电力电子技术课程设计48V2.5A电动车充电器设计.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力电子技术电力电子技术课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：48v/2.5a48v/2.5a电动车充电器设计电动车充电器设计 院（系）：院（系）： 新能源学院新能源学院 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 起止时间：起止时间：2015-12-29至至2016-1-9 本科生课程设计（论文） 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）： 新能源学院 教研室： 电 学 号学生姓名专业班级 课程设 计（论 文）题 目 48v/2.5a48v/2.5a电动车充电器设计电动车充电器设计 课程设计（论文）任务 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能实现功能 电动自行车以其价格低、绿色环保，使用安全方便等优点越来越受到 消费者的喜爱。目前国内市场上的电动自行车大多采用 48或 36密封铅 酸蓄电池组，为了降低成本，要求充电器采用简化的恒流恒压模式，以满 足一般电动车 48v 蓄电池充电的要求。 设计任务设计任务 1、方案的经济技术论证。2、工频整流电路设计。3、高频逆变电路设 计。4、高频整流电路设计；5、参数计算；6、选择器件的具体型号。7、 绘制相关电路图。8、进行 matlab 仿真。9、完成设计说明书。 要求要求 1、1、文字在 4000 字左右。 2、2、文中的理论分析与计算要正确。 3、3、文中的图表工整、规范。 4、元器件的选择符合要求。 技术参数技术参数 1、输入电源电压为175266v(50hz60hz)。 2、输出电压： 59v2.3v。输出电流2.5a。若被充电池容量为20ah，则充电时间约为9小 时充电效率约为88%。3、可采用分立器件或集成芯片。 进度计 划 第 1 天：集中学习；第 2 天：收集资料；第 3 天：方案论证；第 4 天：主 电路设计；第 56 天：参数计算；第 78 天：器件选择；第 9 天：总结并 撰写说明书；第 10 天：答辩 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） 气 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 本科生课程设计（论文） 摘 要 电动自行车逐渐普及，充电成为日常生活必不可少的项目。如何能够快速效 率的充电，是一项很有前景的研究。现在市场上的充电器可有两种：一种是 uc3842 核心驱动的单管变换器，uc3842 驱动的单管正激式功率管，小功率输出。 另一种是 tl494 核心驱动的半桥型变换器，tl494 驱动的是半桥式连接的功率管， 对于大功率输出。 本次设计采用 uc3842 芯片设计了一款反激式 48电动车充电器。该充电 器基于电流模式的开关电源的原理设计，各部电路如下：主电路为单端反激式设 计，控制电路以集成控制器 uc3842 为核心，以及控制芯片 lm324 和 tl431 实现 对蓄电池的充电控制。 设计内容简介了相关芯片，绘制了相关的设计电路，并分析了其设计及其工 作原理，主要内容电路：主电路、工频整流电路、高频逆变、变压器、高频整流 电路以及显示部分的工作原理。经实验验证，充电器性能优良，但略有小瑕疵。 关键词：pwm；电动车充电器；反馈；uc3842 本科生课程设计（论文） 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 电力电子技术概况 .1 1.2 本文设计内容 .2 第 2 章 48v/2.5a 电动车充电器电路设计 3 2.1 电动车充电器总体设计方案 .3 2.2 具体电路设计 .4 2.2.1 主电路分析与设计4 2.2.2 工频整流电路设计6 2.2.3 高频逆变电路设计7 2.2.4 单端反激电路设计8 2.2.5 保护电路设计9 2.3 元器件型号选择.10 2.3.1 uc3842 参数介绍 10 2.3.2 各电子元件参数计算： 11 2.4 系统仿真.12 2.4.1 48v/2.5a 电动车充电器仿真模型建立 .12 2.4.2 48v/2.5a 电动车充电器仿真波形及数据分析 .13 第 3 章 课程设计总结 .14 参考文献 16 本科生课程设计（论文） 第 1 章 绪论 1.1 电力电子技术概况 日常我们所说的电力电子技术，具体来说就是使用利用电力电子器件实现工 业规模电能变换的技术，有时也称为功率电子技术。