【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)Symbol符號(hào)Rating 數(shù)值Unit 單位輸入側(cè)Forward current 正向電流 IF50mAPeak forward current 峰值正向電流IFM1AReverse voltage 反向電壓VR6VPower dissipation 功耗 P70mW輸出側(cè)Collectoremitter voltage 集電極發(fā)射極電壓V CEO35VEmittercollector voltage 發(fā)射極集電極電壓V ECO6VCollector current 集電極電流IC50mACollector power dissipation 集電極功耗PC150mWTotal power dissipation 總功耗P tot200mWIsolation voltage 隔離電壓V iso5 000VrmsOperating temperature 操作溫度T opr30 to + 100℃Storage temperature 存儲(chǔ)溫度T stg55 to + 125℃Soldering temperature 焊接溫度T sol260℃　高頻變壓器變壓器是一種通過磁耦合而傳遞能量的器件，通常包括磁芯和繞組兩部分。常見的變壓器是由多個(gè)繞組組成，能量輸入端相連的繞組稱為原邊繞組，與負(fù)載相連的繞組稱為副邊繞組。變壓器通常用于交流電的變壓、變流、變阻抗。簡單的變壓器結(jié)構(gòu)如圖35所示。圖35 變壓器結(jié)構(gòu)其實(shí)兩個(gè)相互靠近的螺旋線圈也可稱為是變壓器，但是由于空氣的到此率太低，磁場的相互耦合很弱，幾乎不能用于傳遞能量。而各種材料的磁芯的作用就是為了加強(qiáng)繞組之間的磁耦合，使得能量能夠有效傳遞。變壓器的工作機(jī)理其實(shí)很復(fù)雜，線圈之間的耦合存在自偶、互偶，線圈存在銅損，磁芯存在磁損，并且在磁場能量傳遞過程中還存在磁場泄漏，也就是漏磁現(xiàn)象，所以如果仔細(xì)討論，變壓器的設(shè)計(jì)過程將非常復(fù)雜。所以有時(shí)候會(huì)簡化變壓器的參數(shù)，將一些不是特別重要的參數(shù)先略去，有時(shí)候甚至要用理想變壓器去替代。這里我們就用理想變壓器闡述變壓器原理，所以這里略去漏磁通，原、副線圈的電阻，磁芯的損耗，空載電流等。變壓器是利用電磁感應(yīng)原理制成的靜止用電器。當(dāng)變壓器的原邊有交變的電流時(shí)，會(huì)在磁芯中感應(yīng)出交變的電磁場，這時(shí)磁芯中的磁通為φ，φ=φmsinωt。電磁場通過整個(gè)磁芯，所以會(huì)穿過副邊繞組，所以原副邊中的磁通是相同的。交變的磁場會(huì)感應(yīng)出交變的電流，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。原副邊中的感應(yīng)電動(dòng)勢為e1=N1dφ/dt、e2=N2dφ/dt。式中NN2為原副邊的匝數(shù)。由圖可知U1=e1，U2=e2，其復(fù)有效值為U1=E1=jN1ωΦ、U2=E2=jN2ωΦ，令k=N1/N2，稱變壓器的變比。由上式可得U1/ U2=N1/N2=k，即變壓器原副邊電壓有效值之比，等于其匝數(shù)比而且原、副線圈電壓的位相差為。由此可以得到：U1/U2=N1/N2在空載電流可以忽略的情況下，有I1/ I2=N2/N1，即原副邊電流有效值大小與其匝數(shù)成反比，且相位差。因此：I1/ I2=N2/N1理想變壓器原、副線圈的功率相等P1=P2。說明理想變壓器本身無功率損耗。實(shí)際變壓器總存在損耗，其效率為η=P2/P1。電力變壓器的效率很高，可達(dá)90%以上。第4章 　硬件電路設(shè)計(jì) 推挽電路原理及設(shè)計(jì)圖41是橋式整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源工作原理圖。橋式整流電路由DDDD4組成，C為儲(chǔ)能濾波電容，R為負(fù)載電阻，Uo為直流輸出電壓，Io為流過負(fù)載電阻的電流。圖41橋式整流推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)推挽電路的變壓器原邊是由兩個(gè)低邊驅(qū)動(dòng)的開關(guān)管對電壓器原邊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)開關(guān)波形相差180度，占空比相同。