电力电子课程设计.docx

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电力电子课程设计

等级:

湖南工程大学

课程设计

课程名称电力电子技术

课题名称UC3875脉宽调制高频

开关稳压电源设计

专业自动化

班级

学号

姓名

指导教师赵葵银唐勇奇

2013年12月16日

湖南工程大学

课程设计任务书

课程名称电力电子技术

课题UC3875脉宽调制高频

开关稳压电源设计

专业班级自动化

学生姓名

学号

指导老师赵葵银

审批

任务书下达日期2013年12月16日

任务完成日期2013年12月27日

设计内容与设计要求

一．设计内容：

1．电路功能：

1）电网工频交流先整流为固定直流，通过功率变换（高频逆变）得到20~50KHz的高频交流，再经高频整流与滤波，得到所需的直流；

2）电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：

工频整流滤波、功率变换（高频逆变）、高频整流滤波。

控制电路主要环节：

脉冲发生电路、脉宽调制PWM、电压电流检测单元、驱动电路。

3）功率变换电路中的高频开关器件采用IGBT或MOSFET。

4）系统具有完善的保护

2.系统总体方案确定

3.主电路设计与分析

1）确定主电路方案

2）主电路元器件的计算及选型

3）主电路保护环节设计

4.控制电路设计与分析

1）检测电路设计

2）功能单元电路设计

3）触发电路设计

4）控制电路参数确定

二．设计要求：

1．用UC3875产生脉冲

2．设计思路清晰，给出整体设计框图；

3．单元电路设计，给出具体设计思路和电路；

4．分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。

5．绘制总电路图

6．写出设计报告；

主要设计条件

1．设计依据主要参数

1）输入输出电压：

单相（AC）220（1+15%）、12V（DC）

2）输出电流：

10A

3）电压调整率：

≤1%

4）负载调整率：

≤1%

5）效率：

≥0.8

6）功率因数：

≥0.8

2.可提供实验与仿真条件

说明书格式

1．课程设计封面；

2．任务书；

3．说明书目录；

4．设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；

5．单元电路设计（各单元电路图）；

6．故障分析与电路改进、实验及仿真等。

7．总结与体会；

8．附录（完整的总电路图）；

9．参考文献；

11、课程设计成绩评分表

进度安排

第一周星期一:

课题内容介绍和查找资料；

星期二:

总体电路方案确定

星期三:

主电路设计

星期四:

控制电路设计

星期五:

控制电路设计；

第二周星期一:

控制电路设计

星期二：

电路原理及波形分析、实验调试及仿真等

星期四~五:

写设计报告，打印相关图纸；

星期五下午:

答辩及资料整理

参考文献

1．刘晓琴电力电子元器件选用一本通化学工业出版社，2013.

2．黄诗萱电力电子实用技术.中国电力出版社，2010.

3．浣喜明，姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2000.

4．任国海．电力电子技术应用（第3版）．浙江大学出版社，2009.

5．刘祖润胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995.

6.王兆安，黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000.

7.石玉，栗书贤．电力电子技术题例与电路设计指导．机械工业出版社，1998.

目录

第1章概述

1.1高频开关电源的发展趋势

1.2高频开关稳压电源的结构框图

1.3高频开关稳压电源的工作原理

1.4高频开关稳压电源的工作原理

第2章主电路的设计方案

2.1整流电路的设计

2.2高频逆变电路的设计

2.3高频全桥整流电路的设计

第3章控制电路的设计方案

3.1UC3875功能的概述

3.2UC3875脉冲触发电路的设计

3.3过压保护电路的设计

3.4驱动电路的设计

第4章电源性能的测试

4.1电压调整率的测试

4.2电压功率的测试

4.3电压负载调整率的测试

4.4电源效率的测试

第5章设计总结与体会

附录：

原理图

第1章总体设计

1.1高频开关电源的发展趋势

在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。

对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。

在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。

高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源（逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等）的核心技术。

随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。

在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。

为了极大发挥各种功率器件的特性,使器件性能对开关电源性能的影响减至最小,新型的电源电路拓扑和新型的控制技术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可大大的提高工作频率,提高开关电源工作效率,设计出性能优良的开关电源。

