无线电能传输

摘要随着电子产品的快速发展，越来越多的电源连接线开始困扰人们的生活，而电磁谐振耦合无线电能传输技术正可以很好解决对距离有较高要求的这类问 题 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 。电磁谐振耦合无线电能传输技术是近几年刚被提出的无线电能传输技术，它依靠近电磁场中近区场和谐振线圈的强耦合实现了电能的中程距离的高效传输。它改善了传统无线电能传输中技术中距离跟效率之间的不足，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。在比较了多种拓扑结构和控制方法后，选定了半桥逆变为主拓扑控制方式，芯片SG3525为控制芯片，原边采用串联补偿，副边采用并联补偿，驱动方式为图腾柱结构。然后本文对这种控制方式的原理，存在的问题进行深刻的研究。在本设计中进行了实物设计，经测试表明，设计满足要求。关键词：电磁谐振耦合，无线电能传输，半桥逆变AbstractWiththerapiddevelopmentofelectronicproducts,moreandmorepowercablebegantoplaguethelivesofpeople,theelectromagneticresonantcouplingwirelesspowertransmissiontechnologycansolvethisproblemofhigherrequirementsisthedistance.Theelectromagneticresonantcouplingwirelesstransmissiontechnologyisanewtypeofwirelesstransmissiontechnology,whichutilizesnon-radiatedmagneticfieldofthenearfieldcouplingandtheresonanceprincipletorealizethedistancetothemid-rangeandeffectivetransferofelectricalenergy.Itovercomesthedisadvantagesoftraditionalwirelesspowertransferandhasimportantresearchvalueandbroadapplicationprospects.Afterthecomparisonofthevarioustopologiesandcontrolmethods,selectedthehalfbridgeinvertertopologycontrolways,SG3525chipasthecontrolchip,theoriginaledgewithseriescompensation,vicesideoftheparallelcompensation,drivemodeforthetotempolestructure.Thenthispapertheprincipleofthiscontrolmode,existingproblemsarestudieddeeply.Physicaldesignwascarriedoutinthisdesign,thetestshowedthatthedesignmeettherequirements.Keywords:Magneticcouplingresonant,Radiocantransmit,halfbridge invertertopology目录第1章绪论 11.1课题研究的意义 11.2无线电能传输方式 21.3国内外发展状况 3第2章总系统设计 52.1设计任务与要求 52.2设计任务分析 62.3设计任务总体框图 8第3章 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 选择 93.1发射电路选择 103.2MOSFET选择 143.3接收电路选择 153.4接收电路器件选择 183.5控制电路选择 183.6驱动电路选择 243.6.1磁的基本概念 253.6.2驱动变压器 283.7谐振方式选择 333.8谐振电感和电容选择 37第4章电路测试 404.1波形分析 404.2实验结果 44结论 45致谢 46参考文献 47ContentsChapter1Introduction.................................................................................11.1Thesignificanceoftheresearch.........................................................11.2Radiotransmissionmode....................................................................21.3Thedevelopmentsituationathomeandabroad....................................3Chapter2Thetotalsystemdesign...............................................................52.1Thedesigntaskandrequirements.......................................................52.2Designtaskanalysis...........................................