基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计_毕业论文1

基于UC3844通用变频器辅助电源的研究 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 _毕业论文1 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: 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 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 ; 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 26 日 湖南工程学院 毕业设计(论文)任务书 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 班级 学号 指导老师 职称 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(7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 :作为早期商品的通用变频器开始在国内上市，是最近十年内的事情，并且其销售额逐年增加，至今为止全年有超过数十亿元人民币的市场。对许多用户而言,这十年中历经多次更新，到现在正在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，我们的水准已经接近发达国家。 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(7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 , we have been 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 (DC350V-700V). Requirements based on UC3844 dedicated PWM chip, adopt the structure of the flyback high voltage direct current (DC 350V - 700 V) input multiplexer (24V / 5:200 mA, + 15 V / 200 mA; 5V /1V) 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 湖南工程学院毕业设计论文 目 录 摘要 .................................................................... I Abstract ............................................................... II 绪论 ............................................................ 1 第1章 1.1 通用变频器的发展 .................................................. 1 1.2 通用变频器工作原理 ................................................ 2 6 1.3 通用变频器的开关电源简介 .......................................... 1.3.1 开关电源的发展 ............................................... 6 1.3.2开关电源的优点 ................................................ 7 1.3.3 开关电源的构成 ............................................... 8 1.3.4开关电源中的辅助电源 ......................................... 12 1.4 UC3844芯片介绍 ................................................... 14 1.5 课题来源及主要研究内容 .......................................... 15 1.5.1课题来源 ..................................................... 15 1.5.2 主要研究内容 ................................................ 15 第2章 开关电源的设计 ................................................. 17 2.1 主电路拓扑 ....................................................... 17 2.2主要器件介绍 ...................................................... 17 2.2.1 PC817 ....................................................... 17 2.2.2 TL431 ....................................................... 18 2.2.3 开关功率管的选择 ............................................ 19 2.3 变压器设计 ....................................................... 20 2.3.1 计算一次绕组参数 ............................................ 21 2.3.2计算磁芯参数 ................................................. 22 2.3.3 计算变压器有效体积 .......................................... 22 2.3.4确定一次绕组匝数N1 .......................................... 23 2.3.5 确定自馈绕组Ns和二次绕组的匝数 ............................. 