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[电子/电路]基于UC3844通用变频器辅助电源设计[电子/电路]基于UC3844通用变频器辅助电源设计 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 题 目: 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 学院: 电气信息学院 专业:电气自动化 班级: 学号: 学生姓名: 导师姓名: 完成日期: 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 诚 信 声 明 本人声明: 1、本人所呈交的毕业设计(论文)是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果; 2、据查证,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,毕业设计(论文)中不包含其他人已经公开发表过...

[电子/电路]基于UC3844通用变频器辅助电源设计
[电子/电路]基于UC3844通用变频器辅助电源 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目: 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 学院: 电气信息学院 专业:电气自动化 班级: 学号: 学生姓名: 导师姓名: 完成日期: 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 诚 信 声 明 本人声明: 1、本人所呈交的毕业设计(论文)是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果; 2、据查证,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,毕业设计(论文)中不包含其他人已经公开发表过的研究成果,也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料; 3、我承诺,本人提交的毕业设计(论文)中的所有内容均真实、可信。 作者签名: 日期:2013 年 5 月 30 日 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 湖南工程学院 毕业设计(论文)任务 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 设计(论文)题目: 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 姓名 系别 电气与信息系 专业 电气工程及其自动化 班级 学号 指导老师 职称 助教 教研室主任 一、本任务及要求: 随着工农业中电机应用的普及,有着良好的调速性能的通用变频器应用范围广、需求量大, 这就为研究通用变频器的模块化、系统化提供了很好的前景。变频器中的辅助电源是首先要解 决的问题。研究设计基于UC3844专用PWM发生芯片,采用反激变换器结构的高压直流(DC 350V-700V)输入多路(5路:24V/200mA;?15V/200mA;5V/1A)隔离输出电源。设计完成 的该系统应符合各项行业规定,。 设计的主要内容: 1、 设计完善的硬件电路 2、 元器件有关参数计算及选型 3、 完成样机制作并进行调试 4、 完成设计报告的撰写 二、进度安排及完成时间: 1月12日-1月18日 查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告。 2月25日-3月05日 查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告。 3月06日-3月15日 毕业实习、撰写实习报告。 3月16日-4月22日 主要完成系统软硬件构建的初步设计。 4月23日-5月10日 修改系统硬件构建设计。 5月11日-5月20日 完成系统的主电路设计与元器件计算。 5月21日-5月25日 完成工艺设计。 5月26日-6月01日 撰写毕业设计说明书(论文)。 6月02日-6月06日 修改、装订毕业设计说明书、指导教师评阅。 6月07日-6月09日 毕业设计答辩(公开答辩、分组答辩)。 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 基于UC3844通用变频器的辅助电源的研究设计 摘 要 :通用变频器作为早个商品开始在国内上市,是最近十年内的事情,并且销售额逐年增加,至今为止全年有超过数十亿元(RMB)的市场。对于许多用户而言,这十年中历经多次更新,现在所使用的变频器大部分属于目前最先进的机型。若从应用的角度来说,我们的水准与发达国家已经很接近。 本课题是设计一个通用变频器的多路输出的反激式开关电源,电源取高压直流(DC 350V-700V)。要求基于UC3844专用PWM发生芯片,采用反激变换器结构的高压直流(DC 350V-700V)输入多路(5路:24V/200mA;?15V/200mA;5V/1A)隔离输出。设计完成的该系统应符合各项行业规定。 关键词:UC3844、开关电源、反激变换器 I 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 Design of auxiliary power supply based on UC3844 general inverter Abstract:As a goods start early in the domestic market, is nearly a decade,general converter sales increased year by year, this year more than billions of yuan (RMB) in the market. For many users, this decade has been a lot of time to update, now the frequency converter used mostly belongs to the most advanced models if from the point of view of application, we have very close to level with the developed countries. 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 UC3844 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: UC3844,Switching Power Supply,The flyback converter II 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 目录 基于UC3844通用变频器的辅助电源的研究设计 ................................. I Design of auxiliary power supply based on UC3844 general inverter ........ II 前 言 .................................................................... 1 第一章 绪论 .............................................................. 2 1.1 通用变频器的发展 .................................................. 2 1.2 通用变频器工作原理 ................................................ 3 1.2.1变频器的基本控制方式 ......................................... 3 1.2.2 变频器输出电压调制和PWM技术 ................................. 5 1.3 通用变频器的开关电源简介 .......................................... 7 1.3.1 开关电源的发展 ............................................... 7 1.3.2开关电源的优点 : ............................................ 9 1.3.3 开关电源的构成 ............................................... 9 1.3.4保护电路 .................................................... 14 1.3.5开关电源中的辅助电源 ........................................ 15 1.4 UC3844芯片介绍 ................................................... 