1、科信學院課程設計說明書（2017/2018學年第一學期）課程名稱 ：電力電子技術應用設計課程設計題 目 ： 寬電壓輸入變頻開關電源的設計 專業班級 ： 電氣工程及其自動化1425 學生姓名 ： 學 號： 指導教師 ： 劉增環、杜永、路巍等 設計周數 ： 兩周 設計成績 ： 2018年1月5日引言 開關電源就是采用功率半導體器件作為開關元件，通過周期性通斷開關，控制開關元件的占空比來調整輸出電壓。開關電源具有以下特征：電源電壓和負載在規定的范圍內變化時，輸出電壓應保持在允許的范圍內或按要求變化；輸出與輸入之間有良好的電氣隔離；可以輸出單路或多路電壓，各路之間有電氣隔離。常用的開關電源多采用固定開

2、關頻率，當輸入電壓過高時，占空比過小,開通時間太短,可能引起開通脈沖丟失，造成電源工作不穩定。常用的開關電源輸入是市電經整流后的穩定電壓，但一些供電不穩定的場合或因某些設備導致市電局部不穩定，輸入電壓會存在大范圍的波動, 為了適應這種情況,本課程設計了一款50v-260v的交流輸入,多路輸出的具有自主改變開關頻率的輔助電源。根據輸入電壓大小改變開關頻率,保證電源在寬輸入電壓范圍內,可靠的為系統供電。 在本課題設計開發過程中,我們使用Matlab數學仿真及Altium Designer軟件,并最終實現電路改造設計,并達到預期的效果。 關鍵字;寬輸入 變頻 開關電源 目錄一、開關電源現狀和發展31

3、.1 開關電源現狀31.2 開關電源類型4二、設計方案42.1 設計要求42.2 設計思路5三、方案設計53.1 控制電路設計53.2 誤差放大器設計93.3 過/欠電壓保護103.4 過流/過載保護103.5反激變壓器設計113.6反饋回路設計113.7 設計小結13四 課程設計總結13參考文獻13一、開關電源現狀和發展1.1 開關電源現狀 目前，開關電源正在向“四化”的方向發展：應用技術的高頻化、硬件結構的模塊化、軟件控制的數字化和產品性能的綠色化。 開關電源最突出的優點是體積小，重量輕。這一優點是和系統的高頻工作狀態相關的。進一步提高工作頻率，電源的體積和重量將更加小，從而實現更高的功率

4、密度。使開關電源進入更廣泛的領域。 開關電源的控制已經由模擬控制，模數混合控制，進入到全數字控制階段。全數字控制作為開關電源的發展趨勢，已經在許多功率變換設備中得到應用。近兩年來，高性能全數字控制芯片相繼開發，費用也降到比較合理的水平，歐美已有很多公司開發并且制造出開關變換器的數字控制芯片及軟件。1.2 開關電源類型開關電源一般有三種工作模式：頻率、脈沖寬度固定模式，頻率固定、脈沖寬度可變模式，頻率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作模式多用于開關穩壓電源。另外，開關電源輸出電壓也有三種工作方式：直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式、幅值

5、輸出電壓方式。同樣，前一種工作方式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作方式多用于開關穩壓電源。根據開關器件在電路中連接的方式，目前比較廣泛使用的開關電源，大體上可分為：串聯式開關電源、并聯式開關電源、變壓器式開關電源等三大類。其中，變壓器式開關電源（后面簡稱變壓器開關電源）還可以進一步分成：推挽式、半橋式、全橋式等多種；根據變壓器的激勵和輸出電壓的相位，又可以分成：正激式、反激式、單激式和雙激式等多種；如果從用途上來分，還可以分成更多種類。 二、設計方案 2.1 設計要求 設計一個寬電壓輸入變頻開關電源（1）認真查閱選用器件的技術資料，參考教材中相關內容，選擇合適的構成方

