【正文】 本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 27伏 10安培開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 2020年 6月 本科畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 27伏 10安培開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 學(xué)院（系）： 電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 09 級應(yīng)用電子 學(xué)生 姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo) 教師： 答辯 日期： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 學(xué)院： 電氣工程學(xué)院 系級教學(xué)單位：電氣工程系 學(xué) 號 學(xué)生 姓名 專 業(yè) 班 級 應(yīng)電 093 題 目 題目名稱 27伏 10安培開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 題目性質(zhì) ： 工程設(shè)計(jì) （ √ ）；工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究型 （ ）； 理論研究型 （ ）；計(jì)算機(jī)軟件型 （ ）；綜合型 （ ） （ ）； （ ）； （ ） 題目類型 （ √ ） （ ） 題目來源 科研 課題 （ ） 生產(chǎn)實(shí)際 （ ） 自選 題目 （ √ ） 主 要 內(nèi) 容 1 查詢開關(guān)電源設(shè)計(jì)相關(guān)資料。 2 掌握電源設(shè)計(jì)一般步驟，研究電源 設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)。 4 給出全部設(shè)計(jì)參數(shù)和圖紙 基 本 要 求 (不少于 )， A0圖紙。 ，嚴(yán)格按照進(jìn)度計(jì)劃完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。 周 次 第 1～ 4周 第 5～ 8周 第 9～ 12 周 第 13～ 16周 第 17～ 18周 應(yīng) 完 成 的 內(nèi) 容 查閱并消化理解資料，找出主 要 設(shè) 計(jì)事項(xiàng)，確定主電路拓?fù)洹ＴO(shè)計(jì)控制電路、保護(hù)電路參數(shù) 建立數(shù)學(xué)模型，完成系統(tǒng)校正，利用仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真 給出全部工程圖紙和元器件表。因此，對低壓大電流正激變換器及其相關(guān)技術(shù)的研究，在近幾年得到廣泛的關(guān)注。其次，分析了有源箝位正激變換器的工作過程，并對其中的典型參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算推導(dǎo)。主要包括輔助電源，過流、過欠壓保護(hù)，振蕩頻率， 誤差反饋輸入等相關(guān)電路的設(shè)計(jì)。得到電壓、電流的輸出波形，完成了對波形的簡要分析，論證了理論分析的正確性和設(shè)計(jì)方案的可行性。在開關(guān)電源出現(xiàn)之前，許多控制設(shè)備的工作電源都采用線性穩(wěn)壓電源。 開關(guān)電源的發(fā)展從來都是 與半導(dǎo)體器件及磁性元件等的發(fā)展休戚相關(guān)的。后來隨著電力 MOSFET的應(yīng)用，開關(guān)電源的頻率進(jìn)一步提高，使得電源體積更小，重量更輕，功率密度進(jìn)一步提高。在 20世紀(jì) 80年代后的 20年為了解決因開關(guān)頻率提高而引發(fā)的電磁干擾問題，出現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù)。許多新的領(lǐng)域和新的要求又對開關(guān)電源提出了更新更高的挑戰(zhàn)。 電源相關(guān)技術(shù)的研究正處于迅速發(fā)展的階段，可以 想象下面幾個(gè)問題是開關(guān)電源發(fā)展的永恒方向： 開關(guān)電源頻率要高，這樣動態(tài)響 應(yīng)才能快，配合高速微處理器工作是必需的，也是減小體積的重要途徑。 高效 工作模式下產(chǎn)生的熱能會 少，散熱 變得 容易， 從而 容易達(dá)到高功率密度。這些問題 促使 軟開關(guān)技術(shù) 應(yīng)運(yùn)而生 。 