1、 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告題 目： 單端反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 信息與控制工程學(xué)院 班 級(jí)： 電氣13-7班 姓 名： 于倩玉 組員： 陶文磊 學(xué) 號(hào)： 1305020307 1305020320 目 錄一、課程設(shè)計(jì)的目的2二、課程設(shè)計(jì)的要求2三、反激式功率變換器的原理及設(shè)計(jì)方法21.引言22基本反激變換器工作原理33反激變換器的吸收電路54反激變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)55.反激式變換器的變壓器設(shè)計(jì)思路66控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)9四、總體設(shè)計(jì)電路圖14五、參數(shù)的計(jì)算與選擇15六、遇到的問(wèn)題和解決方法18七、輸出電壓波形及驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形20八、心得體會(huì)21一、課程設(shè)計(jì)的目的（1）熟悉Power MosF

2、ET的使用；（2）熟悉磁性材料、磁性元件及其在電力電子電路中的使用；（3）增強(qiáng)設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試電力電子電路的能力；二、課程設(shè)計(jì)的要求本課程設(shè)計(jì)要求根據(jù)所提供的元器件設(shè)計(jì)并制作一個(gè)小功率的反激式開(kāi)關(guān)電源。設(shè)計(jì)要求170V輸入，9V/1A輸出的反激式開(kāi)關(guān)電源，進(jìn)行必要的電路參數(shù)計(jì)算,完成電路的焊接調(diào)試。三、反激式功率變換器的原理及設(shè)計(jì)方法1.引言電力電子技術(shù)有三大應(yīng)用領(lǐng)域：電力傳動(dòng)、電力系統(tǒng)和電源。在各種用電設(shè)備中，電源是核心部件之一，其性能影響著整臺(tái)設(shè)備的性能。電源可以分為線性電源和開(kāi)關(guān)電源兩大類。線性電源是把直流電壓變換為低于輸入的直流電壓，其工作原理是在輸入與輸出之間串聯(lián)一個(gè)可變電阻（功率晶

3、體管），讓功率晶體管工作在線性模式，用線性器件控制其阻值的大小，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的輸出，電路簡(jiǎn)單，但效率低。通常用于低于10W的電路中。通常使用的7805，7815等就屬于線性電源。開(kāi)關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷的狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的（在導(dǎo)通時(shí)，電壓低，電流大；關(guān)斷時(shí)，電壓高，電流小），所以開(kāi)關(guān)電源具有能耗小，效率高，穩(wěn)壓范圍大寬，體積小、重量輕等突出優(yōu)點(diǎn)，在通訊設(shè)備、儀器儀表、數(shù)碼影音、家用電器等電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。反激式功率變換器是功率電源中的一種，是一種應(yīng)用非常廣泛的開(kāi)關(guān)電源，本課程設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)一個(gè)反激變換器。2基本反激變換器工作原理基本反激

4、變換器如圖1所示。假設(shè)變壓器和其他元器件均為理想元器件，穩(wěn)態(tài)工作下。（1）當(dāng)有源開(kāi)關(guān)Q導(dǎo)通時(shí)，變壓器原邊電流增加，會(huì)產(chǎn)生上正下負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而在副邊產(chǎn)生下正上負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如圖2(a)所示，無(wú)源開(kāi)關(guān)VD1因反偏而截止，輸出由電容C向負(fù)載提供能量，而原邊則從電源吸收電能，儲(chǔ)存于磁路中。（2）當(dāng)有源開(kāi)關(guān)Q截止時(shí)，由于變壓器磁路中的磁通不能突變，所以在原邊會(huì)感應(yīng)出上負(fù)下正的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而在副邊會(huì)感應(yīng)出上正下負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，故VD1正偏而導(dǎo)通，如圖2(b)所示，此時(shí)磁路中的存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)到副邊，并經(jīng)二極管VD1向負(fù)載供電，同時(shí)補(bǔ)充濾波電容C在前一階段所損失的能量。輸出濾波電容除了在開(kāi)關(guān)Q導(dǎo)通時(shí)給負(fù)

