基于UC3844的多輸出反激變換器的研究設(shè)計

1、 畢 業(yè) 設(shè) 計題 目： 基于UC3844的多輸出反激變換器的研究設(shè)計 院： 電氣信息學院 專業(yè)： 電氣工程及其自動化 班級：1002學號： 學生姓名： 導師姓名： 李祥來 完成日期： 2014年5月26日 誠 信 聲 明本人聲明：1、本人所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）是在老師指導下進行的研究工作及取得的研究成果；2、據(jù)查證，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計（論文）中不包含其他人已經(jīng)公開發(fā)表過的研究成果，也不包含為獲得其他教育機構(gòu)的學位而使用過的材料；3、我承諾，本人提交的畢業(yè)設(shè)計（論文）中的所有內(nèi)容均真實、可信。作者簽名： 日期： 年 月 日湖南工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 設(shè)計（論

2、文）題目： 基于UC3844的多輸出反激變換器的研究設(shè)計 姓名系別 電氣信息學院 專業(yè) 電氣工程及其自動化 班級 1002學號指導老師 李祥來 職稱 助教 教研室主任 謝衛(wèi)才 一、 本任務(wù)及要求：隨著工農(nóng)業(yè)中電機應(yīng)用的普及，有著良好的調(diào)速性能的通用變頻器應(yīng)用范圍廣、需求量大，這就為研究通用變頻器的模塊化、系統(tǒng)化提供了很好的前景。變頻器中的輔助電源是首先要解決的問題。研究設(shè)計基于UC3844專用PWM發(fā)生芯片，采用反激變換器結(jié)構(gòu)的高壓直流（DC 350V-700V）輸入多路（5路：24V/200mA；±15V/200mA；5V/1A）隔離輸出電源。設(shè)計完成的該系統(tǒng)應(yīng)符合各項行業(yè)規(guī)定。設(shè)

3、計的主要內(nèi)容：1、 設(shè)計完善的硬件電路2、 元器件有關(guān)參數(shù)計算及選型3、 完成樣機制作并進行調(diào)試4、 完成設(shè)計報告的撰寫二、 進度安排及完成時間：1月12日-1月18日 查閱資料、撰寫文獻綜述、撰寫開題報告。 2月23日-3月05日 查閱資料、撰寫文獻綜述、撰寫開題報告。 3月06日-3月15日 畢業(yè)實習、撰寫實習報告。 3月16日-4月22日 主要完成系統(tǒng)軟硬件構(gòu)建的初步設(shè)計。 4月23日-5月10日 修改系統(tǒng)硬件構(gòu)建設(shè)計。 5月11日-5月20日 完成系統(tǒng)的主電路設(shè)計與元器件計算。 5月21日-5月25日 完成工藝設(shè)計。 5月26日-6月01日 撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）。 6月02日-6

4、月06日 修改、裝訂畢業(yè)設(shè)計說明書、指導教師評閱。 6月07日-6月09日 畢業(yè)設(shè)計答辯（公開答辯、分組答辯）。 基于UC3844的多輸出反激變換器的研究設(shè)計摘要：隨著工農(nóng)業(yè)中電機應(yīng)用的普及，有著良好的調(diào)速性能的通用變頻器應(yīng)用范圍廣、需求量大，變頻器中的輔助電源是首先要解決的問題,其中運用UC3844的反激變換器的開關(guān)電源有著許多的優(yōu)點。本課題是設(shè)計一個通用變頻器的多路輸出的反激式開關(guān)電源，電源取高壓直流（DC 350V-700V）。要求基于UC3844專用PWM發(fā)生芯片，采用反激變換器結(jié)構(gòu)的高壓直流（DC 350V-700V）輸入多路（5路：24V/200mA；±15V/200mA

5、；5V/1A）隔離輸出。設(shè)計完成的該系統(tǒng)應(yīng)符合各項行業(yè)規(guī)定。關(guān)鍵字：開關(guān)電源；UC3844；反激變換器 Design of mult-output and fly-back converter based on UC3844Abstract: With the popularity of motor used in industry and agriculture, has a good speed regulating performance of general inverter application range, high demand, the auxiliary power inv

6、erter is the first important problem, which use UC3844 flyback switching power supply has many advantages.This topic is to design a general inverter multiplexed output of the flyback type switch power supply, power supply from high voltage direct current (DC 350 v - 700 - v). Requirements based on U

7、C3844 dedicated PWM chip, adopt the structure of the flyback high voltage direct current (DC 350 v - 700 - v) input multiplexer (24 v / 5:200 ma, + 15 v / 200 ma; 5 v / 1 a) isolation of the output. Design of the system should comply with the regulations of the industry.Keywords:switching power ;UC3

8、844;fly-back converter目 錄摘要IABSTRACTII前言1第一章緒論21.1通用變頻器的介紹21.2開關(guān)電源21.2.1變頻器的輔助電源31.2.2基于UC3844的反激變換器的開關(guān)電源31.3課題來源41.4課題主要研究內(nèi)容4第二章 主電路模塊設(shè)計62.1 主電路拓撲62.2直流-直流變換器（直流輸入開關(guān)電源）72.2.1反激變換器（反激式開關(guān)電源）72.2.2反激變換器的斷續(xù)模式92.2.3反激變換器的連續(xù)模式92.2.4反激變換器的臨界模式92.3PWM控制102.4 整流電路設(shè)計112.5濾波穩(wěn)壓電路的設(shè)計12第三章 器件介紹163.1 UC3844芯片的簡介1