17 1.5 课题来源及主要研究内容 .......................................... 18 1.5.1课题来源 .................................................... 18 1.5.2 主要研究内容 ................................................ 19 第二章 开关电源的设计 ................................................... 20 2.1 主电路拓扑 ....................................................... 20 2.2主要器件介绍 ...................................................... 20 2.2.1 PC817 ....................................................... 20 2.2.2 TL431 ....................................................... 21 2.2.3 开关功率管的选择 ............................................ 22 2.3 变压器设计 ....................................................... 23 2.3.1 计算一次绕组参数 ............................................ 23 2.3.2计算磁芯参数 ................................................ 24 2.3.3 计算变压器有效体积 .......................................... 25 2.3.4确定一次绕组匝数N1 .......................................... 25 2.3.5 确定自馈绕组N2和二次绕组N3 的匝数 ......................... 26 2.3.6 计算空气气隙 .............................................. 27 , 2.4缓冲电路设计 ...................................................... 28 2.5驱动电路和控制电路设计 ............................................ 30 2.6电流反馈电路设计 .................................................. 31 2.7电压反馈电路设计 .................................................. 32 第三章 斜坡补偿 .......................................................... 34 3.1 斜率补偿的类型与补偿方程 ......................................... 34 3.2 正斜率补偿及其补偿电路 .......................................... 35 4.3 正斜率补偿的电路优化 ............................................ 36 结束语 ................................................................... 38 参考文献 ................................................................. 39 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 致 谢 ................................................................... 40 附 录 ................................................................. 41 1 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 前 言 在电源日新月异的今天,新型、高效、环保的电源产品越来越受到人们的重视。高频开关式直流稳压电源具有体积小、效率高、和占空间小等特点,因此获得了广泛的关注研究和应用。开关电源的控制电路可以分为电压控制型和电流控制型,电压控制型是一个单闭环电压控制系统,因此系统响应速度慢,很难达到令人满意的调整率精度。而电流控制型较电压控制型拥有很多不能相比的优点。 UC3844是国内应用比较广泛的一种电流控制型脉宽调制器。这里说的电流型脉宽调制器,其原理是按反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈电流的信号与误差放大器输出信号进行比较,从而调节占空比,使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。UC3844的结构上有电压环、电流环双环系统,因此,无论开关电源的负载调整率、电压调整率、和瞬态的响应特性都有很大提高,是目前比较理想、应用比较广泛的新型控制器。 1 2 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 第一章 绪论 1.1 通用变频器的发展 变频器如今已经应用于各行业多种设备,并逐渐作为当今电能节省,改善工艺流程,改造传统型工业,提高生产自动化水平,提高产品的质量,改善环境的主要技术之一。变频器技术是一种全新绿色环保技术,是国民经济以及日常生活中普遍需要的新兴技术,也是国际上电子技术更新最快的领域之一。 交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一,这是和电力电子器件制造技术、变流技术控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切相关。 随着微机技术、电力电子技术和调速控制理论的不断发展,变频器作为一种智能调速“电源”也在不断地更新。从变频器被发明以来,通用变频器已经经历以下几个发展阶段:模拟式、数字式、智能式、多功能型和现在的通用变频器。 新型通用变频器不仅采用高频载波方式的正弦波SPWM调制实现静音化,还在通用变频器输入侧加交流电抗器,而在逆变电路中则采取PWM控制技术,以改善输入电流的波形和降低电网的谐波,在抗干扰和抑制高次谐波方面皆符合国际 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ,实现清洁电能的变换。比如柔性PWM的控制技术,它实现了更低的噪音运行。 为更好地发挥变频调速控制技术的独特功能,并尽可能满足现场控制的需要,新型通用变频器派生了许多专用机型,例如风机水泵专用型、机械主轴传动专用型、交流电梯专用型、电源再生专用型、起重机专用型、纺织机械专用型、恒压供水专用型、机车牵引专用型、中频驱动专用型、单相变频器等。 新型通用变频器不仅发展单机的数字化、智能化外,还向集成化、系统化的方向飞速发展。如西门子公司的集通讯、设计和数据管理于一体的“全集成自动化”(TIA)平台概念,它可以使伺服装置、控制器、变频器及通讯装置等配置,更甚至于自动化和驱动系统以及通讯和数据管理系统都可以像驱动装置嵌入全集成自动化的系统那样进行,其目的是为广大用户提供最好的系统功能。 新型通用变频器可提供多种兼容的通信接口,支持多种不同的通信协议,内装RS485接口,可由个人计算机向通用变频器输入运行命令和设定功能码数据等,通过选件可与现场总线:Profibus-DP、Interbus-S 、Device Net 、ModbusPlus、CC-Link、LONWORKS、Ethernet、CAN Open、T-LINK等通讯。如西门子、VACON、富士、日立、三菱、台安等品牌的通用变频器,均可通过各自可提供的选件支持上述几种或全部类型的现场总线。 新型通用变频器可以内置多种应用软件,有的品牌可提供多达130余种的应用软件, 2 3 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 以满足现场过程控制的需要,如PID控制软件、张力控制软件、速度级链、速度跟随、电流平衡、变频器功能设置软件、通讯软件等。变频器功能设置软件可以在WINDOWS95/98环境下设置变频器的功能及数据通讯。 并且,用户只要设定数据组编码,而不必逐项设置,通用变频器会将运行参数自动调整到最佳状态(矢量型变频器可对电机参数进行自整定)。 1.2 通用变频器工作原理 1.2.1变频器的基本控制方式 在各种异步电机调速控制系统中,目前效率最高、性能最好的系统是变压变频调速控制系统。异步电动机的变压变频调速控制系统一般简称为变频器。由于通用变频器使用方便、可靠性高,所以它成为现代自动控制系统的主要组成元件之一。 根据异步电动机的转速表达式: 60f1n,(1,s) p 可知,改变频率就能改变电动机的转速,但是在实际实验中发现单纯改变电动机的频率会烧坏电动机。