5、載提供能量外，還用來(lái)限制輸出電壓上的開(kāi)關(guān)頻率紋波分量，使之遠(yuǎn)小于穩(wěn)態(tài)的直流輸出電壓。反激變換器的工作過(guò)程大致可以看作是原邊儲(chǔ)能和副邊放電兩個(gè)階段。原邊電流和副邊電流在這兩個(gè)階段中分別起到勵(lì)磁電流的作用。如果在下一次Q導(dǎo)通之前，副邊已將磁路的儲(chǔ)能放光，即副邊電流變?yōu)榱悖瑒t稱變換器運(yùn)行于斷續(xù)電流模式（DCM（Discontinous Current Mode），反之，則在副邊還沒(méi)有將磁路的儲(chǔ)能放光，即在副邊電流沒(méi)有變?yōu)榱阒埃琎又導(dǎo)通，則稱變換器運(yùn)行于連續(xù)電流模式（CCM（Continous Current Mode）。通常反激變換器多設(shè)計(jì)為斷續(xù)電流模式（DCM）下。當(dāng)變換器工作于CCM下時(shí)，輸出

6、與輸入電壓、電流之間的關(guān)系如下：變換器工作于DCM下時(shí)，上述關(guān)系式仍然成立，只不過(guò)此時(shí)的增益M變?yōu)椋嚎梢钥闯觯淖冮_(kāi)關(guān)器件Q的占空比和變壓器的匝數(shù)比就可以改變輸出電壓。3反激變換器的吸收電路實(shí)際反激變換器會(huì)有各種寄生參數(shù)的存在，如變壓器的漏感，開(kāi)關(guān)管的源漏極電容。所以基本反激變換器在實(shí)際應(yīng)用中是不能可靠工作的，其原因是變壓器漏感在開(kāi)關(guān)Q截止時(shí)，沒(méi)有滿意的去磁回路。為了讓反激變換器的工作變得可靠，就得外加一個(gè)漏感的去磁電路，但因漏感的能量一般很小，所以習(xí)慣上將這種去磁電路稱為吸收電路，目的是將開(kāi)關(guān)Q的電壓鉗位到合理的數(shù)值。在220V AC輸入的小功率開(kāi)關(guān)電源中，常用的吸收電路主要有RCD吸收電路

7、和三繞組吸收電路。其結(jié)構(gòu)如圖3(a)(b)所示。4反激變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)反激式變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。由圖中可以看出，一個(gè)AC輸入DC輸出的反激式變換器主要由如下五部分構(gòu)成：輸入電路、變壓器、控制電路、輸出電路和吸收電路構(gòu)成。輸入電路主要包括整流和濾波，將輸入的正弦交流電壓變成直流，而輸出電路也是整流和濾波，是將變壓器副邊輸出的方波電壓?jiǎn)蜗蜉敵觯覝p少輸出電壓的紋波。吸收電路如圖3所示。所以，反激變換器的關(guān)鍵在于變壓器和控制電路的設(shè)計(jì)。這也是本次課程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。5.反激式變換器的變壓器設(shè)計(jì)思路在本次實(shí)習(xí)中提供的變壓器的鐵芯是EE28鐵氧體鐵芯，其在25攝氏度的磁導(dǎo)率為，鐵芯的初始磁導(dǎo)率

8、為。變壓器的關(guān)鍵數(shù)據(jù)有：原/副邊線圈的匝數(shù)比、原邊匝數(shù)、副邊匝數(shù)和氣隙，當(dāng)然還有導(dǎo)線的粗細(xì)選擇等，由于本課程設(shè)計(jì)的漆包線已確定，所以下面主要介紹變壓器關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)思路。（1） 根據(jù)輸入的最高直流電壓和開(kāi)關(guān)管Q的耐壓確定原/副邊的匝數(shù)比開(kāi)關(guān)管Q兩端所承受的最高的關(guān)斷電壓應(yīng)為：，（2） 中，是考慮了整流二極管的導(dǎo)通壓降。如果考慮到漏感引起的0.3的電壓尖峰，則開(kāi)關(guān)管兩端所承受的最高的關(guān)斷電壓為：一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)管的極限耐壓需要在這個(gè)基礎(chǔ)上仍留下至少30%的裕量。假定開(kāi)關(guān)管的耐壓極限為，則：，這就求出了匝比的上限值，匝比只能比這個(gè)值小，不能比其大。在這個(gè)值的基礎(chǔ)上選擇一個(gè)匝比。就可以求出最大占空比，

9、即最大導(dǎo)通時(shí)間。為保證電路工作于DCM模式，磁路儲(chǔ)能和放電的總時(shí)間應(yīng)控制在0.8T以內(nèi)，所以（2）原邊匝數(shù)的計(jì)算根據(jù)磁芯，得到有效的導(dǎo)磁截面積e A ，則原邊的匝數(shù)應(yīng)保證在最大占空比時(shí)磁路仍不飽和。電壓沖量等于磁路中磁鏈的變化量， ，真正的原邊匝數(shù)必須比這個(gè)值大，才可能讓磁路不飽和。通常取2倍的上述計(jì)算值。（3）副邊匝數(shù)的計(jì)算根據(jù)上面兩步的結(jié)果，很容易求出副邊匝數(shù)。（4）氣隙長(zhǎng)度的計(jì)算在計(jì)算氣隙長(zhǎng)度之前，首先應(yīng)計(jì)算原邊的電感值。假設(shè)變壓器的輸出功率為，效率為，則有如下關(guān)系成立： ，其物理意義是，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)原邊從電源吸收并存儲(chǔ)的能量恰好等于系統(tǒng)的輸出和損耗的能量。所以，其中有以下關(guān)系；則原邊