6、案，繪制總體結構框圖。（2）設計并繪制完整的電路原理圖（3）按照計算電路參數和仿真波形的需要繪制仿真電路圖或建立仿真模型并進行電路的計算機仿真（4）通過計算和仿真，選擇電路圖中所有元件，列出器件清單，包括器件名稱，型號和規格，封裝形式，數量等；對變壓器要說明原副邊繞組的構成以及每個繞組的電壓和電流。（5）在選擇電路參數下通過仿真獲取至少9個主要點的波形，建議如下：核心控制芯片振蕩器的波形和控制輸出的波形，主開關管承受電壓和流過電流的波形，變壓器原邊繞組電壓和電流的波形，變壓器各副邊繞組中電流的波形。（6）通過仿真驗證控制電路器件參數的合理性，說明在選定的參數下輸入電壓低至多少時電源仍能正常工作

7、。（7）總結設計工作，撰寫設計說明書。 2.2 設計思路 開關電源大致由主電路操控電路、檢測電路、輔助電源四大部份組成1. 主電路沖擊電流限幅：限制接通電源瞬間輸入側的沖擊電流。輸入濾波器：其作用是過濾電網存在的雜波及阻礙本機產生的雜波反饋回電網。整流與濾波：將電網交流電源直接整流為較平滑的直流電。逆變：將整流后的直流電變為高頻交流電，這是高頻開關電源的核心部分。傳出整流與濾波：根據負載需要，提供穩定可靠的直流電源。2. 控制電路一方面從傳出端取樣，與設定值進行比較，然后去操控逆變器，改變其脈寬或脈頻，使傳出穩定，另一方面，根據測試電路提供的數據，經保護電路鑒別，提供操控電路對電源進行各種保護

8、措施。3. 檢測電路提供保護電路中正在運行中各種參數和各種儀表數據。4. 輔助電源實現電源的軟件（遠程）啟動，為保護電路和操控電路（PWM等芯片）工作供電。三、方案設計3.1 控制電路設計UC3845是高性能固定頻率電流模式控制器，為離線和直流至直流變換器應用而設計，為設計人員提供只需最少外部元件就能獲得成本效益高的解決方案。該集成電路的特點是：具有振蕩器、溫度補償的參考、高增益誤差放大器，電流取樣比較器和大電流圖騰柱輸出，是驅動功率 MOSFET 的理想器件。其它的保護特性包括帶滯后的輸入和帶滯后的參考欠壓鎖定逐周電流限制單個脈沖測量鎖存，以及每隔一個振蕩周期將輸出消隱的觸發器。允許將輸出靜

9、區定為 50%至 70%。 這些器件可提供 8 管腳雙列直插塑料封裝和14管腳塑料表面貼裝SO-14封裝SO-14 封裝的圖騰柱式輸出級有分離的電源和接地管腳。UC3845是電流控制集成芯片,其工作原理見圖1，是在電壓控制型電路的基礎上增加了一個電流反饋環節,當采樣電壓Vs與Ve相同時,PWM比較器的狀態翻轉,鎖存器置零,VT截止。因而誤差信號Ve實際上控制的是電感峰值電流。其它的保護特性包括輸入和參考欠壓鎖定，各有滯后、逐周電流限制、可編程輸出靜區時間和單個脈沖測量鎖存。這些器件可提供8腳雙列直插塑料封裝和14腳塑料表面貼裝封裝（SO-14）。SO-14封裝的圖騰柱式輸出級有單獨的電源和接地

10、管腳。 圖1 電流控制型電路原理圖電流控制型特點：電流控制型較之電壓控制型的優點主要有如下幾點:1) 對輸入電壓的響應快。當輸入電壓發生變化時,控制電路無需經過誤差放大器即能進行調節,因而電路線性調節好。誤差放大器即能進行調節,因而電路線性調節好。誤差放大器被設計成專用來進行負載變化的調節2) 對負載變化響應快,回路穩定性好。變換器中電感電流是連續的,控制峰值電流就相當于控制平均電流。在電流控制型電路中,可把電感器當作一個誤差電壓控制的電流源,誤差放大器構成的閉環控制的響應頻帶比電壓控制型3) 電流控制型電路中由誤差放大器構成的調節器可以簡化。圖4(a)為電壓控制型電路的調節器,由于電感電路滯

