科信学院 课程设计说明书

（2017/2018学年第一学期）

课程名称 ：《电力电子技术应用设计》课程设计 题 目 ： 宽电压输入变频开关电源的设计 专业班级 ： 电气工程及其自动化1425 学生姓名 ： 学 号： 指导教师 ： 刘增环、杜永、路巍等 设计周数 ： 两周

设计成绩 ： 2018年1月5日 2

引言 开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。开关电源具有以下特征：①电源电压和负载在规定的范围内变化时，输出电压应保持在允许的范围内或按要求变化；②输出与输入之间有良好的电气隔离；③可以输出单路或多路电压，各路之间有电气隔离。 常用的开关电源多采用固定开关频率，当输入电压过高时，占空比过小,开通时间太短,可能引起开通脉冲丢失，造成电源工作不稳定。常用的开关电源输入是市电经整流后的稳定电压，但一些供电不稳定的场合或因某些设备导致市电局部不稳定，输入电压会存在大范围的波动, 为了适应这种情况,本课程设计了一款50v-260v的交流输入,多路输出的具有自主改变开关频率的辅助电源。根据输入电压大小改变开关频率,保证电源在宽输入电压范围内,可靠的为系统供电。 在本课题设计开发过程中,我们使用Matlab数学仿真及Altium Designer软件,并最终实现电路改造设计,并达到预期的效果。 关键字;宽输入 变频 开关电源 3

目录 一、开关电源现状和发展 ....................................... 4 1.1 开关电源现状 .......................................... 4 1.2 开关电源类型 .......................................... 4 二、设计方案 ................................................. 4 2.1 设计要求 .............................................. 4 2.2 设计思路 .............................................. 5 三、方案设计 ................................................. 5 3.1 控制电路设计 ......................................... 5 3.2 误差放大器设计 ........................................ 9 3.3 过/欠电压保护 ......................................... 9 3.4 过流/过载保护 ........................................ 10 3.5反激变压器设计 ........................................ 10 3.6反馈回路设计 .......................................... 11 3.7 设计小结 ............................................. 12 四 课程设计总结 ............................................. 12 参考文献 .................................................... 13 4

一、开关电源现状和发展 1.1 开关电源现状

目前，开关电源正在向“四化”的方向发展：应用技术的高频化、硬件结构的模块化、软件

控制的数字化和产品性能的绿色化。 开关电源最突出的优点是体积小，重量轻。这一优点是和系统的高频工作状态相关的。进一步提高工作频率，电源的体积和重量将更加小，从而实现更高的功率密度。使开关电源进入更广泛的领域。 开关电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进入到全数字控制阶段。全数字控制作为开关电源的发展趋势，已经在许多功率变换设备中得到应用。近两年来，高性能全数字控制芯片相继开发，费用也降到比较合理的水平，欧美已有很多公司开发并且制造出开关变换器的数字控制芯片及软件。 1.2 开关电源类型 开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频

率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作方式多用于开关稳压电源。 根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中，变压器式开关电源（后面简称变压器开关电源）还可以进一步分成：推挽式、半桥式、全桥式等多种；根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、单激式和双激式等多种；如果从用途上来分，还可以分成更多种类。 二、设计方案 2.1 设计要求

设计一个宽电压输入变频开关电源（1）认真查阅选用器件的技术资料，参考教材中相关内容，

选择合适的构成方案，绘制总体结构框图。（2）设计并绘制完整的电路原理图（3）按照计算电路参数和仿真波形的需要绘制仿真电路图或建立仿真模型并进行电路的计算机仿真（4）通过计算和仿真，选择电路图中所有元件，列出器件清单，包括器件名称，型号和规格，封装形式，数量等； 对变压器要说明原副边绕组的构成以及每个绕组的电压和电流。（5）在选择电路参数下通过5

仿真获取至少9个主要点的波形，建议如下：核心控制芯片振荡器的波形和控制输出的波形，主开关管承受电压和流过电流的波形，变压器原边绕组电压和电流的波形，变压器各副边绕组中电流的波形。（6）通过仿真验证控制电路器件参数的合理性，说明在选定的参数下输入电压低至多少时电源仍能正常工作。（7）总结设计工作，撰写设计说明书。 2.2 设计思路 开关电源大致由主电路操控电路、检测电路、辅助电源四大部份组成

1. 主电路 冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。 输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。 整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。 逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。传出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。 2. 控制电路 一方面从传出端取样，与设定值进行比较，然后去操控逆变器，改变其脉宽或脉频，使传出稳定， 另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供操控电路对电源进行各种保护措施。 3. 检测电路 提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。 4. 辅助电源 实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和操控电路（PWM等芯片）工作供电。 三、方案设计 3.1 控制电路设计

UC3845是高性能固定频率电流模式控制器，为离线和直流至直流变换器应用而设计，为设

计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案。该集成电路的特点是：具有振荡器、温度补偿的参考、高增益误差放大器，电流取样比较器和大电流图腾柱输出，是驱动功率 MOSFET 的理想器件。其它的保护特性包括带滞后的输入和带滞后的参考欠压锁定逐周电流限制单个脉冲测量锁存，以及每隔一个振荡周期将输出消隐的触发器。允许将输出静区定为 50%至 70%。 这些器件可提供 8 管脚双列直插塑料封装和14管脚塑料表面贴装SO-14封装SO-14 封装的图腾柱式输出级有分离的电源和接地管脚。UC3845是电流控制集成芯片,其工作原理见图1，是6

在电压控制型电路的基础上增加了一个电流反馈环节,当采样电压Vs与Ve相同时,PWM比较器的状态翻转,锁存器置零,VT截止。因而误差信号Ve实际上控制的是电感峰值电流。 其它的保护特性包括输入和参考欠压锁定，各有滞后、逐周电流限制、可编程输出静区时间和单个脉冲测量锁存。这些器件可提供8脚双列直插塑料封装和14脚塑料表面贴装封装（SO-14）。SO-14封装的图腾柱式输出级有单独的电源和接地管脚。

图1 电流控制型电路原理图 7 电流控制型特点： 电流控制型较之电压控制型的优点 主要有如下几点: 1) 对输入电压的响应快。当输入电压发生变化时,控制电路无需经过误差放大器即能进行调节,因而电路线性调节好。误差放大器即能进行调节,因而电路线性调节好。误差放大器被设计成专用来进行负载变化的调节 2) 对负载变化响应快,回路稳定性好。变换器中电感电流是连续的,控制峰值电流就相当于控制平均电流。在电流控制型电路中,可把电感器当作一个误差电压控制的电流源,误差放大器构成的闭环控制的响应频带比电压控制型 3) 电流控制型电路中由误差放大器构成的调节器可以简化。图4(a)为电压控制型电路的调节器,由于电感电路滞后因素,电感电流已达预定值,而Ci在调节过程中充的电压却要过一段时间才能放完;(b)为电流控制型电路的调节器。因电流控制型电路本身具有一个电流反馈,调节器就无需RiCi,电路得以简化。 4) 限流电路简单。只要限制误差放大器的输出电压即可达到限制峰值电流。电压控制型电路常会因输入电压的浪涌而产生很大的尖峰电流损坏晶体管。电流控制型电路则可避免这类故障的发生 5) 对模块结构并联工作系统具有自动电流分配和均流功能。

图2 UC3845内部电路框图及引脚图