一般情况下，它是将一种形 式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。电力电子器件有如 scr，晶体管， igbt 等。例如，将交流电能变换成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将 工频电源变换为设备所需频率的电源；在正常交流电源中断时，用逆变器（见电 力变流器）将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。应用电力电子技术还能实 现非电能与电能之间的转换。从公用电网直接得到的电力是交流，从蓄电池和干 电池得到的电力是直流。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特 点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、 触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路， 根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常 与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理 等技术常在这些装置及其系统中大量应用。 电动车充电器是为电瓶充电而设计的设备。其需要变压器、开关电源以及各 个电路。开关电源有两种工作方式：正激式和反激式。由于电路里需要多路不同 电压供电，因此需要设计电源装置来提供所需的电功，为了满足要求电源装置能 达到待需值，提供固定的电流。开关电源成为电子设备供电的主要电源。在所需 的变压器方面大致可分为用有工、无工频变压器。 本科生课程设计（论文） 1.2 本文设计内容 本次设计主要是为实现 48v/2.5a 电动车充电器设计，利用目前国内市场上 已有的充电器电路和参数，对其进行进一步的改进和完善。通过简化一些电路模 式，采用 48 v 密封铅酸蓄电池组，为了降低成本，以满足一般电动车 48v 蓄电 池充电的要求。 本文主要设计电路为由开关电源作主电路，以 uc3842 为核心，以及控制芯 片 lm324 和 tl431 实现对蓄电池的充电控制。各部电路包括工频整流电路设计， 高频逆变电路设计，高频整流电路设计以及参数计算和选择器件的具体型号并绘 制相关电路图，以完成设计任务。 本科生课程设计（论文） 第 2 章 48v/2.5a 电动车充电器电路设计 电动车充电器总体设计方案 ac/dc 的开关电源将交流电转化为直流电，其能量变换过程如图 2.1 所示。 市电交流工频直流高频交流 直流 脉动直流 高频交流 图 2.1 开关电源的能量变换过程 整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动 性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。 整流 电路普遍采用二极管构成的桥式电路，直流侧采用大电容滤波，该电路结构简单， 因此开关电源采用有源的功率因数校正电路。 高频逆变通过高频 dc/ac 变换技术，将低压直流电逆变为高频低压交流电， 然后经过高频变压器升压后，再经过高频整流滤波电路整流成通常均在 300v 以 上的高压直流电，最后通过工频逆变电路得到 220v 工频交流电供负载使用。具 体电路采用的是带隔离的直流-直流变流电路。针对不同的功率等级和输入电压 可以选取不同的电路。 高频整流 滤波器 工频整流电路 高频逆变 高频变压器 负载 本科生课程设计（论文） 2.2 具体电路设计 2.2.1 主电路分析与设计 主电路部分如图 2.2 所示， 图 2.2 主体部分电路设计 单端是指变压器仅有单一方向的磁通，反激是指开关管导通时变压器原边仅 作为电感储存能量，能量是在开关管断开时传递负载的。单端反激式是输入与输 出隔离的 dc/dc 变换器中的一种。输入的直流电压 ui 经二极管桥式整流加电容 滤波得到。主电路主要由高频变压器 t1，功率开关管 q1，高频整流二极管 d1、d2、d3，c6、c5、c3 滤波电容组成。