中国石油大学 电力电子课程设计.doc

电力电子课程设计报告班级： 电气1201班学号： 姓名： 目录一、 课程设计的目的二、 课程设计的要求三、 课程设计的原理四、 课程设计的思路及参数计算五、 电路的布局与布线六、 调试过程遇到的问题与解决办法七、 课程设计总结1、 课程设计的目的（1） 熟悉Power MosFET的使用；（2） 熟悉磁性材料、磁性元件及其在电力电子电路中的应用；（3） 增强设计、制作和调试电力电子电路的能力。2、 课程设计的要求 本课程设计要求根据所提供的元器件设计并制作一个小功率的反击式开关电源。电源输入电压：180V 电源输出电压电流：11V/1A 9V/1A电路板：万用板手焊。三、课程设计原理 1、引言电力电子技术有三大应用领域：电力传动、电力系统和电源。在各种用电设备中，电源是核心部件之一，其性能影响着整台设备的性能。电源可以分为线性电源和开关电源两大类。线性电源是把直流电压变换为低于输入的直流电压，其工作原理是在输入与输出之间串联一个可变电阻（功率晶体管），让功率晶体管工作在线性模式，用线性器件控制其“阻值”的大小，实现稳定的输出，电路简单，但效率低。通常用于低于10W的电路中。通常使用的7805、7815等就属于线性电源。开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断状态，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），所以开关电源具有能耗小、效率高、稳压范围宽、体积小、重量轻等突出优点，在通讯设备、仪器仪表、数码影音、家用电器等电子产品中得到了广泛的应用。反激式功率变换器是开关电源中的一种，是一种应用非常广泛的开关电源。2、 基本反激变换器工作原理基本反激变换器如图1所示。假设变压器和其他元件均为理想元器件，稳态工作下。图1 反激变换器的原理图电路工作过程如下：当M1导通时，它在变压器初级电感线圈中存储能量，与变压器次级相连的二极管VD处于反偏压状态，所以二极管VD截止，在变压器次级无电流流过，即没有能量传递给负载；当M1截止时，变压器次级电感线圈中的电压极性反转，使VD导通，给输出电容C充电，同时负载R上也有电流I流过。M1导通与截止的等效拓扑如图2所示。 （A）（B） 图2 反激变换器的两种工作状态反激变换器的工作过程大致可以看作是原边储能和副边放电两个阶段。原边电流和副边电流在这两个阶段中分别起到励磁电流的作用。如果在下一次M导通之前，副边已经将磁路的储能放光，即副边电流为零，则称变压器运行于断续电流模式（DCM），反之，则在副边还没有将磁路的储能放光，即在副边电流没有变为零之前，Q又导通，则称变压器运行于连续电流模式（CCM）。通常反激变换器多设计为断续电流模式（DCM）下。当变换器工作在CCM下时，输出与输入电压、电流之间的关系如下：=， =， 其中=, =。当变换器工作在DCM下时，上述关系仍然成立，只不过此时的增益变为：=,=可以看出，改变开关器件Q的占空比和变压器的匝数比就可以改变输出电压。3、 反激变换器的吸收电路:由于在实际中反激变换器存在各种寄生参数，如变压器的漏感，开关管的源漏极电容。在这种情况下，反激变换器是不能可靠工作的。所以为了让磁通可靠复位，加了RC吸收电路。其图如下所示：（a）（b）图3 吸收电路4、 反激变换器的系统结构反激式变换器的系统结构示意图如图所示。由图中可以看出，一个AC输入DC输出的反激式变换器主要由如下五个部分组成：输入电路、变压器、控制电路、输出电路和吸收电路。输入电路主要包括整流和滤波，将输入的正弦交流电压变成直流，而输出电路也是整流和滤波，是将变压器副边输出的方波电压单向输出，且减少输出电压的纹波。所以，反激变换器的关键在于变压器和控制电路的设计。这也是本次课程设计的重点。图4 反激变换器的系统结构简图四、课程设计的思路及参数计算在本次实习中提供的变压器的铁芯是EE28铁氧体铁芯，其在25摄氏度的磁导率为，铁芯的初始磁导率为。变压器选择的相关参数包括：原副边匝数比、原边匝数、副边匝数和气隙，本次试验中用到的变压器的绕组的漆包线已经给定，无需选择。（1）根据输入的最高直流电压和开关管Q的耐压确定原副边匝数比：=1.4220=308V ,=600V ,=80% 。