24 ,2.3.6 计算空气气隙 .............................................. 24 2.4缓冲电路设计 ...................................................... 26 2.5驱动电路和控制电路设计 ............................................ 27 2.6电流反馈电路设计 .................................................. 29 30 2.7电压反馈电路设计 ..................................................第3章 斜坡补偿 ........................................................ 31 3.1 斜率补偿的类型与补偿方程 ......................................... 32 3.2 正斜率补偿及其补偿电路 .......................................... 34 3.3 正斜率补偿的电路优化 ............................................ 34 结束语 ................................................................. 36 参考文献 ............................................................... 37 致 谢 ................................................. 错误～未定义书签。 附 录 ............................................................... 39 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 第1章 绪论 1.1 通用变频器的发展 变频器经过逐年的飞速发展，如今已应用于多种设备和多种行业,并且逐渐作为当今电能节省、改善工艺流程、改良传统型工业、提高生产自动化水平、提高工业产品的质量和改善环境的主要技术之一。变频器技术作为一种全新的绿色环保技术,是日常生活和工业生产中急需的高级技术,同时也是国际上电子技术更新最快的领域之一。 随着电力电子技术、微机技术和自动控制原理的不断发展，变频器作为一种智能调速电源，其功能和结构也在不断地发展更新。自第一代变频器以来，通用变频器已经经历好几个发展阶段:即模拟式、数字式、智能式、多功能型和现在的新型通用变频器。 新型通用变频器为了实现静音化，在方式上采用高频载波方式的正弦波SPWM调制，还在其输入侧附加交流电抗器，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。 新型通用变频器不仅发展单机的数字化、智能化外，还向其他方向飞速发展。例如集成化和系统化。现在有一种集通讯、设计和数据管理于一体的“全集成自动化”平台概念，它可以使自动化和驱动系统以及通讯和数据管理系统，以及伺服装置、控制器、变频器及通讯装置等配置，都可以像驱动装置嵌入全集成自动化的系统那样进行，可以为广大用户提供最好的系统功能。 富士、三菱、西门子、日立、VACON等品牌的通用变频器，均可通过不同的选件支持不同类型的现场总线。因为新型通用变频器可与现场的总线:CAN Open、Profibus-DP、Ethernet、Device Net 、Interbus-S 、CC-Link、LONWORKS、ModbusPlus、T-LINK等通讯。可以提供多种不同而且兼容的通信接口，支持多种要求的通信协议，而且可由个人计算机向变频器内输入命令和设定功能等等用途。 新型通用变频器其中可以设置多种应用类软件，甚至有的品牌可提供多达100余种的应用软件，随时满足各种现场需要。比如速度级链、电流平衡、速度跟随、变频器功能设置软件、PID控制软件、通讯软件等。变频器功能设置软件可以在WINDOWS95或者98的系统下设置变频器的功能和数据通讯。 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。 1 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 1.2 通用变频器工作原理 在多种多样的异步电机调速控制系统中，目前性能最好、效率最高的系统是变压变频调速控制系统。由于通用变频器性能良好、使用方便、可靠性高，因此通用变频器成为现代自动控制系统的一个重要组成元件。 根据异步电动机的转速表达式: 60f1n,(1,s) p 由上式知，电动机的转速和频率有关，然而在实际实验中，如果单纯只改变电动机的频率而不改变其他参数，会烧坏电动机，因此不可取。我们通过电机学的知识可知，定子绕组切割旋转磁场磁力线产生定子绕组的反电动势，它其实就是定子绕组的自感电动势。 另外，三相异步电机定子的每相电动势的有效值是: E,4.44kfN,1r111M 式中:E:气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V; 1 k:与绕组结构有关的常数; r1 N:定子每相的绕组串联匝数; 1 f:定子频率，单位为Hz; 1 Φ:每极气隙磁通量，单位为Wb。 M 由上式可知，如果保持有效值E不变，只改变定子频率f时就会出现以下两种11 情况: 第一种:如果 f比电机额定频率f大 ，则气隙磁通量Φ就会比额定气隙磁通1 1NM 量Φ小。这样虽然电机铁心还是有很大的利用空间，但是在其他条件允许的情况下能MN 够长期使用。 第二种:如果 f比电机额定频率 f小，则气隙磁通量Φ就会比额定气隙磁通11NM 量Φ大。这样的话，铁心会产生过饱和并且生成极大的励磁电流，导致绕组过热，从M 而烧坏电机。 所以我们得出，最好的变频调速手段，是在不损坏电机的条件下，充分发挥电机转矩能力，充分利用电机铁芯，变频时尽量保持每极磁通量Φ为额定值不变。 M 交流异步电机中，磁通是定子和转子磁动势合成而产生的，因此，保持磁通基本不变十分重要。而对于直流电机来说，保持Φ不变很容易做到。因为其励磁系统是独M 立的，我们可以通过对电枢反应作适当的补偿来做到。 1、基频以下调速 2 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 基频以下调速时，要保持Φ不变，当频率f从额定值f向下调节时，必须同时降M11N 低E，使E/f,常数。