................................62.3Theoverallblockdiagramdesigntask................................................8Chapter3Schemeselection.........................................................................93.1Transmissioncircuitselection.............................................................93.2MOSFETselection.............................................................................143.3Receivingcircuitselection.................................................................153.4Receivingcircuitcomponentselection...............................................183.5Controlcircuitselection.....................................................................183.6Drivecircuitselection........................................................................243.6.1Thebasicconceptofmagnetic..................................................253.6.2Drivetransformer.....................................................................283.7Resonantmodeselection....................................................................333.8Theresonantinductanceandcapacitance............................................37Chapter4Circuittesting............................................................................404.1Waveformanalysis...........................................................................404.2Theexperimentalresults..................................................................44Conclusions..................................................................................................45Acknowledgements......................................................................................46References....................................................................................................47第1章绪论电力行业的发展使得电力方面的知识日新月异，丰富多彩，更多新型的电子设备源源不断的涌现，无线电能的传输也是当今电力方面一个重要的研究成果1.1课题研究的意义无线电波对信息的传输做出了很大的贡献。然而这一切无线电技术都基于能源供给，因此电能的无线传输技术将开辟人类能源的另一个新时代，也将会孕育出众多只出现在科幻小说中的新事物新应用，其给大众带来的意义与影响也非同凡响。通用性：由于电波的传输与设备的充电接口无关，所以如果无线供电技术一旦普及，不仅将使得电子产品不受插座和线缆束缚，供电与充电都将更方便，而且将使得不同品牌、不同接口的电气接口或充电器不兼容的问题得到解决。因此消费者将不再需要将其电池供电的电子设备插入交流电源插座，而经常出差的人们也可只携带一个薄薄的供电器垫，而不是满满一包杂乱的电源供应器，甚至酒店的房间里或许早已为客人准备好充电器垫，将可一举解决各种纷繁杂乱的电源适配器和充电器不兼容问题。便携性：有了无限电能传输，各种电器的充电设备则减少了繁杂的线，比如说手机充电器，就不必担心充电口插反，并且不用携带各种型号的充电器，直接以一当百，方便多了。美观性：如今，各种各样的电子设备愈来愈多，如果每个电子设备都佩戴专用的充电线，这将会造成线路太多引起眼花缭乱，弄得一团糟，如果采用无线传输装置，结果就是简单方便，并且大大减少了空间，对室内的布线工作减轻了不少了工作量，对室内的装修增添了美观性。安全性：如今的充电线可能会引起产生火花二导致触电，并且反复的插拔还会使接口损坏，同时现在的线路防水性能也不是很好。如果采用无线电能，这些问题将迎刃而解，增加安全性与防水性。