开关管 q1 为型号为 p7na60 的场效应管， 变压器有三个副边 l2、l3 及 l4，对应着三路输出，这里均把其看作主电路的部 分，l2 这路输出为主输出，给蓄电池充电，l4 这路输出主要给 uc3842 及光耦供 电，l3 这路给后面状态指示电路部分供电及作为其相应的输入。二极管 d4 为普 本科生课程设计（论文） 通整流二极管，有利于对蓄电池充电；r15 主要是为了避免单端反激式工作在空 载状态。因为副边 l3 和 l2 匝数成比例，两路输出电压成比例，故 l3 这路可做 为反馈信号。 控制部分以 uc3842 为核心构成。刚要启动时变压器次级线圈无电压输出， 故 ui 经 r4 分压后加在 7 脚给芯片供电，次级绕组 l4 的输出经 d2 整流和 c3 滤 波后加在 7 脚给芯片供电。正常工作时由 l4 的这一路供电；电阻 r2 跨接在基准 电压端 8 脚和定时端 4 脚，电容 c7 接 4 脚和地，光耦 pc817 输出经18 送至 2 脚，为电压反馈信号，2 脚为芯片内部误差放大器的反向输入端；芯片 1 脚和 2 脚之间连接的 r5 和 c2 起到改善误差放大器性能的增益和频率特性的作用；变压 器原边 l1，开关管 q1，r3 和 r17 中的电流相同，故 r17 为电流取样电阻，其接 至电流检测比较器的输入端 3 脚；内部误差放大器的反向输入端 2 脚为电压反馈 信号，误差放大器同向输入端在芯片得到的基准电压信号，经误差放大器后得误 差放大信号，而误差放大信号送到芯片内部电流检测比较器的输入端，电流检测 比较器的另一输入端就是 3 脚，3 脚接电流反馈信号，这就构成了双闭环系统， 电流反馈是内环。pwm 信号输出端 6 脚有较强的驱动能力，在这里经 r6 直接驱动 开关管 q1。 输出电压 uo 经 r13、r12 和 r14 分压后加至 tl431 的 1 脚，uo 有波动时 tl431 的 1 脚的输入也会相应变化，与 tl431 中的 2.50v 带隙基准电压进行比较 后在阴极上会形成误差电压，使光耦中 led 的电流也发生相应变化，再通过光耦 使 uc3842 的 2 脚上得到的电压反馈信号发生相应的变化，从而改变 uc3842 的 6 脚上输出的 pwm 的占空比，控制输出达到要求。 负载为蓄电池，刚开始充电时蓄电池电压较低，通过反馈必然会增加 dc/dc 变换器的输出，变换器输出增加时，l3 这一路输出也增加，经 r16 和5 加在 tl431 的 1 脚的电压也增加，从而限制变换器输出的增加，也就限制了最大充电 电流。从而使充电电流较大，为了限制该电流，增加了 r16 和5 这一路反馈信 号。 状态指示部分电路，以 lm324 为核心构成。状态指示电路的主要作用是显示 电源是否接通，充电是否结束。充电器接上交流电源后，c 点上就有电压，一方 面加在 4 脚给 lm324 供电，另一方面通过 r21 让电源指示 led 灯 d1 亮。d3 和 d4 为一双色 led 指示灯。刚开始充电时，经 r22 和 r23 分压后输入给 5 脚的电压大 于其 6 脚得到的电压，7 脚输出高电位，经 r29 使 d3 红灯亮，同时经 r27 送至 2 脚使 2 脚电压高于 3 脚得到的电压，1 脚输出低电位，绿灯 d4 不亮；充好电时蓄 电池上电压相对较高，5 脚的电压大于其 6 脚电压，7 脚输出低电平，红灯 d3 不 亮，同时绿灯 d4 亮。 本科生课程设计（论文） 2.2.2 工频整流电路设计 工频就是 220v，50hz 交流电源，整流电路就是把交流电能转换为直流电能 的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。 整流电路普遍采用二极管构成的桥式电路，直流侧采用大电容滤波。桥式整 流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成 “桥”式结构，便具有全波整流电路的优点。 图 2.3 桥式整流电路 桥式整流电路的工作原理如下：e2 为正半周时，对 d1 、d3 和方向电压， dl，d3 导通；对 d2 、d4 加反向电压，d2 、d4 截止。电路中构成 e2 、dl、rfz 、d3 通电回路，在 rfz ，上形成上正下负的半波整流电压，e2 为负半周时，对 d2 、d4 加正向电压，d2 、d4 导通；对 d1 、d3 加反向电压， d1 、d3 截止。电路中构成 e2 、d2 rfz 、d4 通电回路，同样在 rfz 上形成上 正下负的另外半波整流电路。 