中国石油大学电力电子课程设计 单端反激式开关电源设计

电力电子课程设计报告学院：信息与控制工程学院题目：单端反激式开关电源210/7V班级：电气12-4班学号：：设计日期：2015年7月6日- 2015年7月13日目录一、课程设计的目的 (3)二、课程设计的要求 (3)三、课程设计原理 (3)四、参数计算 (12)五、焊接及调试输出结果 (14)六、课程设计中出现的问题 (17)七、实验总结 (18)八、课程设计相关器件资料 (18)一、课程设计的目的1、熟悉Power MosFET的使用；2、熟悉磁性材料、磁性元件及其在电力电子电路中的应用；3、增强设计、制作和调试电力电子电路的能力。

二、课程设计的要求本课程设计要求根据所提供的元器件设计并制作一个小功率的反击式开关电源。

电源输入电压：210V电源输出电压电流：7V/1A电路板：万用板手焊。

三、课程设计原理1、引言电力电子技术有三大应用领域：电力传动、电力系统和电源。

在各种用电设备中，电源是核心部件之一，其性能影响着整台设备的性能。

电源可以分为线性电源和开关电源两大类。

线性电源是把直流电压变换为低于输入的直流电压，其工作原理是在输入与输出之间串联一个可变电阻（功率晶体管），让功率晶体管工作在线性模式，用线性器件控制其“阻值”的大小，实现稳定的输出，电路简单，但效率低。

通常用于低于10W的电路中。

通常使用的7805、7815等就属于线性电源。

开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小），所以开关电源具有能耗小、效率高、稳压围宽、体积小、重量轻等突出优点，在通讯设备、仪器仪表、数码影音、家用电器等电子产品中得到了广泛的应用。

反激式功率变换器是开关电源中的一种，是一种应用非常广泛的开关电源。

2、基本反激变换器工作原理基本反激变换器如图1所示。

假设变压器和其他元件均为理想元器件，稳态工作下。

基本反激变换器如图1所示。

假设变压器和其他元器件均为理想元器件，稳态工作下。

（1）当有源开关Q导通时，变压器原边电流增加，会产生上正下负的感应电动势，从而在副边产生下正上负的感应电动势，如图2(a)所示，无源开关VD1因反偏而截止，输出由电容C向负载提供能量，而原边则从电源吸收电能，储存于磁路中。

（2）当有源开关Q截止时，由于变压器磁路中的磁通不能突变，所以在原边会感应出上负下正的感应电动势，而在副边会感应出上正下负的感应电动势，故VD1正偏而导通，如图2(b)所示，此时磁路中的存储的能量转到副边，并经二极管VD1向负载供电，同时补充滤波电容C在前一阶段所损失的能量。

输出滤波电容除了在开关Q导通时给负载提供能量外，还用来限制输出电压上的开关频率纹波分量，使之远小于稳态的直流输出电压。

图1 反激变换器的原理图（a ） （b ）图2 反激变换器的两种工作状态反激变换器的工作过程大致可以看作是原边储能和副边放电两个阶段。

原边电流和副边电流在这两个阶段中分别起到励磁电流的作用。

如果在下一次M 导通之前，副边已经将磁路的储能放光，即副边电流为零，则称变压器运行于断续电流模式（DCM ），反之，则在副边还没有将磁路的储能放光，即在副边电流没有变为零之前，Q 又导通，则称变压器运行于连续电流模式（CCM ）。

通常反激变换器多设计为断续电流模式（DCM ）下。

当变换器工作在CCM 下时，输出与输入电压、电流之间的关系如下：g o MU U =，o g MI I =，其中)1(D N D M -=,s pN N N =。

当变换器工作在DCM 下时，上述关系仍然成立，只不过此时的增益变为：KD U U M ==g o ,22s m )1(R f 2D N L K -<= 可以看出，改变开关器件Q 的占空比和变压器的匝数比就可以改变输出电压。

3．反激变换器的吸收电路实际反激变换器会有各种寄生参数的存在，如变压器的漏感，开关管的源漏极电容。

所以基本反激变换器在实际应用中是不能可靠工作的，其原因是变压器漏感在开关Q 截止时，没有满意的去磁回路。

为了让反激变换器的工作变得可靠，就得外加一个漏感的去磁电路，但因漏感的能量一般很小，所以习惯上将这种去磁电路称为吸收电路，目的是将开关Q 的电压钳位到合理的数值。

在220V AC 输入的小功率开关电源中，常用的吸收电路主要有RCD 吸收电路和三绕组吸收电路。

其结构如图3(a)(b)所示。

图3 吸收电路4．反激变换器的系统结构反激式变换器的系统结构示意图如图4所示。

由图中可以看出，一个AC 输入DC 输出的反激式变换器主要由如下五部分构成：输入电路、变压器、控制电路、输出电路和吸收电路构成。

输入电路主要包括整流和滤波，将输入的正弦交流电压变成直流，而输出电路也是整流和滤波，是将变压器副边输出的方波电压单向输出，且减少输出电压的纹波。

吸收电路如图3所示。

所以，反激变换器的关键在于变压器和控制电路的设计。

这也是本次课程设计的重点。

图4 反击变换器的系统结构简图5．反激式变换器的变压器设计思路铁芯的选择本来是变压器设计的关键因素，因涉及到的容较多，而本次设计的时间又有限，所以本次设计采用的是EE28铁氧体铁芯，其相关的技术参数见附件一。