应急性：无线供电还可用于地球上许多缺乏或无法布置输电线的地方，例如沙漠、海岛、偏僻的山村、待开发的南极大陆和北冰洋等；另外可以解决常规供电中难以解决的问题，例如加拿大等国开始尝试使用辐射式供电驱动的无人飞机作为电视转播台，美国有研究者设想在高速公路沿线设立微波发射台，为沿途汽车提供能源供应，因此在将来无线供电还可以提供一种特殊、紧急和快速的供电方法。绿色性、永久性：将来，如果空间太阳能发电实现真正的商业运作化，人类将能从空间太阳能得到巨大的能量获取，从而真正解决能源问题，也真正实现绿色能源，既促进了太阳能的开发，还可向地球以及地球以外的用电场合提供能源，，既解决了地球能源日以枯渴的问题，又减少了地球的污染、造福于子孙后代。1.2无线电能传输方式无线能量传输技术是将电能从电能发射端传输到负载的一个过程，这个过程不是通过传统的电线完成，而是通过无线实现。无线电能传输的方式是很多种的。目前在国内外研究的无线能量传输技术，根据其传输原理，大致上可以分为三类：1、感应耦合式无线能量传输技术，这种技术主要利用电磁感应原理，采用松耦合变压器或者可分离变压器方式实现功率无线传输。该项技术可以实现较大功率的电能无线传输，但由于传输原理的局限传输距离被限制在毫米等级。2、电磁波无线能量传输技术，例如微波技术，该技术直接利用了电磁波能量可以通过天线发送和接收的原理。这类技术可以传输非常的功率，但其限制了传输的方向，原因在于使用时必须使发射器与接收器对准，并且穿透不了障碍，使得微波的损耗非常大，对人体和其他也有一定的危害。3、磁耦合谐振式无线能量传输技术。该技术通过磁场的近场耦合，使接收线圈和发射线圈产生共振，来实现能量的无线传输。1.3国内外发展状况美国是最早开始研究谐振耦合传输的国家[1]，早在2007年，美国麻省理工学院MarinSoljacic团队利用电磁谐振原理，将两米以外60W灯泡成功点亮。2008年，Intel公司西雅图实验室JoshuaR.Smith研究团队利用谐振耦合无线电能传输技术开发小型无线电能传输装置能够将距离1m的60W灯泡点亮，其效率可达75%，该装置能够为小型电器充电。新西兰某大学电子学研究中心，研究关于有轨电车和运料车等交通铁路的无线充电装置，先后发表了很多篇关于无线电能传输装置的论文。日本也对非接触式电能传输技术做了一些研究并且也发表过很多文章。由国外对无线电能传输方面的研究，为无线电能传输的设计方法及工作原理做出了很大的贡献，不断的深入磁场谐振的设计，推广出很多新思想，为我们此篇文章提供了很大的帮助。国内近些年来也对无线电能传输做了很大的重视，发展的速度呈现蓬勃的事态。南京理工大学张波教授带领的团队利用电路分析理论，建立无线电能传输系统谐振模型，改变模型的线圈线径尺寸，及线圈之间距离等因素，比较了不同参数下系统模型的传输效率，通过多次的改变比较找出系统的最优参数，并且通过频率跟踪系统，使得系统始终工作在谐振频率点上，保证系统得到最大的传输效率及输出功率。哈尔滨工业大学也对无线电能谐振耦合传输也进行了研究，朱春波教授利用串联谐振及电容与线圈串联的方式组成，成功地将能量传输出去，其效率达到50%。香港理工大学的无线电能传输研究团队在傅为农教授的引导下，做了感应耦合无线电能传输和谐振耦合电能传输，并且通过实验对比得出在相同的频率下传输相同的能量，谐振耦合传输的距离远远大于感应耦合。第2章总系统设计电能传输的应用目前还不是很广泛，并且知识体系也不是很全面，我们这次主要的目的就是实现无限电能传输，尽可能的提高其效率，增加其传输距离。2.1设计任务与要求（1）任务设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，其结构框图如图2.1所示。图2.1电能无线传输装置结构框图（2）要求1、保持发射线圈与接收线圈间距离x=10cm、输入直流电压U1=15V时，调整负载使接收端输出直流电流I2=0.5A，输出直流电压U2≥8V，尽可能提高该无线电能传输装置的效率η。2、输入直流电压U1=15V，输入直流电流不大于1A，接收端负载为2只串联LED灯（白色、1W）。在保持LED灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x。（3）说明1、发射与接收线圈为空心线圈，线圈外径均20±2cm；发射与接收线圈间介质为空气。2、I2=因为连续电流。3、测试时，除15V直流电源外，不得使用其他电源。4、在要求（1）效率测试时，负载采用可变电阻器；效率。5、制作时须考虑测试需要，合理设置测试点，以方便测量相关电压、电流。2.2设计任务分析由题目可知，该设计主要是想让学生通过谐振耦合原理，使得能量从一边传递到相隔一定距离的另一边，能量在传递给两个相串联的小灯，使小灯发光，其实这个设计并不难，重要的是方案的选择，选择最佳的方案，使得能量传递的距离更远，效率更高，这是我们应该考虑的。首先我们知道整体设计分为振荡电路模块、发射模块、接收模块、整流滤波模块、扩展功能（稳压稳流）模块六部分组成，电源是15V的直流电压，可以通过示波器直接供给，但能量传递的远近和电源的大小是成正比的，不宜太小又不宜太大，我们可以采用Boost变换器，反激变换器，正激变换器，推挽、半桥、全桥变换器对15V直流电压进行适当的升压，谐振方式又可以分为串联谐振，并联谐振，不同的谐振方式对应的谐振频率点不同，所输入的阻抗也不一样。谐振频率当然越大越好，谐振频率越大，开关管开通的频率越大，传输的电压幅值平均值越大，太大时，开关管的损耗也有相应的增大。输入是直流电源，需要逆变电路变为交流，在副边及接收线圈端通过整流电路再整流成直流，这一步是很关键的。线圈是空心线圈，我们采用市场买到的铜线绕制，线径由集肤效应等因素决定，尽可能的减小集肤效应，避免线圈过热，绕制的匝数由线圈的电感大小决定，电感尽可能的小，从而使得频率变大，同时线圈的大小还受尺寸的要求，题目中要求线圈直径在20±2cm范围内。