9、63.2二極管器件的選擇183.2.1 電力二極管183.2.2 快恢復二極管203.3開關(guān)功率管的介紹和選擇203.4變壓器的介紹和設(shè)計213.4.1計算一次繞組參數(shù)223.4.2 計算磁芯參數(shù)223.4.3 計算變壓器有效體積233.4.4 確定一次繞組匝數(shù)N1243.4.5 確定自饋繞組N2和二次繞組N3 的匝數(shù)243.4.6 計算空氣氣隙25第四章 控制電路的設(shè)計274.1 變壓器的RCD箝位電路設(shè)計274.2 開關(guān)管緩沖電路的設(shè)計284.3 電壓反饋電路294.4 電流反饋電路304.5 啟動電路30總結(jié)33參考文獻34致謝36附錄37前言隨著工農(nóng)業(yè)中電機應(yīng)用的普及，有著良好的調(diào)速性

10、能的通用變頻器應(yīng)用范圍廣、需求量大，這就為研究通用變頻器的模塊化、系統(tǒng)化提供了很好的前景。變頻器中的輔助電源是首先要解決的問題。現(xiàn)有的電源主要由線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源兩大類組成。線性穩(wěn)壓電源的優(yōu)點是穩(wěn)定性好、輸出電壓精度高、輸出紋波電壓小。不足之處是要求采用工頻變壓器和濾波器,其體積和重量都很大,并且調(diào)整管的功耗較大,散熱難,使電源的效率大大降低,一般情況均不會超過50%。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展開關(guān)電源也進入了一個快速發(fā)展的階段，具體的發(fā)展趨勢可以概括為以下幾個方面：1.高頻化，2.數(shù)字化，3.模塊化，4.軟開關(guān)技術(shù)，5.非隔離DC-DC技術(shù)，6.有源功率因數(shù)校正技術(shù)，在建設(shè)資源節(jié)約型

11、和環(huán)境友好型社會的背景下，開關(guān)電源因為具有安全環(huán)保.高效節(jié)能和短小輕薄等優(yōu)點，已經(jīng)成為本學科一個主要的研究重點.電源是現(xiàn)代通訊，航空航天，生物技術(shù)，計算機和變頻器等高科技領(lǐng)域內(nèi)的動力支撐。電源產(chǎn)業(yè)正成為電子制造業(yè)的焦點。當今開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的四大趨勢為：非隔離DC/DC計算迅速發(fā)展，開關(guān)電源吹響數(shù)字化號角，初級PWM控制不斷優(yōu)化，同步整流技術(shù)實現(xiàn)。是國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的一種電流控制型脈寬調(diào)制器。這里說的電流型脈寬調(diào)制器，其原理是按反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈電流的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調(diào)節(jié)占空比，使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。UC

12、3844的結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的負載調(diào)整率、電壓調(diào)整率、和瞬態(tài)的響應(yīng)特性都有很大提高，是目前比較理想、應(yīng)用比較廣泛的新型控制器。本課題主電路部分為直流輸入的濾波電路，反激變換器，UC3844芯片的控制系統(tǒng)，整流濾波穩(wěn)壓電路等的設(shè)計以及觸發(fā)電路設(shè)計并對所用的器件進行了介紹。第一章 緒論1.1 通用變頻器的介紹能夠適用于所有負載的變頻器，就是通用型變頻器。電力電子器件的自關(guān)斷化、模塊化，變流電路開關(guān)模式的高頻化和控制手段的全數(shù)字化促進了變頻電源裝置的小型化、多功能化、高性能化。尤其是控制手段的全數(shù)字化，利用了微型計算機的巨大的信息處理能力，其軟件功能不斷強化，使變頻裝

13、置的靈活性和適應(yīng)性不斷增強。目前中小容量的一般用途的變頻器已經(jīng)實現(xiàn)了通用化。采用大功率自關(guān)斷開關(guān)器件（GTO、BJT、IGBT）作為主開關(guān)器件的正弦脈寬調(diào)制式（SPWM）變頻器，已成為通用變頻器的主流。以開關(guān)電源為變頻器的輔助電源的設(shè)計方案得到廣泛的使用，所以對開關(guān)電源的設(shè)計也成為了變頻器設(shè)計的重要部分。1.2 開關(guān)電源開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用幾乎所有的

14、電子設(shè)備，是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。電源是各種電子設(shè)備必不可少的組成部分,其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標及能否安全可靠地工作。開關(guān)電源的基本原理框圖如下：圖1.1 開關(guān)電源基本原理框圖目前,常用的直流穩(wěn)壓電源分為線性電源和開關(guān)電源,由于開關(guān)電源在體積、重量、用銅用鐵及能耗等方面都比線性電源有顯著減少,而且對整機多項指標有良好影響,因此,廣泛應(yīng)用于郵電通信、軍事裝備、交通設(shè)施、儀器儀表、工業(yè)設(shè)備、家用電器等領(lǐng)域,正朝高功率密度、高變換效率、高可靠性、無污染的方向發(fā)展。所以,尋求高性能的開關(guān)電源是電力電子技術(shù)重要的研究內(nèi)容。1.2.1 變頻器的輔助電源變頻器是應(yīng)用

15、變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。變頻器朝著小型化和低成本化方向發(fā)展，加速了電源向輕、薄、小和高效等方向發(fā)展。傳統(tǒng)的晶體管穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源，這種傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源技術(shù)比較成熟，已開發(fā)出大量集成化