=5.558这是匝数比的上限值，匝比只能比这个小，不能比其大。 取=5.这就求得了最大占空比，即最大导通时间。为了保证电路工作于DCM模式，磁路储能和放电的总时间应控制在0.8T以内，所以：=0.1215， 取D=0.1 。（2） 原边匝数的计算：根据磁芯，得到有效的导磁截面积，则原边匝数应保证在最大占空比时磁路仍不饱和。电压冲量等于磁路中磁链的变化量，取开关频率为75KHz,25下Bmax为0.5T，真正的原边匝数必须比这个值大，才可能让磁路不饱和。通常取2倍的上述值，则取。 （3）副边匝数的计算 根据上面两步的结果，很容易求出副边匝数。（4） 辅助绕组的计算辅助绕组计算与副边绕组的计算方法一样，由于输出10v，供电输出12v。则得到（5）气隙长度的计算：原边的峰值电流为则初级电感为求出气隙长度为：=0.16mm。变压器制作过程中可取三层卫生纸（每层0.05mm）作为气隙图5 功率变压器磁路示意图6、控制系统的设计（1）振荡器：振荡器的频率有定时元件，决定，我们小组的频率选为75KHZ。初始=122，取104,。（实验中有改动，改为=1200欧姆，取103）（2）电压误差放大器：在本次实习中在输入与输出的隔离开关电源中，为了减小误差，通常采用外置电压环，即将U3845的内部误差放大器旁路掉，由外部电压环的输出通过补偿输入引脚决定电流参考。（3）电流比较器:电流比较器的门槛值有误差放大器的输出给定，当电压误差放大器显示输出电压太低时，电流的门槛值就增大，使输出到负载的能量增加，反之也一样。 电流型控制的优点是本身具有过流保护功能，电流比较器实现对电流的逐周限制，属于一种恒功率过载保护方法，即维持供给负载的恒功率。整个控制部分的原理图如下所示：图6 UC3845控制原理示意图几个重要器件的介绍:(1) UC3845UC3845芯片为SO8或SO14管脚塑料表贴元件。专为低压应用设计。其欠压锁定门限为8.5v（通），7.6V（断）；电流模式工作达500千赫输出开关频率；在反激式应用中最大占空比为0.5;输出静区时间从50%70%可调；自动前馈补偿；锁存脉宽调制，用于逐周期限流；内部微调的参考源；带欠压锁定；大电流图腾柱输出；输入欠压锁定，带滞后；启动及工作电流低。芯片管脚图及管脚功能如图1所示。图7 UC3845芯片管脚图1脚：输出/补偿，内部误差放大器的输出端。通常此脚与脚2之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响。2脚：电压反馈输入端。此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压（2.5 V）进行比较，调整脉宽。3脚：电流取样输入端。4脚：R T/CT振荡器的外接电容C和电阻R的公共端。通过一个电阻接Vref通过一个电阻接地。5脚：接地。6脚：图腾柱式PWM输出，驱动能力为土1A.7脚：正电源脚。8脚：V ref，5V基准电压，输出电流可达50mA.（2）TL431 TL431是一个良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。外部有三极分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）、参考端（REF）。其芯片体积小、基准电压精密可调，输出电流大等优点，所以可以用来制作多种稳压器件。其具体功能可用图4.14的功能模块示意。由图可看出，VI是一个内部的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非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管，电流将从1到100mA变化。图8 TL431的功能模块示意图在开关电源设计中，一般输出经过TL431（可控分流基准）反馈并将误差放大，TL431的沉流端驱动一个光耦的发光部分，而处在电源高压主边的光耦感光部分得到的反馈电压，用来调整一个电流模式的PWM控制器的开关时间，从而得到一个稳定的直流电压输出。（3）PC817PC817是一个比较常用的光电耦合器,内部结构如图4.15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。