总而言之,电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。

开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。

开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。

还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。

1.2高频开关稳压电源的结构框图

本设计开关电源只要有主电路和控制电路两大部分组成。

主电路主要包括整流电路、逆变电路、高频整流电路。

控制电路有触发电路即PWM电路、过电压电流保护电路、MOSFET驱动电路组成。

主电路在整个电源当中发挥核心的作用，控制电路起控制作用，两者相互协调，共同工作。

整流电路采用二极管构成的桥式电路，直流侧采用了大电容的滤波，电路结构简单，工作可靠，效率也比较高。

高频逆变—变压器—高频整流电路是整个开关电源的核心部分，本电源采用的是隔离型直流—直流变流电路。

电源采用先整流滤波、后经高频逆变得到高频交流电压，然后由高频变压器降压、再整流滤波的办法。

采用的高频开关方式进行电能变换的电源称为开关电源。

控制电路是整个开关电源的一个重要的组成部分，本设计采用专用的移相控制芯片UC3875产生四路移相控制的PWM信号。

UC3875对电路的桥臂导通进行控制。

具体详细如图1—1所示。

控制

控制

图1-1开关稳压电源结构框图

1.3高频开关稳压电源工作原理

高频开关稳压电源是直流电设备中常用的AC-DC转换电源，它的作用是把公网上的220v交流电转换成适用可调电压的直流电源供用电设备使用。

公网上的工频交流电先整流滤波为固定直流，通过功率变换（高频逆变）得到20~50KHz的高频交流，然后再经高频整流与滤波，就得到所需的直流电。

工频整流滤波由桥式电路实现，功率变换由PWM控制芯片UC3875按周期控制IGBT的导通实现，高频整流与滤波由副边感应线圈、二极管和电容组成的LCD电路实现。

简而言之，通过交—直—交—直电路结构将220v50Hz的交流电转换成电压12v电流10A的直流电输出。

从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：

1、输入滤波器：

其作用是将电网存在的杂波过滤掉，同时也防止本机产生的杂波反馈到公共电网。

2、整流与滤波：

将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。

3、逆变：

将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。

4、输出整流与滤波：

根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

控制电路

一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的资料，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。

检测电路

除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表资料。

第2章主电路的设计方案

主电路包括不可控整流电路、高频电压逆变电路、高频全波整流电路。

2.1单相不可控整流电路的设计

本电路采用的是电容滤波的单相不可控整流电路。

在电压正半周过零点到第二次到零点期间，1、4二极管不导通，电容C向R放电，提供负载所需的电流，同时输出电压下降。

当电压再次到达零点之后，1、4二极管导通，交流电源向电容充电，同时向负载R供电。

就这样周期性的工作。

在电路稳态时电容在一个周期内吸收的能量和释放的能量相等，故电压平均值保持不变。

相应的一周期的电流的平均值也为0。

忽略电路的其它损耗，电感能够起到抑制电流冲击，起到感容滤波的效果。

这样可以电压的波形变得平直，电流上升段变得平缓起来。

电路如图2—1所示。

图2-1单相半控整流电路

图2—2稳定直流波形

2.2高频逆变电路的设计

半桥逆变电路由两个桥臂，每一个桥臂由一个可控器件和一个反相并联的二极管组成，在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的连接点和两个桥臂连接点之间。