16、的穩(wěn)壓電源模塊，這此類電源的優(yōu)點是：穩(wěn)定性能好、輸出紋波電壓小、使用可靠等，但這類電源有致命的缺點是體積大，因為它包括需要笨重的工頻變壓器，體積和重量都很大的濾波器。為了符合變頻調(diào)速器的小型化輕型化的發(fā)展，電源技術(shù)工程師開始研發(fā)新的電源，開關(guān)電源因其特有的優(yōu)點而受到關(guān)注，而且到目前為止已經(jīng)成功應(yīng)用到了變頻器設(shè)備中。1.2.2 基于UC3844的反激變換器的開關(guān)電源UC3844是國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的一種電流控制型脈寬調(diào)制器。這里說的電流型脈寬調(diào)制器，其原理是按反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈電流的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調(diào)節(jié)占空比，使輸出的電感峰值電流

17、跟隨誤差電壓變化而變化。UC3844的結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的負載調(diào)整率、電壓調(diào)整率、和瞬態(tài)的響應(yīng)特性都有很大提高，是目前比較理想、應(yīng)用比較廣泛的新型控制器。在DC/DC變換器中由于反激變換器適用于升降范圍寬，輸入輸出間需要電氣隔離的場所，而且反激變換器具有可靠性高，電路拓撲結(jié)構(gòu)簡潔，輸入輸出電氣隔離，升降范圍寬，易于多輸出等優(yōu)點，因此反激變換器是中小功率開關(guān)電源理想的電路拓撲。根據(jù)變壓器磁通的連續(xù)性將反激變換器分成電流連續(xù)模式（CCM）,電流臨界模式和電流斷續(xù)模式（DCM）三種工作模式。目前反激變換器的箝位電路主要有：有損RCD箝位電路，雙二極管,雙晶體管箝位電路

18、，LCD箝位電路和有源箝位電路。基于UC3844的反激變換器的開關(guān)電源現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于通用變頻器的輔助電源設(shè)計中并取得了很好的效果，極大的縮小了變頻器的總體體積，簡化了主電路的設(shè)計從而降低了成本，發(fā)展前景廣闊。1.3 課題來源變頻器已應(yīng)用于各行各業(yè)多種設(shè)備,并成為當今節(jié)電,改造傳統(tǒng)工業(yè),改善工藝流程,提高生產(chǎn)過程自動化水平,提高產(chǎn)品質(zhì)量,改善環(huán)境主要技術(shù)之一。變頻器技術(shù)是一種綠色技術(shù),是國民經(jīng)濟和日常生活中普遍需要新技術(shù),也是國際上技術(shù)更新?lián)Q代最快領(lǐng)域之一。在我國60%的發(fā)電是通過電動機消耗掉的，因此調(diào)速傳動是一個重要行業(yè)，一直得到國家重視，目前己有一定規(guī)模。三相交流異步電動機，由于轉(zhuǎn)子側(cè)的電流

19、不從外部引入，而由電磁感應(yīng)產(chǎn)生，故而具有結(jié)構(gòu)簡單牢固、體積小、重量輕、價格低廉、便于維護等優(yōu)點，一經(jīng)問世，就備受人們的青睞。與其他電動機相比，它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中的占有率一直處于絕對領(lǐng)先的地位。另一方面，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展和進步，人們對調(diào)速的要求越來越高，而異步電動機在調(diào)速方面一直處于性能不佳的狀態(tài)。然而，變頻技術(shù)的出現(xiàn)改善了交流電機的調(diào)速性能。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)以及控制技術(shù)的不斷發(fā)展，諸多新型電機控制技術(shù)不斷被提出，使變頻調(diào)速能很好地實現(xiàn)對交流電機的調(diào)速。本課題是針對國內(nèi)現(xiàn)有的通用變頻器內(nèi)部電源的使用需求提出的。隨著工農(nóng)業(yè)中電機應(yīng)用的普及，有著良好的調(diào)速性能的通用變頻器應(yīng)用范

20、圍廣、需 求量大，這就為研究通用變頻器的模塊化、系統(tǒng)化提供了很好的前景。其中變頻器中的輔助電源是首先要解決的問題。1.4 課題主要研究內(nèi)容 本論文的開關(guān)電源研究內(nèi)容是：利用UC3844芯片設(shè)計一個通用變頻器的內(nèi)部輔助電源，研究設(shè)計基于UC3844專用PWM發(fā)生芯片，采用反激變換器結(jié)構(gòu)的高壓直流（DC 350V-700V）輸入多路（5路：24V/200mA；±15V/200mA；5V/1A）隔離輸出電源。設(shè)計完成的該系統(tǒng)應(yīng)符合各項行業(yè)規(guī)定。設(shè)計完善的硬件電路元器件，有關(guān)參數(shù)計算及選型和完成樣機制作并進行調(diào)試。要求：完成樣機制作并進行調(diào)試，要求輸出動態(tài)響應(yīng)性能好，輸出電壓穩(wěn)定設(shè)計的主要內(nèi)

21、容： 1、多路輸出之間無電磁干擾；2、不論負載如何變化，各路輸出的電壓都要穩(wěn)定，不能有大的波動；3、整個開關(guān)電源不能發(fā)射出過大的干擾信號，避免影響變頻器的正常工作；4、要求其體積盡可能小，成本低廉，維修容易。第二章 主電路模塊設(shè)計2.1 主電路拓撲本課題的基于UC3844的多輸出的反激變換器的開關(guān)電源的研究設(shè)計的主電路拓撲結(jié)構(gòu)包括基于UC3844的PWM控制系統(tǒng)部分，反激變換器部分和整流濾波穩(wěn)壓電路設(shè)計部分。圖2.1 主電路圖2.2 直流-直流變換器（直流輸入開關(guān)電源）現(xiàn)代開關(guān)電源有兩種：一種是直流開關(guān)電源；另一種是交流開關(guān)電源。本課題中輸入為350V-700V的直流電，而要求輸出為多組的直流

