基于UC3844的多输出反激变换器的研究设计.doc

毕 业 设 计题 目： 基于UC3844的多输出反激变换器的研究设计 院： 电气信息学院 专业： 电气工程及其自动化 班级：1002学号： 学生姓名： 导师姓名： 李祥来 完成日期： 2014年5月26日 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： 年 月 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的多输出反激变换器的研究设计 姓名系别 电气信息学院 专业 电气工程及其自动化 班级 1002学号指导老师 李祥来 职称 助教 教研室主任 谢卫才 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23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的多输出反激变换器的研究设计摘要：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，变频器中的辅助电源是首先要解决的问题,其中运用UC3844的反激变换器的开关电源有着许多的优点。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。关键字：开关电源；UC3844；反激变换器 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 inverter 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 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:switching power ;UC3844;fly-back converter目 录摘要IABSTRACTII前言1第一章绪论21.1通用变频器的介绍21.2开关电源21.2.1变频器的辅助电源31.2.2基于UC3844的反激变换器的开关电源31.3课题来源41.4课题主要研究内容4第二章 主电路模块设计62.1 主电路拓扑62.2直流-直流变换器（直流输入开关电源）72.2.1反激变换器（反激式开关电源）72.2.2反激变换器的断续模式92.2.3反激变换器的连续模式92.2.4反激变换器的临界模式92.3PWM控制102.4 整流电路设计112.5滤波稳压电路的设计12第三章 器件介绍163.1 UC3844芯片的简介163.2二极管器件的选择183.2.1 电力二极管183.2.2 快恢复二极管203.3开关功率管的介绍和选择203.4变压器的介绍和设计213.4.1计算一次绕组参数223.4.2 计算磁芯参数223.4.3 计算变压器有效体积233.4.4 确定一次绕组匝数N1243.4.5 确定自馈绕组N2和二次绕组N3 的匝数243.4.6 计算空气气隙25第四章 控制电路的设计274.1 变压器的RCD箝位电路设计274.2 开关管缓冲电路的设计284.3 电压反馈电路294.4 电流反馈电路304.5 启动电路30总结33参考文献34致谢36附录37前言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。现有的电源主要由线性稳压电源和开关稳压电源两大类组成。线性稳压电源的优点是稳定性好、输出电压精度高、输出纹波电压小。不足之处是要求采用工频变压器和滤波器,其体积和重量都很大,并且调整管的功耗较大,散热难,使电源的效率大大降低,一般情况均不会超过50%。随着电力电子技术的不断发展开关电源也进入了一个快速发展的阶段，具体的发展趋势可以概括为以下几个方面：1.高频化，2.数字化，3.模块化，4.软开关技术，5.非隔离DC-DC技术，6.有源功率因数校正技术，在建设资源节约型和环境友好型社会的背景下，开关电源因为具有安全环保.高效节能和短小轻薄等优点，已经成为本学科一个主要的研究重点.电源是现代通讯，航空航天，生物技术，计算机和变频器等高科技领域内的动力支撑。电源产业正成为电子制造业的焦点。当今开关电源技术发展的四大趋势为：非隔离DC/DC计算迅速发展，开关电源吹响数字化号角，初级PWM控制不断优化，同步整流技术实现。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。本课题主电路部分为直流输入的滤波电路，反激变换器，UC3844芯片的控制系统，整流滤波稳压电路等的设计以及触发电路设计并对所用的器件进行了介绍。第一章 绪论1.1 通用变频器的介绍能够适用于所有负载的变频器，就是通用型变频器。电力电子器件的自关断化、模块化，变流电路开关模式的高频化和控制手段的全数字化促进了变频电源装置的小型化、多功能化、高性能化。尤其是控制手段的全数字化，利用了微型计算机的巨大的信息处理能力，其软件功能不断强化，使变频装置的灵活性和适应性不断增强。目前中小容量的一般用途的变频器已经实现了通用化。采用大功率自关断开关器件（GTO、BJT、IGBT）作为主开关器件的正弦脉宽调制式（SPWM）变频器，已成为通用变频器的主流。以开关电源为变频器的辅助电源的设计方案得到广泛的使用，所以对开关电源的设计也成为了变频器设计的重要部分。1.2 开关电源开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。电源是各种电子设备必不可少的组成部分,其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。