管琴华电力电子课程设计报告

湖南工程学院

课程设计

课程名称电力电子技术

课题名称电流控制型脉宽调制高

频开关稳压电源的设计

专业自动化

班级 0904班

学号200901020434

姓名管琴华

指导教师刘星平

2011年12月30日

湖南工程学院

课程设计任务书

课程名称：电力电子技术

题目：电流控制型脉宽调制开关稳压电源的设计

专业班级：自动化0904

学生姓名：管琴华学号：34

指导老师：刘星平赵葵银

审批：李晓秀

任务书下达日期2011年12月19日

设计完成日期2011年12月30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UC3842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%）、15V（DC）2）输出电流：≤5A

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．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. 2．王兆安，黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000.

3．浣喜明，姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2000.

4．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，2000.

5．郑琼林，耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，1996.

6．刘定建，朱丹霞．实用晶闸管电路大全．机械工业出版社，1996.

7．刘祖润，胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995.

8．刘星平．电力电子技术实验指导书．校内，2007.

目录

第 1 章概述 (1)

第 2 章系统方案 (2)

2.1开关电源基本原理 (2)

2.2开关电源设计思路 (3)

第 3 章主电路的设计 (4)

3.1 低通滤波电路 (4)

3.2 一次整流滤波电路 (5)

3.3 高频变换 (6)

3.4 二次整流滤波 (9)

3.5 输出电路 (10)

第 4 章控制电路 (13)

4.1 UC3842 控制电路 (13)

4.1.1 UC3842内部构成及其原理 (13)

4.1.2 UC3842外围电路构成及其原理 (14)

4.2 UC3842的电路特点 (15)

第 5 章实验测试记录 (17)

第 6 章总结 (20)

第 7 章参考文献 (22)

附件 (23)

第 1 章概述

随着各种用电设备的飞速发展，特别是通讯产业的突飞猛进，对电源不断地提出新的要求：电功率要求不断加大；电压调节的范围要求越来越大；电流的稳定性要求要求越来越高；纹波与噪音要求越来越严格；体积要求越来越小等。为了适应这种现状，开关电源的发展成为了必然。开关电源是利用电力电子技术，采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关晶体管开通和关断的时间比率（占空比），调整输出电压，维持输出稳定的一种电源。其发展的方向是高频、高可靠、低耗、低噪音、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各在开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度下获得高的磁性能。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现的ZVS\ZCS的软开关技术成为开关电源的主流技术。模块化是开关电源的总体趋势。电力电子高频磁技术是将电力电子技术与磁技术结合起来高频磁技术是电力电子技术中的重要内容。功率磁元件是所有电源中必不可少的关键器件。它担负着磁能传递，储存以及滤波功能。其体积和重量一般占到电路20 －30％。

电流控制型脉宽调制技术是一种新颖的技术，它克服了传统的电压控制型脉冲调制技术的缺点，使得开关电源系统具有快速的瞬态响应及高度的稳定性。

10年内重点发展：高频低功耗高磁导率材料和片式化的表面贴装软磁材料在非晶软磁金金属和磁记录材料方面，发展纳米材料。

第 2 章 系统方案

2.1 开关电源基本原理

开关电源的大致上大同小异，基本的电路都是交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成分的直流电压，该电压进入高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

在这里课程设计的要求为设计电流控制型脉宽调制高频稳压开关电源，根据基本电路的原理，这个电路主要由主电路和控制电路两大部分组成，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。

方案原理方框图如图2-1所示。

图2-1 开关电源原理框图

低通

滤波

一次整流

电子开关

高频变压

二次整流

基准电压

脉冲驱动

比较器

误差放大

脉宽调制

二次滤波

采样

输出

交流输入

直流输出

2.2开关电源设计思路

第一部分是输入电路，它包含低通滤波和一次整流环节。交流220V 电压经低通滤波和桥式整流得到未稳定的直流电压。第二部分是功率转换，它由电子开关和高频变压器来完成，把高功率的直流电压变化成受到控制的、符合设计要求的高频方波脉冲电压。第三部分是输出电路，用于将高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压输出。第四部分是控制电路，输出电压经过分压、采样后与电路的基准电压进行比较、放大。第五部分是频率振荡发生器，它产生一种高频波段信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽调制，达到脉冲宽度可调，有了高频振荡，才有电源变换，所以说开关电源的实质是电源变换。其实第四部分和第五部分目前已经集成化，这里采用UC3842电流型脉宽调制器，通过一定的外围电路来达到设计的要求，详情看控制电路中解说。