22、輸出，本課題主要介紹直流開關(guān)電源。直流-直流變換器主要應(yīng)用在可調(diào)的直流電源和電機驅(qū)動系統(tǒng)中，在直流電機驅(qū)動系統(tǒng)中一般不加隔離變壓器，而開關(guān)模式的直流電源通常需要加入隔離變壓器，直流開關(guān)電源通常需要滿足下面的條件：1 但輸入電壓和負載變化時，輸出電壓必須能在容差范圍內(nèi)保持不變或者輸出電壓可調(diào)。2 輸入與輸出之間有電氣隔離3 某些場合可能需要多路輸出電壓，有些場合要求各輸出間也要電氣隔離。除了交流輸入的開關(guān)電源之外，很多開關(guān)電源的輸入為直流，來自電池或者另一個開關(guān)電源的輸出，這樣的開關(guān)電源被稱為直流-直流變換器。直流-直流變換器分為隔離型和非隔離型兩類，隔離型多采用反激，正激，半橋等隔離型電路，而

23、非隔離型采用buck,boost,buck-boost等電路。非隔離型的直流變換器輸出電壓往往較低，經(jīng)常采用buck電路結(jié)構(gòu)，但是采用的二極管為MOSFET，利用其低導通電阻的特點來降低電路中的通態(tài)損耗，器原理類似同步整流電流。輸入交流電經(jīng)二極管整流器整流成不可調(diào)的直流電壓，在輸入處用一個抑制電磁干擾的濾波器來避免電磁干擾，帶電氣隔離的直流-直流變換器把固定的直流電經(jīng)過脈寬調(diào)制變換成高頻脈沖電壓，然后經(jīng)過隔離變壓器的副邊的整流和濾波電路得到所需的直流電壓，由PWM控制器驅(qū)動直流-直流變換器的開關(guān)管，再通過反饋控制的到要求的直流輸出，反饋控制電路的電氣隔離也可以通過變壓器或者光電耦合器實現(xiàn)。2.

24、2.1反激變換器（反激式開關(guān)電源）在DC/DC變換器中由于反激變換器適用于升降范圍寬，輸入輸出間需要電氣隔離的場所，而且反激變換器具有可靠性高，電路拓撲結(jié)構(gòu)簡潔，輸入輸出電氣隔離，升降范圍寬，易于多輸出等優(yōu)點，因此反激變換器是中小功率開關(guān)電源理想的電路拓撲。反激變換器是輸出與輸入隔離的最簡單的變換器。輸出濾波僅需要一個濾波電容，不需要體積、重量較大的電感，較低的成本。尤其在高壓輸出時，避免高壓電感和高壓續(xù)流二極管。反激變換器中隔離變壓器起著電感和變壓器的雙重作用,變壓器磁芯處于直流偏磁狀態(tài),為防止磁芯飽和,需要較大氣隙,因此漏感較大,電感值相對較低。當功率開關(guān)關(guān)斷時,由漏感儲能引起的電流突變引

25、起很高的關(guān)斷電壓尖峰,功率管導通時,電感電流變化率大,電流峰值大,CCM模式整流二極管反向恢復引起功率開關(guān)管開通時高的電流尖峰。因此,必須用箝位電路來限制反激變換器功率開關(guān)電壓、電流應(yīng)力。目前反激變換器的箝位電路主要有：有損RCD箝位電路，雙二極管,雙晶體管箝位電路，LCD箝位電路和有源箝位電路。圖2.2反激變換器電路拓撲圖在開關(guān)S導通時間，輸入電壓Ui加在變壓器T初級，同名端“*”相對異名端為負，次級二極管D反偏截止。初級電流線性上升（線性電感），變壓器作為電感運行: 2.1即 2.2或 2.3當功率管關(guān)斷時，變壓器所有線圈感應(yīng)電勢“*”為正，次級二極管D正偏導通，磁芯磁通不能突變，磁勢不變

26、，滿足以下關(guān)系，作為變壓器運行： 2.4當i1下降到零，i2達到最大，然后將導通期間存儲在磁場能量傳輸?shù)截撦d，次級感應(yīng)電勢 2.5則次級電流線性下降 2.6單端反激式功率變換器就是電隔離的BUCK-BOOST功率變換器，其中變壓器起著電感和變壓器雙重功效，根據(jù)變壓器磁通的連續(xù)性將反激變換器分成電流連續(xù)模式（CCM）,電流臨界模式和電流斷續(xù)模式（DCM）三種工作模式。反激式變換器工作原理，當加到原邊主功率開關(guān)管的激勵脈沖為高電平使MOSFET、開關(guān)管導通時，整流后的直流電壓加在原邊繞組兩端，此時因副邊繞組相位是上負下正，使整流二極管反向偏置而截止，磁能就儲存在高頻變壓器的原邊電感線圈中；當驅(qū)動脈

27、沖為低電平使MOSFET開關(guān)管截止時，原邊繞組兩端電壓極性反向，使副邊繞組相位變?yōu)樯险仑?，則整流二極管正向偏置而導通，此后儲存在變壓器中的磁能向負載傳遞釋放2.2.2反激變換器的斷續(xù)模式在功率開關(guān)S再次導通前，次級電流下降到零的工作模式稱為斷續(xù)模式.電路進入穩(wěn)態(tài)，輸出電壓穩(wěn)定U0。當功率開關(guān)導通（Ton) 時，次級二極管截止，有 2.7或 2.8在導通期間，初級存儲的能量： 2.9穩(wěn)態(tài)時，輸入功率為： 2.10 2.11截止時，次級電流以斜率Uo/L2下降，在TR(<Tof )下降到零，得到輸出功率為 2.122.2.3反激變換器的連續(xù)模式電流連續(xù)模式下副邊二極管正在輸出電流時，新的一