开关电源的基本原理框图如下：图1.1 开关电源基本原理框图目前,常用的直流稳压电源分为线性电源和开关电源,由于开关电源在体积、重量、用铜用铁及能耗等方面都比线性电源有显著减少,而且对整机多项指标有良好影响,因此,广泛应用于邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等领域,正朝高功率密度、高变换效率、高可靠性、无污染的方向发展。所以,寻求高性能的开关电源是电力电子技术重要的研究内容。1.2.1 变频器的辅助电源变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。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。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，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。1.2.2 基于UC3844的反激变换器的开关电源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。在DC/DC变换器中由于反激变换器适用于升降范围宽，输入输出间需要电气隔离的场所，而且反激变换器具有可靠性高，电路拓扑结构简洁，输入输出电气隔离，升降范围宽，易于多输出等优点，因此反激变换器是中小功率开关电源理想的电路拓扑。根据变压器磁通的连续性将反激变换器分成电流连续模式（CCM）,电流临界模式和电流断续模式（DCM）三种工作模式。目前反激变换器的箝位电路主要有：有损RCD箝位电路，双二极管,双晶体管箝位电路，LCD箝位电路和有源箝位电路。基于UC3844的反激变换器的开关电源现在广泛应用于通用变频器的辅助电源设计中并取得了很好的效果，极大的缩小了变频器的总体体积，简化了主电路的设计从而降低了成本，发展前景广阔。1.3 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。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。1.4 课题主要研究内容 本论文的开关电源研究内容是：利用UC3844芯片设计一个通用变频器的内部辅助电源，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。设计完善的硬件电路元器件，有关参数计算及选型和完成样机制作并进行调试。要求：完成样机制作并进行调试，要求输出动态响应性能好，输出电压稳定设计的主要内容： 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。第二章 主电路模块设计2.1 主电路拓扑本课题的基于UC3844的多输出的反激变换器的开关电源的研究设计的主电路拓扑结构包括基于UC3844的PWM控制系统部分，反激变换器部分和整流滤波稳压电路设计部分。图2.1 主电路图2.2 直流-直流变换器（直流输入开关电源）现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。本课题中输入为350V-700V的直流电，而要求输出为多组的直流输出，本课题主要介绍直流开关电源。直流-直流变换器主要应用在可调的直流电源和电机驱动系统中，在直流电机驱动系统中一般不加隔离变压器，而开关模式的直流电源通常需要加入隔离变压器，直流开关电源通常需要满足下面的条件：1 但输入电压和负载变化时，输出电压必须能在容差范围内保持不变或者输出电压可调。2 输入与输出之间有电气隔离3 某些场合可能需要多路输出电压，有些场合要求各输出间也要电气隔离。除了交流输入的开关电源之外，很多开关电源的输入为直流，来自电池或者另一个开关电源的输出，这样的开关电源被称为直流-直流变换器。直流-直流变换器分为隔离型和非隔离型两类，隔离型多采用反激，正激，半桥等隔离型电路，而非隔离型采用buck,boost,buck-boost等电路。非隔离型的直流变换器输出电压往往较低，经常采用buck电路结构，但是采用的二极管为MOSFET，利用其低导通电阻的特点来降低电路中的通态损耗，器原理类似同步整流电流。输入交流电经二极管整流器整流成不可调的直流电压，在输入处用一个抑制电磁干扰的滤波器来避免电磁干扰，带电气隔离的直流-直流变换器把固定的直流电经过脉宽调制变换成高频脉冲电压，然后经过隔离变压器的副边的整流和滤波电路得到所需的直流电压，由PWM控制器驱动直流-直流变换器的开关管，再通过反馈控制的到要求的直流输出，反馈控制电路的电气隔离也可以通过变压器或者光电耦合器实现。2.2.1反激变换器（反激式开关电源）在DC/DC变换器中由于反激变换器适用于升降范围宽，输入输出间需要电气隔离的场所，而且反激变换器具有可靠性高，电路拓扑结构简洁，输入输出电气隔离，升降范围宽，易于多输出等优点，因此反激变换器是中小功率开关电源理想的电路拓扑。反激变换器是输出与输入隔离的最简单的变换器。输出滤波仅需要一个滤波电容，不需要体积、重量较大的电感，较低的成本。尤其在高压输出时，避免高压电感和高压续流二极管。反激变换器中隔离变压器起着电感和变压器的双重作用,变压器磁芯处于直流偏磁状态,为防止磁芯饱和,需要较大气隙,因此漏感较大,电感值相对较低。当功率开关关断时,由漏感储能引起的电流突变引起很高的关断电压尖峰,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功率开关电压、电流应力。目前反激变换器的箝位电路主要有：有损RCD箝位电路，双二极管,双晶体管箝位电路，LCD箝位电路和有源箝位电路。图2.2反激变换器电路拓扑图在开关S导通时间，输入电压Ui加在变压器T初级，同名端“*”相对异名端为负，次级二极管D反偏截止。