开关器件的栅极信号各有半周正偏半周反偏，二者互补。

如图1—3所示，负载电流和电压反向，负载电感中储存的能量向直流反馈。

反馈回的能量暂时存储在直流侧电容器中，即直流电容器侧起到缓冲无功能量的作用。

电路中的二极管具有缓冲能量和续流的作用。

本电路还具有结构简单，所使用的元器件少的特点。

图2—3高频逆变电路

图2—4高频交流波形

2.3高频全桥整流电路的设计

高频全桥整流电路由四个IGBT组成的桥臂，互为对角的IGBT桥臂同时导通，流过电阻的电流电压的方向始终不发生变化。

在直流侧的输出端串联了一个平波的电抗器，用来减少电流的脉动和延迟晶闸管的导通时间。

电感足够大，保证电流连续。

电压的波形和电流的波形一样。

本设计同时也考虑到了变压器的直流磁化问题。

变压器正负半轴的电流方向相反，即平均值为零。

从而提高了变压器的利用率。

具体设计如图2—5所示。

图2—5高频全桥整流电路

图2—512V直流输出

第3章控制电路的设计方案

控制电路主要由UC3875脉冲触发电路、过压保护电路、驱动电路组成。

3.1UC3875功能的概述

UC3875控制芯片是美国UNITRODE公司针对移相控制方案推出的专用芯片。

1脚输出+5V基准电压，可作为内部或外部电路的其他元件的电源。

2脚作为电压反馈控制端，当引输出信号高到一定值时，由内部RS触发器及门电路作用使C输出与A输出反相，即A、C输出信号移相180度；同样，当引脚2输出信号低于1V时，通过内部RS触发器及门电路作用使C输出与A输出同相，即A、C输出信号移相0度。

可见通过控制引脚2端的输出可以控制A、C间相位在0~180度之间变化。

B、D的工作原理与A、C相似。

3脚作为误差放大器的反相输入端，通常利用分压电阻检测输出电源电压。

4脚作为误差放大器的同相输入端，和1脚基准电压相连，检测3脚的输出电源电压。

5脚作为电流检测端，其基准设置为内部固定2.5V（由分压），当电压超过2.5V时输出即被关断，软起动6脚复位，即可实现过流保护。

7脚和15脚作为输出延迟控制端，通过设置该脚对地之间的电流来设置死区，加在同一桥臂两管驱动脉冲之间，以实现零电压开通时的瞬态时间。

8、9、13、14脚作为输出端，可驱动MOSFET和变压器。

10脚作为电源电压端，为输出级提供所需电源。

11脚作为芯片供电电源，为芯片内部数字、模拟电路部分提供电源，内部有欠压锁定电路，其开启阈值为10.75V，关闭阈值为9.25V。

开启和关闭之间有1.5V的回差，可有效防止电路在阈值电压附近工作时的跳动。

16脚作为频率设置端，需外接电阻和电容来设置振荡频率。

17脚作为输出时，提供时钟信号；作为输入，提供同步点。

18脚作为陡度端，需外接一个电阻以产生斜波。

19脚作为斜波端，需外接电容到地。

20脚作为信号地，是所有电压的参考基准。

UC3875是专用的移相PWM控制器，能够产生四路PWM移相控制信号。

能够对两个半桥的相位进行移动控制，实现半桥恒功率级的横频PWM控制。

四个输出分别驱动两个半桥，并能单独进行延时调节。

确保下一个要导通开关的电容放电完毕。

也就是说开关两端的电压在这个时刻降为零。

从而实现零电压开通。

3.2UC3875脉冲触发电路的设计

FREQSET引脚决定了开关频率的大小，由接在该引脚的电阻和电容所决定。

死区时间的设置：

输出驱动信号和零开关延时时间由延时设定端子的电阻和电容所确定。

可以分别对A、B、C、D相进行控制。

使用MOSFET作为驱动管时延时时间在2-3微秒之间。

电阻取值100K,电容取值0.01uf。

通过下拉电阻来降低电位，电阻电容构成缓冲电路。

起到保护触发电路的作用。

另外还采用了独立电路供电，大电容旁路的设计。

并且两组电容在同一点接地。

UC3875的核心是相位调制器，其13脚B输出信号与14脚A输出信号反相，9脚C输出信号与8脚D输出信号反相，这四个驱动信号经扩流后由驱动变压器去驱动～MOS管。