28、個開關(guān)周期就開始了。由于原邊開關(guān)管導通時副邊二極管被迫關(guān)斷，這種情況下輸出二極管的開關(guān)損耗會明顯增加。這對輸出二極管的反向恢復特性要求也更高了。鑒于這個原因，只有輸出電壓較低時（3.3V、5V），開關(guān)損耗比重較小，將選用連續(xù)電流模式。而輸出電壓較高時（48V以上），開關(guān)損耗比重較大，則通常采用非連續(xù)電流模式。2.2.4反激變換器的臨界模式電流臨界連續(xù)模式介于電流連續(xù)模式和電流斷續(xù)模式之間,它同時滿足連續(xù)模式的電壓電流特性和電流斷續(xù)模式下的電壓電流特性。本課題主要是研究設(shè)計電流斷續(xù)模式下的反激變換器，對變壓器的繞組，匝數(shù)和空氣氣隙等參數(shù)進行設(shè)計以達到本課題研究內(nèi)容的要求。2.3 PWM控制PWM

29、（Pulse Width Modulation）控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。 UC3844是電流型PWM控制芯片，PWM器件是根據(jù)輸出反饋,調(diào)節(jié)脈沖方波的占空比,以此來驅(qū)動功率器件、高頻變壓器、整流、濾波等電路,從而得到穩(wěn)定的直流輸出電壓,PWM器件在開關(guān)電源中完成脈寬調(diào)制作用,大多數(shù)PWM器件還具有工作電壓的滯回、軟啟動、快速關(guān)閉、電流限制等輔助功能,只需外接少數(shù)阻容元件、分立器件和輸出高頻變壓器即可實現(xiàn)性能比較理想的開關(guān)電源.電壓型PWM控制系統(tǒng)框圖如圖所示。電源輸出反饋電壓Uf與基準電壓Ug比較放大得到誤差

30、電壓Ue,該誤差電壓再與鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波信號進行比較,產(chǎn)生占空比變化的矩形波驅(qū)動信號。這種結(jié)構(gòu)屬于典型的單閉環(huán)系統(tǒng),缺點是控制過程中主電路的電流沒有參入輸出控制。由于電感的作用,電流滯后于電壓的變化,因而系統(tǒng)響應(yīng)速度慢,穩(wěn)定性差。電流型PWM控制系統(tǒng)分析:圖2.3 電流型PWM控制系統(tǒng)框圖控制系統(tǒng)框圖如圖2-3所示,該系統(tǒng)采用電流電壓雙閉環(huán)串級控制結(jié)構(gòu),內(nèi)環(huán)是電流環(huán),外環(huán)是電壓環(huán),控制原理是:給定的電壓Ug與從輸出反饋回的電壓Ur進行比較,得到的電壓誤差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器輸出作為另一個給定的電壓信號Ue,該信號與經(jīng)電阻采樣反映電流變化的信號Us進行比較,輸出一個占空比可調(diào)節(jié)的PWM脈沖信號,

31、從而使得信號Vo保持不變。電壓控制器的輸出信號作為電流環(huán)的參考信號，給這一信號設(shè)置限幅，就可以限制電路的最大電流，達到短路和過載保護的目地，還可以實現(xiàn)恒流控制，解決了單一的只有電壓模型控制的出現(xiàn)的缺點。電流型PWM控制的優(yōu)點如下: 1 電壓調(diào)整率好。輸入電壓的變化立即引起電感電流的變化,電感電流的變化立即反映到電流控制回路而被抑制,不像電壓控制要經(jīng)過輸出電壓反饋到誤差放大器,然后再調(diào)節(jié)的復雜過程,所以響應(yīng)快。如果輸入電壓的變化是持續(xù)的,電壓反饋環(huán)也起作用,因而可以達到較高的線形調(diào)整率。 2 負載調(diào)整率好。由于電壓誤差放大器可專門用于控制占空比,以適應(yīng)負載變化造成的輸出電壓的變化,因而可大大改善

32、負載調(diào)整率。3 系統(tǒng)穩(wěn)定性好。從控制理論的角度講,電壓控制單閉環(huán)系統(tǒng)是一個無條件的二階穩(wěn)定系統(tǒng)。而電流控制雙閉環(huán)系統(tǒng)是一個無條件的一階穩(wěn)定系統(tǒng),系統(tǒng)穩(wěn)定性好。2.4 整流電路設(shè)計電力電子技術(shù)主要是一門研究電力電子器件制造技術(shù)和變流技術(shù)的學科，其中變流技術(shù)包括很多方面，有直流-直流，直流-交流，交流-交流和交流-直流的變流技術(shù)，這些變流技術(shù)是電力電子的核心。其中整流技術(shù)是一種交流-直流變流技術(shù)，交流-直流變流技術(shù)一般可以采用多種方案實現(xiàn)。下圖為一個典型的單相半波可控整流電路： 圖2.4 整流電路圖這是一個帶電阻負載的整流電路，其中的變壓器起變換電壓和隔離的作用，IGBT是一個典型的全控型電力電子

33、器件，是整流電路的核心器件，變壓原邊輸入的是交流電，當晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)時，負載電路中無電流通過，電壓U2全部加在晶閘管兩端，如果在U2正半周晶閘管承受正向陽極電壓期間時給晶閘管的門極加上觸發(fā)脈沖晶閘管導通，可以忽略晶閘管的管壓降，此時U2的電壓全部加在負載電阻上。當U1輸入翻轉(zhuǎn)到達負半周時，經(jīng)過變壓器的變壓的U2加在晶閘管上的電壓為反向電壓，晶閘管的關(guān)斷，負載無電流輸出，等U1的再次翻轉(zhuǎn)到正半周時晶閘管再次導通負載有正向電流流過，這樣重復，負載上的電壓電流總是正向的，因此輸出的是直流電，整流電路就是把交流電變換為直流電，這就是整流電路的基本原理。本課題中，經(jīng)過PWM控制MOSFET管導通和關(guān)