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光电耦合器不但可起到反馈作用还可以起到隔离作用。 图4.15 PC817内部框图7、 UC3845的主要外围电路设计（1） 供电,初始取=300K,(后修改为)。(2) 电流检测接在功率MOSFET源极上的电流检测电阻大概值为：，取。在测试时，如果发现在最小输入电压下，电源无法提供满载功率，就需要减小该电阻值。（3） 电压反馈控制 电压反馈环节要与输入电压和控制IC隔离，常用光隔离器进行隔离。,要求流过二极管的最大电流为：,所以，,取。 取。 在此范围内取值，则 则取五、 电路的布局与布线六、 调试过程遇到的问题与解决办法1、 初次焊接成功后，空载输出稳定，并通过反馈电阻调整好电压，但是上电之后烧毁稳压管，更换后，空载也烧稳压管，更换15V稳压管后不再烧，但是没有输出，经检验后同名端测反（存疑，不一定反了），改线路后，第一次空载有输出。2、 插针距离保险丝太近，测输入电压时短接，烧毁保险丝，更换。3、 更换保险丝后，输出不稳定，一上电后，立即达到给定值，但是过几秒之后，开始衰减。经测试，发现辅助绕组不起作用，芯片的供电全由Ug提供，充电到给定电位后，电容开始放点导致芯片不工作，输出电压衰减。经过排查，发现是焊接时翻转板子，变压器松动导致辅助绕组接触不良。4、 重新插好变压器之后，测量输出，发现反馈特别不稳定，推测可能是反馈电流的滤波电容太小，不能有效平波，更换成473电容。5、 更换电容之后，再测时没有输出了。可能由于焊接电容时使整块板子有了变化。经仔细排查之后，发现，近线圈侧的5822二极管被击穿短路。6、 更换5822后再次测试，一开始有输出，但随后立即又下降至零，检查发现5822又烧坏，多次更换，均是如此。其中一次测试的时候，用万用表一直检测5822两端电压，发现只是到了13V二极管就已经烧毁了，于是猜测是由于电流过大导致的。但是多次更换，均比第一次更容易击穿，于是猜测旁边的电容可能坏掉了。更换电容，果然5822没有再烧毁，并且有了输出。是时已经是晚上0:00，作罢，等第二天进一步测试。7、 第二天，对板子空载进行测试，输入电压从50V变到90V时，其中一路输出从9V变化到了14V，另一路从11V变成了16V，怕烧坏元件，卸载寻找问题。此问题未解决。8、 重新进行测试，第一次时，稳压管在13V和0V之间进行跳动，变化速度很快，卸载，重新加载进行第二次测试，稳压管两端一直0.2V，一路输出0V，一路0.2V。检测发现5822又烧坏了。9、 把辅助绕组重焊，更换两个电容，空载有输出，但是时间稍一长，绕组侧5822二极管又被烧坏，电容也损坏了。10、 将5822更换为超耐压的FR307，断开无用路的输出（一路输出都没有，不用说两路，于是我们打算先做出一路的再说），一上电就烧了保险丝。这说明之前烧元件确实被并不是因为电压过高，而是电流过大。在提高了辅助绕组的耐受能力之后，主电路变得相对薄弱，被烧毁。11、 重新测试，发现同名端又错了（可能一开始是对的，但是改错了），改回同名端。加压后，第一次将控制电路相关元件烧毁（开关管22欧1K欧1欧电阻）。12、 更换元件，重新测量，加压之后发现输出电压过高，调整了反馈电阻的大小，将电压调整到相应值，空载电路正常工作，输出电压稳定。慢慢将输入电压从50V升高，调节的180V的时候，电阻烧毁，稳压管烧毁。13、 鉴于板子多次烧毁，多处反复焊接，可能对其他元件产生了一定的损毁，对无关的电路产生了一定的影响，于是我们决定重新焊接一块新板子。焊完之后，一切顺利。唯一美中不足的就是过流保护并没有很理想，电流太大。七、课程设计总结 这次实习确实让人收获很多。不论是刚开始的研究指导书，还是电脑上的仿真，再者焊接调试电路，都让人感到充实。天天忙碌，时间不知不觉的过去，这种没有浪费时间的充实最让人安心。晚上调试电路到凌晨，回到宿舍看到早已睡去的室友，自己心里也为自己点个赞。 这一次的实习，收获是方方面面的。我们的焊接技术得到了提高，对于电力电子技术有了更深的了解，原来反激式变压器这么神奇。有时候，调试电路同编程中的debug一样，容易让人有茅塞顿开之感，解决了一处故障，