即采用电动势与频率之比恒定的控制方式。 111 当电动势值较高时，定子绕组的漏磁阻抗压降可以忽略不计，于是可以设定子相电压U?E，得: 11 U1 ,C1f1 此为恒压频比的控制方式。在在电压和频率之比不变的时候改变频率f时，可以得出:1机械特性平行下移，如图。 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，在电压U不超过额定电压U的条件下，频率f可以从f往上11N 1N增高，最多保持在U=U，这会导致磁通随频率升高而降低。 11N 由于电压U=U 不变，得出频率和同步转速同时提高时候，最大转矩随之减小，导11N 致机械特性上移，如下图。由于电压不变，频率升高，气隙磁动势逐渐减弱，导致转矩减小，转速提高，输出功率基本不变。因此，基频以上变频调速则属于弱磁恒功率调速。 通过以上可以看出，我们必须使变频和调压按照一定的规律合理配合起来，才能完成异步电动机变频调速，需要变频器的逆变电路和整流滤波电路。 3 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 图1-2 基频以上调速的机械特性曲线 整流是变频器的重要组成部分，它可以通过整流器把工频交流电转换成直流电。目前变频器主要是依靠二极管桥式电路的整流技术进行整流。二极管桥式电路整流会产生谐波，并且电路不可控制。谐波会严重“污染”电网，不可控制性会使电路无法调节所得直流电的大小。现代技术使用PWM技术来进行对整流器的控制，达到治理这种电网“污染”的目标。 变频器的逆变电路根据逆变电路输出电压调制方法分类有脉幅调制PAM 、脉宽调制PWM 、正弦脉宽调制SPWM等3种类型。 脉宽调制PWM即要求逆变电路输入直流电压的有效值是不能控制的，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，用来改变其输出电压变频和输出脉冲占空比，因此实现频率和电压值配合改变目的，如图所示。 f,ff,f 图1-3a频率占空比小 图1-3b 频率占空比大 11N11N 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 4 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 整流器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。它以其较低的损耗、简单的结构、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控制系统的流程框图如图所示。 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。其控制原理为:电路给定的电压U与从2输出反馈电压U来比较,经电压调节器输出比较得到的电压误差，作为一个给定电压信r 号U。这个信号与经采样电阻手机的电流变化的信号U进行比较,输出一个可调节占空es 比的PWM脉冲信号,以此使得输出的电压信号V保持恒定。 0 电流型PWM控制的优点如下: a)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,可以很快适应负载 5 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 变化造成的输出电压的变化,因此可以显著改善负载调整率。 b)电压调整率好。输入电压的变化会带动电感电流的变化,电感电流的变化立即被电流控制回路感应而被抑制,不需要类似电压控制调节的复杂过程，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,可以达到较高的调整率。 c)系统稳定性好。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,因此系统稳定性好。 1.3 通用变频器的开关电源简介 1.3.1 开关电源的发展 变频器已经影响到人类生产和生活的各个领域，开关电源作为变频器必不可少的部分也得到了很大的发展，提高开关电源的功率密度，使之轻量化、小型化，是人们不断努力追求的目标。电源的高频化是国际研究的热点之一。电源的小型化、减轻重量对便携式电子设备尤为重要。使开关电源小型化的具体办法有: 一、高频化。为了实现电源高功率密度，必须提高PWM变换器的工作频率、从而减 小电路中储能元件的体积重量。 二、采用新型电容器。为了减小电力电子设备的体积和重量，必须不断改进电容器的性能，提高能量的密度，并设计出适合于电源系统用的新型电容器。 三、采用压电变压器。应用压电变压器可以使高频功率变换器实现小、薄和高功率密度。 电源系统中大量应用了磁元件，高频磁元件的材料、结构和性能都不同于工频磁元件， 任然存在许多问题需要研究。对高频磁元件所用的磁性材料一般有如下要求:散热性能好，损耗小，磁性能优越。适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注，纳米材料也开始开发运用。 传统的晶体管稳压电源是一种典型的连续控制线性电源，线性稳压电源的优点有:输出纹波电压小、稳定性能好、使用方便安全等，线性电源的缺点有:占用空间大，它包括的工频变压器和滤波器，都是很占空间的。这种稳压电源技术目前已经发展得比较完善，已经开发出大量的各种类型的集中化的稳压电源。因为选用变频调速器的小型化的原因，开关电源受到了较大的关注，因为其体积小，占用空间相对于其它器件有优势，而且其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，它采用直-交-直变换，是一种高频电源变换电路,能够产生一路或多路可调整可隔离的高品质的直流电 6 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 压。 LT V1 + + CUV2 U- PWMR1 V3 R2 - 图1-6 一种电路实现形式 1.3.2开关电源的优点: 开关电源的电路结构与线性电源相比有如下几个优点: (1)功耗小，效率高。激励信号激励功率晶体管，晶体管交替工作在饱和导通与截止的快速开关状态，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，电源的效率可以达到80%以上。 (2)滤波的效率高，大大减小了滤波电容的容量和体积。开关稳压电源的工作频率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。