34、斷反激變換器的變壓器副邊相當于是交流輸出，課題需要的是穩(wěn)定的直流輸出，所以可以運用整流的變流技術(shù)對其進行整流。和上面的單相半波全控整流電路具有很多共同點，在本課題中我們采用快恢復二極管對期進行整流，電路圖如下：圖 2.5 整流電路 根據(jù)反激式變換器工作原理，當加到原邊主功率開關(guān)管的激勵脈沖為高電平使MOSFET、開關(guān)管導通時，整流后的直流電壓加在原邊繞組兩端，此時因副邊繞組相位是上負下正，使整流二極管反向偏置而截止，負載端就沒有電流流過，磁能就儲存在高頻變壓器的原邊電感線圈中；當驅(qū)動脈沖為低電平使MOSFET開關(guān)管截止時，原邊繞組兩端電壓極性反向，使副邊繞組相位變?yōu)樯险仑摚瑒t整流二極管正向偏

35、置而導通，此后儲存在變壓器中的磁能向負載傳遞釋放，此時負載有正向的電流流過，所以通過整流二極管的整流可以得到直流輸出，但是這樣輸出的電壓電流還是不符合要求的，還需要進一步的對整流后的輸出進行濾波和穩(wěn)壓，這樣才能得到能供給負載正常使用的直流穩(wěn)恒電源。2.5 濾波穩(wěn)壓電路的設(shè)計在輸入電壓、負載、環(huán)境溫度、電路參數(shù)等發(fā)生變化時仍能保持輸出電壓恒定的電路。這種電路能提供穩(wěn)定的直流電源，廣為各種電子設(shè)備所采用。穩(wěn)壓電路主要由調(diào)整元件、基準電壓電路、取樣電路、比較放大電路構(gòu)成。特別在整流電路中，電網(wǎng)的交流電經(jīng)過電力電子器件的整流后得到波動的直流電。這種波動的直流電是不能直接接上負載工作，不然會嚴重損害電氣

36、設(shè)備甚至造成電氣設(shè)備損毀。下面介紹一個用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓的簡單穩(wěn)壓電路。 圖2.6 簡單的穩(wěn)壓電路圖圖中所示的是用齊納二極管設(shè)計的穩(wěn)壓電路，當齊納二極管的反向電壓加到某一定值時，反向電流急增，二極管產(chǎn)生方向擊穿，此時的反向電壓為二極管的反向擊穿電壓，即為穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。R1為限流電阻，穩(wěn)壓管的流過電流不能過高，否則會燒毀穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓管工作時，Vo為穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓，當電源電壓有大幅度波動時流過穩(wěn)壓管的電流會發(fā)生變化，Vo的電壓會產(chǎn)生微弱的變化，總體的輸出電壓還是很穩(wěn)定的,從而達到穩(wěn)壓的效果。開關(guān)型穩(wěn)壓電路具有體積小、效率高的特點。線性電源的效率為30%55%；而開關(guān)穩(wěn)壓器可達60%85%，而且

37、可以省去工頻變壓器和巨大的散熱器，體積和重量都大為減小。這種電路已在各種電子設(shè)備中獲得廣泛的應(yīng)用。常用的實現(xiàn)開關(guān)控制的方法；有自激式開關(guān)穩(wěn)壓器、脈寬調(diào)制式開關(guān)穩(wěn)壓器和直流變換式開關(guān)穩(wěn)壓器等。濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負載串聯(lián)電感器L，以及由電容，電感組成而成的各種復式濾波電路。當流過電感的電流變化時，電感線圈中產(chǎn)生的感生電動勢將阻止電流的變化。當通過電感線圈的電流增大時，電感線圈產(chǎn)生的自感電動勢與電流方向相反，阻止電流的增加，同時將一部分電能轉(zhuǎn)化成磁場能存儲于電感之中；當通過電感線圈的電流減小時，自感電動勢與電流方向相同，阻止

38、電流的減小，同時釋放出存儲的能量，以補償電流的減小。因此經(jīng)電感濾波后，不但負載電流及電壓的脈動減小，波形變得平滑，而且整流二極管的導通角增大。在電感線圈不變的情況下，負載電阻愈小，輸出電壓的交流分量愈小。只有在RL>>L時才能獲得較好的濾波效果。L愈大，濾波效果愈好。另外，由于濾波電感電動勢的作用，可以使二極管的導通角接近，減小了二極管的沖擊電流，平滑了流過二極管的電流，從而延長了整流二極管的壽命。無源濾波器：這種電路主要有無源元件R、L和C組成有源濾波器：集成運放和R、C組成，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點。集成運放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，構(gòu)成有源濾波電路

39、后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。但集成運放帶寬有限，所以目前的有源濾波電路的工作頻率難以做得很高。整流電路是將交流電變?yōu)橹绷麟娨怨┴撦d使用。直流穩(wěn)壓電源先通過整流電路把交流電變?yōu)槊}動的直流電,再經(jīng)各種濾波電路、穩(wěn)壓電路，使輸出直流電壓維持穩(wěn)定.需要得到穩(wěn)定的直流輸出必須要進行穩(wěn)壓和濾波，濾波電路作用是盡可能減小脈動的直流電壓中的交流成分，保留其直流成分，使輸出電壓紋波系數(shù)降低，波形變得比較平滑。有源濾波電路的負載不影響濾波特性，因此常用于信號處理要求高的場合。有源濾波電路一般由RC網(wǎng)絡(luò)和集成運放組成，因而必須在合適的直流電源供電的情況下才能使用，同時還可以進行放大。但電路的組成和設(shè)計也較復雜