本科生课程设计（论文） 2.2.3 高频逆变电路设计 高频逆变器通过高频 dc/ac 变换技术，将低压直流电逆变为高频低压交流 电，然后经过高频变压器升压后，再经过高频整流滤波电路整流成通常均在 300v 以上的高压直流电，最后通过工频逆变电路得到 220v 工频交流电供负载使 用。高频逆变的优缺点：高频逆变采用的是体积小，重量轻的高频磁芯材料，从 而大大提高了电路的功率密度，使得逆变电源的空载损耗很小，逆变效率得到了 提高。通常高频逆变峰值转换效率达到 90%以上。但是其也有显著缺点，高频逆 变不能接满负荷的感性负载，并且过载能力差。 图 2.4 高频逆变电路 从图中可以看出，每个桥臂由一个可控器件和一个并联二极管组成。在直流 侧接有两个互相串联的足够大的电容，两个电容的连接点便成为直流电源的中点。 负载连接在直流电源中点和两个桥臂之间。 本科生课程设计（论文） 2.2.4 单端反激电路设计 直流变直流是开关电源的核心部分，具体电路是采用带隔离的直流-直流变换 电路单端反激电路。 图 2.5 反激电路原理图 本设计主要采用主电路是单端反激式直流-直流变流电路进行设计的。同正 激电路不同，反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可看做是一对相互耦合 的电感。开关 s 开通后，vd 处于断态，绕组 w1 的电流线性增长，电感储能增加； s 关断绕组 w1 的电流被切断，变压器中的磁场能量通过绕组 w2 和 vd 向输出端释 放。 反激电路可以工作在电流断续和电流连续两种模式： 1）如果当 s 开通时，绕组 w2 中的电流尚未下降到零，则称电路工作于电流 连续模式。 2）如果 s 开通前，绕组 w2 中的电流已经下降到零，则称电路工作于电流断 续模式。 当工作于电流连续模式时： （2- off on i o tn tn u u 1 2 1） 本科生课程设计（论文） 当工作于电流断续模式时，输出电压高于上式的计算值，并随负载减小而升 高，在负载为零的极限情况下，u0 趋近于无穷，这将损坏电路中的元器件，因此 反激电路不应工作于负载开路状态。 2.2.5 保护电路设计 过流保护： 开关管过流信号取自电阻 r3、r4。一旦开关管过流，uc3842 的 3 脚电压超 过 1v，内部电路就会关闭输出，实现过流保护。增大取样电阻，就是降低了起控 电流的动作点，电源输出功率也相应减小。 过压保护： 电源输出端的 lm324 四个电压比较器反相端电位均固定在+5v。当输出端电 压较低时，即充电初始阶段，低压灯 low 亮，高压灯 hi 灭；当电池将充满电时， 电池电压升高，低压灯灭，高压灯 hi 亮。断开将取样电阻接入，使输出电流下 降，进入浮充电阶段。构成稳压电源，为继电器提供电源。 图 2.6 过流保护电路原理图 图 2.7 过压保护电路原理图 本科生课程设计（论文） 2.3 元器件型号选择 2.3.1 uc3842 参数介绍 uc3842 是高性能电流型 pwm 集成控制器，电流型控制方式是种固定时间开启， 给定电压信号、反馈电压信号和反馈电流信号共同决定其关断时刻的控制方法。 该芯片常见的封装形式有 dip-8 和 so-14，有效引脚为 8 个，so-14 有部分引脚 是空脚， ，由欠压封锁电路、振荡器、误差放大器、电流取样比较器、pwm 锁存器、 输出电路和基准电压电路等组成，其参数计算为： （2-)(72 . 1 ctrtfosc 2） 表 2.1 uc3842 参数 参数名称符号数值单位 电源电压vcc30v 输出电流io1a 误差放大器电流is10ma 放大器输入电压vin0.36.3v 功耗p1w 本科生课程设计（论文） 图 2.8 uc3842 结构 2.3.2 各电子元件参数计算： 本次设计所用元器件包括普通电容，电解电容，电阻。 uc3842 的 7 引脚出所加电压+5v，根据所需电流要小于 2.5ma 要求，需加 电阻构成取样电阻，其阻值为： （2- 3） （2- 4） （2- 5） 1 脚所接电解电容要储存接通状态时的电能，其值为： （2- 6） （2- 7） 根据基尔霍夫电流定律 kcl 节点的电流之和为 0，可得： （2- 8） 因其在具体电路中处于开关状态，电压与电流因不同的负载及回路架构（如 驱动方式）表现出来的波形的形状各有不同，并且其功率损耗形式多样，包括开 关（导通、截止瞬间）损耗、导通时内阻损耗等；这样就不能简单用电压与电流 乘积来计算它的功率损耗。 