由《电机学》可知,定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果,本质上是定子绕组的自感电动势。其三相异步电机定子每相电动势的有效值是: E,4.44kfN,1r111M 式中:E1:气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值,单位为V; f1:定子频率,单位为Hz; N1:定子每相绕组串联匝数; kr1:与绕组结构有关的常数; ΦM:每极气隙磁通量,单位为Wb。 由上式可知,如果定子每相电动势的有效值E1不变,当我们改变定子频率时就会出现下面两种情况: 如果 f1大于电机的额定频率 f1N, 那么气隙磁通量ΦM就会小于额定气隙磁通量ΦMN。其结果是:尽管电机的铁心没有得到充分利用是一种浪费,但是在机械条件允许的情况下长期使用不会损坏电机。 如果 f1小于电机的额定频率 f1N,那么气隙磁通量ΦM就会大于额定气隙磁通量ΦM。其结果是:电机的铁心产生过饱和,从而导致过大的励磁电流,严重时会因绕 3 4 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 组过热而损坏电机。 要实现变频调速,在不损坏电机的条件下,充分利用电机铁芯,发挥电机转矩的能力,最好在变频时保持每极磁通量ΦM为额定值不变。 对于直流电机而言励磁系统是独立的,尽管存在电枢反应,但只需对电枢反应作适当的补偿,保持ΦM不变很容易做到。在交流异步电机中,磁通是定子和转子磁动势合成产生的,但是如何才能保持磁通基本不变呢, 1、基频以下调速 要保持ΦM不变,当频率f1从额定值f1N 向下调节时,必须同时降低E1,使E1/f1,常数。即采用电动势与频率之比恒定的控制方式。 然而,绕组中的感应电动势是难以直接控制的,当电动势的值较高时,可以忽略定1 U子绕组的漏磁阻抗压降,而认为定子相电压U1?E1,则得: ,C 1 f 这是恒压频比的控制方式。在恒压频比条件下改变频率时,我们能够证明:机械特性基本上是平行下移的,如图所示。 图1-1恒压频比下的调速机械特性 ,、基频以上调速 在基频以上调速时,频率可以从f1N往上增高,但电压U1却不能超过额定电压U1N,最多只能保持U1=U1N 。由以上公式可知,这将迫使磁通随频率升高而降低,相当于直流电机弱磁升速的情况。在基频f1N以上变频调速时,由于电压U1=U1N 不变,我们不难证明当频率提高时,同步转速随之提高,最大转矩减小,机械特性上移,如图所示。 4 5 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 由于频率提高而电压不变,气隙磁动势必然减弱,导致转矩减小。由于转速升高了,可以认为输出功率基本不变。所以,基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。 图1-2 基频以上调速的机械特性曲线 通过以上分析可知,异步电动机变频调速时必须按照一定规律使变频和调压合理配合,变频器的整流虑波电路和逆变电路就是要完成此项任务。 1.2.2 变频器输出电压调制和PWM技术 整流是变频器的重要组成部分,其作用是把工频交流电通过整流器转换成直流电,目前变频器的整流技术主要是采用二极管桥式电路进行不控整流。二极管整流的主要缺点是:产生谐波和不可控制性。谐波对电网造成了严重的“污染”;不可控制性不仅使能量只能从交流到直流进行单向流动,而且所得直流电大小不可调节。治理这种电网“污染”最根本的措施就是将,,,技术引入整流器的控制,实现网侧电流正弦化,且运行于单位功率因数。 变频器的逆变电路依据逆变电路输出电压调制方法有脉幅调制PAM (Pulse Amplitude Modulation)、脉宽调制PWM (Pulse Width Modulation)、正弦脉宽调制SPWM等3种类型。由于逆变电路输出电压调制方法不同,要求逆变电路中各半导体器件控制信号也不同。 脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)就是要求逆变电路输入直流电压的有效值是不可控制的,也就是整流电路应为二极管控桥路,而逆变电路通过控制全控元件的开关频率和开关时间的长短,达到其输出电压变频改变和输出脉冲占空比变化,从而实现频率和电压值配合改变目的,如图所示。 5 6 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 图1-3a频率占空比小 图1-3b 频率占空比大 f,ff,f11N11N 在众多分类方法中,最基本的就是将整流器分为电压型和电流型两大类。电压型PWM整流器(Voltage Source Rectifier,简称VSR)最显著的拓扑结构特征就是直流侧采用电容进行直流储能,从而使直流侧呈低阻抗的电压源特性。VSR以其简单的结构、较低的损耗、方便的控制和较快的响应速度等一系列优点,一直成为PWM整流器研究的重点。下图是三相电压型PWM整流器。 图1-4一种三相电压型PWM整流器 电流型PWM控制系统框图如图所示。 6 7 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 UeU2V0 电压调节器电流调节器PWM开关电路 UrUs电流反馈电路 电压反馈电路 图1-5 电流型PWM控制系统框图 该系统采用电流电压双闭环串级控制结构,内环是电流环,外环是电压环。控制原理:给定的电压Ug与从输出反馈回的电压Ur进行比较,得到的电压误差经电压调节器输是 出作为另一个给定的电压信号Ue。该信号与经电阻采样反映电流变化的信号Us进行比较,输出一个占空比可调节的PWM脉冲信号,从而使得输出的电压信号V0保持恒定。 电流型PWM控制的优点如下: a)电压调整率好。输入电压的变化立即引起电感电流的变化,电感电流的变化立即反映到电流控制回路而被抑制,不像电压控制要经过输出电压反馈到误差放大器,然后再调节的复杂过程,所以响应快。如果输入电压的变化是持续的,电压反馈环也起作用,因而可以达到较高的线形调整率。 b)负载调整率好。由于电压误差放大器可专门用于控制占空比,以适应负载变化造成的输出电压的变化,因而可大大改善负载调整率。 c)系统稳定性好。从控制理论的角度讲,电压控制单闭环系统是一个无条件的二阶稳定系统。而电流控制双闭环系统是一个无条件的一阶稳定系统,系统稳定性好。 1.3 通用变频器的开关电源简介 1.3.1 开关电源的发展 电力电子传动技术已经渗透到人类生产和生活的各个领域,变频器作为电力电子传动设备必不可少的部分也得到了很大的发展,变频器技术已经从单一的控制电机发展到包含过压欠压保护、故障报警、检测反馈等等多系统的变频器控制系统。因此,需要有多路稳定输出的电源来保证如此复杂的变频控制系统正常稳定的工作。 变频器朝着小型化和低成本化方向发展,加速了电源向轻、薄、小和高效等方向发 7 8 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 展。传统的晶体管稳压电源是连续控制的线性稳压电源,这种传统稳压电源技术比较成熟,已开发出大量集成化的稳压电源模块,这此类电源的优点是:稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等,但这类电源有致命的缺点是体积大,因为它包括需要笨重的工频变压器,体积和重量都很大的滤波器。为了符合变频调速器的小型化轻型化的发展,电源技术工程师开始研发新的电源,开关电源因其特有的优点而受到关注,而且到目前为止已经成功应用到了变频器设备中。 开关电源是指电路中的电力电子器件工作在开关状态的稳压电源,是一种高频电源变换电路,采用直-交-直变换,能够高效率地产生一路或多路可调整的高品质的直流电压。 开关电源采用功率半导体器件作为开关器件,通过周期性间断工作,控制开关器件的占空比来调整输出电压。开关电源的基本构成如图所示,其中DC/DC变换器进行功率转换,它是开关电源的核心部分,此外还有起动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路(R1、R2)检测输出电压变化,与基准电压Ur比较,误差电压经过放大及脉宽调制(PWM)电路,再经过驱动电路控制功率器件的占空比,从而达到调整输出电压大小的目的。 L TV1 + + CUV2 - U R1 PWMV3 R2 - 图1-6 一种电路实现形式 8 9 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 1.3.2开关电源的优点 : 开关电源的电路结构比较复杂,但是和线性电源相比有如下几个突出的优点: (1)功耗小,效率高。功率晶体管在激励信号的激励下,交替工作在饱和导通与截止的开关状态,转换速度很快,频率一般在几十到几百kHz。这就使得功率晶体管的损耗较小,电源的效率可以大幅度地提高,其效率可以达到80%以上。 (2)体积小,重量轻。由于没有采用笨重的工频变压器,并且在功率晶体管上的耗散功率大幅降低后,又省去较大的散热片,因此开关稳压电源的体积和重量都可以得到减小。 (3)稳压范围宽。开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比或者激励信号的频率来调节的,输入电压的变化也可以通过变频或调宽来进行补偿。在工频电网电压有较大变化或负载有较大变化时,它仍能保证有较稳定的输出电压,所以稳压范围宽、稳压效果好。