10、的峰值電流為：，帶入上式可以得到初級(jí)電感。其中，為電感系數(shù)，為磁阻。氣隙的長(zhǎng)度為6控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)反激式變換器的控制芯片主要有TOPSwitch 系列芯片、UC384X 系列芯片等，其中，應(yīng)用比較多的是UC384X 系列芯片，屬于高性能固定頻率電流模式集成控制器，該集成芯片的特點(diǎn)是，具有振蕩器，溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖迹咴鲆嬲`差放大器、電流比較器和大電流圖騰柱輸出，可直接驅(qū)動(dòng)功率MOSFET，并能把占空比限制在50%內(nèi)。其控制對(duì)象是控制流過(guò)功率開(kāi)關(guān)管的峰值電流。UC3845 的控制原理示意圖如圖6 所示，它主要由以下四部分構(gòu)成。振蕩器：振蕩器頻率由定時(shí)元件TR 和TC 決定（），振蕩器輸出固定頻率的脈沖信

11、號(hào)，注意：由于UC3845 會(huì)每隔一個(gè)時(shí)鐘周期關(guān)閉一次輸出，所以振蕩頻率是開(kāi)關(guān)頻率的2 倍。開(kāi)關(guān)頻率通常取50KHz100KHz 左右。電壓誤差放大器：誤差放大器的作用是放大參考電壓與反饋電壓的差，其輸出電壓經(jīng)兩個(gè)二極管并經(jīng)電阻分壓后作為電流參考。在輸入與輸出隔離的開(kāi)關(guān)電源中，為減少誤差，通常采用外置電壓環(huán)，即將UC3845 內(nèi)部的誤差放大器旁路掉，由外部電壓環(huán)的輸出通過(guò)補(bǔ)償輸入引腳決定電流參考。在后面給出的電壓反饋電路設(shè)計(jì)中會(huì)有更詳細(xì)的說(shuō)明。電流比較器：電流比較器的門檻值Verror由誤差放大器的輸出給定，當(dāng)電壓誤差放大器顯示輸出電壓太低時(shí)，電流門檻值就增大，使輸出到負(fù)載的能量增加。反之也一

12、樣。觸發(fā)器&鎖存器脈寬調(diào)制：一方面，由振蕩器輸出的固定頻率的脈沖信號(hào)給鎖存器置位，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，電流Isw 線性增加，當(dāng)電流檢測(cè)電阻Rs上的電壓達(dá)到電流比較器門檻值Verror時(shí)，電流比較器輸出高電平，給鎖存器復(fù)位，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，電流比較器的輸出恢復(fù)低電平;另一方面，振蕩器輸出的脈沖信號(hào)同時(shí)輸入觸發(fā)器，使UC3845 每隔一個(gè)時(shí)鐘周期關(guān)閉一次輸出，這是UC3845 能把占空比限制在50%內(nèi)的原因 ，并決定了振蕩頻率是開(kāi)關(guān)頻率的2 倍。電流型控制的優(yōu)點(diǎn)是本身具有過(guò)流保護(hù)功能，電流比較器實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的逐周限制，屬于一種恒功率過(guò)載保護(hù)方法，即維持供給負(fù)載的恒功率。幾個(gè)重要器件的介紹:（1）UC38

13、45UC3845芯片為SO8或SO14管腳塑料表貼元件。專為低壓應(yīng)用設(shè)計(jì)。其欠壓鎖定門限為8.5v（通），7.6V（斷）；電流模式工作達(dá)500千赫輸出開(kāi)關(guān)頻率；在反激式應(yīng)用中最大占空比為0.5;輸出靜區(qū)時(shí)間從50%70%可調(diào)；自動(dòng)前饋補(bǔ)償；鎖存脈寬調(diào)制，用于逐周期限流；內(nèi)部微調(diào)的參考源；帶欠壓鎖定；大電流圖騰柱輸出；輸入欠壓鎖定，帶滯后；啟動(dòng)及工作電流低。芯片管腳圖及管腳功能如圖6所示。圖6 UC3845芯片管腳圖1腳：輸出/補(bǔ)償，內(nèi)部誤差放大器的輸出端。通常此腳與腳2之間接有反饋網(wǎng)絡(luò)，以確定誤差放大器的增益和頻響。2腳：電壓反饋輸入端。此腳與內(nèi)部誤差放大器同向輸入端的基準(zhǔn)電壓（2.5 V）進(jìn)