相位控制的特点体现在UC3875的四个输出端具有相同的驱动脉冲分别驱动A／B、C／D两个半桥，通过移相错位控制有源时间，使全桥的四个开关轮流导通。

每个输出级导通前都有一个死区，而且可以调整死区时间。

在该死区时间内确保下一个功率开关器件的输出电容放电完毕，为即将导通的开关器件提供电压开通条件。

因此，每对输出级（A/B，C/D）的谐振开关作用时间，可以单独控制。

在全桥变换拓扑模式下，移相控制的优点得到最充分的体现。

UC3875在电压模式和电流模式下均可工作，并具有过电流关断以实现故障的快速保护。

图3—1UC3875脉冲触发电路设计

3.3保护电路的设计

本电源设计过压保护、过流保护及输出电流限制电路。

通过UC3875的或门电流检测引脚，使其电压高出2.5v时，导致芯片观点电流电压的输出。

通过分流电阻和二极管取到控制的作用。

来自线性光耦信号后，输出比较电压电流。

输入电压高于设定值时，运放输出高电平进行保护动作。

否则，输出低电平不执行保护动作。

因为采集的电流和电压值只是为保护提供一个参考值，因此对线性度要求不高，只要能够成正向的比例就行。

同时电源电压也提供了基准电源电压和整定过压保护值的装置。

同时还有保护动作的指示灯，和止逆动作的二极管来防止误操作。

RC和二极管吸收电路可以更加的增加精确性。

保护电路对于整个电路的正常工作都有着十分重要的作用，因此设计必须要合理科学才行。

LF来自运算放大器的输出信号，电阻主要取拉低电平的作用。

具体设计如图3—2所示。

图3—2过压保护电路设计

3.4驱动电路的设计

本电源采用的主功率管是MOSFET,是电压型驱动方式，驱动功率要求比较小。

采用脉冲变压器成功地将变压器驱动端和控制电路实现了隔离。

UC3875的驱动端具有2A的电流峰值，为防止UC3875因为功率太大而受到损坏，本设计采用达林顿晶体管组成输出电路组成输出电路来驱动脉冲变压器的原边。

肖特基二极管是为了防止电压低于地或高于电源电压而受到损坏。

齐纳稳压二极管是为了限制脉冲变压器的输出电压，防止功率管受到破坏。

使开关电源的频率和电压电流均达到要求。

如图所示。

图3—3驱动电路设计

第4章电源性能的测试方法

4.1电压调整率测试

变压器某一个绕组的空载电压和同一绕组在规定负载和功率因数时的电压之差与该绕组满载电压的比，称为电压调整率。

电压调整率表征稳压器稳压性能优劣的重要指标，是指在负载和温度恒定的条件下，输出电压的相对变化量与输入变化量的百分比。

变压器的电压调整率，是指一次电压保持不变（比如为额定值），在某一个负载性质（功率因数）某一个负载电流时，二次的空载电压U1与负载电压U2之差除以空载电压U1的百分数。

电压调整率的测试对于一个电源来说是十分有必要的。

公式表示为△U%=[（U1-U2）/U1]*100%。

4.2电源功率因数测试

在交流电路中，电压与电流之间的相位差（Φ）的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S功率因数的大小与电路的负荷性质有关，如白炽灯跑、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感性负载的电路功率因数都小于1。

功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。

功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。

功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。

cosφ=P/S;

cosφ=Z/R;

4.3电源负载调整率测试

电源负载的变化会引起电源输出的变化，负载增加，输出降低，相反负载减少，输出升高。

好的电源负载变化引起的输出变化减到最低，通常指标为3%--5%。

负载调整率是衡量电源好坏的指标。

好的电源输出接负载时电压降小。

这是稳压电源的一项重要指标，体现当负载电流变化时稳压电源的输出电压相应的变化情况，通常以输出电流从0变化到额定最大电流时，输出电压的变化量和输出电压的百分比值来表示。

负载调整率=（空载输出电压-满载输出电压）/（额定负载输出电压）。

4.4电源效率测试

电源效率是指电源的整机电能利用率，也就是电源从外部吸收功率与向负载输出功率两者之的比值。

这个数值和电源设计线路有密切的关系，高效率的电源可以提高电能的使用效率，在一定程度上可以降低电源的自身功耗和发热量。

通常在线式的电源效率一般能够达到90％以上。

如果需要增配大中容量的交流不间断供电设备，最好选用电源效率高的在线式电源。

而其他电源效率在80％左右。

谐波吸收装置可有效保护电源对电网络的不良影响。

第5章设计总结与体会

附录：

电源原理图

湖南工程大学

电气与信息工程学院课程设计评分表

项目

评价

优

良

中

及格

差

设计方案的合理性与创造性（10%）

开发板焊接及其调试完成情况*（10%）

硬件设计或软件编程完成情况（20%）

硬件测试或软件调试结果*（10%）

设计说明书质量（20%）

设计图纸质量（10%）

答辩汇报的条理性和独特见解（10%）

答辩中对所提问题的回答情况（10%）

完成任务情况（10%）

独立工作能力（10%）

出勤情况（10%）

综合评分

指导教师签名：

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日期：

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