电容的选择要尽可能的小，原因也是为了使频率尽可能的高，但电容的特性又必须满足它的温度特性，以免因过热而导致爆裂，导致安全隐患和不便。因此电容要使用CBB电容，CBB电容绝缘阻抗值很高，没有极性，而且介质损耗很小，频率特性非常好。基于这些优点，所以在模拟电路上薄膜电容器被大量使用。当在信号相互交连的情况下，必须使用频率性能良好，介质损耗很低的电容，才能够使得信号在传递的过程中，不致有太大的失真情形发生。介电常数较高，体积小，容量大，稳定性比较好，适宜做旁路电容。聚苯乙烯薄膜电容，介质损耗小，绝缘电阻高，但是温度系数大，可用于高频电路。效率 （2-1）为了提高效率，就必须增大接收端电压幅值，同时减小输入端电流。效率的提升是这个设计的最终研究目的，也是最加分的地方。U2的提高取决于逆变电路后电压大小，I1的大小取决于输入电路，小灯泡为1W,两个相互串联，总共大小为2W，接收端电流恒为0.5A，电压大小最小为8V，即为至少4W，整流装置可消耗2W以上的能量。但为了使得传递的能量尽可能的远，最好尽可能的减小整流装置的损耗。合理的设置测试点，可有效方便的测量电流和电压，即要求焊接硬件电路时要将测试点单独焊接出来，以方便电流表和电压表的夹子夹住，而不至于碰到其它元部件，造成短路连接，并且需要清晰地标出测试点，同时尽量的避免电磁场的影响，尽可能的少包围器件。2.3设计任务总体框图设计任务总体框图即系统有哪几部分组成，在设计一个装置时是至关重要的。前面我们知道该系统由六部分组成，分别为振荡电路模块、发射模块、接收模块、整流滤波模块、扩展功能（稳压稳流）模块。其中振荡电路模块即信号发生电路，振荡频率可调。图2.2系统总体框图系统总体框图确定下来之后，我们就要对系统的每一部分进行方案比较，选择最佳的方案，使得效果最好。第3章方案选择无线电能传输装置系统的核心是将直流电转换成高频的交流电，及逆变器的设计[4]。逆变器的分类如图3.1所示。逆变器根据直流侧电源性质的不同可以分为电流型逆变器和电压型逆变器。图3.1逆变器的分类3.1发射电路选择方案一：半桥变换器图3.2半桥式拓扑工作过程:1、S1与S2交替导通,使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压.改变开关的占空比,就可以改变二次侧整流电压ud的平均值,也就改变了输出电为Uo[9]. 2、S1导通时,二极管VD1处于通态,S2导通时,二极管VD2处于通态, 3、当两个开关都关断时,变压器绕组N1中的电流为零,VD1和VD2都处于通态,各分担一半的电流. 4、S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升,两个开关都关断时,电感L的电流逐渐下降.S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui. 由于电容的隔直作用,半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用,因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。半桥式结构具有如下优点：（1）半桥式开关电源工作效率较高，输出功率较大。半桥式开关电源因为两个开关管交替轮流工作，相当于两个开关电源同时输出功率输出功率约等于单一开关电源输出功率的两倍。经全波整流或桥式整流后，输出电压的电流脉动系数Si和电压脉动系数Sv都比较小，需要的滤波电感和电容很小，输出电压纹波电流就可以达到很小。（2）半桥式开关电源的开关管的耐压值很低。对两个开关管的耐压值要求比推挽式的两个开关管的耐压要求可以下降一半。由于，半桥式开关电源的两个开关管的工作电压只有输入电压的一半，最高的耐压值相当于反电动势与工作电压之和，半桥式开关电源主要用于输入电压比较高的情况，一般电网电压为交流220伏供电的大功率开关电源大部分都是用半桥式开关电源。（3）半桥式开关电源的变压器的初级线圈只要一个绕组。但对于大功率的线圈绕制就没有优势了，所以，大功率开关电源变压器的线圈需要用多股线并绕。半桥式结构具有如下缺点：（1）半桥式开关电源的电源利用率较低，所以，半桥式开关电源不适合用于较低工作电压的场合。此外，半桥式开关电源中的两个开关管连接没有公共地，驱动信号连接比较麻烦。（2）半桥式开关电源的缺点是会出现半导通区，损耗大。当两个开关管Q1和Q2处于转换交替的工作状态时，两个开关管会同时出现一个短时间的半导通区域，即两个控制开关同时处于接通状态。因为这是开关管在一开始导通的时候，可以看做对电容充电，开关管从截止状态到完全导通状态需要一个过渡过程；而开关管从导通状态转换到截止状态的时候，可以看做对电容放电，它从导通状态到完全截止状态也要一个过渡过程。当两个开关器件分别处在导通和截止过渡过程，即两个开关管都处在半导通状态时，相当于两个开关管同时接通，它们会对电源电压造成短路。此时，在两个开关的串联回路中将出现很大的电流，而电流并没有通过变压器负载。所以，在两个开关管Q1和Q2同时处在过渡过程期间，两个开关管将会产生较大的功率损耗。一般在半桥式开关电源电路中，都有意让两个开关管的接通和截止时间错开一小段时间也就是所谓的死区[2]。（3）单电容半桥式开关电源刚开始工作时，输出电压比双电容半桥式开关电源输出电压高一倍。但开关管的耐压要求比双电容半桥式开关电源的耐压值高。方案二：全桥变换器图3.3全桥式拓扑全桥式结构具有如下优点：（1）全桥式变压器开关电源输出功率较大，工作效率较高。全桥式开关电源因为也是两个开关管交替轮流工作，相当于两个开关电源同时输出功率约等于单一开关电源输出功率的两倍[3]。