K1導(dǎo)通時(shí)，繞組N1的同名端被施加電壓，電壓值等于輸入電壓Ui，此時(shí)由于電磁感應(yīng)的原理，在繞組N2和N3上都會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢。繞組N2上因?yàn)镵2關(guān)閉，不能形成回路，所以繞組N2能夠產(chǎn)生感應(yīng)電壓，但是不會(huì)輸出電流。而副邊繞組N3上同名端也感應(yīng)出電動(dòng)勢e3，通過D2和D4給電容C和負(fù)載R供電，因此產(chǎn)生了能量的輸出，能量從原邊輸入電壓傳遞到了副邊負(fù)載輸出。同理，當(dāng)K2導(dǎo)通時(shí)，繞組N2的異名端被施加電壓，電壓值等于輸入電壓Ui，此時(shí)在繞組N1和N3上都會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢。繞組N1上因?yàn)镵1關(guān)閉，不能形成回路，所以繞組N1能夠產(chǎn)生感應(yīng)電壓，但是不會(huì)輸出電流。而副邊繞組N3上異名端也感應(yīng)出電動(dòng)勢e3，通過D1和D3給電容C和負(fù)載R供電，因此產(chǎn)生了能量的輸出，能量從原邊輸入電壓傳遞到了副邊負(fù)載輸出。由于輸出存在大電容，所以輸出電壓基本穩(wěn)定，所以在變壓器副邊電壓被鉗位在某一電壓，原邊繞組和副邊繞組的電壓之比等于繞組匝數(shù)之比。圖42 各主要工作點(diǎn)電壓、電流波形如圖42是橋式整流輸出或全波整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源，在兩個(gè)控制開關(guān)K1和K2交替接通和斷開，各主要工作點(diǎn)的電壓、電流波形。圖a和圖b分別表示開關(guān)管K1導(dǎo)通時(shí)，變壓器原邊繞組N1兩端的電壓u1和流過變壓器原邊繞組N1兩端的電流I1；圖c和圖d分別表示開關(guān)管K2導(dǎo)通時(shí)，變壓器原邊繞組N2兩端的電壓u2和流過變壓器原邊繞組N2兩端的電流I2；圖e和圖f分別表示開關(guān)管K1和K2交替導(dǎo)通時(shí)，變壓器副邊繞組N3兩端的輸出電壓uo和流過變壓器副邊繞組N3兩端的電流。圖f中，虛線箭頭表示反激式輸出電流是由最大值開始，然后逐漸減小到最小值；而實(shí)線箭頭表示正激式輸出電流則是由最小值開始，然后逐漸增加到最大值；因此，兩者同時(shí)作用的結(jié)果，正好輸出一個(gè)矩形波。圖43 帶LC濾波器推挽電路圖43是本設(shè)計(jì)使用的帶LC濾波器的推挽式變壓器開關(guān)電源電路。在原有的推挽式變壓器開關(guān)電源電路的基礎(chǔ)上，在整流輸出電路后面加接了一個(gè)LC儲(chǔ)能濾波電路。LC儲(chǔ)能濾波電路可以使得推挽電路的輸出電壓可調(diào)整，輸出電壓紋波和電流紋波更小。LC濾波器實(shí)際上是一個(gè)低通濾波器，其參數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮到LC濾波器的截止頻率。通常應(yīng)該選擇LC濾波器的截止頻率至少要小于開關(guān)頻率的1/10，這樣濾波效果較好。本設(shè)計(jì)為了輸出穩(wěn)定的直流電壓，將截止頻率設(shè)置為1KHz，所以 (41) (42)在電容標(biāo)稱值中選擇容量為470uF的電解電容，代入上式可計(jì)算得電感大小 (43)所以電感量至少要大于54uH。CR4和CR5構(gòu)成開關(guān)管Q1和Q2的RC吸收電路。RC吸收電路能夠吸收開關(guān)管關(guān)斷是產(chǎn)生的高頻尖峰。RC參數(shù)的確定通常是保證RC共振頻率處于開關(guān)頻率的3~4倍比較適宜。也就是需要RC時(shí)間常數(shù)在1/3~1/4的開關(guān)周期。本設(shè)計(jì)中的開關(guān)頻率為69KHz。選擇RC時(shí)間常數(shù)為1/4開關(guān)周期。選定電容為標(biāo)稱值為10nF的瓷片電容，那么此時(shí)計(jì)算可得電阻R=362歐。 