此外,改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样,开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点,而且实现稳压的方法也较多,设计人员可以根据实际应用的要求,灵活地选用各种类型的开关稳压电源。 (4)滤波的效率大为提高,使滤波电容的容量和体积大为减小。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz,是线性稳压电源的频率的1000倍,这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。在相同的纹波输出电压的要求下,采用开关稳压电源时,滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容容量的1,500一1,1000。 (5)电路形式灵活多样。例如,有自激式和他激式;有调宽型和调频型;有单端式和双端式,等等。设计者可以发挥各种类型电路的特长,设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。 1.3.3 开关电源的构成 变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的,根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压,进而达到节能、调速的目的,另外,变频器还有很多的保护功能,如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高,变频器也得到了非常广泛的应用。变频器开关电源主要包括整流滤波电路、变换器、控制电路、保护电路组成。 9 10 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 U1U2DC/DC变 换器 R1 比较放驱动器PWM大R2 图1-7 开关电源的基本构成 +1 +D4D1V2V1 42-+ D3D2RL Vo3- - 图1-8开关型稳压电源的原理电路 1.整流滤波电路 变频器的原理,就是通过交直流转换,把我们的常用的电源,调整成频率、电压都可调的电源,进而实现对电机的无级调速,以及节能的目的。 变频器的整流虑波电路和逆变电路依据电路中所用的半导器件分类,可分为二极管单相桥式整流和三相逆变电路、二极管三相桥式整流和三相逆变电路、晶闸管三相桥半控式整流和三相逆变电路、晶闸管三相桥全控式整流和三相逆变电路等4类。 变频器的整流虑波电路和逆变电路依据逆变电路中所用的半导体器件分类,可分为用晶体三极管组成的三相桥式逆变电路、用绝缘栅双极型晶体三极管组成的三相桥式逆变电路、用门极晶闸管组成的三相桥式逆变电路、用MOS场效应管组成的三相桥式逆变电路等4种类型。 在变频器整流的过程中,可以产生大量的高次谐波,据绿波杰能的不完全统计,最高的电流畸变率,可以达到70%以上。这些高次谐波,会通过与变频器输入端连接的电 10 11 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 源线,进入到电网中,进而会影响到使用这一电网的敏感设备的正常工作;。 变频器输入滤波器,就是为了解决变频器干扰电网的问题,同时,亦能解决变频器遭受电网中的谐波危害所产生的过压、过流、欠压、过载、过热等误报警、误动作、拒动等问题。 输入滤波器的作用: 第一,对变频器产生的谐波进行抑制。 第二,对将要进入变频器的电网中的谐波进行阻止。 第三,抑制电网的换相缺口; 第四,缓和电网中的尖峰脉冲; 第五,有一定的节能效果,约为5~10%; 输出整流滤波器的作用是将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压,同时还防止高频噪声对负载的干扰。 2.变换器 开关电源有两种常用的变换器: ?PWM变换器 脉冲宽度调制(PWM)是英文“Pulse Width Modulation”的缩写,简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用于测量,通信,功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式,根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置,来实现开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变,这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。 脉冲宽度调制(PWM)是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用,方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的,因为在给定的任何时刻,满幅值的直流供电要么完全有(ON),要么完全无(OFF)。 电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候,断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够,任何模拟值都可以使用PWM进行编码。其工作原理如图 : 11 12 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 S +T+ VisU0U1C -- 图1-9 PWM变换器原理图 多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz,通常调制频率为1kHz到200kHz之间。 PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的,无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时,也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点,而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端,通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。 ?DC/DC变换器 DC/DC变换器用于开关电源时,很多情况下要求输入与输出间进行电隔离。这时必须采用变压器进行隔离,称为隔离变换器。这类变换器把直流电压或电流变换为高频方波电压或电流,经变压器升压或降压后,再经整流平滑滤波变为直流电压或电流。因此,这类变换器又称为逆变整流型变换器。 DC/DC变换器有5种基本类型:单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。下面重点分析隔离式单端反激转换电路,电路结构图如图所示。 VD RLCVin M2 图1-10 隔离式单端反激转换电路 12 13 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 单端反激式变换器又称电感储能式变换器,其变压器兼有储能、变压、隔离三重作用。所谓单端,指变压器磁芯仅工作在其磁滞回线的一侧。当功率开关管S导通时,直流输入电压inU加在初级绕组上,在变压器初级电感线圈中储存能量,由于次级绕组感应电压为上负下正,使二极管D反偏截止,次级绕组中无电流,此时电能转化为磁能存储在初级电感中。当S截止时,初级感应电压极性反向,使次级绕组感应电压极性反转,二极管D导通,储存在变压器中的能量传递给输出电容C,同时给负载供电,磁能转化为电能释放出来。当开关管重新导通时,负载电流由电容C来提供,同时变压器初级绕组重新储能,如此反复。从以上电路分析可以看出,S导通时,次级绕组无电流;S截止时,次级绕组有电流,这就是“反激”的含义。 所谓反激式变压器开关电源,是指当变压器的初级线圈正好被直流脉冲电压激励时,变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出,而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出,这种变压器开关电源称为反激式开关电源。 下图是反激式变压器开关电源的简单工作原理图: 图1-11 反激式变压器开关电源原理图 图中变压器的初级绕组与次级绕组同名端相反,inU为输入直流电压,开关S为功率开关管,C为输出滤波电容,R为负载,L1i为初级绕组电流,L2i为次级绕组电流;oU和oi为输出电压和电流,参考方向如图1-11所示。 反激变换电路由于具有拓扑简单,输入输出电气隔离,升/降压范围广,多路输出负载自动均衡等优点,广泛用于多路输出的机内电源中。在反激变换器中,变压器起着电感和变压器的双重作用,由于变压器磁芯处于直流偏磁状态,为防磁饱和要加入气隙,漏感较大。当功率管关断时,会产生很高的关断电压尖峰。导致开关管的电压应力大,有可能损坏功率管;导通时,电感电流变化率大,电流峰值大,CCM 模式整流二极管反向恢复引起功率开关管开通时高的电流尖峰。因此,必须用箝位电路来限制反激变换器 13 14 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 功率开关电压、电流应力。