经全波整流或桥式整流后，输出电压的电流脉动系数Si和电压脉动系数Sv都比较小，只需要滤波电感和电容很小，输出电压纹波纹波电流就可以达到很小。（2）全桥式开关电源的优点是开关管的耐压值特别低。全桥式开关电源对4个开关器件的耐压要求比推挽式开关电源对两个开关管的耐压值要求可以降低一半。由于全桥式开关电源4个开关管分成两组，工作时期2个开关器件互相串联，关断时期每个开关管承受的电压，只是单个开关管所承受电压的一半。其最高的耐压值等于工作电压与反电动势之和的一半。（3）全桥式变压器开关电源主要用于输入电压高的场合，可输入电压很高的情况下工作，一般电网电压为交流220伏供电的大功率开关电源大部分都是使用全桥式开关电源。全桥式结构具有如下缺点：（1）全桥式开关电源的电源利用率比推挽式开关电源的电源利用率低一些。因为两组开关器件互相串联，两个开关器件接通时总的电压降比单个开关管接通时的电压降一倍；但比半桥式开关电源的电源利用率高很多。因此，全桥式变压器开关电源也可以用于工作电源电压比较低的情况。（2）与半桥式开关电源一样，全桥式开关电源的变压器初级线圈只需要一个绕组，这对小功率开关电源变压器的线圈绕制带来一些方便。大功率开关电源变压器的线圈需要用多股绕制[21]。（3）全桥式开关电源功率损耗比较大，所以全桥式开关电源不适宜用于工作电压较低的情况，否则工作效率会很低。另外，全桥式变压器开关电源中的4个开关管连接没有公共的地，与驱动信号连接比较的麻烦。（4）全桥式开关电源的会出现半导通区，且损耗大。全桥式开关电源也有跟式半桥开关电源开关管串通的危险推挽变换器要求晶体管的耐压比较高，从安全的角度看，实际应用中常常要考虑为电源电压的3.3倍。如果输入电源直接从市电（我国22OVAC）整流而得，那么晶体管的耐压要求I000V。这样的晶体管不是很多，所以在我国，一次电源中基本不采用推挽设计的开关电源。解决晶体管耐压的方法是采用桥式电路。这样做增加了成本，用四个晶体管代替了两个晶体管，但是可靠性弥补了这些缺点。桥式变换器由四个功率晶体管组成。相对于半桥而言，功率晶体管及驱动装置个数要增加1倍，成本较高，但可用在要求功率较大的场合。线路的优点：主变压器只需要一个原边绕组，通过正、反向的电压得到正、反向磁通，副边有一个中心抽头绕组采用全波整流输出。因此，变压器铁心和绕组的最佳利用，使效率、功率密度得到提高。功率开关在非常安全的情况下运作。在一般情况下，最大的反向电压不会超过电源电压Vs，四个能量恢复（再生）二极管能消除一部分由漏感产生的瞬间电压。这样无须设置能量恢复绕组，反激能量便得到恢复利用。线路的缺点：需要功率元件较多。在导通的回路上，至少有两个管压降，因此功率损耗也比双晶体管推挽式变换器1倍。但是在高压离线开关电源系统中，这些损耗还是可接受的。另外，能量恢复（再生）方式，由于有四个二极管，损耗略有增加。由于直流型逆变器直流要接有大电感，考虑到无线电能传输装置的体积和质量，成本一起其他转换效率等因素。本文设计的逆变器采用电压型单相半桥逆变器。3.2MOSFET选择开关管的选择是至关重要的，好的开关管可以减少系统的损耗，增加系统的效率，开关管的参数必须满足系统的参数要求，本次试验我们采用N沟道场效应管 TP75N75，,80A/75V/10毫欧/200W封装结构为TO-220。在系统逆变部分，由于采用半桥电路技术，再加上系统的开关频率也非常的大，开关管的开关损耗将占很大的部分，另外，逆变部分的功率损耗还消耗在开关管的导通电阻上，故对开关管进行选型时，主要从以下三个方面进行选型：1、在温度-40℃~+80℃之间要正常工作；2、能承受本系统电路的最大电压和电流，及耐压和耐流性能要达到要求；3、重点选用低导通电阻的功率MOSFET;先确定漏极和源极间可能承受的最大电压，即最大VDS。考虑到MOSFET在关断瞬间，会承受到最大的电压冲击，这个最大电压和负载有很大的关系。3.3接收电路选择方案一：半波整流电路图3.4半波整流电路半波整流电路是一种最简单的整流电路。它由电源变压器T、整流二极管D和负载电阻R组成。变压器把市电电压（多为220伏）变换为所需要的交变电压，D再把交流电变换为脉动直流电。变压器砍级电压，是一个方向和大小都随时间变化的正弦波电压，在0～π时间内，变压器上端为正下端为负。此时二极管承受正向电压面导通，通过它加在负载电阻R上，在π～2π时间内，为负半周，变压器次级下端为正；上端为负。这时D承受反向电压，不导通R上无电压。在π～2π时间内，重复0～π时间的过程，而在3π～4π时间内，又重复π～2π时间的过程…这样反复下去，交流电的负半周就被"削"掉了，只有正半周通过R,在R上获得了一个单一右向（上正下负）的电压，达到了整流的目的，但是，负载电压U以及负载电流的大小还随时间而变化，因此，通常称它为脉动直流。这种除去半周、图下半周的整流方法，叫半波整流。不难看出，半波整说是以"牺牲"一半交流为代价而换取整流效果的，电流利用率很低（计算表明，整流得出的半波电压在整个周期内的平均值，即负载上的直流电压U=0.45e，此处注意e是变压器二次端口的有效值，而不是最大值。如变压器得到e,e取值为20）因此常用在高电压、小电流的场合，而在一般无线电装置中很少采用。方案二：全波整流电路图3.5全波整流电路如果把整流电路的结构作一些调整，可以得到一种能充分利用电能的全波整流电路。图3-5是全波整流电路的电原理图。全波整流电路，可以看作是由两个半波整流电路组合成的。变压器次级线圈中间需要引出一个抽头，把次组线圈分成两个对称的绕组，从而引出大小相等但极性相反的两个电压e2a、e2b，构成e2a、D1、R与e2b、D2、R，两个通电回路。全波整流电路的工作原理，在0～π间内，e2a对D1为正向电压，D1导通，在R上得到上正下负的电压；e2b对D2为反向电压，D2不导通。