11、后因素,電感電流已達預定值,而Ci在調節過程中充的電壓卻要過一段時間才能放完;(b)為電流控制型電路的調節器。因電流控制型電路本身具有一個電流反饋,調節器就無需RiCi,電路得以簡化。4) 限流電路簡單。只要限制誤差放大器的輸出電壓即可達到限制峰值電流。電壓控制型電路常會因輸入電壓的浪涌而產生很大的尖峰電流損壞晶體管。電流控制型電路則可避免這類故障的發生5) 對模塊結構并聯工作系統具有自動電流分配和均流功能。 圖2 UC3845內部電路框圖及引腳圖 帶滯后的輸入欠壓鎖定。  封裝引腳圖：  其特點為  (1)電流模式工作，輸出開關頻率為500&

12、#160;kHz。  (2)輸出占空比可從5070調節。(3)自動前饋補償。  (4)逐個周期的限流保護，鎖定式脈沖寬度調制(PWM)。  (5)有欠壓鎖定的內部調整參考源。  (6)高電流圖騰柱式輸出。3.2 誤差放大器設計這種拓撲結構不僅外接元器件較少，而且在電壓采樣電路中采用了三端可調穩壓管，使得輸出電壓在負載發生較大的變化時，輸出電壓基本上沒有變化。實驗證明與上述三種反饋電路相比，該電路具有很好的穩壓效果圖3誤差放大器構成的調節回路3.3 過/欠電壓保護當系統輸入電壓過壓或者欠壓時（過/欠壓判斷電路略），可

13、使圖5中的過/欠壓輸入端為低電平，光耦OP1輸出高電平，因此，就會通過加速電容C6和二極管D6對UC3845的腳16施加正脈沖，從而使圖3所示的UC3845芯片內部晶閘管導通，通過內部電路使腳1電平被拉至接近地電平，電路進入保護狀態，UC3845芯片輸出脈沖封鎖。另外，光耦OP1輸出的高電平使三極管Q407飽和導通接地。由于電容C6的加速作用，三極管Q407比前述晶閘管導通稍微遲后。由于三極管的導通壓降小于晶閘管的導通壓降，晶閘管不能維持導通即晶閘管恢復關斷。當過/欠壓故障消除后，三極管Q407截止，系統重新輸出脈沖。 圖4 過/欠電壓保護電路3.4 過流/過載保護當過流或者過載時，比較器LM

14、393輸出7加在腳16，同樣會封鎖脈沖輸出。由于晶閘管維持導通，所以系統當不過流不過載時，必須重新啟動才能有脈沖輸圖5 過流/過載保護電路3.5反激變壓器設計 變壓器技術規格：1 開關頻率180kHZ,最大占空比50%2 N2功率：15V，3A3 N3功率，-15V, 1A變壓器參數的設計對電源裝置的性能有至關重要的影響，變壓器設計得當，電路才能夠穩定運行。其設計要求有：一、二次繞組電壓的變比應滿足要求值。當輸入電壓降至規范允許的最低電壓時，輸出電壓仍能滿足規定的額定值。當輸入電壓及占空比最大時，變壓器磁芯不允許出現飽和。當輸出功率最大時，變壓器溫升應在規范要求之內。應滿足一、二次側銅耗相等、

15、銅損耗與鐵損耗相等的原則，以使總損耗最低，獲得較高效率。一、二次側漏感、分布電容應限制在最小值。3.6反饋回路設計 圖3.5 電路原理圖3.7 設計小結可以根據具體要求選取不同的反饋方式。但對于多路輸出的反饋電路，由于對于每個輸出應用場合的不同，要求輸出精度不同，所以在反饋中各個正極性輸出端占反饋量的比例也不同。要根據具體要求具體設計以滿足應用要求。四 課程設計總結 兩周的課程設計結束了，在這次的課程設計中不僅檢驗了我所學習的知識，也培養了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設計過程中，與同學分工設計，和同學們相互探討，相互學習，相互監督。學會了合作，學會了運籌帷幄，學會了寬容，學會了理解，也學會了做人與處世。課程設計是我們專業課程知識綜合應用的實踐訓練，著是我們邁向社會，從事職業工作前一個必不少的過程”千里之行始于足下”，通過這次課程設計，我深深體會到這句千