由于反激变换器具有高可靠性、电路拓扑简洁、输入输出电气隔离、升/降压范围宽、易于多路输出等优点。因此,反激变换器是中小功率开关电源理想的电路拓扑,电力电子技术研究人员对此进行了大量的研究。 正反激式变压器开关电源少用一个大储能滤波电感,以及一个续流二极管,因此,反激式变压器开关电源的体积要比正激式变压器开关电源的体积小,且成本也要降低。此外,反激式变压器开关电源输出电压受占空比的调制幅度,相对于正激式变压器开关电源来说要高很多,因此,反激式变压器开关电源要求调控占空比的误差信号幅度比较低,误差信号放大器的增益和动态范围也比较小。也正是由于这些优点,目前,反激式变压器开关电源在家电领域中还是被广泛使用。 反激式变压器是反激开关电源的核心,它决定了反激变换器一系列的重要参数,如占空比D,最大峰值电流,设计反激式变压器,就是要让反激式开关电源工作在一个合理的工作点上。这样可以让其的发热尽量小,对器件的磨损也尽量小。同样的芯片,同样的磁芯,若是变压器设计不合理,则整个开关电源的性能会有很大下降,如损耗会加大,最大输出功率也会有下降。 3.控制电路 开关电源的控制电路可以分为电压控制型和电流控制型,前者是一个单闭环电压控制系统,在其控制过程中,电源电路中的电感电流未参与控制,是独立变量,开关变换器为二阶系统,而二阶系统是一个有条件的稳定系统;后者是一个电压、电流双闭环控制系统,电感电流不再是一个独立变量,从而使开关变换器成为一个一阶无条件的稳定系统,因而很容易不受约束地得到大的开环增益和完善的小信号、大信号特性。 1.3.4保护电路 开关电源的输入电路大都采用电容滤波型整流电路,在进线电源合闸瞬间,由于电容器上的初始电压为零,电容器充电瞬间会形成很大的浪涌电流,特别是大功率开关电源,采用容量较大的滤波电容器,使浪涌电流急剧上升。在电源接通瞬间通过很大的浪涌电流,重者往往会导致输入熔断器烧断或合闸开关的触点烧坏,整流桥过流损坏;轻者也会使空气开关合不上闸。上述现象均会造成开关电源无法正常工作,为此几乎所有的开关电源都设置了防止流涌电流的软启动电路,以保证电源正常而可靠运行。 14 15 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 1.3.5开关电源中的辅助电源 开关电源一般由功率主回路、辅助电源和控制回路组成。功率主回路主要用来给用户负载供电,而开关电源的辅助电源主要用来给功率主回路的控制电路、驱动电路或电源系统的监控电路供电。 辅助电源的设计不但影响到整个电源的体积、效率、稳定性、可靠性和成本,而且还将影响到整个开关电源的设计策略。一个重要的原因就是隔离问题。例如在离线式开关电源中,如果其内部的辅助电源和功率主回路输入共地,那么就需要用光耦或变压器来对输出电压采样信号进行隔离。而如果是内部辅助电源和功率主电路输出共地,则一般不需要对电压采样信号隔离,这时只需对驱动信号隔离。 2 开关电源辅助电源的特点及种类 由于所需辅助电源的功率一般较小,辅助电源应该力求简单、可靠和小巧。根据辅助电源与功率主回路的关系,开关电源中的辅助电源可以分为两大类: (1)独立型:辅助电源独立于功率主回路。主要用于大功率或中功率电源系统,比如在通讯电源、ATX电源中,需要电源正常或失败信号或电源远程控制的功能时,在功率主回路即使不工作时,辅助电源也要正常供电。下面是几种常见的独立型辅助电源设计方法。 第一种方法: 传统的线性电源作为辅助电源。它是用普通的矽钢片低频变压器降压后,又经过四只二极管全波整流,经C5、C6平滑滤波后加到三端稳压器7815输入端。 这种设计中,低频变压器的体积往往选的足够大,以满足各种安全 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 中对绝缘和漏电特性的要求。但由于它的简单、可靠和方便,以及完全的隔离特性,所以在大功率开关电源系统中,低频变压器不会影响到整个电源的尺寸和造价时,它将是一个不错的选择。 第二种方法:一种不用低频变压器降压的简易辅助电源。用两只无极性的高频电容,直接从两路220V(经过输入滤波电路之后)电网电压中取得低频脉动电压,并串联两只电阻限流。然后经过四只二极管全波整流,最后再输入集成稳压器7815,以提供所需电压。IC输入端并联一只稳压二极管箝位,防止浪涌电压损坏7815。 第三种方法:由自激式开关变换器构成非常轻巧的辅助电源,可以方便地产生辅助电源。 (2)非独立型:由主变换器高频变压器输出的一部分构成辅助电源。主要用于中小功率电源系统,有利于减小整个电源的体积,实现小型化,节约成本。特点是辅助电源与主变换器二者的工作状态互相制约。如果辅助电源不给控制电路供电,主变换器将 15 16 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 不工作。而当主电路不工作,辅助电路也随之关闭。所以在电源的启动阶段需要一些方法给控制电路提供能量,然后过渡到正常的工作状态。 启动方法:启动时直接由直流输入端提供起动电压,如图1-12。 R1D2C3R2 C1 C2 D3D1 R4 MOSFET 7R364R5 3UC3844 85C4R6C5 12 O2 图1-12 UC3844的反激式开关电源 这是一个由UC3844构成的反激式小型开关电源,它的辅助电源由主变换器变压器一个绕组提供。在启动阶段,由直流输入端经过电阻分压后加到UC3844的供电端(7端),给电容C2充电,等到UC3844的7脚电压超过16V时,芯片起振,PWM信号产生,变换器工作,辅助电源电压开始建立。但由于限流电阻RIN的作用,有可能使得芯片7脚电压降低至10V而使得芯片停止工作。之后主电路又通过RIN电阻给UC3844芯片供电,芯片工作。如此反复,直至芯片正常工作所需的辅助电源电压建立后,电源才正常工作。 3 开关电源中的辅助电源设计的原则 虽然辅助电源所需要输出功率不大,但它是开关电源中的非常重要的组成部分,将影响到整个电源的性能。开关电源正向着轻、小、薄、高可靠、高稳定、高效率和智能化的方向发展,应根据整个开关电源系统的规格要求来选择合适的辅助电源系统,首 16 17 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 先在满足可靠性的前提下,设计简单、轻巧和经济的辅助电源。 1.4 UC3844芯片介绍 UC3844是美国Unitrode公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片,由该集成电路构成的开关稳压电源与一般的电压控制型脉宽调制开关稳压电源相比具有外围电路简单、电压调整率好、频响特性好、稳定幅度大、具有过流限制、过压保护和欠压锁定等优点。 UC3844是一种电流型单端输出式PWM控制芯片,它主要由高频振荡、误差比较、电流取样比较、脉宽调制锁存、欠压锁定、过压保护等功能电路组成。其内部电路结构如图所示。引脚1为误差放大器补偿端,引脚2接电压反馈信号,引脚3接电流检测信号,引脚4外接时间电阻RT及CT用来设置振荡器的频率,引脚5为接地端,引脚6为推挽输出端,可提供大电流图腾柱输出,引脚7接芯片工作电压,引脚8提供5V的基准电压。 是电流型单端输出式PWM ,其最大占空比为50% ,启动电压16V ,具有过压保护和欠压锁定功能。当工作电压大于34V 时,稳压管稳压,使内部电路在小于34 电压下可靠工作;当输入电压低于10V 时,芯片被锁定,控制器停止工作 。其内部框图和引脚图如图1-13所示。 图1-13 UC3844内部结构框图和引脚图 UC3844的工作原理是:反馈电压和2.5V基准电压之差,经误差放大器E/A放大后作为门限电压,与反馈电流经采样后的电压,一起送到电流感应比较器。当电流取样电压超 17 18 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 过门限电压后,比较器输出高电平触发RS触发器,然后经或非门输出低电平,关断功率管,并保持这种状态直至振荡器输出脉冲到触发器和或非门为止。这段时间的长短由振荡器输出脉冲宽度决定。PWM信号的上升沿由振荡器决定,下降沿由功率开关管电流和输出电压共同决定。反转触发器限制PWM的占空比调节范围在0,50%之内。 UC3844的振荡工作频率由引脚4与引脚8之间所接定时电阻RT、脚4 与地之间所接定时电容CT 设定。 计算公式为: 1RTCT f,,,1.72RTCTT0.55 将取样电压加至E/A误差放大器的反相输入端,与同向输入端引脚2是电压反馈端, 的2.5V基准电压进行比较,产生误差电压。利用内部E/A误差放大器可以构成电压环。引脚3是电流反馈端,电流取样电压由引脚3输入到电流比较器。当引脚3电压大于1V时,输出关闭。利用引脚3和电流比较器可以构成电流环。引脚1是补偿端,外接阻容元件以补偿误差放大器的频率特性。引脚8为5V基准电压,带载能力50mA。引脚6为推挽输出端,有拉、灌电流的能力。引脚5为公共端。引脚7为集成块工作电源端,电压范围为8V,40V。UC3844的输出级为图腾柱式电路,与SG3525的一端完全相同。输出平均电流值为?200mA,最大峰值电流?1A,可直接驱动功率管。由于峰值电流自限,可以不要串入限流电阻。对于电流型控制芯片UC3844 ,使输出驱动信号关断的方法有两种:一种是将引脚1电压降至1V以下,另一种是将引脚3电压升至1V以上。这两种方法都是使电流比较器输出高电平,PWM 锁存器复位,关闭输出端,直至下一个时钟将PWM锁存器置位为止。根据这一原理,可以控制引脚1、3电压的变化,实现各种必要的保护。 