【正文】 * source P2R_R1 N00013 N00020 120 R_R2 N00312 N00128 120 V_V1 N00013 0 +SIN 0 220 10kHZ 0 0 0Kn_K5 L_40uh L_10uh 1R_R3 0 N00128 100MEG L_L2 N00312 N00128 10uH 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 L_L1 N00020 0 40uH 變壓器仿真波形圖 主電路仿真400pD12D1N4148TX1K528T500_3C8C3 L21mHM2IRF9140C4R550D11D1N4148D10D1N4148C1OUTV2220VdcV3TD = 10nTF = 10PW = 50mPER = 100mV1 = 0TR = 10nV2 = 5R840R450R13k 主電路仿真原理圖，原理圖中各元器件的參數(shù)如下網(wǎng)表給出，：* source PROJECT1C_C2 N00142 N00142 400p C_C3 N00408 N002091 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 D_D10 0 N00418 D1N4148 R_R1 N02538 N00142 3k C_C1 N02538 N00142 D_D11 N00142 N02538 D1N4148 D_D12 N02731 N00418 D1N4148 V_V3 N02964 0 +PULSE 0 5 10n 10n 10 50m 100mM_M2 N00142 N02964 N00142 N00142 IRF9140V_V2 N00142 N00142 220VdcC_C4 0 OUT C_C5 N002070 N00142 L1_TX1 N00142 N00142 15L2_TX1 N02731 0 9K_TX1 L1_TX1 L2_TX1 1 K528T500_3C8R_R4。圖中電感值LL2 是根據(jù)變壓器的變比進(jìn)行取值的，即L1/L2 = (N1/N2) 2，在耦合器件K_LINEAR中設(shè)置好感值L1 、L2即可。本設(shè)計(jì)的變壓器采用副邊為單路輸出的模型，在Pspice中變壓器仿真原。在Pspice仿真軟件中有四種非線性變壓器模型，如圖。另外，在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析和小信號(hào)分析時(shí)常直接使用變壓器模型，而實(shí)際電路中卻不存在，也可以使用電壓控制電壓源和電流控制電流源構(gòu)成理想變壓器模型。 Pspice 中變壓器的模型分析 圖 變壓器的等效電路圖Pspice軟件中包括多種變壓器，其中線性變壓器XFRM_Linear，由耦合電感和耦合器件K Linear 構(gòu)成的線性變壓器在一定的情況下也可當(dāng)作理想變壓器使用。 變壓器建模（a）所示， 為繞組1的自感， 為繞組2的自LL感， 為變壓器的互感，此時(shí)方程為：12L………………………………………（）1212LVIdt???????????????????:其電流方程為：= ………………………………（）12Idt??????12L???????1V???????:湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 圖 變壓器模型及符號(hào)式中， 。Pspice的仿真功能有很多，包括：直流仿真、交流仿真、溫度仿真、噪聲仿真等，該軟件還集成了多種基本數(shù)學(xué)公式和數(shù)學(xué)函數(shù)。在改變一個(gè)參數(shù)時(shí)，哪怕是一個(gè)電容容值的大小都需要重新建立起網(wǎng)絡(luò)表的連接，如果要設(shè)置其他器件的相關(guān)參數(shù)就更為復(fù)雜了。（2）具有較高的實(shí)用性，對(duì)元件參數(shù)的修改操作方便，它只需存一次盤、創(chuàng)建一次連接表，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)較為復(fù)雜電路的仿真。Pspice 6．0以上版本全部采用菜單式結(jié)構(gòu)方式，只要是熟悉Windows操作系統(tǒng)就很容易上手學(xué)，通過鼠標(biāo)和熱鍵一起操作，能提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)的周期。它的收斂性好，適于做系統(tǒng)及電路級(jí)仿真，能達(dá)到快速準(zhǔn)確的仿真要求，其主要優(yōu)點(diǎn)包括：（1）圖形界面友好、易學(xué)易用、操作簡單。電力電子常用的仿真工具有：通用型軟件 General Purpose、控制系統(tǒng)仿真軟件 MATLAB 和專用仿真軟件 Special Purpose，本文選用 Pspice 進(jìn)行系統(tǒng)的仿真。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 Pspice 仿真本節(jié)是根據(jù)文獻(xiàn)[9]編寫的，根據(jù)開關(guān)電源的實(shí)際電路進(jìn)行建模，運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)模型進(jìn)行分析、研究、觀察結(jié)果，以達(dá)到研究和開發(fā)實(shí)際應(yīng)用電路的目的，這個(gè)過程稱為仿真。