常用的铁氧体磁芯的起始磁导率为23000μ，25C ︒时的饱和磁感应强度为T B C 5.025_max =︒，100C ︒时的饱和磁感应强度为T B C 39.0100_max =︒。

变压器的关键数据有：原/副边线圈的匝数比、原边匝数、副边匝数和气隙，当然还有导线的粗细选择等，由于本课程设计的漆包线已确定，所以下面主要介绍变压器关键参数的设计思路。

（1）根据输入的最高直流电压和开关管Q 的耐压确定原/副边的匝数比由图2可以看出，开关管Q 两端所承受的最高的关断电压应为：)1(++=+=o s p g p g Q U N N U e U U ，其中1+o U 是考虑了整流二极管的导通压降，如果考虑到漏感引起的g 3.0U 的电压尖峰，则开关管两端所承受的最高的关断电压为：)1(3.1++=os p g Q U N N U U 一般来说，开关管的极限耐压需要在这个基础上仍留下至少30%的裕量。

假定开关管的耐压极限为Q U ,则））1（3.1（3.13.1o sp g ++⨯==U N N U U U Q Q ， )1(3.13.12p +-=og Q s U U U N N 。

这就求出了匝比的上限值，匝比只能比这个值小，不能比其大。

在这个值的基础上选择一个匝比。

就可以求出最大占空比，即最大导通时间。

为保证电路工作于DCM 模式，磁路储能和放电的总时间应控制在0.8T 以，所以)1()1(8.0)1()1()1(8.0)1(max 8.0)1()1({on ++-⨯+=⇒++-⨯+=⇒=++=-o sp g o s p o s p g o s p on T T T T U N N T U U N N U U N N D U N N U T U N N T r r o s p on g （2）原边匝数的计算根据磁芯，得到有效的导磁截面积e A ，则原边的匝数应保证在最大占空比时磁路仍不饱和。

电压冲量等于磁路中磁链的变化量，e p g A B N TD U max max =，所以，eg p A B T D U N max max = 匝，真正的原边匝数必须比这个值大，才可能让磁路不饱和。

通常取2倍的上述计算值。

（3）副边匝数的计算根据上面两步的结果，同理很容易求出副边匝数。

（4）气隙长度的计算在计算气隙长度之前，首先应计算原边的电感值。

假设变换器的输出功率为o P ，效率为η，则有如下关系成立：T P I L o Sp p η=221 其物理意义是，一个开关周期原边从电源吸收并存储的能量恰好等于系统的输出和损失的能量。

所以2p 2Sp o I T P L η=输入功率：T DT I U I U P Sp g a 211g o==η 则原边的峰值电流A D U P I g o Sp 4286.025.02108.01922=⨯⨯⨯⨯==η,代入上式中即可求出初级电感。

mp p p p L p R N N A N L /222p =Λ==，)(100g rFe e e g e Fe Fe mo mFe mp l l A A l A l R R R +=+=+=μμμμ 其中L A 为电感系数，mp R 为磁阻。

把磁路画出来，可以求出气隙长度。

如图5所示。

r Fe pe r Fe L e g l N L A l A A l μμμμ-=-=2p 00/图5 功率变压器磁路示意图6．控制系统设计反激式变换器的控制芯片主要有TOPSwitch 系列芯片、UC384X 系列芯片等，其中，应用比较多的是UC384X 系列芯片，属于高性能固定频率电流模式集成控制器，该集成芯片的特点是，具有振荡器，温度补偿的参考，高增益误差放大器、电流比较器和大电流图腾柱输出，可直接驱动功率MOSFET ，并能把占空比限制在50%。

其控制对象是控制流过功率开关管的峰值电流。

UC3845的控制原理示意图如图6 所示，它主要由以下四部分构成。

振荡器：振荡器频率由定时元件T R 和T C 决定（T T C R /8.1f ），振荡器输出固定频率的脉冲信号，注意：由于UC3845会每隔一个时钟周期关闭一次输出，所以振荡频率是开关频率的2倍。

开关频率通常取50KHz~100KHz 左右。

电压误差放大器：误差放大器的作用是放大参考电压与反馈电压的差，其输出电压经两个二极管并经电阻分压后作为电流参考。

在输入与输出隔离的开关电源中，为减少误差，通常采用外置电压环，即将UC3845 部的误差放大器旁路掉，由外部电压环的输出通过补偿输入引脚决定电流参考。

在后面给出的电压反馈电路设计中会有更详细的说明。

电流比较器：电流比较器的门槛值error V 由误差放大器的输出给定，当电压误差放大器显示输出电压太低时，电流门槛值就增大，使输出到负载的能量增加。

反之也一样。

触发器&锁存器脉宽调制：一方面，由振荡器输出的固定频率的脉冲信号给锁存器置位，开关管导通，电流SW I 线性增加，当电流检测电阻s R 上的电压达到电流比较器门槛值error V 时，电流比较器输出高电平，给锁存器复位，开关管关断，电流比较器的输出恢复低电平；另一方面，振荡器输出的脉冲信号同时输入触发器，使UC3845每隔一个时钟周期关闭一次输出，这是UC3845能把占空比限制在50%的原因，并决定了振荡频率是开关频率的2倍。

电流型控制的优点是本身具有过流保护功能，电流比较器实现对电流的逐周限制，属于一种恒功率过载保护方法，即维持供给负载的恒功率。