采用开关稳压电源时，在相同的纹波输出电压的要求下，滤波电容的容量远小于线性稳压电源中滤波电容容量。 (3)稳压范围宽。激励信号的占空比和激励信号的频率是用来调节开关稳压电源输出电压的，并且通过变频或调宽，可以对输入电压的变化进行补偿。在电网电压不稳定的时候，或者负载有较大的变化时，它仍然可以保证稳定的输出电压，因此它的稳压范围较宽、稳压效果比其他电源好。 (4)体积小。开关稳压电源没有体积较大工频变压器，并且省去了很多散热片，因为其在功率晶体管上的耗散功率大幅降低。因此开关稳压电源无论是体积还是重量都有所减小。 (5)电路形式较多。例如，有调宽型和调频型，自激式和他激式，有单端式和双端 7 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 式。 设计师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、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 单元微处理单元等组成。其改变电源电压的方法是改变电源的频率，根据负载电机的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。随着科技和电气自动化的不断发展，变频器正在越来越广泛的被使用。下面介绍变频器的组成结构。 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 变频器的整流虑波电路和逆变电路，可分为晶闸管三相桥半控式整流和三相逆变电 8 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 路、二极管单相桥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、二极管三相桥式整流和三相逆变电路等4类。 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，对将要进入变频器的电网中的谐波进行阻止。 第二，对变频器产生的谐波进行抑制。 第三，缓和电网中的尖峰脉冲; 第四，抑制电网的换相缺口; 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 脉冲宽度调制简称脉宽调制。它的原理是利用微处理器的数字输出控制模拟电路。是一种非常有效的技术，在通信、功率控制、测量与变换等许多领域都有所应用。通过参数相应载荷的变化来调制晶体管基极或栅极的偏置，以此改变晶体管导通的时间，这种方式能使电源输出电压在外部工作条件变化时，一直保持恒定。 脉冲宽度调制(PWM)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，所以不论在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么为0，要么完全存在。 S ++T VisU0U1C -- 图1-9 PWM变换器原理图 9 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 电压或电流源是以一种通或断的重复脉冲序列。直流供电加到负载上的时候就是通的时候，供电被断开的时候就是断的时候。所以如果带宽够的话，所有模拟值都可以使用PWM来编码。其工作原理如上图1-9 。 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相对于模拟控制的另外一个优点是对噪声抵抗能力的增强，所以某些时候我们必须以PWM进行通信。通过将模拟信号转向PWM，可以很大程度上地延长通信距离。通过适当的LC或RC网络可以在接收端滤除调制高频方波，并将信号还原为模拟形式。 ?DC/DC变换器 DC/DC变换器在开关电源中，一般来说是要求输入与输出间进行电隔离的。在这种情况下需要使用称为隔离变换器的变压器进行隔离。隔离变换器可以把直流电压变换为高频方波电压，把直流电流变换为高频方波电流。通过升压降压变换和整流平滑滤波，最后变为直流电压或电流。 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 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Vin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 10 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 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，变压器还可以发挥电感的左右，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。功率管导通时，电感电流变化率和电流峰值很大，生成功率开关管开通时的电流尖峰;当功率管关断时，也会产生很高的关断电压尖峰，给功率管造成很大负担，会损坏功率管。因此，要想法设法限制反激变换器功率开关电流尖峰和电压尖峰。反激变换器具有容易进行多路隔离输出、输入输出电气全部隔离、简单有效、高可靠性的优点。因此，反激变换器是对开关电源来说非常重要,电力电子技术研究人员对此进行了大量的研究。 反激变换器的参数由反激式变压器来决定，如最大峰值电流和占空比，反激式变压器的设计，就是对所有的工作器件做一个合理的安排和规划，参数计算要尊重事实规律和理论。这样才能最大化发挥芯片的作用。若是变压器设计得不合理，参数计算不正确， 11 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 规格没有按照要求。整个开关电源的性能会受到很大影响，比如输出功率降低，损耗加大，使用寿命缩短，容易出现故障等等。 反激式变压器开关电源，相比其他开关电源要节省很多器件。因此，反激式变压器开关电源的体积比其他类型的开关电源的体积要小很多。此外，其输出电压的占空比调幅，还比正激式变压器开关电源要高。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，且成本也要降低。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。 3.控制电路 开关电源的控制电路有电流控制和电压控制两种，电流控制是一个电压、电流双闭环控制系统，电感电流不是一个独立变量，从而使开关变换器成为一个一阶无条件的稳定系统，因而很容易得到大的开环增益以及小信号、大信号特性。