1.5 课题来源及主要研究内容 1.5.1课题来源 变频器已应用于各行各业多种设备,并成为当今节电,改造传统工业,改善工艺流程,提高生产过程自动化水平,提高产品质量,改善环境主要技术之一。变频器技术是一种绿色技术,是国民经济和日常生活中普遍需要新技术,也是国际上技术更新换代最快领域之一。 18 19 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 在我国60%的发电是通过电动机消耗掉的,因此调速传动是一个重要行业,一直得到国家重视,目前己有一定规模。三相交流异步电动机,由于转子侧的电流不从外部引入,而由电磁感应产生,故而具有结构简单牢固、体积小、重量轻、价格低廉、便于维护等优点,一经问世,就备受人们的青睐。与其他电动机相比,它在工农业生产设备中的占有率一直处于绝对领先的地位。另一方面,随着工农业生产的不断发展和进步,人们对调速的要求越来越高,而异步电动机在调速方面一直处于性能不佳的状态。然而,变频技术的出现改善了交流电机的调速性能。随着电力电子技术、微电子技术以及控制技术的不断发展,诸多新型电机控制技术不断被提出,使变频调速能很好地实现对交流电机的调速。 本课题是针对国内现有的通用变频器内部电源的使用需求提出的。 随着工农业中电机应用的普及,有着良好的调速性能的通用变频器应用范围广、需求量大,这就为研究通用变频器的模块化、系统化提供了很好的前景。其中变频器中的辅助电源是首先要解决的问题。 1.5.2 主要研究内容 综上,本论文的开关电源研究内容是:高压直流(DC 350V-700V),输出要求有一路独立15V,两路独立5V,四路24V一共是五路输出,输出电压纹波在5%范围内。要求输出动态响应性能好,输出电压稳定。要求:1、多路输出之间无电磁干扰;2、不论负载如何变化,各路输出的电压都要稳定,不能有大的波动;3、整个开关电源不能发射出过大的干扰信号,避免影响变频器的正常工作;4、要求其体积尽可能小,成本低廉,维修容易。 19 20 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 第二章 开关电源的设计 2.1 主电路拓扑 下图是所设计电源的简单图,主电路采用单端反激式变换电路,220 V交流输入电压经桥式整流、电容滤波变为直流后,供给单端反激式变换电路,并通过电阻R1、C2为UC3844提供初始工作电压。为提高电源的开关频率,采用功率MOSFET作为功率开关管,在UC3844的控制下,将能量传递到输出侧。为抑制电压尖峰,在高频变压器原边设置了RCD缓冲电路。 D4 D6 V1R1D2C3R2D7C1 C2GNDD3D1V2R4D8MOSFETGND7R64R5UC38433V3485CR6D9C542GND1 O2 图2-1 主电路主要结构图 2.2主要器件介绍 2.2.1 PC817 PC817是一个比较常用的光电耦合器,内部结构如图2-2所示,其中脚1为阳极,脚2为阴极,脚3为发射极,脚4为集电极。同时还具有以下特点: 1) 电流传输比 CTR:IF=5mA,VCE=5V时最小值为 50%; 2) 输入和输出之间的隔绝电压高Viso(rms):5.0 KV。 20 21 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 普通光电耦合器只能传输数字信号(开关信号),不适合传输模拟信号。线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件,能够传输连续变化的模拟电压或电流信号,这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号,从而使光敏晶体管的导通程度也不同,输出的电压或电流也随之不同。 在开关电源中,当电流流过光二极管时,二极管发光感应三极管,对输出进行精确的调整,从而控制UC3842的工作。同时PC817光电耦合器不但可以起到反馈作用还可以起到隔离作用。 图2-2 PC817内部框图 2.2.2 TL431 TL431是由美国德州仪器(TI)和摩托罗拉公司生产的2.5,36V可调式精密并联稳压器。其性能优良,价格低廉,该器件的典型动态阻抗为0.2Ω,可广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳压电源中,在很多应用中可以用它代替齐纳二极管。此外,TL431还能构成电压比较器、电源电压监视器、延时电路、精密恒流源等。 TL431是一个良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。外部有三极分别为:阴极(CATHODE)、阳极(ANODE)、参考端(REF)。其芯片体积小、基准电压精密可调,输出电流大等优点,所以可以用来制作多种稳压器件。 其具体功能可用图2-4的功能模块示意。由图可看出,VI是一个内部的2.5V基准源,接在运放的反相输入端。由运放特性可知,只有当REF端的电压十分接近VI时,三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过,而且随着REF端电压的微小变化,通过三极管,电流将从1到100mA变化。 CATHODE REF+ -- VI(ref) ANODE 21 22 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 图2-4 TL431的功能模块示意图 在开关电源设计中,一般输出经过TL431(可控分流基准)反馈并将误差放大,TL431的沉流端驱动一个光耦的发光部分,而处在电源高压主边的光耦感光部分得到的反馈电压,用来调整一个电流模式的PWM控制器的开关时间,从而得到一个稳定的直流电压输出。 前面提到TL431的内部含有一个2.5V的基准电压,所以当在REF端引入输出反馈时,器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流,控制输出电压。如图2-5所示的电路,当R1和R2的阻值确定时,两者对Vo的分压引入反馈,若Vo 增大,反馈量增大,TL431的分流也就增加,从而又导致Vo下降。显见,这个深度的负反馈电路必然在Uref等于基准电压处稳定,此时Vo=(1+R1/R2)Vref。 R4V0 R3R1 TL431 R2 图2-5 TL431的典型应用 选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出,特别地,当R1=R2时,Vo=5V。然后要注意的是,在选择电阻时一定要保证TL431工作的必要条件,就是通过阴极的电流大于1mA 。 2.2.3 开关功率管的选择 开关功率管可选用MOS功率管或双极型功率管。双极型功率管是具有功率输出能力的双极、结型晶体管(BJT)。应有两种载流子(电子与空穴)流过晶体管,故称之为双极型,这与仅利用一种载流子的场效应管不同。目前大量使用的PNP或NPN面结型功率管均属于双极型功率管,其开关时间为微秒级,一般只能工作在几十个千赫以下。这种功率管在工作时若U突然跌落,管子就在极短时间内从高压小电流变成低压大电流状CE 22 23 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 态,所呈现的负阻想象称作二次击穿。由于它存在二次击穿现象,因此只能用在安全工作区以内,这就使实际功耗必须大大低于器件的最大允许功耗。 本电路的开关功率管采用MOS 管,MOS 管具有输入阻抗高、开关速度快、通态电阻 小、高耐压、成本低廉等优点,是一种极有发展前途的新型MOS 功率器件。由于单端反 激式开关电源中所产生的反向电动势e=170V ,绕组漏感造成的尖峰电压Ul?100V ,那么U Imax + e +Ul?650V ,因此开关功率管应能承受 650V以上的高压。另外,考虑到 MOS 管的损耗分为开关损耗和导通损耗,开关损耗与开关频率有关,导通损耗与MOS 管导通 电阻有关,因此在选择开关管的时候,为了减少其导通损耗,通常选择导通电阻小Rds 的MOS 管。这里采用型号为2SK2611 的MOS 管,其漏源间能承受最高电压900V,最大漏极电流9A,最大漏极耗散功率150W,导通电阻Rds = 1.2W,完全能满足要求,但是在使用过程中必须加合适的散热器,并使用硅脂涂层。 2.3 变压器设计 变压器是开关电源的重要组成部分,它对电源的效率和工作可靠性,以及输出电气性能都起着非常重要的作用。在设计时要充分考虑转换功率容量、工作频率、主电路形式、输入和输出电压等级和变化范围、铁芯材料和形状、绕组绕制方式、散热条件、工作环境和成本等各方面的因素。而单端反激式变换电路中的变压器既有电抗器的功能又有变压器的工作特性,因而它的设计方法有它的特殊性。 如上图所示,当功率开关管受PWM脉冲激励而导通时,直流输入电压施加到高频变压器的原边绕组上,在变压器次级绕组上感应出的电压使整流二极管反向偏置而阻断, 此时电源能量以磁能形式存储在电感中;当开关管截止时,原边绕组两端电压极性反向,副边绕组上的电压极性颠倒,使输出端的整流二极管导通,储存在变压器中的能量释放给负载。 2.3.1 计算一次绕组参数 根据技术指标的要求,输入功率约为62.5W,则原边峰值电流为: I=2P/(VD)=0.23A pkoin(max)max 式中:Po为输出功率,32.2W; V为交流电压的最大值(经过整流后得到的直流电压的数值,取700V; in(max) D为最大占空比,取0.4。 