第 3 章主电路的设计

3.1 低通滤波电路

低通滤波是开关电源输入的大门，电网电力通过低通滤波进入主电路。此电路主要由电容、电阻和电感组成，输入220V，输出220V，其主要的目的是防止输入电源窜入噪声干扰，同时还抑制浪涌电压、尖峰电压的进入，阻止、限制电源所产生的噪声，高频电磁干扰信号通过输入电线馈电网。

在输入端加入热敏电阻的目的是为了过温保护，刚启动时，温度低，电阻值高，相当于开路。如果电路输入电压过高热敏电阻就发热，其阻值降低，将电路保险丝烧断，电路与供电电源断开，起到热保护的作用。其电感LF和RC构成滤波电路，滤掉电网进来的干扰信号。

其电路图如3.1所示。

图3.1低通滤波电路

3.2 一次整流滤波电路

如图3.2所示。

图3.2 一次整流滤波电路

此电路是利用二极管的单相导电性将交流

电变换成单相脉动的直流电，含有很大的脉动

性，也就是纹波，因此就需要用到滤波电路。

整流部分：四只整流二极管接成电桥的形式，1脚

和3脚输入AC220V,2脚和4脚输出脉动的直流电

压。如图3.3所示。图3.3电桥电路输入输出的波形如图3.4所示。

图3.4 输入输出波形

整流电压平均值为

V U wt wt U U O 1989.0d sin 21

220

2===

?

π

π

整流管承受最大反压为

V U U RM 31122==

滤波部分：采用电容滤波，通过电容器的充放电来滤掉交流分量，当U2为正半周时并且数值大于电容两端的电压UC 时，电流一路流经负载，另一路对电容C 充电。当UC 大于U2，电容通过负载RL 放电，UR 按照指数规律缓慢下降，输出的脉动程度大大减小。

其波形如图3.5所示。

图3.5

输出电压的范围在222~9.0U U 范围内波动，工程中一般采用经验公式计算。

V U U O 2642.121==

电容的耐压考虑电网电压

10%的波动，应大于

V

U 2.342220414.11.121.12=??=。

取

.4901.0510201

251,02.01,25uf K

T R C S f T T C R L L =??=??===?

=所以考虑一定的裕量，这里采用两个电解电容，容量分别是，150uf/400V 和47uf/35V 。

电容滤波电路简单，输出电压较高，脉动小，但是带负载能力不强，适用于变化不大的电子设备中。

3.3 高频变换

采用反激式变换器，变压器的初

级极性和次级极性相反，这样的设计是因为变换器效率高，线路简单，能提供多路输出。但是在次级输出的电压中，有较大的纹波，在二次整流部分加大输出滤波电容和电感，但是这样增大了电源的体积。由于工作频率高，这里采用全控型器件，N 沟道CMOS

管。 图3.6

其电路如图3.6所示 此开关电源属于隔离型开关电源，用在输入回路与逆变回路之间，经过高频变压器（也称为开关变压器），利用磁场的变化实现能量的传递，没有直流间的直接流通，经过开关变压器变成频率很高的交流电，再经过变压器隔离，直至二次整流电路。变压器起隔离和传递能量的作用，在开关管Q1导通的时候原边1-2储存能量，开关管Q1断开的时候，原边1-2向副边10-12释放能量，这时变压器次级绕组下负上正，释放到一定程度后，电源电压Vin 通过变压器的初级绕组向开关管充电，1-2开始储存能量，V1上升到一定程度后，开关管截止，又开始新一轮的放电，如此循