初级电流线性上升（线性电感），变压器作为电感运行: 2.1即 2.2或 2.3当功率管关断时，变压器所有线圈感应电势“*”为正，次级二极管D正偏导通，磁芯磁通不能突变，磁势不变，满足以下关系，作为变压器运行： 2.4当i1下降到零，i2达到最大，然后将导通期间存储在磁场能量传输到负载，次级感应电势 2.5则次级电流线性下降 2.6单端反激式功率变换器就是电隔离的BUCK-BOOST功率变换器，其中变压器起着电感和变压器双重功效，根据变压器磁通的连续性将反激变换器分成电流连续模式（CCM）,电流临界模式和电流断续模式（DCM）三种工作模式。反激式变换器工作原理，当加到原边主功率开关管的激励脉冲为高电平使MOSFET、开关管导通时，整流后的直流电压加在原边绕组两端，此时因副边绕组相位是上负下正，使整流二极管反向偏置而截止，磁能就储存在高频变压器的原边电感线圈中；当驱动脉冲为低电平使MOSFET开关管截止时，原边绕组两端电压极性反向，使副边绕组相位变为上正下负，则整流二极管正向偏置而导通，此后储存在变压器中的磁能向负载传递释放2.2.2反激变换器的断续模式在功率开关S再次导通前，次级电流下降到零的工作模式称为断续模式.电路进入稳态，输出电压稳定U0。当功率开关导通（Ton) 时，次级二极管截止，有 2.7或 2.8在导通期间，初级存储的能量： 2.9稳态时，输入功率为： 2.10 2.11截止时，次级电流以斜率Uo/L2下降，在TR(L时才能获得较好的滤波效果。L愈大，滤波效果愈好。另外，由于滤波电感电动势的作用，可以使二极管的导通角接近，减小了二极管的冲击电流，平滑了流过二极管的电流，从而延长了整流二极管的寿命。无源滤波器：这种电路主要有无源元件R、L和C组成有源滤波器：集成运放和R、C组成，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。整流电路是将交流电变为直流电以供负载使用。直流稳压电源先通过整流电路把交流电变为脉动的直流电,再经各种滤波电路、稳压电路，使输出直流电压维持稳定.需要得到稳定的直流输出必须要进行稳压和滤波，滤波电路作用是尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。有源滤波电路的负载不影响滤波特性，因此常用于信号处理要求高的场合。有源滤波电路一般由RC网络和集成运放组成，因而必须在合适的直流电源供电的情况下才能使用，同时还可以进行放大。但电路的组成和设计也较复杂。有源滤波电路不适用于高电压大电流的场合，只适用于信号处理。图2.7 滤波稳压限流电路图根据滤波器的特点可知，它的电压放大倍数的幅频特性可以准确地描述该电路属于低通、高通、带通还是带阻滤波器，因而如果能定性分析出通带和阻带在哪一个频段，就可以确定滤波器的类型。识别滤波器的方法是：若信号频率趋于零时有确定的电压放大倍数，且信号频率趋于无穷大时电压放大倍数趋于零，则为低通滤波器；反之，若信号频率趋于无穷大时有确定的电压放大倍数，且信号频率趋于零时电压放大倍数趋于零，则为高通滤波器；若信号频率趋于零和无穷大时电压放大倍数均趋于零，则为带通滤波器；反之，若信号频率趋于零和无穷大时电压放大倍数具有相同的确定值，且在某一频率范围内电压放大倍数趋于零，则为带阻滤波器。进过整流之后，得到的是不稳定的直流输出，只有通过滤波稳压之后输出的稳恒直流电源才能用于正常的生产实践，在本课题中整流二极管流出的直流电波纹很大，需要在一布的进行滤波稳压，本课题中对直流输出的电流也有严格的要求，在输出波纹在+/-5%的范围内我们通过并联一个适当的稳压电容和限流电阻使得输出的电压和电流都符合课题内容要求。根据反激变换器的变压器的原边和副边的匝数比，PWM控制的控制信号频率可以得到整流二极管的整流输出电压电流。根据控制信号的频率和输出的要求波纹来求的滤波稳压电容的时间参数进而求得电容的大小。最后在根据要求的电流大小设计适当的限流电阻值。 第三章 器件介绍3.1 UC3844芯片的简介UC3844是美国UNITRODE公司生产的高性能电流型脉宽调制器(PWM)控制器。早期的PWM控制器是电压控制型的,常用的电压型PWM控制器有TL494、TL495、SG3524、SG3525等。电压型PWM是指控制器按反馈电压来调节输出脉宽,电流型PWM是指控制器按反馈电流来调节输出脉宽。电流型PWM是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。由于结构上有电压环、电流环双环系统,因此,无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高,是目前比较理想的新型PWM控制器。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、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。 图3.1 UC3844内部结构图3844的工作原理是:反馈电压和2.5基准电压之差,经误差放大器/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。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。反转触发器限制的占空比调节范围在050%之内。引脚2是电压反馈端,将取样电压加至/误差放大器的反相输入端,与同向输入端的2.5基准电压进行比较,产生误差电压。利用内部/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1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