max 23 24 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 变压器的初级电感量为: Lp=V×D/(I×f)=10.1 mH in(max)maxpk 式中:Vin(max)为交流电压的最小值经过整流后得到的直流电压的数值,取350V; Dmax为最大占空比,取0.4; f为工作频率,UC3844的振荡工作频率由引脚4与引脚8之间所接定时电阻RT、引 脚4与地之间所接定时电容CT设定。 计算公式为: f=1/T=RTCT/0.55=1.72RTCT。 这里取f为60 kHz。 设满载时的峰值电流为Ip ,在进行短路保护时的过载电流为Is,则 2P2,32.22P0oI,,,0.54A ,IpP,UImin,Dmax0.85,350,0.4,UDImmaxin Is , 1.3Ip,0.7A 在一次绕组上储存的电能为 1-3 ,,W,,10.1,10,0.7,3.535mj2 2.3.2计算磁芯参数 2高频变压器的最大承受功率P与磁芯截面积S(单位是cm)之间存在下述经验公M1 式 SP,0.15 1M 其中,P的单位取W。 M 其中Sj=CD,C为舌宽;D为磁心厚度,Pm单位为W。现实际输出功率 Po=19.2+3+10=32.2W。设开关电源的效率η=85% 则高频变压器的额定输入功率P1=Po/η=37.9W,设计高频变压器时留出一点余量, 可取Pm=50W。 则Sj=0.15 24 25 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 2 Sj,0.1550,1.06cm 下表给出了几组EER系列型高频变压器磁芯尺寸。 2 通过计算得知,EER28型磁芯的,符合我们所需的要求。Sj,1.14,0.99,1.12cm 2.3.3 计算变压器有效体积 在单端反激式变换器电路中,变压器初级绕组只在B—H待佐曲线(磁滞回线)的一个方向上被驱动,因此,在设计时注意不要使其饱和,所选择的磁芯一定要有足够大的有效体积,通常应用空气隙来扩大其有效体积 。 传输变压器有效体积v的计算公式如下: ,,,,,IL0emaxL V,2Bmax I最大负载电流‘ Lamx L:变压器次级绕组的电感量; ,:空气的导磁率。其值为15 0 ,:所选磁芯的磁性材料的相对导磁率 e Bmax:磁芯的最大磁通密度。 相对导磁率从应尽可能选得大一些,以避免由于喂制磁充尺寸和线径,以及铜损和铁损引起磁芯温升过高。 2.3.4确定一次绕组匝数N1 可由下式确定N1,R值设定为0.5,磁铁密度Bpk 怎么变化都不会超过0.3T。 2UImin,Dmax,,N1,1,, ,,R2,Bpk,Ae,f,, 根据下表,我们查得数据可知,高频变压器EER28磁心有效面积Ae = 0.814cm2 25 26 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 此通报和密度B=21.9T 带入数据得到 2350,0.4,,N1,1,,,53匝 ,,-430.52,0.3,0.814,10,60,10,, 2.3.5 确定自馈绕组N2和二次绕组N3 的匝数 一旦一次绕组确定之后,利用下式即可计算N2,N3 的匝数 N1U0,Uf1-Dmax,,,,N, UImin,Dmax U式中 ——绕组N(或N)两端的电压; 23o U ——输出整流二极管的正向压降。 F U自馈绕组N回路中的整流管VD采用FR305型快恢复二极管,其?1V。绕组两端21F的有效值电压为20V时,经整流滤波后可获得大约16V的直流电源,向UC3842供电。 不难算出 5320,1,1-0.4,,,, N,,4.77匝2350,0.4 实际取5匝。 26 27 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 U 二次绕组N回路中选用肖特基整流二极管,?0.4V,U=5V,故 3oF 535,0.4,1-0.4,,,, N,,1.22匝3350,0.4 鉴于当输出电流I达到7A时,在绕组的铜阻及输出引线电阻上均会产生较大的压o 降,会造成输出电压的跌落,因此应适当增加N的匝数,以提升U。实际取N=4匝,3O 3 2用4股,1.0mm高强度漆包线并联后绕制而成,电流密度可取J=2.1A/mm。 2.3.6 计算空气气隙 , 为防止高频变压器发生磁饱和现象而损坏开关功率管,需要在EER28型磁心的两个 侧面各留出一定的空气气隙d 。假如磁场集中于气隙处而未向外部泄露,则 0.04N1Is, ,,B ,把N1=53,Is=0.7A代入可得 这里去B=500mT ,,0.18cm,1.8mm 保留余量,每边可留出1mm的气隙。 另外,利用AP法选择最小尺寸的磁芯 6,,LpLpk10 ,,AeAc,,,,jKKBecmax 式中:Lp为变压器初级电感量; Lpk为原边峰值电流; j为电流密度,这里取为3; Ke为铁芯截面有效系数,选铁氧体铁芯,Ke=0.98; Kc为铁芯窗口的有效利用系数,取0.36; ?B为磁通密度的最大变化量,取0.2 max 据此可选EER28型磁芯 2导线截面积为Sx=I/j=0.28/3=1mm in(max) 可选择直径为1mm的漆包线。 27 28 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 反激变换器在工作于CCM模式下电流应力、外特性、原边电感量及反向恢复问题的分析。在CCM模式下原边电感为变换器处于电感电流临界连续时感值的k倍, 其表达式为 22UDT,,incs LK,c12Po 由流过电感的电流与加在其上的电压关系可得电感电流变化量 UDT,,incs II,,pcvcL1c 代入上式可得 2Po II,,pcvckUD,inc 由CCM模式电流波形关系可得 22INPNooII,,, pcvcDDUcco 21PD,,,oc II,,pcvc2UD,inc 联立可得每个开关周期电感电流峰值和最小值 PD1,,,PP2(1)k,ooo I,,,pc2UDkUDkU,,incincin PD1,,,PP2(1)k,ooo I,,,vc2UDkUDkU,,incincin 电感电流峰值与最小值与比为 k,1 kII,,pvcpck,1 每个开关周期电感电流有效值为 2I31k,pc2 1IIDkk,,,,,,rmscpccpp16k, 2.4缓冲电路设计 在反激变换器中,引起开关应力高,而导致开关有损耗的原因有两个:一个是开关关断时,漏电感引起开关管集电极电压骤然升高,第二个是负载线不合理。两个原因均是由于负载是电感性引起的,前者影响比较大。 抑制开关应力的办法一是减小漏电感,二是耗散过电压的能量。 减小漏电感主要靠工艺;耗散过电压的能量依靠于电感线圈并联的R、C缓冲器,或与开关并联的R、C缓冲器;能量反馈到电源中依靠附件的线圈和定向二极管。 28 29 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 每当开关管由导通变为截止时,在变压器的一次绕组上就会产生尖峰电压和感应电压。其中的尖峰电压是由于高频变压器存在漏感而形成的,它与直流高压 和感应电压 叠加后很容易损坏开关管。为此,加入RCD缓冲电路,对尖峰电压进行箝位或吸收。 D2 +N1N2 T1CfRL C1UinC SDR - 图2-6 缓冲电路 缓冲电容要满足当开关管集电极电流达到0时,其集电极电压不能超过Vceo的70% ,即 I1p C,,,8nF20.7ceo 取10nF/400V 式中:Ip是原边电流;tf是集电极电流下降时间;Vceo是晶体管的Vceo额定值(500V)。 按在Tr最小导通时间里的电容能充分进行放电来选择缓冲器的放电电阻(R)。最小导通时间在最大输人电压Vsmax以及最小负载电流Iomin的时候发生。为使C在ton时能完全充分放电,电阻不能过大。 如此一来,按RC时间常数等于0.5 toff(min)来计算R值,即 2R=0.5toff(min)/C×10=12.5 kΩ,取15 kΩ 电阻上消耗的功率为: 1P, 25CVc f=2.79W 式中:Vc为整流后的直流电压350V; 29 30 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 f为工作频率60 kHz。 为保证此电源能长时间工作,电阻的额定功率应留有一定余量,故选用5w 的功率电阻。 2.5驱动电路和控制电路设计 UC3844内部主要由5.0V基准电压源、用来调节占空比的振荡器、电流测定比较器、PWM锁存器、降压器、误差放大器和适用于驱动功率MOSFET的大电流推挽输出电路等部件构成。 Voc 27 1V1R5 6R4 UC3844C68 C5R1 3 R64 5R3 C4 图2-7 UC3844的典型外围电路 UC3844的典型外围电路如图所示,图中脚7是其电源输入端,芯片工作的开启电压为16V,欠压锁定电压为10V,上限是34V,这里设定20V给它供电,用稳压二极管稳压,同事并联电解电容用于滤波,其值为10uF。开始时由原边主电路向芯片供电,电路正常工作以后开始由副边供电。原边主电路向其供电时需加限流电阻,考虑发热及散热条件,其值取为70kΩ/5W,为防止输出电压不稳定时超高电压直接进入稳压二极管,导致其烧坏,在输出端给UC3844供电的线路与稳压管相连接处串入二极管。 脚4接振荡电路,产生所需频率的锯齿波,工作频率为=1.8/CTRT,振荡电阻RT和电容CT的值分别为100kΩ、200pF。脚8是其内部基准电压(5V),给光耦副边的三极管提供偏压。