环。在充电周期内，变换器的输出电压为off

on in O t t

V N N V ??=12。

输入电压波动范围为V V U U 311~1982~9.022= 变压器的电压比：033max max 5.715

198

311U U U U k O i s T ，=-=-≤

是次级输出

电压，该电压应该低于所选择的开关器件的耐压值并保留一定的裕量。当输出电流最大、输入直流电压为最小值时开关的的占空比达到最大，假设这时反激型电路刚好处于电流临界连续工作模式。

电路工作的最大占空比为36.0198

155.715

5.7max 33=+??=+=

i O T O T MAX U U k U k D

变压器一次电流峰值为A D k I I T O 344

.05.75

2)1(2max max =??=-=

变压器初级电感值为H I f Ui D L s m 3210

374198

36.0max max 3

max 1=???==

设计要求输出电压15V ，效率为≥80%，则变压器的传输功率为

W 7895

.015

5=?，属于小功率开关电路。变压器选择型号磁路截面积Ae 和窗口截面积Aw 的乘积决定了变压器的磁芯，c

c w e

d k B I L A A max max

12≥，选择型号

为PQ3220系列的变压器。

参数见附件。

电感系数

)m (123009

.410/4.0226-e e r N

H N uH L S A L ≥≈?=）（）（πμ 变压器线圈匝数为

匝匝16120)(68.4102.03

1

2max

max 1max max ==

≈??==?===T

e on i on s

K N N S B T U N s D T T T B B μ

PQ 系列高频变压器损耗小，温升低，抗干扰性能好，比EMC 系列好，功率范围大（50W-1000W ）,形状合理，能减小安装体积，骨架由多个引脚，绕线接线方便。

N 沟道CMOS 场效应开关器件的平均电流为

54.02

36

.032=?==

MAX MAX S D I I 选择型号为12N60的场效应开关管，电流12A ，耐压600V ，型号为15N60、40N60、15N120也可。

缓冲回路：在输入端加由电容C2和R7并联再和二极管D2串联并在原边两端，为变压器缓冲网络吸收回路，用以对变压器初级的漏电流、次级反馈到初级的尖峰电流进行吸收或二次将漏感反向耦合到次级，它的存在比较重要，可以减小漏电流，耗散过电压的能量。

3.4 二次整流滤波

电路图如图3.7所示。

图3.7 二次整流滤波电路

开关电源一般采用电容输入型整流滤波电路，输入电容的容量是由输出保持时间以及直流输入电压的纹波大小决定的，流经电容的纹波在电容允许的范围之内。因为电容的纹波电流对电容寿命有很大的影响，这里采用电解电容。

高频变压器次级输出端接消特基整流二极管（STPS20100CT广东汕头市潮南区），硅结构点接触直插中功率，适合高频电路。

高频开关CMOS 管截至时，高频变压器向次级释放能量，经过单相半波整流，四个整流二极管并联组成，采用多个整流二极管并联可以分担负载电流，来降低尖峰电流的影响。在其两端并联RC （C10和R30）吸收网络以减小干扰，消除寄生振荡。E4、E5、组成的电路进行一级滤波，部分功耗损失在整流二极管中。

选择肖特基二极管的原因是：反向恢复时间很短（ns ns 40~10），正向恢复过程中也不会由明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，但是承受的反压提高时其正向压降也会提高，适合低压场合。

为了克服输出电压中的尖峰，可增加第二级滤波，虽然初级的开关管的快速通断给开关电源带来了更改好的效率，但是也带来了更强的高频辐射。利用电感滤波电路的电感两端的电流不能突变的特点，把电感器和负载串联起来，以达到使得输出电流平滑的目的，RC 电路放电时，电流增大，电感器L 把能量储存起来，当电流减小时，把能量释放出来，使得负载电流平滑，电感的平波作用使得输出更加的稳定。R32和发光二极管和E6组成信号指示当电感储存电压达到一定值时，释放出来，RC 电路充电，灯亮，稳定时，信号比较稳定，发光二极管的强弱受输出电压的控制。