电压控制是一个单闭环电压控制系统，控制过程中，电源电路中的电感电流未直接参与控制，是独立变量，开关变换器为二阶系统的一个有条件的稳定系统。 1.3.4开关电源中的辅助电源 开关电源一般由功率主回路、控制回路和辅助电源组成。功率主回路主要用来给用户负载供电，开关电源中的辅助电源主要用于给控制电路、驱动电路或电源系统的监控电路供电。 辅助电源的设计方法不但影响整个电源的效率、体积、稳定性、可靠性和成本，而且还将影响到整个开关电源的工作条件。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，那么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。 由于所需辅助电源的功率一般比较小，辅助电源应该力求简单、可靠和小型化。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:独立型和非独立型。 (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。 12 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 第一种方法: 需要用稳压器的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之后，再经过四只二极管全波整流，经过平滑滤波后输入到三端稳压器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。 C3R2R1D2 C1 C2 D3D1 R4 MOSFET 7R364R5UC38443 85C4R6C5 12 O2 图1-12 UC3844的反激式开关电源 第二种方法:需要用稳压器7815,的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，先并串联两只限流电阻，然后从电网电压中取得低频脉动电压。通过集成稳压器7815提供所需的电压。为了防止浪涌电压损坏7815，IC输入端需要并联一只稳压二极管用来保护。另外，全波整流需要四只二极管。 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。本设计采用这种方法。 (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。因为其有利于减小电源体积，实现小型化和节约成本的原因，在小功率电源系统中广泛使用。非独立型的特点是辅助电源与主变换器息息相关。如果主电路不工作，辅助电路将关闭，辅助 13 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 电源不供电，主变换器也随之不工作。因此在电源的启动阶段，需要给控制电路提供启动电能，使其渐渐进入工作状态。 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。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、具有过流限制、稳定幅度大、频响特性好、电压调整率好、过压保护和欠压锁定等优点。 它主要由高频振荡、误差比较、电UC3844是一种电流型单端输出式PWM控制芯片, 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。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。 UC3844的最大占空比为50%,启动电压16V,具有欠压锁定和过压保护的功能。当工作电压过大，大于34V的时候,负责稳压的稳压管开始稳压,使内部电路在小于34V的电压下工作;当输入电压低于10V的时候,芯片会被暂时锁定,控制器此时停止工作。 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 14 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 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R、脚4 与地之间所T 接定时电容C设定。 T 计算公式为: 1RCTT f,,0.55T 1.5 课题来源及主要研究内容 1.5.1课题来源 随着变频器技术的飞速发展，变频器已经在众多领域，各行各业得到广泛使用,是当今改善工艺流程,节省能源,改革传统工业,提高产品工作质量,提高生产自动化进程,节省人力资源的主要技术之一。变频器技术是一种新兴的环保型技术,在我国经济高速发展的背景下，变频器技术得到前所未有的广泛应用。而且在世界范围内，它也是一种不断注入新鲜血液的科学技术。 在我国，超过60%的发电是通过电动机消耗掉的，所以，调速传动一直是一个很重要的行业，而且目前己有一定程度的发展规模。异步电动机由于转子侧的电流由电磁感应产生，不需要从外部进入，故而具有体积小、结构简单、价格低廉、重量轻等优点，刚刚发明就被人们广泛使用并被不断改进，在工农业中一直占有龙头老大的地位。 随着科技的不断进步，随着生产技术的不断进步和发展，人们开始在变频调速上提高要求，而异步电动机在调速方面是很大缺陷。而交流电机的调速问题，随着变频技术的出现解决。随着微电子技术、电力电子技术以及自动控制原理的不断发展，各种新型电机控制技术的 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 不断被提出，使交流电机的调速一直简单方便。 本次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一共是七路输出，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 15 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 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。 16 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 第2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，其主电路采用单端反激式变换电路，交流输入电压经左边省略的桥式整流、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，电路中采用功率MOSFET作为功率开关管，在UC3844的PWM控制下，将能量传递到输出端。