电力电子课程设计资料样本.doc

1 综述
伴随电子技术发展，电子系统应用领域越来越广泛，电子设备种类也越来越多，对电源要求愈加灵活多样。电子设备小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统晶体管串联调整稳压电源，是连续控制线性稳压电源，这种传统稳压电源技术比较成熟。而且已经有大量集成化线性稳压电源模块，含有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等特点。但其通常全部需要体积大且粗笨工频变压器和隔离之用，滤波器体积和重量也很大。而调整管工作在线性放大状态，为了确保输出电压稳定，其集电极和发射极之间必需承受较大电压差，造成调整管功耗较大，电源效率很低，通常只有45%左右，另外，因为调整管上消耗较大功率，所以需要采取大功率调整管并装有体积很大散热器，于是它极难满足电子设备发展要求。从而促成了高效率、体积小、重量轻开关电源快速发展。 开关型稳压电源就是采取功率半导体器件作为开关，经过控制开关占空比调整输出电压。
1.1关键技术指标
1）交流输入电压AC220V±20％；
2）直流输出电压4～16V可调；
3）输出电流0～40A；
4）输出电压调整率≤1％；
5）纹波电压Up≤50mV；
6）显示和报警含有电流/电压显示功效及故障告警指示。

2 基础工作原理及原理框图
 220V交流电压经过EMI滤波及整流滤波后，得到约300V直流电压加到半桥变换器上，用脉宽调制电路产生双列脉冲信号去驱动功率MOS管，经过功率变压器耦合和隔离作用在次级得到准方波电压，经整流滤波反馈控制后可得到稳定直流输出电压。该电源原理框图图2-1所表示。

图2-1整体电源原理框图

3 各组成部分关键功效描述
3.1 交流EMI滤波及整流滤波电路
交流EMI滤波及整流滤波电路图3-1所表示。
图3-1交流EMI滤波及输入整流滤波电路
因为开关器件工作在高频通断状态，高频快速瞬变过程本身就是一电磁骚扰（EMD）源，它产生EMI信号有很宽频率范围，又有一定幅度。若把这种电源直接用于数字设备，则设备产生EMI信号会变得愈加强烈和复杂。电子设备电源线是电磁干扰（EMI）出入电子设备一个关键路径，在设备电源线入口处安装电网滤波器能够有效地切断这条电磁干扰传输路径，本电源滤波器由带有IEC插头电网滤波器和PCB电源滤波器组成。IEC插头电网滤波器关键是阻止来自电网干扰进入电源机箱。PCB电源滤波器关键是抑制功率开关转换时产生高频噪声。 交流输入220V时，整流采取桥式整流电路。假如将JTI跳线短连时，则适适用于110V交流输入电压。因为输入电压高，电容器容量大，所以在接通电网瞬间会产生很大浪涌冲击电流，通常浪涌电流值为稳态电流数十倍。这可能造成整流桥和输入保险丝损坏，也可能造成高频变压器磁芯饱和损坏功率器件，造成高压电解电容使用寿命降低等。所以在整流桥前加入由电阻R1和继电器K1组成输入软开启电路。
3.2 半桥式功率变换器
该电源采取半桥式变换电路，其工作频率50kHz，在初级一侧关键部分是Q4和Q5功率管及C34和C35电容器。Q4和Q5交替导通、截止，在高频变压器初级绕组N1两端产生一幅值为U1/2正负方波脉冲电压。能量经过变压器传输到输出端，Q4和Q5采取IRFP400功率MOS管。
3.3功率变压器
1）工作频率设定
工作频率对电源体积、重量及电路特征影响很大。工作频率高，输出滤波电感和电容体积减小，但开关损耗增高，热量增大，散热器体积加大。所以依据元器件及性价比等原因，将电源工作频率进行优化设计，本例为fs=50kHz；T=1/fs=1/50kHz=20μs。
2）磁芯选择
1 选择磁芯材料和磁芯结构 
选择R2KB铁氧体材料制成EE型铁氧体磁芯。其含有品种多，引线空间大，接线操作方便，价格廉价等优点。
2 确定工作磁感应强度Bm 
R2KB软磁铁氧体材料饱和磁感应强度Bs=0.47T，考虑到高温时Bs会下降，同时为预防合闸瞬间高频变压器饱和，选定Bm=1/3Bs=0.15T。
3 计算并确定磁芯型号
磁芯几何截面积S和磁芯窗口面积Q和输出功率Po存在一定函数关系。对于半桥变换器，当脉冲波形近似为方波时为
（3-1）
式中：η——效率；j——电流密度，通常取300～500；Kc——磁芯填充系数，对于铁氧体Kc=1； Ku——铜填充系数，Ku和导线线径及绕制工艺及绕组数量等相关，通常为0.1～0.5左右。
各参数单位是：Po—W，S—，Q—，Bm—T，fs—Hz，j—。取Po=640W，Ku=0.3，j=，η=0.8，Bm=0.15T，代入式3-1得SQ=4.558。
由厂家手册知，EE55磁芯S=3.54,Q=3.1042,则SQ=10.9，EE55磁芯SQ值大于计算值，选定该磁芯。
3）计算原副边绕组匝数
按输入电压最低及输出满载情况（此时占空比最大）来计算原副边绕组匝数，已知Umin=176V经整流滤波后直流输入电压Udmin=1.2×176=211.2V。对于半桥电路、功率变压器初级绕组上施加电压等于输入电压二分之一,即Upmin=Udmin/2=105.6V，设最大占定比Dmax=0.9，则
tonmax=×T×Dmax=9.0μs
Upmin×tonmax×=105.6×9.0××
代入公式得