开通损耗 = （2-9）conde ton ddttitvds 0 )()( （2-fecondpcond 10） 本科生课程设计（论文） 开关（导通、截止瞬间）损耗 （2- )( 0 )()( ontd dttidtvdseon 11） （2- feoffeonpsw dttidtvdseoff trofftd )( )()( )( 0 12） 合并上述各积分项得（其中为单位时间所消耗的能量）etot （2-)(eoffecondeonfetotfpswpcondptot 13） 因此选用额定正向电流 1900a，反复重复峰值 1600-3400v，中频特性的 kpx1900 晶闸管。 2.4 系统仿真 2.4.1 48v/2.5a 电动车充电器仿真模型建立 本科生课程设计（论文） 图 2.9 multisim 仿真主电路图 multisim 是 interactive image technologies (electronics workbench）公司 推出的以 windows 为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工 作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的 仿真分析能力。采用 multisim 仿真软件仿真设计，经搭接连接电路后，开始运 行从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试。 本科生课程设计（论文） 2.4.2 48v/2.5a 电动车充电器仿真波形及数据分析 图 2.10 单端反激仿真图 图 2.11 开关电源仿真图 从仿真波形图来看，整流、逆变以及开关电源环节均正常工作，有正常的波形。 本科生课程设计（论文） 第 3 章 课程设计总结 这次的课程设计中运用了大量的电力电子技术的知识。目前所用的电力电子 器件均由半导体制成，故也称电力半导体器件。整流电路的作用是将交流降压电 路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程， 整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压， 而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压。习惯上称单向脉动性直流电压。 桥式整流是由多只整流二极管作桥式连接，外用绝缘塑料封装而成，大功率桥式 整流器在绝缘层外添加金属壳包封，增强散热。桥式整流器品种多，性能优良， 整流效率高，稳定性好，最大整流电流从 0.5a 到 50a，最高反向峰值电压从 50v 到 1000v。 在整个开关电源的电路中高频逆变-变压器-高频整流电路是最主要的部分， 高频逆变通过高频 dc/ac 变换技术，将低压直流电逆变为高频低压交流电，然后 经过高频变压器升压后，再经过高频整流滤波电路整流成通常均在 300v 以上的 高压直流电，最后通过工频逆变电路得到 220v 工频交流电供负载使用。高频逆 变的优缺点：高频逆变采用的是体积小，重量轻的高频磁芯材料，从而大大提高 了电路的功率密度，使得逆变电源的空载损耗很小，逆变效率得到了提高。通常 高频逆变器峰值转换效率达到 90%以上。但是其也有显著缺点，高频逆变器不能 接满负荷的感性负载，并且过载能力差。隔离变压器是利用电磁感应原理,对配 电或信号进行电气隔离的装置。隔离变压器在逆变器中通常被设计在逆变器的输 出端,可以起到增加逆变器性能改善负载端供电质量的作用。 开关电源的体积和重量也不断减小，提高开关频率并保持较高的效率是主要 的途径。一个开关电源经常需要同时提供多组供电，这可以采用给高频变压器设 计多个二次绕组的方法来实现，每个绕组分别连接到各自的整流和滤波电路，就 可以得到不同电压的多组输出，而且这些不不同的输出之间是相互隔离的。很多 开关电源的输入为直流，来自电池或者另一个开关电源的输出，这样的开关电源 被称为直流-直流变换器。直流-直流变换器分为隔离型和非隔离型两类，隔离型 多采用反激、正激、半桥等隔离型电路，而非隔离开关电源高频化是其发展的方 向高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，值得注意的 是，仅能从这些输出中选择一路作为输出电压反馈，因此也就只有这一路电压的 稳压精度较高，其他路的稳压精度都较低，而且其中一路的负载变化时，其他路 本科生课程设计（论文） 的电压也会跟着变化。 开关电源也有缺点和常见的故障如：开关电源看着小巧，功率和磁心变压器 以及控制方式有关，电磁干扰大，纹波系数大。尤其有音频、视频的范畴内，对 电磁干扰非常敏感，在音频表现为音色不纯厚，可能会有丝丝声；在视频表现为，