14、行比較，調(diào)整脈寬。3腳：電流取樣輸入端。4腳：R T/CT振蕩器的外接電容C和電阻R的公共端。通過(guò)一個(gè)電阻接Vref通過(guò)一個(gè)電阻接地。5腳：接地。6腳：圖騰柱式PWM輸出，驅(qū)動(dòng)能力為土1A.7腳：正電源腳。8腳：V ref，5V基準(zhǔn)電壓，輸出電流可達(dá)50mA.（2）TL431TL431是一個(gè)良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。外部有三極分別為：陰極（CATHODE）、陽(yáng)極（ANODE）、參考端（REF）。其芯片體積小、基準(zhǔn)電壓精密可調(diào)，輸出電流大等優(yōu)點(diǎn)，所以可以用來(lái)制作多種穩(wěn)壓器件。其具體功能可用圖7的功能模塊示意。由圖可看出，VI是一個(gè)內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)源，接在運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn)放特性

15、可知，只有當(dāng)REF端的電壓十分接近VI時(shí)，三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過(guò)，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過(guò)三極管，電流將從1到100mA變化。圖7 TL431的功能模塊示意圖在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，一般輸出經(jīng)過(guò)TL431（可控分流基準(zhǔn)）反饋并將誤差放大，TL431的沉流端驅(qū)動(dòng)一個(gè)光耦的發(fā)光部分，而處在電源高壓主邊的光耦感光部分得到的反饋電壓，用來(lái)調(diào)整一個(gè)電流模式的PWM控制器的開(kāi)關(guān)時(shí)間，從而得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓輸出。（3）PC817PC817是一個(gè)比較常用的光電耦合器,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示，其中腳1為陽(yáng)極，腳2為陰極，腳3為發(fā)射極，腳4為集電極。在開(kāi)關(guān)電源中，當(dāng)電流流過(guò)光二極管時(shí)，二極管

16、發(fā)光感應(yīng)三極管，對(duì)輸出進(jìn)行精確的調(diào)整，從而控制UC3842的工作。同時(shí)PC817光電耦合器不但可起到反饋?zhàn)饔眠€可以起到隔離作用。 圖8 PC817內(nèi)部框圖四、總體設(shè)計(jì)電路圖五、參數(shù)的計(jì)算與選擇（1） 計(jì)算匝數(shù)比：U=220V,整流橋整流取系數(shù)為1.2，則整流后輸出Ug = 1.2*220 = 264V，所以: (Uq*為開(kāi)關(guān)管的耐壓極限值，為600V)。這是匝比的上限值，匝比只能比這個(gè)值小。實(shí)際選取的匝比為：Np/Ns=5（2） 計(jì)算最大占空比Dmax： (3) 計(jì)算原副邊匝數(shù)以及輔助繞組匝數(shù)：在電路的設(shè)計(jì)中我們?nèi)￠_(kāi)關(guān)頻率為f=90KHZ，于是S，于是由有：取 Np實(shí)=2*Np=22.96，實(shí)

17、際取得的原邊匝數(shù)為：45匝。所以副邊繞組=45/K=45/4=9匝。同理，輔助繞組K1=9，取Ns1=9匝。故，原邊為45匝，副邊為9匝，輔助繞組為9匝。（4）計(jì)算氣隙長(zhǎng)度和初始電感值：取=0.9，D =0.1，則有： 實(shí)測(cè)值為0.680mH ,誤差為： 實(shí)際取Lg=1.3mm（5）計(jì)算電流檢測(cè)參數(shù):電流檢測(cè)電阻：實(shí)取Rs =1(后為實(shí)現(xiàn)1.5A過(guò)流保護(hù)，將Rs調(diào)小，為-)（6）計(jì)算電壓反饋控制參數(shù)：，所以： 故取R2=470.取C4為104的瓷片電容，即100 nF.由于開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為90KHz，故取RT=10K,CT為102，即1nF。（實(shí)際中RT用20K的電位器代替）。RC濾波：首先確定