次级匝数计算时取输出电压最大值Uomax=16V。次级电路采取全波整流，Us为次级绕组上感应电压，Uo为输出电压，Uf为整流二极管压降，取1V。Uz为滤波电感等线路压降，取0.3V，则
Us==19.22V
N2=×N1=1.8匝
为了便于变压器绕制，次级绕组取为2匝，则初级绕组校正为：N1=10匝。
4）选定导线线径
    在选择绕组导线线径时，要考虑导线集肤效应，通常要求导线线径小于两倍穿透深度，而穿透深度Δ由式（2）决定
（3-2）
式中：ω=2πfs；μ为导线磁导率，对于铜线相对磁导率μr=1，则μ=μ0×μr=4π×；γ为铜电导率，γ=58×。
    变压器工作频率50kHz，在此频率下铜导线穿透深度为Δ=0.2956，所以绕组线径必需是直径小于0.59铜线。另外考虑到铜线电流密度通常取3～6，故这里选择0.56漆包线8股并联绕制初级共10匝，次级选择厚0.15扁铜带绕制2匝。

3.4 辅助电源
辅助电源采取RCC变换器（RingingChokeConverter），见图3-2。其输入电压为交流220V整流滤波电压，输出直流电压为12.5V，输出直流电流为0.5A。电路中Q8和变压器初级绕组线圈N1和反馈绕组线圈N3组成自激振荡。R72为开启电阻。Q9、R77组成辅助电源初级过流保护。D20、C81、ZD1、Q11、R75、R76组成电压检测和稳压电路，控制Q8基极电流直流分量，从而保持输出电压恒定，变压器采取EE19、LP3材质组成。初级180匝，反馈绕组5.5匝，次级11匝，初级电感量是2.6mH，磁芯中间留有间隙0.4。

图3-2 辅助电源原理图
3.5 驱动电路    
驱动电路图3-3所表示。TL494输出50kHz脉冲信号，经过高频脉冲变压器耦合去驱动功率MOS管。

图3-3 驱动电路原理图
次级脉冲电压为正时，MOS管导通，在此期间Q7截止，由其组成泄放电路不工作。当次级脉冲电压为零时，则Q7导通，快速泄放MOS管栅级电荷，加速MOS管截止。R70是用于抑制驱动脉冲尖峰，R68、D15、R67能够加速驱动并预防驱动脉冲产生振荡。D17和和它相连脉冲变压器绕组共同组成去磁电路。

3.6 PWM控制电路
控制电路采取通用脉宽调制器TL494，含有通用性和成本低等优点，见图3-4。
图3-4 开关电源原理图
输出电压经R40、RV2、RV1、R41进行分压采样，经R5阻抗匹配后送到TL494脚1。RV1装在电源前面板上用于实现输出电压调整。R103和C14将输出电感L1前信号采样，经R5送到TL494脚1，用于提升电源稳定度，消除L1对环路稳定性影响。
3.7 风扇风速控制电路  
风扇风速控制电路见图3-5。利用二极管正向管压降随温度升高而呈下降趋势特征，将D9、D10做为散热器温度采样器件。
方法是将D9、D10两二极管紧靠在散热器上，当散热器随输出功率加大而温度升高时，运放N2A正相输入端电平降低，输出低电平使三极管Q3开始导通，风机上电压升高，转速升高，最终抵达最高转速。当负载较轻，使散热器温度低于50℃ 时，N2A输出高电平，Q3不导通，辅助电源12.5V经电阻R57降压给风机供电，风机处于低速、低噪声运行状态。此电路能够提升风机工作寿命，增加电路可靠性，亦可在小负载情况下，降低风机带来噪声。

图3-5 风扇风速控制电路
3.8 过流保护电路
为增强电源可靠性，此电源采取初、次级两级过流保护。初级采取电流互感器CT1检测初级变压器电流，检测出电流信号经R60转为电压信号后，再经D2～D4，C9整流滤波后，经过电位器RV3分压，反相器N3反相后加在Q1管基极。当初级电流超出正常时，反相器反转，Q1管导通，将VREF=5V高电平加在TL494脚4上（脚4为TL494死区控制脚、高电平关断），TL494关断。
输出直流总线上过流保护，采取R45～R56电阻做为采样电阻，当输出电流增加时脚15电平变低，当输出电流大于40A105％时，TL494内部运放动作，脚3电平升高，限制输出脉宽增加，电源处于限流状态

4 结语
交流电压经过EMI滤波及整流滤波后，得到约直流电压加到半桥变换器上，用脉宽调制电路产生双列脉冲信号去驱动功率MOS管，经过功率变压器耦合和隔离作用在次级得到准方波电压，经整流滤波反馈控制后可得到稳定直流输出电压。这是该开关电源基础工作原理。经过风扇风速控制电路来控制工作温度和PWM控制电路应用能够提升电源稳定度。所以该开关稳压电源含有可靠性高、成本低优点，其效率≥85％，纹波优于30mV，因为时间仓促，有些地方难免有不足和疏漏之处，请指导老师加以指点方便深入提升和改善。

参考文件
[1] 叶治政,叶靖国.开关稳压电源[M].北京：高等教育出版社.1998.
[2] 何希才.新型开关电源及其应用[M].北京：人民邮电出版社.1996.
[3] 黄永定.电子试验综合实训教程[M].北京：机械工业出版社，.
[4] 毕满清.电子技术试验和课程设计[M].北京：机械工业出版社，.