此外，在高频变压器原边设置了RCD缓冲电路用于抑制电压尖峰。 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。同时它还拥有以下特点: (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。 17 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 当输入端加电信号时，发光器发光，受光器接受光线后开始导通，产生光电流从输出端输出。PC817改变了以往普通光电耦合器只能传输数字信号的弱点。它能够传输连续变化的电流信号或模拟电压，这样，随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，改变光敏晶体管的导通程度，输出的电压或电流也不同。 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UC3844的工作。在电路中，PC817光电耦合器不但可以起到反馈作用，而且可以起到隔离作用。 1 阳极 2 阴极13 3 发射极 4 集电极 24 图2-2 PC817内部框图 2.2.2 TL431 TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压可以任意地设为从2.5V到36V范围内的任何值，只用两个电阻就可以办到。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中，我们可以用它代替齐纳二极管，例如，可调压电源、数字电压表、运放电路、开关电源等等。 TL431的功能如图2-4。由图可看出，V是内部的2.5V基准源，接在运放的反相输I 入端。由运放特性可知，只有当REF端的电压十分接近V时，三极管中才会有一个稳定I 的电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管，电流会从1-100mA逐渐变化。 CATHODE REF+ -- VI(ref) ANODE 图2-4 TL431的功能模块示意图 18 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 在开关电源的设计中，经过TL431反馈，使得电流输出并将误差放大，TL431的沉流端驱动一个光耦的发光部分，这时反馈电压由处在电源高压主边的光耦感光部分得到。反馈电压可以用来调整一个电流模式的PWM控制器的开关时间，得到一个稳定的直流电压输出。 由于TL431的内部含有2.5V基准电压，在REF端引入输出反馈时，器件可以由一个很宽范围的分流来控制输出电压。当R1和R2的阻值确定时，两者对Vo分压，并且引入反馈，Vo 增大导致反馈量增大。TL431的分流增加，导致Vo逐渐下降，如图2-5的电路: R4V0 R3R1 TL431 R2 图2-5 TL431的典型应用 选择不同的R1和R2的值可以调整从2.5V到36V范围内的电压输出，有一种特殊情况，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，那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 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设计采用MOS 管，MOS 管具有输入阻抗高、高耐压、通态电阻 19 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 小、开关速度快、成本低廉等优点，是一种有广大发展前途的新型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Rds 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 变压器在开关电源设计中占有很重要的部分，它严重影响着电源的效率、工作能力和输出功能。在设计时，我们不仅要考虑工作中频率、输入和输出电压、主电路的形式、转换功率容量，还要考虑绕组绕制的方式、空间大小、散热方式、工作环境、铁芯材料和形状和成本等多种方面的因素。在设计单端反激式变换电路的变压器时，我们要注意到它也可以有电抗器的功能，所以要根据实际情况来设计。 MOSFETGND 图2-6 开关电源的变压器部分 如图2-6，MOSFET功率开关管因为PWM脉冲激励开始导通，变压器的原边绕组上开始流入直流输入电压，变压器次级绕组上感应出的电压使整流二极管阻断，此时电源能量以磁能形式存储在电感里;当MOSFET开关管截止时，原边绕组两端电压反向开始给 20 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 原边绕组回路施加电压，副边绕组上的电压极性随之颠倒，这时候输出端的整流二极管 开通通，储存在变压器中的电压释放给负载电路，完成电流的输出。 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 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 2Po ,IP,UDImmaxin 2P2，32.20I,,,0.54A p,UImin,Dmax0.85，350，0.4Is , 1.3Ip,0.7A 在一次绕组上储存的电能为 21 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 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,0.151M 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 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: 22 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 ,,,,,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= 0.8142 Ae cm 此通报和密度B=21.9T 带入数据得到 23 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 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Ns和二次绕组的匝数 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 式中 ——绕组N(或N)两端的电压; U23o ——输出整流二极管的正向压降。 