脚2及脚1为内部电压比较器的反相输入端和输出端,它们之间接一个15 kΩ的电阻构成比例调节器,这里采用比例调节而不用PI调节的目的是为了保证反馈回 30 31 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 路的响应速度。脚6为输出端,经一个限流电阻限流后驱动功率MOSFET(,为保护功率MOSFET,在脚6处并联一支15V的稳压二极管。 开机时,交流电压首先经过EMI滤除射频干扰,再经过桥式整流和滤波,产生直流电压。然后经R2降压后向UC3844提供+16V启动电压。R1是限流电阻,C1为滤波电容。进入正常状态后,自馈线圈上的高频电压经过VD1、C3整流滤波,就作为UC3844的正常工作电压。 C2储存的能量必须满足电源正常工作的需要,使得UC3844第7脚有稳定充足的输入供给。即电容C2的放电时间要大于UC3844输出脉冲的高电平持续时间。否则,电源将出现不平均现象。因此,电容C2的容量和质量的选取非常重要。容量最好在100μF以上。 电路图如图: R1 N1C4 R12 C1 VD2 VD1 N0C2N2C3 V1 UC3844 图2-8 控制与启动电路 2.6电流反馈电路设计 UC3844采用的是峰值电流控制模式,脚3是电流比较器同相输入端,接电流取样信 31 32 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 号输入,即电流内环,由R3,Rf以及脚3组成。如图所示,从脚3引入的电流反馈信号与脚1的电压误差信号比较,产生一个PWM(脉宽调制)波,由于电流比较器输入端设置了1V的电流阈值,当电流过大而使电阻R3上的电压超过1 V(即脚3电平大于1V)时,将关断PWM脉冲,反之,则保持此脉冲。 由于电阻R3检测出的是峰值电流,因此它可以精确地限制最大输出电流,被检测的峰值电流为imax=1/R3。这里上端采样电阻Rf取为1kΩ,下端电流检测电阻R3,取为。滤波电容取为470pF/1.2V的电解电容,以此来保护电路。 Voc 27 1V1R5 6R4 UC3844C68 C5R1 3 R64 5R3 C4 图2-9 UC3844电流反馈 2.7电压反馈电路设计 采用三端可控基准源TL431反馈误差电压,误差电压进行放大,用来驱动线性光耦PC817的原边发光二极管,之后处在电源高压端的光耦副边三极管得到了反馈电压,输入到UC3844的内部的误差放大器(脚1和脚2),进而调整开关管的开通、关断时间。 TL431的参考端(REF)和阳极(ANODE)间是稳定的2.5V基准电压,它将取样电阻上的电压稳在2.5V。当输出电压增大,经R10,R11分压后,得到的取样电压若大于2.5V时,流过TL431的电流增大,它的阴极电压下降,光耦原边二极管开始发光,传递到副边三极管,使得开关管的导通时间逐渐减少,从而降低了输出电压。 另外,可以在TL431的R—C间接入一个22 nF的CBB电容,用来降低误差放大器的高频增益。在LED原边二极管两侧并联一个1 kΩ的电阻,它的作用是保证LED导通的时候,电流从零开始增加。 32 33 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 图2-10 由TL431及光耦组成的输出电压反馈电路 33 34 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 第三章 斜坡补偿 开关电源采用反激变换器拓扑结构,并按CCM模式设计的小型开关电源,应用范围广泛。价格低廉,结构简单。但始终存在存在电流模式控制不稳的缺陷。本文基于反激变换器的基本方程,利用电流波形图进行直观和定量分析,阐明了不稳定的原因,优化了斜率补偿电路,对UC3844的广泛使用具有巨大帮助。 3.1 斜率补偿的类型与补偿方程 (1)在UC3844的误差放大器输出端,用一负斜率电压叠加上去管脚,用此合成的参考电压在PWM比较,与充电电流采样电压来进行比较,以调节占空比,目的是稳定输出。 图3-1 斜率补偿示意图 dVrefM,斜率补偿如图 所示,图中为待选的斜率,可按下式中关系确定: dt ,,,,NNNmmsss22RIVtRMRT,,,, ,,,,savsrefonss,,,,22NNNppp,,,, 若选择上式右边第二项括号中的差值为零,即 Nms2 MR,s2Np It 副边平均电流将于无关。即在开关电源调节过程中均能保持平均电流不变,avson 这有助于输出电压和电流的稳定。 34 35 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 图3-2 负斜率补偿电压对扰动的收敛效果 (2)负斜率补偿在D?50%时对扰动还具有收敛的作用 ,这可用上图加以直观 的说明,图中有交点A、B、C可供比较,A点为基准交点,他表示了某一D?50%时的CCM模 ,I式下的开关切换。当干扰出现时,如果按水平比较基准切换 ,交点将在 B点,此时1 ,,,mm1,I,I的远大于,即,电流波形将会因扰动而发散形成振荡。但如此时,,2121 ,,I按 l0式引进M为基准,进行比较切换。此时切换交点移到C。扰动的变化如图中的2 ,,I,I所示,可见<,这就表明即使在D?50%的情况下,扰动增益<1,电流波形仍然,21 是稳定的。 3.2 正斜率补偿及其补偿电路 如果不改变误差放大器的输出电压,但在电流采样信号上叠加一个正斜率为M的补偿信号,其实也可以得到与负斜率补偿一样的效果,并且实现起来更为容易。A为顶点的电流波形为参照波形,可以看出,是发散的。若在采样输人信,,,,,,mmII12121 I号上叠加正斜率的补偿信号,此时切换的交点移至C,这样可保持所需要的,若有扰p,I动输入,比较器交点将上移至D,开关管电流切换点将从D点下移至E,而不是未加1 ,,I,I补偿时的B点,此时的<,于是消除了振荡的可能性。 21 35 36 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 图3-3 正斜率补偿的收敛效果 4.3 正斜率补偿的电路优化 (1)利用IC芯片CT/RT管脚的外接电容C7的斜坡振荡电压,再通过Q1射极跟随器在电源采样输入端(管脚3)与电流采样信号求和。然而这类设计增加了振荡器负载并引入噪音,这些都可能错误地触发PWM控制。这种方法在要求可靠性较高的开关电源中不可取。 (2)如图3-4所示,采用另外一种斜坡补偿方法。通过在 MOSFET的门极驱动输出端集成一个RC网络。门极驱动输出是一个振幅为0,l0V的矩形脉冲。选择合适的R和C值,使恒流源电流对Cl充电,从而产生所需斜率补偿信号。这种方法比较科学,且其斜率与输入电压无关。 36 37 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 Q3 6/PWM R5MOSFETR1N Q2R4 D1 DIODE Q1 R23/CS R3C1C2 图3-4 新型斜坡补偿电路 UC3844是一种高性能的固定频率电流型控制器,虽然其最大占空比控制在了50%,但是经过分析和试验证明,新型改进的斜坡补偿电路可以有效地提高UC3844的运行稳定性,减小输出纹波,从而降低整个开关电源的负载调整率和电压调整率,对其性能和效率有很大提高。此外,电路简单,容易调整,易操作也是很大的优点。 37 38 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 结束语 电流控制型PWM芯片UC3844是一种高性能的固定频率电流型控制器,可以产生PWM脉冲直接驱动MOSFET功率管,并具安装调试方便、有外围电路简单、性能优良等优点。 本文提出了使用UC3844、TL431及光耦等构成的变频器单端反激开关电源,直接从输出电压进行反馈,且电压反馈直接接UC3844内部误差放大器的输出端。该设计输出与输入隔离,反馈回路动态响应快,稳压控制精度高,比较适合用于小功率变换器的设计中。而且克服了电压控制型脉宽调制开关稳压电源频响慢、电压调整率和负载调整率低的缺点,电路结构简单,成本低、体积小、易实现。该电源是目前实用和理想的变频器开关电源,具有很大的发展前景。 38 39 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 参考文献 [1]高曾辉,于相旭.电力电子技术.航空工业出版报社-单端反激式开关电源的稳定性分析.重庆大学 学报.2001 [2]张卫平.绿色电源-现代电源变换技术及应用.北京:科学出版社 胡江毅,反激变换器应用,南京航空航天大学硕士学位论文,2003; [3] [4]王兆安、刘进军,电力电子技术第五版,机械工业出版社,2010; [5]马洪涛, 沙占友, 周芬萍. 开关电源制作与调试. 北京: 中国电力出版社, 2010 [6]周志敏, 周纪海, 纪爱华. 开关电源实用技术—设计与应用(第2 版)[M]. 北京: 人民邮电出 , 2007 版社 [7]张占松.开关电源原理与设计.电子工业出版社,1998 [8]丁道宏.电力电子技术.航空工业出版社,1992 [9]陈大钦.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社.2000 [10]杨永清. 基于UC3844 的单端反激开关电源设计[ J] .移动电源与车辆, 2009( 4) : 1- 3. 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