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 初始設(shè)置電壓檢測(cè)開始測(cè)量與設(shè)定值是否一致開采樣中斷使 PWM 輸出是否結(jié)束輸出結(jié)束是否否是（a）主程序流程圖湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 采樣中斷子程序計(jì)算比例環(huán)節(jié)計(jì)算偏差脈寬設(shè)為 50us更新調(diào)制度更新歷史偏差計(jì)算調(diào)制度增量計(jì)算積分環(huán)節(jié)脈寬大于 50us返回NY（b）中斷程序流程圖圖 軟件程序流程圖系統(tǒng)的初始設(shè)置了一個(gè) PWM 波占空比，轉(zhuǎn)換器的輸出電壓經(jīng)過采樣反饋回單片機(jī)與設(shè)定值進(jìn)行比較。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 （2）PID 控制算法的實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)是通過采樣的方式進(jìn)行反饋的，具有離散性，離散的 PID 控制可以近似為：……………………………（??10tDipijioITUKeeu???????????）其中 為第 i 采樣時(shí)刻的輸入值， 為第 i 個(gè)采樣時(shí)刻的偏差值， 為第 i1 采樣i i 1ie?時(shí)刻的偏差值，當(dāng)采樣周期 T 足夠短時(shí)，控制過程可近似為連續(xù)控制，這種控制算法稱為全量式 PID 算法。除了 PID 控制外用于電源變壓控制技術(shù)還包括：無差拍控制、重復(fù)控制、模糊控制等，但由于它們的各種不足，如模糊控制雖然在理論上可一任意精度逼近非線性函數(shù)，但是受到目前模糊控制研究水平的限制，模糊變量的分檔以及模糊規(guī)則數(shù)都會(huì)受到一定的限制等。假設(shè)單個(gè)周期內(nèi)的 PWM 波的脈沖個(gè)數(shù)為 2N，即將參考正弦波 的整個(gè)周期 T 分成 2N 等分，每份時(shí)間 T 為 T／2N，在第 i 段區(qū)間sinmwtU內(nèi)的正弦波面積為：………………………（??1 1sintcossSiTmrimUiidwN?? ??????????）本設(shè)計(jì)運(yùn)用單片機(jī)的定時(shí)器采用軟件計(jì)算的方法產(chǎn)生 PWM 波形，可以方便地對(duì)PWM 波占空比進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)，具體程序源代碼見附錄 A。（3）面積等效法，該方法是基本思路是控制相同時(shí)間間隔內(nèi)的 PWM 波形的面積，使之與調(diào)制波面積相等，當(dāng)調(diào)制波為正弦時(shí)的調(diào)制原理圖如圖 所示。（2）規(guī)則采樣法，為在微機(jī)中實(shí)現(xiàn) SPWM 算法，可以對(duì)正弦控制信號(hào)進(jìn)行周期湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 采樣，依據(jù)采用值與載波信號(hào)比較來確定 PWM 脈沖的前后沿，有多種形式實(shí)現(xiàn)該方法，包括：對(duì)稱采樣、非對(duì)稱采樣、平均規(guī)則采樣。自然采樣法能準(zhǔn)確地反映脈沖通斷時(shí)刻，產(chǎn)生的波形是最接近正弦波的。本設(shè)計(jì)采用 AT89C51 單片機(jī)，采用軟件計(jì)算的實(shí)時(shí) PWM 控制策略，該策略對(duì)硬件要求低、受外界干擾較小。基于該方法的應(yīng)用，出現(xiàn)許多能發(fā)生 PWM 波的控制芯片，如TL49UC3842 ，后又出現(xiàn)數(shù)字集成式芯片如 HEF475MA818。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 第四章 系統(tǒng)的控制及仿真 系統(tǒng)的控制電源控制部分的設(shè)計(jì)在很多程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的好壞，控制電路的主要任務(wù)根據(jù)要求產(chǎn)生設(shè)定的 SPWM 脈沖，根據(jù)采樣回的電壓信號(hào)而調(diào)節(jié)脈沖寬度。由于 ADC0809 具有三態(tài)輸出數(shù)據(jù)總線，故可以與 51 單片機(jī)總線直接接口，圖 給出了 ADC0809 與單片機(jī)的接線圖。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 VREF：表示參考電壓的輸入線，通常情況下 VREF≥GND。GND：表示數(shù)字地。OE：表示輸出允許控制信號(hào)輸出線，OE 為高電平時(shí)吧轉(zhuǎn)換的結(jié)果送到數(shù)據(jù)線，當(dāng) OE 為低電平時(shí)，輸出為浮空狀態(tài)。START：表示啟動(dòng)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)的輸入線，其上升沿清除內(nèi)部寄存器，下降沿則啟動(dòng)控制電路并開始 A/D 轉(zhuǎn)換。ALE：表示通道鎖存控制信號(hào)輸入線，ALE 電平在正跳變的可以鎖存 A、B、C 上的地址信息，經(jīng)過譯碼后控制 IN0～I(xiàn)N7 中哪一路模擬電壓送入比較器。D0～D7：表示 8 位三態(tài)數(shù)據(jù)輸出線。ADC0809 是一種 8 路模擬信號(hào)輸入、8 位逐次逼近法A/D，它的轉(zhuǎn)換時(shí)間在典型的時(shí)鐘頻率下是 100us。