40、。有源濾波電路不適用于高電壓大電流的場合，只適用于信號處理。圖2.7 濾波穩(wěn)壓限流電路圖根據(jù)濾波器的特點可知，它的電壓放大倍數(shù)的幅頻特性可以準確地描述該電路屬于低通、高通、帶通還是帶阻濾波器，因而如果能定性分析出通帶和阻帶在哪一個頻段，就可以確定濾波器的類型。識別濾波器的方法是：若信號頻率趨于零時有確定的電壓放大倍數(shù)，且信號頻率趨于無窮大時電壓放大倍數(shù)趨于零，則為低通濾波器；反之，若信號頻率趨于無窮大時有確定的電壓放大倍數(shù)，且信號頻率趨于零時電壓放大倍數(shù)趨于零，則為高通濾波器；若信號頻率趨于零和無窮大時電壓放大倍數(shù)均趨于零，則為帶通濾波器；反之，若信號頻率趨于零和無窮大時電壓放大倍數(shù)具有相同的

41、確定值，且在某一頻率范圍內(nèi)電壓放大倍數(shù)趨于零，則為帶阻濾波器。進過整流之后，得到的是不穩(wěn)定的直流輸出，只有通過濾波穩(wěn)壓之后輸出的穩(wěn)恒直流電源才能用于正常的生產(chǎn)實踐，在本課題中整流二極管流出的直流電波紋很大，需要在一布的進行濾波穩(wěn)壓，本課題中對直流輸出的電流也有嚴格的要求，在輸出波紋在+/-5%的范圍內(nèi)我們通過并聯(lián)一個適當?shù)姆€(wěn)壓電容和限流電阻使得輸出的電壓和電流都符合課題內(nèi)容要求。根據(jù)反激變換器的變壓器的原邊和副邊的匝數(shù)比，PWM控制的控制信號頻率可以得到整流二極管的整流輸出電壓電流。根據(jù)控制信號的頻率和輸出的要求波紋來求的濾波穩(wěn)壓電容的時間參數(shù)進而求得電容的大小。最后在根據(jù)要求的電流大小設(shè)計適

42、當?shù)南蘖麟娮柚怠?第三章 器件介紹3.1 UC3844芯片的簡介UC3844是美國UNITRODE公司生產(chǎn)的高性能電流型脈寬調(diào)制器(PWM)控制器。早期的PWM控制器是電壓控制型的,常用的電壓型PWM控制器有TL494、TL495、SG3524、SG3525等。電壓型PWM是指控制器按反饋電壓來調(diào)節(jié)輸出脈寬,電流型PWM是指控制器按反饋電流來調(diào)節(jié)輸出脈寬。電流型PWM是在脈寬比較器的輸入端,直接用流過輸出電感線圈電流的信號與誤差放大器輸出信號進行比較,從而調(diào)節(jié)占空比,使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng),因此,無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率和瞬態(tài)

43、響應(yīng)特性都有提高,是目前比較理想的新型PWM控制器。UC3844是一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片，由該集成電路構(gòu)成的開關(guān)穩(wěn)壓電源與一般的電壓控制型脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源相比具有外圍電路簡單、電壓調(diào)整率好、頻響特性好、穩(wěn)定幅度大、具有過流限制、過壓保護和欠壓鎖定等優(yōu)點。 圖3.1 UC3844內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3844的工作原理是:反饋電壓和2.5基準電壓之差,經(jīng)誤差放大器/放大后作為門限電壓,與反饋電流經(jīng)采樣后的電壓,一起送到電流感應(yīng)比較器。當電流取樣電壓超過門限電壓后,比較器輸出高電平觸發(fā)觸發(fā)器,然后經(jīng)或非門輸出低電平,關(guān)斷功率管,并保持這種狀態(tài)直至振蕩器輸出脈沖到觸發(fā)器和或非門為止。這

44、段時間的長短由振蕩器輸出脈沖寬度決定。信號的上升沿由振蕩器決定,下降沿由功率開關(guān)管電流和輸出電壓共同決定。反轉(zhuǎn)觸發(fā)器限制的占空比調(diào)節(jié)范圍在050%之內(nèi)。引腳2是電壓反饋端,將取樣電壓加至/誤差放大器的反相輸入端,與同向輸入端的2.5基準電壓進行比較,產(chǎn)生誤差電壓。利用內(nèi)部/誤差放大器可以構(gòu)成電壓環(huán)。引腳3是電流反饋端,電流取樣電壓由引腳3輸入到電流比較器。當引腳3電壓大于1時,輸出關(guān)閉。利用引腳3和電流比較器可以構(gòu)成電流環(huán)。引腳1是補償端,外接阻容元件以補償誤差放大器的頻率特性。引腳8為5基準電壓,帶載能力50。引腳6為推挽輸出端。引腳5為公共端。引腳7為集成塊工作電源端,電壓范圍為840。使

45、驅(qū)動信號關(guān)斷的方法有兩種：一種是將引腳1的電壓降到1V以下另一種是將引腳3的電壓升到1V以上。這兩種是電流比較器輸出高電平，PWM鎖存器復位，關(guān)閉輸出端直到下一個時鐘信號將PWM鎖存器置位為止，可以控制1，3引腳的電壓變化實現(xiàn)各種必要的保護。UC3844芯片是通過對反饋的電壓和電流信號的處理使得引腳6的輸出電壓改變來控制MOSFET管的關(guān)斷和導通從而調(diào)控反激變換器的輸出。設(shè)計UC3844的外圍電路中的震蕩頻率再結(jié)合UC3844的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性來調(diào)節(jié)占空比。UC3844的外圍電路通常為：圖3.2 UC3844的典型外圍電路圖圖中的引腳7為UC3844芯片的電源端，芯片的開啟電壓為16V，欠壓鎖定為