UF 自馈绕组N回路中的整流管VD，其?1V。绕组两端的有效值电压为20V时，经U21F 整流滤波后可获得大约16V的直流电源，开始向UC3844供电。 53，，，，20，1，1-0.4N,,4.77匝 s350，0.4 实际取5匝。 二次绕组N回路中可以使用肖特基整流二极管，U?0.4V，U=5V，故 3o 535，0.4，1-0.4，，，， N,,1.22匝3350，0.4 鉴于当输出电流I达到5A时，在输出电阻及绕组的铜阻上均会产生压降，会果断o 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=2匝，用2股1.0mm,3O 3高强度漆包线并联后绕制而成。 U=15V时， o 53(15，1)，(1,0.4) N,,3.6匝4350，0.4 实际取4匝。 U=24V时， o 53(24，1)，(1,0.4)N,,5.67匝 5350，0.4 实际去6匝 ,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 24 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 这里去B=500mT，把N1=53，Is=0.7A代入可得 ,,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。 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,,incsLK, 1c2Po 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 25 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 22INPNoo II，,,pcvcDDUcco 21PD,，，oc II，,pcvc2UD,inc 将上式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 电感电流的峰值和最小值与之比为 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 在反激变换器的工作过程中，容易引起开关应力变高，从而导致开关出现损耗的原因一般有两个:一个是负载线连接不合理，第二个是当MOSFET功率开关管关断时，漏电感引起开关管集电极电压骤然升高。抑制开关应力的办法有两种，即耗散过电压，和减小漏电感。 减小漏电感主要靠生产和制造工艺的手法;耗散过电压则依靠和电感线圈并联的RC D2缓冲电路，或与开关并联的RC缓冲电路。 +N1N2 T1CfRL C1UinC SDR - 图2-7 缓冲电路 26 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。由于高频变压器存在漏感而形成的尖峰电压，它对电路造成极大冲击，因为很容易损坏功率开关管。为此，在电路中加入RCD缓冲电路，用于吸收尖峰电压。 缓冲的电容要满足在开关管集电极电流降为0时，其集电极电压不能超过V的ceo70% ，即 I1p C,，,8nF20.7ceo 取10nF/400V 式中:Ip是原边电流; V是晶体管的V额定值(500V)。 ceoceo 按RC时间常数为0.5 toff(min)来计算电阻R值，即 2R=0.5toff(min)/C×10=12.5 kΩ 取15 kΩ 电阻消耗功率为: 1P, 25CVc f=2.79W 式中:Vc为整流后的直流电压350V; 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、误差放大器、降压器、PWM锁存器和适用于驱动功率管MOSFET的电流推挽输出电路等部件构成。UC3844的外部由驱动电路和控制电路所包围，用于对基于UC3844的电路进行控制和驱动。驱动电路，其实质是一个功率放大电路，从而满足负载额定功率使得负载可以正常工作，从而可以响应微弱的输入信号，所以对于不同的负载就需要不同的驱动电路，但实质是一样的，比如LED驱动电路，电机驱动电路，继电器驱动电路，扬声器驱动电路等。 27 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 Voc 27 1V1R5 6R4 UC3844C68 C5R1 3 R64 5R3 C4 图2-8 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，芯片的开启电压为16V，过压保护的电压上限是34V，欠压锁定电压为10V。用稳压二极管进行稳压，同时并联值为10uF的电解电容用于滤波。刚开始时由原边的主电路向芯片进行供电，等电路正常工作以后，开始由副边进行供电。原边主电路向其供电时需加限流电阻，考虑芯片的发热和散热水平条件，其值取为80kΩ/5W，在输出端与稳压管相连接处串入二极管，用于防止输出电压不稳定时，超高电压直接进入稳压二极管，致其烧坏。 脚4接振荡电路，产生所需要频率的锯齿波，工作频率为=1.8/CR，振荡电阻RTT1和电容C的值分别为120kΩ、250pF。脚1及脚2为UC3844内部电压比较器的输出端4 和输入端，它们之间接一个15 kΩ的电阻构成比例调节器。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6为芯片输出端，用限流电阻限流后负责驱动功率MOSFET，在脚6处并联一支15V的稳压二极管，用于保护功率MOSFET，。 开机时,交流电压首先经过EMI过滤干扰,再经过桥式整流和滤波,生成直流电压。然后经R2降压后，向UC3844提供+16V启动电压。C1为滤波电容,R1是限流电阻。电路进入正常工作状态后,电路中自馈线圈上的高频电压经过VD1、C3整流滤波,开始作为UC3844的电压进行工作。 C2储存的能量设计中要求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。所以初级绕组电容的放电时间一般要大于UC3844输出脉冲的高电平持 28 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 续时间。反之，电源将出现不平均的现象。