選題目的及意義 隨著電 力電 子技術(shù)的高速發(fā)展 ,電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛 ,電子設(shè)備的種類也越來越多 ,電子設(shè)備與人們的工作 、生活的關(guān)系日益密切。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源以輕、薄、小和高效率為發(fā)展方向。20 世紀(jì) 80 年代，計(jì)算機(jī)全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代。 由此可見，開關(guān)電源在各個(gè)方面都與人們息息相關(guān)，對它的研究給人們帶來的方便是有目共睹的。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約資源及環(huán)境保護(hù)方面都具有深遠(yuǎn)意義。可以想象，開關(guān)電源應(yīng)該就是在拓?fù)渲邪雽?dǎo)體器件工作在開關(guān)狀態(tài)的電源。但在實(shí)際當(dāng)中，開關(guān)電源包含的范圍比這個(gè)范圍要小的多?；驹硎牵航涣鬏斎?電壓經(jīng)過電網(wǎng)濾波、整流濾波后得到一個(gè)直流電壓，然后通過高頻變換器將直流電壓轉(zhuǎn)變成高頻交流電壓，再經(jīng)過高頻變壓器隔離變換，輸出所要高頻交流電，最后經(jīng)過輸出整流濾波電路，將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波成所要的直流電。 (2)輸入整流濾波 將輸入的交流 電進(jìn)行整流濾波，為變換器提供紋波較小的直流電壓，使最終的直流輸出電壓滿足要求的性能指標(biāo)。 (4)輸出整流濾波 將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需求的直流電壓，同時(shí)還可以防止高頻噪聲對負(fù)載的干擾。 (6)輔助電源 為控制電路、驅(qū)動芯片等 提供所需的直流電壓，以保證它們的工作穩(wěn)定可靠。 (1)穩(wěn)壓范圍寬 開關(guān)電源根據(jù)實(shí)際需要可以做到在輸入 85V～ 265V范圍內(nèi)輸出穩(wěn)壓，且還能保持電路的高效率。 (3)節(jié)約能源 開關(guān)電源中的開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，相對功率損耗很小，效率高，其效率最高可達(dá)到 95%。 (1)由于其中有器件工作在開關(guān)狀態(tài)，同時(shí)開關(guān)頻率又比較高，因而給供電線路及負(fù)載都會帶來高頻干擾。 (2)開關(guān)電源比線性電源所用開關(guān)器件增加許多，因此可靠性設(shè)計(jì)特別重要，需要考慮各個(gè)方面來保證電源的可靠性。 2）學(xué)習(xí) NCP1562控制芯片的引腳功能，工作原理，完成外圍電路的搭建。 4） MATLAB仿真電路的搭建，電源性能指標(biāo)的測定，工程圖紙、元器件列表的繪制。在正激變換器中 ，變壓器的原、副繞組同時(shí)工作，副繞組中的電流產(chǎn)生的磁通將抵消原繞組 電流所產(chǎn)生的磁通（勵(lì)磁磁通除外），因此可以傳遞更大的功率。 在正激變換器中，繞組流過的是單向脈動激磁電流，如果沒有每個(gè)周期都發(fā)揮作用的去磁環(huán)節(jié)，剩余磁通就會積累導(dǎo)致飽和。這一要求稱作變壓器的磁化狀態(tài)復(fù)位條件。針對變壓器磁復(fù)位有多種拓?fù)?，可以比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)。其拓?fù)淙鐖D 21： 圖 21 帶復(fù)位繞組的正激變換器 T 1L fVD1VD 2C f R LViSN 1N 3VD 3N 2第 2章 正激變換 器 7 變壓器的磁復(fù)位由繞組 N3 和二極管 VD3(上圖虛線框中所示 )來完成 ，在開關(guān) S 斷開期間，變壓器的磁能經(jīng)過繞組 N3 和回饋二極管 VD3向電源端饋送，完成勵(lì)磁能量的轉(zhuǎn)移并同時(shí)使磁芯的磁化狀態(tài)復(fù)位。 (3)開關(guān)器件 S 承受的電壓 UDS(公式 21)與輸入電壓 Vi 成正比，當(dāng)電路 (21) 工作在寬輸入時(shí)，須采用高壓功率 MOSFET，而高壓功率 MOSFET導(dǎo)通阻抗大，因而導(dǎo)通損耗大。 RCD 箝位單端正激變換器 該變壓器 磁復(fù)位拓?fù)涔ぷ鬟^程可以分為五個(gè) 階段，由此分析得到拓?fù)鋬?yōu)缺點(diǎn)，其主要缺點(diǎn)在于部分磁化能量消耗在箝 位電阻 R 中，因此電源 效率相對較低。 