在π-2π时间内，e2b对D2为正向电压，D2导通，在R上得到的仍然是上正下负的电压；e2a对D1为反向电压，D1不导通。方案三：全桥整流电路图3.6全桥整流电路桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成“桥”式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。整流电路桥式整流电路的工作原理如下：e2为正半周时，对D1、D3和方向电压，D1，D4导通；对D2、D3加反向电压，D2、D3截止。电路中构成e2、D1、R、D4通电回路，在R上形成上正下负的半波整流电压，e2为负半周时，对D1、D4加正向电压，D2、D3导通；对D1、D4加反向电压，D2、D3截止。电路中构成e2、D2、R、D3通电回路，同样在R上形成上正下负的另外半波的整流电压。如此重复下去，结果在R，上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。三相桥式半控电路三相桥式半控整流电路与三相桥式全控整流电路基本相同，仅将共阳极组VT4，VT6，VT2的晶闸管元件换成了VD4，VD6，VD2整流二极管，以构成三相桥式半控整流电路。3.4接收电路器件选择综合比较上述各接收电路，我们选择全桥整流电路，整流二极管选取IN5822，1N5822这个是肖特基整流二级管，主要参数：正向电流：3A反向耐压：40V正向压降：小于等于0.55V反向漏电流：小于等于500UA封装：DO-201AD是比较常用的整流器件.3.5控制电路选择控制芯片的选择方案一：SG3525随着开关电源技术的发展，功率开关管在电能变换中被广泛的使用，美国硅通半导体公司设计了一款专门用于驱动N沟道功率MOSFET的芯片SG3525，在国内外的使用受到了一定的好评。SG3525控制芯片分为军用、民用、工业用三种类型，其在精密度、适应温度方面存在着区别。下面我们就对SG3525控制芯片的引脚、电气参数，以及特点做一定的介绍。SG3525总共有16个引脚，属于电流型控制芯片，即通过电流反馈与误差放大器中的电流相比较，输出端控制开关管的占空比，使得输出电压保持恒定，电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于在结构上有电流环和电压环双环系统，因此，无论是电源变换的负载调整率、电压调整率和瞬态响应特性都有一定的提高，是当前比较理想的控制器。图3.7是SG3525的外部图。内部结构图如3.8所示。图3.7SG3525外部图图3.8SG3525内部结构1.Inv.input(引脚1)：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。2.Noninv.input(引脚2)：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。3.Sync(引脚3)：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。4.OSC.Output(引脚4)：振荡器输出端。5.CT(引脚5)：振荡器定时电容接入端。6.RT（引脚6）：振荡器定时电阻接入端。7.Discharge(引脚7)：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。8.Soft-Start(引脚8)：软启动电容接入端。该端通常接一只5的软启动电容。9.Compensation(引脚9)：PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。10.Shutdown(引脚10)：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。11.OutputA（引脚11）：输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。12.Ground(引脚12)：信号地。13.Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。14.OutputB（引脚14）：输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。15.Vcc（引脚15）：偏置电源接入端。16.Vref(引脚16)：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。特点如下：1、工作电压范围宽：8—35V。2、5.1（11.0%）V微调基准电源。3、振荡器工作频率范围宽：100Hz—400KHz.4、具有振荡器外部同步功能。5、死区时间可调。6、内置软启动电路。7、具有输入欠电压锁定功能。8、具有PWM琐存功能，禁止多脉冲。9、逐个脉冲关断。10、双路输出（灌电流/拉电流）：mA(峰值)。3、SG3525的工作原理SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个5的软启动电容。上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当Shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM琐存器才被复位。方案二：UC3843UC3843是高性能固定频率电流模式控制器专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。