SG3525控制電路設(shè)計(jì)圖44 SG3525控制電路如圖44所示的SG3525控制電路，Rt設(shè)計(jì)為2K，Rd設(shè)計(jì)為47歐，可以由式(31)得到 (44)所以兩個(gè)PWM信號(hào)的頻率為69kHz。死區(qū)時(shí)間為： (45)軟啟動(dòng)電容選取1uF，反饋網(wǎng)絡(luò)通過CMP引腳直接反饋，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在前級TL431和PC817構(gòu)成的反饋電路中。7引腳為芯片內(nèi)部振蕩器放電端，該引腳與5引腳間連接一個(gè)電阻，這樣就可以控制丁是電容上的放電斜率，放電斜率可以用來控制PWM信號(hào)的死區(qū)時(shí)間，所以通過計(jì)算，合理地在5引腳和7引腳之間接入一個(gè)阻值合適的電阻，可以最終實(shí)現(xiàn)對死區(qū)時(shí)間的設(shè)置，如果要求得到最大占空比調(diào)節(jié)范圍，則應(yīng)該將5引腳和7引腳短接，此次設(shè)計(jì)中通過計(jì)算Rd的值為47歐。10引腳為芯片關(guān)斷控制端，高電平有效?？梢栽谂c外部的保護(hù)電路輸出或者控制器的控制信號(hào)相連，當(dāng)輸入高電平時(shí)，芯片的PWM比較器將被鎖定輸出，保護(hù)功率器件。 TL431和PC817反饋電路設(shè)計(jì)圖45 TL431和PC817反饋電路如圖45為TL431和PC817反饋電路。從TL431的技術(shù)參數(shù)知，~37V變化時(shí)，Ika可以在從1mA到100mA以內(nèi)很大范圍里變化，一般選20mA即可，可以穩(wěn)定工作。確定了上面幾個(gè)關(guān)系后，那幾個(gè)電阻的值就好確定了。根據(jù)TL431的性能，R1R1VOUT、Vref有固定的關(guān)系： (46)式中，VOUT為輸出電壓360V，Vref為參考電壓，Vref＝。 R15的取值不是任意取的，要考慮兩個(gè)因素：(1) 431參考輸入端的電流，一般此電流為2uA左右，為了避免此端電流影響分壓比和避免噪音的影響，一般取流過電阻R15的電流為參考段電流的100倍以上。 (2)待機(jī)功耗的要求，如有此要求。本設(shè)計(jì)中R15＝，所以R13=。再來確定R11和R12。PC817的If取20mA，則R11的值約為18K，TL431要求至少有1mA的工作電流，也就是R11的電流接近于零時(shí)，也要保證TL431有1mA，所以R12=360V/1mA=360K即可，這里取值300K。 高頻變壓器設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的高頻變壓器預(yù)設(shè)變壓器效率η=，開關(guān)頻率fs=69kHz，最大占空比Dmax=，輸入電壓10~35V，輸出電壓360V，額定功率500W。采用面積乘積AP法來設(shè)計(jì)變壓器，采用如下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)：(1)計(jì)算變壓器的視在功率PT在電工技術(shù)中，將單口網(wǎng)絡(luò)端鈕電壓和電流有效值的乘積，稱為視在功率（apparent power），記為S=UI。由于網(wǎng)絡(luò)中既存在電阻這樣的耗能元件，又存在電感、電容這樣的儲(chǔ)能元件，所以，外電路必須提供其正常工作所需的功率，即平均功率或有功功率，同時(shí)應(yīng)有一部分能量被貯存在電感、電容等元件中。這就是視在功率大于平均功率的原因。只有這樣網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備才能正常工作。若按平均功率給網(wǎng)絡(luò)提供電能是不能保證其正常工作的。因此，在實(shí)際中，通常是用額定電壓和額定電流來設(shè)計(jì)和使用用電設(shè)備的，用視在功率來標(biāo)示它的容量。 (47)(2)初步暫定磁心材料為MXO2000型，其飽和磁通密度Bs=，為防止出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象而損壞功率開關(guān)管，暫取磁通密度Bw=。確定磁心截面積AP，根據(jù)AP值選擇磁心尺寸。