电力电子技术课程设计48v2.5a电动车充电器设计

辽宁工业大学电力电子技术课程设计（论文）题目48V/25A电动车充电器设计院（系）新能源学院专业班级学号学生姓名指导教师起止时间20151229至201619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/25A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1、输入电源电压为175266V50HZ60HZ。2、输出电压59V23V。输出电流25A。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气注成绩平时20论文质量60答辩20以百分制计算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目录第1章绪论111电力电子技术概况112本文设计内容2第2章48V/25A电动车充电器电路设计321电动车充电器总体设计方案322具体电路设计4221主电路分析与设计4222工频整流电路设计6223高频逆变电路设计7224单端反激电路设计8225保护电路设计923元器件型号选择10231UC3842参数介绍10232各电子元件参数计算1124系统仿真1224148V/25A电动车充电器仿真模型建立1224248V/25A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第1章绪论11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。12本文设计内容本次设计主要是为实现48V/25A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48V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。第2章48V/25A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21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21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22具体电路设计221主电路分析与设计主电路部分如图22所示，图22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250V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。222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23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、D2RFZ、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。223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24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。224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25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（2OFNIOTNU121）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。225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26过流保护电路原理图图27过压保护电路原理图23元器件型号选择231UC3842参数介绍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DIP8和SO14，有效引脚为8个，SO14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（2721CTRFOSC2）表21UC3842参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VIN0363V功耗P1W图28UC3842结构232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25MA要求，需加电阻构成取样电阻，其阻值为（23）（24）（25）1脚所接电解电容要储存接通状态时的电能，其值为（26）（27）根据基尔霍夫电流定律KCL节点的电流之和为0，可得（28）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（29）CONDETDTIVS0（2FP10）开关（导通、截止瞬间）损耗（20ONTDDTITVSE11）（2FEONPSWDTITVSOFTRFTD012）合并上述各积分项得（其中为单位时间所消耗的能量）ETO（2EOFCNDFPSCDT13）因此选用额定正向电流1900A，反复重复峰值16003400V，中频特性的KPX1900晶闸管。24系统仿真24148V/25A电动车充电器仿真模型建立图29MULTISIM仿真主电路图MULTISIM是INTERACTIVEIMAGETECHNOLOGIESELECTRONICSWORKBENCH）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。24248V/25A电动车充电器仿真波形及数据分析图210单端反激仿真图图211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。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05A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，图像可能会有细小的纹波，不细腻。设计复杂，维护维修不方便。往往越是复杂的设备出现的问题的可能性就越大，而且开关电源一旦出现问题，一般非