这些集成电路具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、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式输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。UC3843A特点:1、微调的振荡器放电电流，可精确控制占空比。2、电流模式工作到500自动前馈补偿，锁存脉宽调制，可逐周限流内部微调的参考电压。3、带欠压锁定，大电流图腾柱输出，欠压锁定，带滞后低启动和工作电流，UC3842A有16V（通）和10伏（断）低压锁定门限，十分适合于离线变换器。表3.1UC3843引脚及功能引脚功能引脚功能说明1补偿该管脚为误差放大器输出，并可用于环路补偿。2电压反馈该管脚是误差放大器的反相输入端，通常通过一个电阻分压器连至开关电源输出。3电流取样一个正比于电感器电流的电压接至此输入，脉宽调制器使用此信息中止输出开关的导通。4RT/CT通过将电阻RT连接至Vref以及电容CT连接至地，使振荡器频率和最大输出占空比可调。工作频率可达500kHz。5地该管脚是控制电路和电源的公共地6输出该输出直接驱动功率MOSFET的栅极，高达1.OA的峰值电流经此管脚拉和灌。7VCC该管脚是控制集成电路的正电源。8Vref该管脚为参考输出，它通过电阻RT向电容CT提供充电电流。于此次我们主要是为了保证输出电压尽可能保持恒定，我们选SG3525作为该系统的驱动芯片，在使用时要合理安排外部器件的位置，以免错乱的接线使得芯片稳定性受到影响。11脚和14脚作为芯片的输出引脚，由于功率比较小，应该外接图腾柱结构，让驱动功率增强，保证开关管的正常导通。图腾柱将在下一节中介绍。3.6驱动电路选择图腾柱就是上下各一个三极管，上管为NPN，c极(集电极)接正电源，下管为PNP，c极(集电极)接地。两个b极(基极)接一起，接输入，上管和下管的e极(发射极)接到一起，接输出，像一个“图腾柱”。用同一信号驱动两个b极。驱动信号为高时，NPN导通；信号为低时，PNP导通。上下两个输出管，从直流角度看是串联，两管联接处为输出端。上管导通下管截止输出高电平，下管导通上管截止输出低电平，如果电路逻辑可以上下两管均截止则输出为高阻态。在开关电源中，类似的电路常称为半桥。图腾柱电路的变种：一种是两管全用NPN，但是下管通过一个反相器接到输入，也起到同样作用；还有一种是下管的e接到地。门电路的输出极采用一个上电阻接一个NPN型晶体管的集电极，这个管子的发射极接下面管子的发射极同时输出；下管的集电极接地。由于此结构画出的电路图有点儿象印第安人的图腾柱，所以叫图腾柱式输出（也叫图腾式输出）。图腾柱作用一方面增加了驱动能力，另一方面，当PWM的输出端为低电平的时候，下管为MOS的结电容提供放电回路。图3.9图腾柱结构3.6.1磁的基本概念（1）磁感应强度磁感应强度描述磁场方向和强弱的物理量，矢量，符号B。磁感应强度也被称作磁通密度或磁通量密度。磁感强度大，表示磁感强；磁感强度小，表示磁感弱。（2）磁通假设在磁感应强度为B的匀强磁场里，有一个面积为S并且与磁场方向垂直的平面，面积S与磁感应强度B的乘积，叫穿过这个平面的磁通量，简称磁通。标量，符号“Φ”。经过某一平面磁通量大小，可以通过这个平面的磁感线条数的多少来说明。在同一磁场中，磁感应强度越大的地方，磁感线越密。所以，S越大，B越大，磁通量就越大，就意味着穿过这个平面的磁感线的条数就越多。(3-1)（3）磁场强度在历史上最先是磁荷观点提出磁场强度。在与电荷库仑定律类比，人们认为存在正负两种磁荷并且提出库仑定律。正点的单位磁荷在磁场中所受到的力称为磁场强度H。之后安培提出分子电流假说，认为其实并不存在磁荷，磁现象的本质是分子电流。自此用B来表示磁场的强度多用磁感应强度。但在磁介质的磁化问题中，磁场强度H作为一个导出的辅助量仍发挥着非常重要作用。磁导率：(3-2)真空磁导率： (3-3)（4）安培环路定理在恒定稳定的磁场中，磁场强度H沿着任何闭合路径的线积分，等于闭合路径所包围的各个电流代数之和。这个称为安培环路定理。它反应了稳恒磁场的磁感应线和载流导线互相套连的性质。根据安培环路定理，包围的正和负电流回路应遵守右手定则。(3-4)（5）高斯定理高斯定理也称为高斯 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 ，或称作奥氏定理或高－奥公式、散度定理、高斯－奥斯特罗格拉德斯基公式、高斯散度定理。它表示，电场强度对任意封闭曲面的通量只取决于该封闭曲面内电荷的代数之和，与封闭曲面外的电荷无关，与曲面内电荷的位置分布情况也无关。在真空的情况下,Σq是围绕在封闭曲面内的自由电荷代数之和。当存在介质时，Σq应该理解为围绕在封闭曲面内的极化电荷和自由电荷之和。由于磁力线总是闭合曲线，所以任何一条进入一个封闭的表面的磁场线必须从内到外表面，否则磁力线不会关闭。如果一个闭合曲面，正法线的指向定义向外，则进入曲面磁通量为负，出来磁通量为正，就得到通过一个闭合曲面的总磁通量为零。这个规律类似于电场中的高斯定理，因此也称为高斯定理。与静电场中的高斯定理相比，二者有本质上的区别。在静电场里由于自然界里存在着独立电荷，所以电场线有终点和起点，只要闭合面内存在正（或负）电荷，穿过闭合面的电通量不等于零，即是静电场是有源场；而在磁场中，由于自然界中没有磁单极子存在，S极和N极是不会分离的，磁感线都是无限延长的闭合线，通过任意闭合面通量等于零。（6）磁路磁通所经过的路径称为磁路。磁动势F=ΦRmΦ=BSS为截面积，Rm=L/μA。H为磁场强度，与磁密度B和磁路材料等有关，L表示磁路长度。作用在磁路上的磁动势F等于磁路内的磁通量Φ与磁阻Rm的乘积。F=NI通电线圈产生的磁动势F等于线圈的匝数N和线圈中所通过的电流I的乘积，也叫磁通势。F=HLF是磁场强度在磁路上的积分。