公式如下 (48)PT變壓器的視在功率Ae磁心有效截面積Aw磁心窗口面積Ko磁心窗口利用系數(shù)，Kf波形系數(shù)，方波為4，Bw磁心的工作磁通密度fs開關(guān)工作頻率Kj電流密度系數(shù)，取433A/cm178。X磁芯結(jié)構(gòu)系數(shù)將數(shù)據(jù)帶入公式得AP=通過查找磁心的尺寸規(guī)格表可以看出，EE42型磁心AP=，故選用EE42型磁心。其Ae=178mm178。，Wa=258mm178。(3)計(jì)算原副邊電感量及匝數(shù) ①計(jì)算原邊繞組匝數(shù)的公式如下（中心抽頭至兩端） (49)其中UImin=10V，代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得到Np=,取整2匝。 ②計(jì)算匝比n (410) ③計(jì)算原邊峰值電流Ip設(shè)定電路工作在連續(xù)模式， (411) ④計(jì)算原邊電感Lp連續(xù)模式： (412)代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得，Lp= ⑤計(jì)算副邊電感Ls (413) ⑥計(jì)算副邊匝數(shù)NsNs=Np/n=78匝計(jì)算空氣隙的長度為了避免磁心飽和，需要在磁心的兩個(gè)側(cè)面各留出一定的氣隙δ。δ計(jì)算公式如下 (414)(4)根據(jù)電流密度和原副邊有效值電流求線徑 ①原邊線徑原邊有效電流 ： (415)計(jì)算線徑 電流密度J取4A/mm178。原邊線徑 ： (416)為減小集膚效應(yīng)的損耗，54股繞制。 ②副邊線徑 (417)為減小集膚效應(yīng)的損耗，2股繞制。最終設(shè)計(jì)出的總電路圖見附錄B。第5章 saber仿真驗(yàn)證 仿真軟件介紹Saber仿真軟件是一款混合信號(hào)仿真軟件，是由美國Synopsys公司研發(fā)，號(hào)稱世界上最為先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真軟件。其強(qiáng)大的功能，多領(lǐng)域，多應(yīng)用平臺(tái)的仿真能力，使之得到了各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)工程師的認(rèn)可。廣泛應(yīng)用于電力電子、機(jī)械自動(dòng)化、光電信息、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，仿真精度高，分析信息全面，是一款不可多得的EDA軟件。其主要應(yīng)用領(lǐng)域：(1)電源變換器設(shè)計(jì)Saber最常見于電力電子仿真設(shè)計(jì)中，可以用于對DC/DC變換技術(shù)、DC/AC變換技術(shù)、AC/DC變換技術(shù)等，可以實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真驗(yàn)證，環(huán)路穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，磁性元件仿真分析等。還可以從仿真結(jié)果中得到電路各個(gè)部分的電流、電壓、功率、溫升等數(shù)據(jù)。(2)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)Saber軟件中集成了多種電機(jī)模型，同時(shí)還包括一些機(jī)械連接和液壓模型等，可以方便地構(gòu)成電機(jī)伺服系統(tǒng)。使用者可以在仿真電路中設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、調(diào)速、控制環(huán)路等，方便地分析電機(jī)驅(qū)動(dòng)等功率部件的工作狀態(tài)，包括電壓、電流、發(fā)熱情況等，有效節(jié)約伺服系統(tǒng)調(diào)試成本和調(diào)試時(shí)間。(3)電路仿真和大多數(shù)EDA軟件一樣，Saber也具有模擬電路和數(shù)字電路等電路的仿真分析。Saber所提供的器件模型涵蓋很廣，模型可以自建和修改，方便設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際情況對器件參數(shù)進(jìn)行修改，達(dá)到更加逼真的仿真效果。每個(gè)器件的參數(shù)完備，可以