46、10V，最高的上限電壓是34V，我們設(shè)計為24V供電，用穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓同時并聯(lián)一個電容濾波，開始時由原邊電路供電，正常工作后由輸出的副邊供電。為了防止引腳6處輸出的電壓不穩(wěn)定時較高的電壓直接灌入穩(wěn)壓二極管而是其燒毀，所以要在輸出端給供電線路和穩(wěn)壓管之間串聯(lián)一個二極管。引腳4接震蕩電路，產(chǎn)生鋸齒波，頻率為1.8R2C3，震蕩電阻和電容分別選取100K,200PF.引腳1和2之間腳2及腳1為內(nèi)部電壓比較器的反相輸入端和輸出端，它們之間接一個15 k的電阻構(gòu)成比例調(diào)節(jié)器，這里采用比例調(diào)節(jié)而不用PI調(diào)節(jié)的目的是為了保證反饋回路的響應(yīng)速度。腳6為輸出端，經(jīng)一個限流電阻限流后驅(qū)動功率MOSFET，為保護功

47、率MOSFET，在腳6處并聯(lián)一支15V的穩(wěn)壓二極管。3.2 二極管器件的選擇3.2.1電力二極管電力二極管（Power Diode）在20世紀50年代初期就獲得應(yīng)用，在電力電子中它是一種不可控器件，當時也被稱為半導體整流器,并開始逐步取代汞弧整流器。它的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管是一樣的，都以半導體PN結(jié)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)正向?qū)ā⒎聪蚪刂沟墓δ?；電力二極管是不可控器件，其導通和關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。IOIFUTOUFU 圖3-3 電力二極管的伏安特性電力二極管實際上是由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的，從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。

48、其主要類型有普通二極管、快恢復二極管、肖特基二極管。電力二極管的靜態(tài)特性主要指其伏安特性門檻電壓，正向電流開始明顯增加處于通態(tài)狀態(tài)。與正向電流對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為正向電壓降，當電力二極管承受的是反向電壓時，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。電力二極管的動態(tài)特性，延遲時間 3.1電流下降時間 3.2反向恢復時間 3.3恢復特性的軟度：下降時間與延遲時間的比值tf/td，或稱恢復系數(shù)，用Sr表示。a000)()000)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtbUFPuiiFuFtfrt02V圖3-4 電力二極管的動態(tài)過程波形:a 正向偏置轉(zhuǎn)換為反

49、向偏置b 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置在電力二極管中有些很重要的參數(shù)，正向平均電流指的是電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。應(yīng)該注意的是，當用在頻率較高的場合時，電力二極管的發(fā)熱原因除了正向電流造成的通態(tài)損耗外，其開關(guān)損耗也往往不能忽略。當采用反向漏電流較大的二極管時，其斷態(tài)耗損造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小。正向壓降是指在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降。反向重復峰值電壓是指電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓，通常其雪崩擊穿電壓的2/

50、3。最高工作結(jié)溫,結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，最高工作結(jié)溫是指PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度，一般在125175度范圍內(nèi)。浪涌電流指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。反向恢復時間 3.43.2.2 快恢復二極管快恢復二極管是電力二極管中的一種典型二極管，快速恢復整流二極管屬于整流二極管中的高頻整流二極管，之所以稱其為快速恢復二極管，這是因為普通整流二極管一般工作于低頻(如市電頻率為50Hz)，其工作頻率低于3kHz，當工作頻率在幾十至幾百kHz時，正反向電壓變化的時間慢于恢復時間，普通整流二極管就不能正常實現(xiàn)單向?qū)耍@時就要用快恢速復整流二極管?？焖倩?/p>

51、復二極管的特點就是它的恢復時間很短，這一特點使其適合高頻整流?？焖倩謴投O管有一個決定其性能的重要參數(shù)反向恢復時間。反向恢復時間的定義是，二極管從正向?qū)顟B(tài)急劇轉(zhuǎn)換到截止狀態(tài)，從輸出脈沖下降到零線開始，到反向電源恢復到最大反向電流的10%所需要的時間，常用符號trr表示。普通快速恢復整流二極管的trr為幾百納秒(10-9s)，超快速恢復二極管的trr一般為幾十納秒。Trr越小的快速恢復二極管的工作頻率越高。本課題中電力二極管由于需要適應(yīng)高頻的電路，所以基本上都選用快恢復二極管，主要用于整流方面和濾波方面，反激變換之后的交流電需要通過整流得到直流電，當MOSFET通態(tài)時，副邊的整流二極管承受反向的電壓而截至處于不工作狀態(tài)，當MOSFET關(guān)斷時，副邊的整流二極管承受正向電壓而導通，輸出正向的電流電壓，從而實現(xiàn)了整流的作用。在UC3844的啟動電路中，由于UC3844的工作頻率高，快恢復二極管能夠起到其他二極管不能達到的優(yōu)點。3.3 開關(guān)功率管的介紹和選擇 功率開關(guān)管是指能承受較大電流，漏電流較小，在一定條件下有較好飽和導通及截止特性的三極管，可不太考慮其放大性能，其控制與基極電流大小或方向有關(guān)電流經(jīng)集電極和發(fā)射極，方向具體要看是NPN還是PNP管。場效應(yīng)管一般做電子開關(guān)用，控制與極性有關(guān)。開關(guān)功率管可選用MOSFET功率管或雙極型功率管。雙極