和采用復(fù)位繞組的單端正激變換器相比， RCD 箝 位單端正激變換器 優(yōu)點(diǎn)如下： (1)磁復(fù)位電路簡單 (2)開關(guān)管電壓應(yīng)力較低 (3)占空比 d 可以大于 ，適合較寬范圍電壓輸入 它的缺點(diǎn)是大部分磁化能量消耗在箝位電阻 R 中，電源效率較低。 T 1L fVD1VD 2C fR LV iSN 1RVD 3N 2CC sI 0U 0第 2章 正激變換 器 9 LCD 箝位單端正激變換器 LCD箝位單端正激變換器 [5]能夠?qū)⒆儔浩鞯募ご拍芰糠答伝仉娋W(wǎng)，使變壓器磁通復(fù)位，還能夠有效抑制開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)由于漏感能量所造成的電壓尖峰。 圖 23 LCD 箝 位單端正激變換器 通過對其工作過程的分析可以發(fā)現(xiàn)開關(guān)器件 S是硬開通的，開通時(shí)結(jié)電容能量將完全消耗在內(nèi)部，如此減小其開通前結(jié)電容電壓將大大減小器件開通損耗。但是，開關(guān) 頻率 sf 30kHZ時(shí)， LC諧振電流太大，使得導(dǎo)通損耗增加。 通過對以上三種傳統(tǒng)磁復(fù)位拓?fù)鋬?yōu)缺點(diǎn)的比較可以發(fā)現(xiàn)，它們都不是很好，對于本次設(shè)計(jì)相對來說有源箝位正激變換器較理想，應(yīng)該可以很好滿足設(shè)計(jì)性能指標(biāo)。 (2)箝位開關(guān)管是零電壓開關(guān) (3)勵(lì)磁能量和漏感能量全部無損回饋到電網(wǎng)側(cè) 但有源箝位正激變換器也有缺點(diǎn)，拓?fù)渲卸嘤昧艘粋€(gè)箝位開關(guān)管，使得驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，而且主開關(guān)管是硬開通，存在開通損耗。 其電路拓?fù)淙鐖D 24 所示： 圖 24 有 源箝 位單端正激變換器 T 1C fCL fR LVD 1VD 2S 1S 2C sVDU 0V iL mU C第 2章 正激變換 器 11 為了更好的分析主電路工作過程，我們給出如下圖 25 所示主要工作波形圖 ，進(jìn)而完成對主拓?fù)涞墓ぷ鳡顟B(tài)的研究。假設(shè)所有半導(dǎo)體器件都是理想器件?？紤]主開關(guān)器件 S1的 漏 源極之間的電容 Cs，其它的寄生參數(shù)忽略。結(jié)合主電路拓?fù)鋱D 24 和圖 25 拓?fù)渲饕ぷ鞑ㄐ?，把一個(gè)開關(guān)周期 Ts 分成七個(gè)工作狀態(tài)來對此變換器工作原理進(jìn)行分析。功率通過變壓器傳輸?shù)蕉蝹?cè)，同時(shí)，正的輸入電壓 Vi 加到變壓器一次側(cè)，勵(lì)磁電流 im 從 IM 開始線性增加。勵(lì)磁電流和一次側(cè)電流分別為 (23) (24) T1時(shí)刻，勵(lì)磁電流為 (25) T01是開關(guān)器件 S1的開啟時(shí)間 Ton， S1的開關(guān)周期是 Ts，占空比是 D，則有 (26) (2)開關(guān)狀態(tài) 2 開關(guān)器件 S1在 T1時(shí)刻被零電壓關(guān)斷時(shí)， 二極管 VD1繼續(xù)導(dǎo)通。由于充電電流很大， Cs 相對較小，此過程可看作一個(gè)線性充電階段， US1快速上升到 Vi。持續(xù)時(shí)間為 (29) 這時(shí)，勵(lì)磁電流達(dá)到了最大值 IM(+) (210) (3)開關(guān)狀態(tài) 3 在這個(gè)階段，由于 Cs的電壓 (UCS)繼續(xù)上升，加在變壓器一次側(cè)繞組上的電壓變負(fù)，因此，二次繞組的電壓也變?yōu)樨?fù)。結(jié)電容 Cs 開始同勵(lì)磁電感 Lm 發(fā)生諧振， UCS 繼續(xù)上升， IM(+)開始減小，電容兩端電壓和勵(lì)磁電流分別為 (211) (212) 式中 mZ 勵(lì)磁電感與結(jié)電容的特征阻抗， m m sZ L C? m? 勵(lì)磁電感與結(jié)電容諧振的角頻率， 1m m sLC? ? 在 T3時(shí)刻，結(jié)電容電壓上升到 CS i CU V U?? ，開關(guān)狀態(tài) 3 結(jié)束。負(fù)載電流繼續(xù)流過 VD2，此時(shí)加在 變壓? ?123 1 s in Cm M mUT IZ? ? ???? ????? ? ? ? ? ? ? ?33 1 CMMmpmUT T I IZii ????? ? ? ????12 0siT nC V I?? ? ? ? 202i s iM M o nmmV n C VI I TL L I? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?