所以，电容C2的容量和质量的选取非常重要。容量最好在100μF或者以上。 电路图如图: R1 N1C4 R12 C1 VD2 VD1 N0C2N2C3 V1 UC3844 图2-9 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，在电路中用于输入取样电流信号，由R3，Rf以及脚3组成。如图2-10，电流反馈信号从脚3引入，并且和脚1的电压误差信号进行比较，进而产生PWM波，由于电流比较器输入端设置了1V的基准值，当电路中电流过大而使电阻R3上的电压超过1 V(时，将关断PWM脉冲，若小于1V时，则保持PWM脉冲不变。 R3可以限制最大输出电流，因为峰值电流由电阻R3检测，这里上端采样电阻Rf取为2kΩ，下端电流检测电阻R3。滤波电容取为500pF/1.2V的电解电容，用来保护电路。 29 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 Voc 27 1V1R5 6R4 UC3844C68 C5R1 3 R64 5R3 C4 图2-10 UC3844电流反馈 2.7电压反馈电路设计 电压反馈电路采用三端可控基准源TL431反馈误差电压，放大误差电压，用来驱动PC817的发光二极管，然后反馈电压进入处在电源高压端的光耦副边三极管，再输入到UC3844的脚1脚2的误差放大器，进而调整MOSFET开关管的通断时间。 图2-11 由TL431及光耦组成的输出电压反馈电路 30 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 TL431的参考端和阳极间是稳定2.5V基准电压，它可以将取样电阻上的电压稳在2.5V。输出电压增大的话，经电阻分压后，得到的取样电压若大于2.5V，流过TL431的电流逐渐增强，其阴极电压下降，光耦原边二极管开始发光，使得开关管的导通时间逐渐减少，用这种方法降低了输出电压。 31 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 第3章 斜坡补偿 开关电源采用反激变换器拓扑结构，并按电流连续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。例如UC3842，它是一个与UC3844相同的电流控制型器件,它的最大缺点是当占空比D大于50%时,电路不能稳定工作,此时必须进行斜坡补偿。而UC3844的占空比最大为50%，所以一般情况下不需要进行斜坡补偿。本章节介绍了斜坡补偿的类型和原理，为与UC3844相似的同系列产品更换有一定作用。 3.1 斜率补偿的类型与补偿方程 (1)UC3844芯片采用峰值电流控制法,将实际的电感电流与电压外环设定的电流值分别接到PWM比较器的两端进行比较。在UC3844或者UC3842的误差放大器输出端，用一负斜率电压叠加上去，合成的参考电压在PWM比较，以此调节芯片的占空比，其最终目 而占空比大于50%的是稳定输出。当占空比小于50%时扰动电流引起的电流误差会较小，时扰动电流引起的电流误差会较大。因此，当尖峰电流模式占空比大于50%时,经过一个周期会将扰动信号扩大，导致电路工作不稳定。此时需要对比较器添加坡度补偿以稳定电路， 如图3-1所示。加了坡度补偿，即使占空比小于50%,电路性能也能得到改善。 图3-1 占空比大于50%斜率补偿示意图 32 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 dVref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: M,dt ,,,,NNNmmsss22 RIVtRMRT,，,,,,,,savsrefonss,,,,22NNNppp,,,, 若设上式 Nms2Rs,M N2p 差值为零，即 Nms2MR, sN2p 副边平均电流与无关。所以，在开关电源调节过程中均能保持平均电流不变， Itavson 使输出电压和电流稳定。 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%时对扰动任然具有收敛的作用，如上图，图中有可供比较的交点A、B、C。基准交点为A点，他表示了某一时刻占空比?50%时的电流连续模式下的开关切换。当干扰出现时，若按水平比较基准切换 ，交点将在B点，此时的远,I,I12 ,,,mm1远大于，得出，电流波形将会因扰动而发散，于是形成振荡。 ,I，，211 ,,I若此时引进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,所示，由此得出<，上面的分析得出即使在占空比?50%的情况下，扰动增益<1，,I21 电流波形可以保持稳定。 33 基于UC3844通用变频器辅助电源的研究设计 3.2 正斜率补偿及其补偿电路 若采用不改变误差放大器的输出电压，在电流采样信号上叠加一个正斜率为M的补偿信号的办法，也可以对电路进行补偿，而且操作非常简单。以A为顶点的电流波形为参照波形，我们可以看出，图形为发散的。如果在采样输人信号,,,,,,mmII12121 I上叠加正斜率的补偿信号，此时切换的交点移到C点，这样可保持所需要的电流，若p有扰动输入，比较器交点将上移至D点，开关管电流切换点将从D点下移至E点，B,I1 ,,I点是未加补偿的点，此时的<，则对电路进行了震荡的消除。 ,I21 图3-3 正斜率补偿的收敛效果 3.3 正斜率补偿的电路优化 如图3-4,采用正斜坡斜坡补偿方法。在 MOSFET的门极驱动输出端集成一RC网络。需要选合适的电阻R和电容C值，使恒流源电流对C充电，进而产生我们所需的斜率补l 偿信号。这种方法比较简单有效，原理科学，且其斜率和输入电压没有关系。 UC3844是一种高性能的固定频率电流型控制器，其最大占空比控制在了50%，基本上不需要斜坡补偿。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。 34 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 35 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。 36 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; [3]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; 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