18、的參數(shù)為：R=1K,C為470pf。六、遇到的問(wèn)題和解決方法（1）變壓器有聲音。解決方法： 首先，我們考慮可能是變壓器纏繞得不緊，導(dǎo)致漏感較大，從而引起噪聲，于是我們從新繞制變壓器，可是后面上電后，噪聲依舊不減。后面，我們相應(yīng)地改變了RC濾波參數(shù)，將R改為1K,C改為103，發(fā)現(xiàn)噪聲減小，于是我們繼續(xù)將C減小到471，發(fā)現(xiàn)變壓器噪聲幾乎消除。（2）開(kāi)關(guān)管發(fā)熱嚴(yán)重。解決方法：開(kāi)關(guān)管發(fā)熱，可能是開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，也有可能是電路焊接得不好，導(dǎo)致其發(fā)熱嚴(yán)重。于是，我們將整流這一塊電路的焊線焊粗了一些，同時(shí)，通過(guò)電位器將RT進(jìn)行調(diào)整，后面發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管幾乎不發(fā)熱了。（3）輔助繞組電壓過(guò)高，燒壞12V穩(wěn)壓管。解決

19、方法：帶載的時(shí)候，電流調(diào)整得大一些后，穩(wěn)壓管被擊穿。通過(guò)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)原邊電壓加到80多V時(shí)輔助繞組的輸出電壓就已經(jīng)達(dá)到13V多。為保險(xiǎn)起見(jiàn)，我們將輔助繞組的匝數(shù)減小了2匝，上電后發(fā)現(xiàn)其輸出一直穩(wěn)定在10V左右，高于uc3845的啟動(dòng)電壓8.5V，即能維持電路的正常工作，后面穩(wěn)壓管再也沒(méi)有燒過(guò)。（4）RCD吸收電路的電阻發(fā)熱。解決方法：調(diào)試工程中RCD吸收電路的電阻發(fā)熱，于是我們將4.7K的R改為兩個(gè)62K的電阻并聯(lián)，后面發(fā)現(xiàn)兩電阻發(fā)熱正常，不至于燒毀。（5）帶不動(dòng)1A負(fù)載。解決方法：根據(jù)手冊(cè)，若帶不動(dòng)負(fù)載，可相應(yīng)減小Rs值。首先，我們將Rs改為兩個(gè)1的功率電阻并聯(lián)（實(shí)測(cè)并聯(lián)后的阻值為0.8），發(fā)

20、現(xiàn)還是帶不動(dòng)滿載，于是我們又將Rs改為0.5的功率電阻，后面發(fā)現(xiàn)帶載能力可以達(dá)到1.1A左右了。（6）帶1A負(fù)載后，F(xiàn)R307發(fā)熱較大。解決方法：帶1A負(fù)載后，F(xiàn)R307發(fā)熱較大，經(jīng)過(guò)查詢資料，F(xiàn)R307的最高承受電流為3A，而實(shí)際只帶了1A的負(fù)載，應(yīng)該不會(huì)燒壞。有點(diǎn)發(fā)熱應(yīng)該是正常現(xiàn)象。于是，我們加滿載帶了5min，發(fā)現(xiàn)FR發(fā)熱雖然有點(diǎn)大，但是還不至于冒煙和燒壞。由于不放心，我們又帶了一次試了試，發(fā)現(xiàn)FR307沒(méi)有被燒，開(kāi)關(guān)管發(fā)熱也非常小，于是我們便沒(méi)有改變FR307。(7)無(wú)輸出電壓，芯片3845無(wú)法啟動(dòng)。解決方法：經(jīng)檢測(cè)，電位器阻值為0，調(diào)整電位器阻值至理論計(jì)算值38K，重新通電測(cè)試，uc3845兩端電壓穩(wěn)定在10V左右，高于uc3845的啟動(dòng)電壓8.5V，即能維持電路的正常工作。七、輸出電壓波形及驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形八、心得體會(huì)本次設(shè)計(jì)通過(guò)自己的努力，我們成功交上了開(kāi)關(guān)電源作品。經(jīng)過(guò)對(duì)電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試，加深了我們對(duì)反激式開(kāi)關(guān)電源的認(rèn)識(shí)和理解，提高了自己的動(dòng)手能力和解決問(wèn)題的能力，鍛煉了我們的思維。在調(diào)試過(guò)程中我們遇到了很多問(wèn)題，比如uc3845無(wú)法正常啟動(dòng)，通過(guò)調(diào)整電位器值，解決了問(wèn)題；穩(wěn)壓管被擊穿，通過(guò)查找原因，發(fā)現(xiàn)是輔助繞組輸出電壓不符合理論計(jì)算結(jié)果，匝數(shù)過(guò)多，于是我們將輔助繞組少繞了兩匝，從而不再燒壞穩(wěn)壓管；開(kāi)關(guān)