（7）磁性材料磁性材料是由铁磁性或亚铁磁性材料，在外部磁场H，将有一个磁感应强度或磁化强度对应于B。它们随这磁场强度H的变化曲线被称为磁化曲线。磁化曲线就一般来说是非线性的，磁饱和现象及磁滞现象是它的两个主要特点。在有足够大的磁场强度的时候，磁化强度M会达到MS，MS一个确定的饱和值时，接着增大H，Ms就会保持不变；当材料的M值达到饱和后，外磁场H降到零时，M缺并不恢复为零，而是沿着MrMs的曲线变化而变化。Bs饱和磁感应强度：材料的成分决定了强度的大小，它所对应的物理状态是材料内部中整齐排列的磁化矢量。Br剩磁感应强度：H回到0时的B值。矩形比：Br∕BsHc矫顽力：材料的缺陷和成分决定了材料磁化难易。μ磁导率：磁滞回线上的任一点所对应的B与H的比值，磁导率与器件的工作状态有着密切相关。Tc居里温度：铁磁物质的磁化强度是随温度提高而降下，当达到了某一温度时，自发磁化就会消失，从而转变为顺磁性，该临界温度称为居里温度[8]。P损耗：涡流损耗Pe、磁滞损耗Ph。P=Ph+Pe=af+bf2+cPe∝f2ρ下降，降低矫顽力Hc可以降低磁滞损耗ph，减薄磁性材料的厚度t以及提升材料的电阻率ρ可以降低涡流损耗Pe。磁滞回线如图3.10所示。图3.10磁滞回线3.6.2驱动变压器f=62.6KHZ（1）确定AP值Ap——磁芯面积乘积。AP=AW×AE，磁芯面积乘积。它是磁芯窗口面积AW和磁芯有效截面积AE的乘积AP。AE是磁芯横截面积对磁芯输出功率的影响。根据法拉第电磁定律，。AE的面积越小，需要的匝数就越多，窗口面积需要的就越大，选定的磁芯其窗口面积是有限的，必须重新选择窗口面积大的磁芯才会满足功率的输出。AW磁芯窗口面积对磁芯输出功率的影响：正常我们按照导线的允许电流密度和线圈有效值的电流选取合适的线径，选择的导线的横截面积是Irms/J。（2）选择磁芯磁芯可选EI28或EE40EI28的材料为PC40，其参数为：Ae=86Aw=39.4Ap=AeAw=0.33EE40的材料为PC40，其参数为：Ae=128Aw=108Ap=AeAw=1.38240.33>0.28351.3824>0.2835从理论上EI28和EE40都符合条件，但是经过实际的铜线缠绕，EI28的窗口大小不够，所以选择EE40。（3）计算原边匝数Np为防止开关电源过压击穿，令Dmax=0.43（Dmax是占空比）。占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率。（3-5）（3-6)（4）计算匝比（3-7）(3-8）(3-9)（5）计算副边匝数Ns(3-10)Ns=10匝（6）重新计算原边匝数Np(3-11）取Np=18匝(7)计算副边线径Ds(3-12）J是电流密度，是描述电路中某点电流强弱和流动方向的物理量。它是矢量，其大小等于单位时间内通过某一单位面积的电量，方向向量为单位面积相应截面的法向量，指向由正电荷通过此截面的指向确定。导线中不同点上与电流方向垂直的单位面积上流过的电流不同。(3-13)(3-14)(3-15)(3-16)选取线径还需要考虑到集肤效应。当导体中有交变电磁场或交流电时，导体在内部的电流分布不均匀，且电流集中在导体“皮肤”的部分的一种现象。实际上导线内部中电流变小，在导线外表的薄层集中电流。使得导线的电阻增加，使它的损耗功率也增长。称为集肤效应。计算导线的电感电阻时，假设电流是均匀的分布在它的截面上。这一假定仅仅存在电流变化率di/dt在到体内等于零时才能成立。当直流dc通过导体时，能够确保有均匀的电流密度，或存在很小的电流变化率。电流的分布仍可认为均匀。当细导线工作在低频时，这一说法仍然是肯定的。然而电流变化率大，分布不均匀的状态在高频电路中就非常明显。导线内的高频电流产生的磁场，会在导线内部中心区域感应出最大电动势。同时也会在导体的内部中心感应出最大电流。因为感应电流的运行总是在不断削减原来电流的方向，这使得电流只能贴近导线外表面处。主要是变化的电磁场在导体内部中产生了涡旋电场，与原电流相抵消。取2股(3-17)（8）计算原边线径Dp（3-18)(3-19)(3-20)取Dp=0.47。（3-21)取2股。3.7谐振方式选择1、谐振定义：谐振是指电容和电感元件线性无源二端网络对某一频率的正弦激励（达到稳态时）所表现的端口电压与电流同相的现象[14]。2、谐振电路的分类：串联谐振电路和并联谐振电路。方案一：串联谐振图3.11串联谐振串联谐振的频率、电路的固有频率：设电源角频率ω=ω0（或f=f0）时，电路发生串联谐振，由上面式子ωL=可得：ω0=或f0=式子说明，RLC串联电路谐振时ω0（或f0）仅取决于电路参数L和C，当L、C一定时，ω0（或f0）也随之而定，故称ω0（或f0）为电路的固有频率。有谐振条件可知，调节L或C使电路谐振，电感元件与电容元件的关系为：L=L0=C=C0=串联谐振电路具有如下特性：（1）谐振时，回路电抗X=0，阻抗Z=R为最小值,且为纯电阻。而在其他频率时，回路电抗X≠0，当外加电压的频率ω>ω0时，ωL>1/ωC，回路呈感性，当ω<ω0时，回路呈容性。（2）谐振时，回路电流最大，即I’0==,且电流与外加电压同相。（3）电感及电容两端电压模值相等，且等于外加电压的Q倍。方案一：并联谐振并联谐振电路由电感线圈和电容器并联组成。下图为并联谐振电路的模型，其中R和L分别为电感线圈的电阻和电感，C为电容器的电容。图3.12并联谐振并联谐振电路的频率特性：（1）电压的幅频特性曲线和相频特性曲线并联谐振，信号源用电流源表示，假设内阻RS为无穷大。在Q远大于1的条件下，电路在某一频率f下的回路端电压U‘和谐振时的端电压U‘0分别为：U‘=IS’Z=IS’/（3-22）U‘0=IS’Z0=IS’（3-23）上式分别为并联谐振回路的电压幅频特性曲线方程和相频特性曲线方程，并联谐振电路的