到反馈作用还可以起到隔离作用。 图2-2 pc817内部框图2.2.2 tl431 tl431是由美国德州仪