本電源設(shè)計(jì)的光電耦合電路如圖 所示，在這里通過 R2 上的分壓為 IR2110 輸入端提供信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，考慮到開關(guān)信號(hào)頻率達(dá)到 10kHz，常用的光耦合芯片難以滿足其要求，本電源設(shè)計(jì)采用高速光耦芯片 6N136,其最大延時(shí)僅為 。而 VB 是高端懸浮置供電電壓，Vs 是高端懸浮供電偏移電壓，HO 為高端輸出電壓，LO 低端輸出電壓，Vcc 是低端固定供電電壓，COM 是低端偏移供電電壓。在高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中應(yīng)用 IR2110 可以大大地降低外圍電路的復(fù)雜度，同時(shí)也降低了成本、提高系統(tǒng)的可靠性。（3）實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路之間的電氣隔離。開關(guān)管的基極驅(qū)動(dòng)電路是控制電路和主電路之間的接口，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有較大的影響，一般對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求有以下幾點(diǎn)：（1）提供柵極驅(qū)動(dòng)電壓和功率，保證功率管的正常導(dǎo)通和關(guān)斷。V因此，60V輸出電容值為：=(max)in(in)1outout ripleICfV???3()6uF??? 隔離驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 開關(guān)管的柵源之間的絕緣層是絕緣的二氧化硅結(jié)構(gòu)，在柵源之間形成了一個(gè)柵極電容 ，有隔斷直流的作用，因此在低頻靜態(tài)的驅(qū)動(dòng)功率約為零。這個(gè)輸出紋波電壓即為疊加在輸出直流電壓上的交流三角波。cm= = ……………………………………………………（?12osuf????????）湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 值與溫度有關(guān)，100攝氏度時(shí)，銅的電阻率 = ， 為空氣磁導(dǎo)率，??????0u為電流頻率， 值,從表中查得本設(shè)計(jì)的導(dǎo)線直sf ? 。設(shè)整流二極管的正向壓降為 。通常采用較細(xì)的導(dǎo)線可以在一定程度上減小集膚效應(yīng)的影響，參考表 ，本設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)選擇直徑為 的導(dǎo)線繞組。特別是對(duì)于轉(zhuǎn)換器，由于集膚效應(yīng)的作用，使得導(dǎo)線的交流電阻增大，電流密度在導(dǎo)線界面上分布不均勻。其主要是由導(dǎo)線的直徑和繞組數(shù)決定的，一般情況下 =～，導(dǎo)線直徑小于 毫米或者多wK股并繞及繞組數(shù)較大時(shí)取較小的值，本設(shè)計(jì)中取其典型值 。wfj窗口使用系數(shù) 是體現(xiàn)變壓器或電感器窗口面積中銅線的實(shí)際占有的面積量。對(duì)于如圖（a）圖所示的電路，在狀態(tài)下 實(shí)際上變壓器是有損耗的（即 小2TioiP?? ?于 1） ， oT??? 各磁心的結(jié)構(gòu)常數(shù)磁心種類 損耗 Kj X Ks Kwt Kv罐形磁心 銅損＞ 鐵損 632 48 鐵粉磁心 銅損 =鐵損 590 疊片磁心 銅損 =鐵損 534 C型鐵心 銅損 =鐵損 468 單線圈 銅損 ＞鐵損 569 帶繞鐵心 銅損= 鐵損 365 25對(duì)于如圖 （b）所示的電路，考慮變壓器損耗的情況下， 12ToP?????????RRPoPiPi （a ） （b）R湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 （c ）圖 視在功率與主電路的結(jié)構(gòu)關(guān)系在本對(duì)于如圖 （c ）所示電路，考慮變壓器有損耗情況下， 12ToP?????????設(shè)計(jì)中假設(shè)用肖特基二極管整流，其正向壓降 =，那么：DFU=(60+) 13 =3000 12ToP?????????????????W 計(jì)算 的值CWA? 鐵心的有效截面積 與窗口面積 之積是 法設(shè)計(jì)的最為關(guān)鍵數(shù)據(jù)，其計(jì)算CWAP公式為： …………………………………………（）140XTwcWfsjPKB?????????由上式算出 后，可以查相關(guān)參數(shù)表得出所用磁心的型號(hào)。電流型控制能在一定程度上限制沖擊電流。因此，為了使磁心溫度不超過限定值， 應(yīng)當(dāng)減小，一般在Bw（～） 以下。Bm磁通密度 的選擇涉及到轉(zhuǎn)換器工作的穩(wěn)定性、功率損耗、散熱、銅損、鐵損等較多問題，因此要反復(fù)設(shè)計(jì)才能完善，其基本要求如下：（1） 必須小于飽和磁通密度：鐵氧體的 的溫度系數(shù)比較大，好的功率鐵氧Bs體在室溫條件下 ，要減小勵(lì)磁電流， 以下。磁心材料要考慮的最主要因素是它在工作頻率處的損耗和應(yīng)用的磁通密度。對(duì)于合金材料磁芯，如鉆基非晶合金和微晶合金等，雖然具有較高的電阻率，通常情況下可以軋成很薄的帶料，因此能用在較高頻率。 磁心選擇功率鐵氧體，因在高頻條件下具有很高的電阻率，而渦流損耗又低加上經(jīng)濟(jì)性能