3.5 输出电路

在输出电路外接光电耦合反馈控制和LC 滤波电路。

在输出电路钱并联LC 电路是为了减小电压的纹波系数，来减小其噪声。

采用光电反馈控制（其实也是控制电路部分）是因为：

1. 负载调整率得到改善。由于增添了光电反馈控制环节，在空载时输出

电压与满载时的输出电压变动值减小，大大增加了输出电压的稳定性。

2.频率特性好。在50kHZ和500kHZ的工作平率下，它的输出电压变化

为0.01%，这不是一般电源所不能比拟的、

3.过流限制特性好。若由于负载变动的原因而使得输出电流剧增，当它

超过标称电流15%时，立即关闭输出，对电路进行保护。

4.过压保护和欠压锁定功能强，准确，灵敏度高。

二次整流后输出电路如图3.7所示。

图3.7 二次整流输出电路

R35和R36并联再与R38串联组成精密稳压源的外接控制电阻，它们决定输出电压的高低。

R取值，相关计算如下。

Z Z X b R R K R K R uA R U I ≈Ω

=?=Ω=?-=

=?==

-376373387.32545

355103310

41324

.11541310

324

.1 低压式可调三端并联稳压集成电路在在功能上相当于一只低温系数的可变稳压值的稳压二极管。由于其内部有一个1.24V 的精密稳压源作为参考，再借助两只外接电阻，在一定范围内电压间连续可调。

光电耦合反馈控制电路。U2A 是光电耦合器，Q5（型号是AZ431）是三端精密稳压源，由Q5、R35、R36、R38组成外部误差放大电器，误差放大器的频率响应由C11、R37、R35、R36决定，当输出负载变小时，R34用来提高输出电压的稳定性。当15V 输出电压由于负载减轻而升高时，经过电阻R35和R36分压后所得到的取样电压与精密电压1.24V 标准电压进行比较，其差值必然增大，使得三端精密稳压管的阴极电位降低，发射极的工作电流上升，发光强度增大，通过光电耦合，使得光电接受三极管的电流升高。这样使得开关电源控制集成电路UC3842的1脚补偿电流输入电流增大，促使片内对PWM 比较器进行调节，使占空比减小，输出电压下降，达到稳压的目的。

第 4 章 控制电路

4.1 UC3842 控制电路

4.1.1 UC3842内部构成及其原理

控制电路主要由UC3842来控制，能通过高频变压器与电网隔离，适合构成无工频变压器小功率开关电源。内部主要由5V 基准电压源、用来精确地控制占空比调整的振荡器、衰减器、过流检测比较器、PWM 锁存器、高增益误差放大器和适合于驱动功率管MOSFET 的大袋逆流推挽输出电流（门电路输出级）等构成。

其内部结构如图4.1

图4.1 UC3842内部结构图

内部基准电路产生+5V 基准电压作为UC3842的内部电源，允许有

±0.1%的偏差，温度系数为0.2MV/C ?

。+5V 基准电压经衰减得2.5V 电

压作为误差放大器的基准信号，并可作为电路输出5V/50MA 的电源。振荡器产生方波震荡信号，振荡频率取决于外接定时元件。接在④脚和⑧脚之间的电阻与接在④与地的电容C 共同决定了振荡器的振荡频率，

t t C R f 8.1=

。反馈电压经②脚输入误差放大器的反向端。①脚外接RC 网络

以改善误差放大器的闭环增益和频率特性，⑥脚输出电压大于等于1V时，UC3842就关闭输出脉冲，保护开关管不至于过流损坏，UC3842PWM控制器设有欠压锁定保护，其开启阀值为16V，关闭阀值为10V，正由于如此，可有效地防止电路在阀值电压附近工作时的振荡。

4.1.2UC3842外围电路构成及其原理

UC3842控制外围电路如图4.2所示。

图4.2 UC3842控制外围电路

基本原理：220V的交流电经过桥式整流滤波电路后得到大约+300V 的直流电压。这一直流电压被MOS功率管斩波并通过高频变压器降压，变成频率为急事千赫的矩形波电压，再经过输出整流滤波就得到稳定的直流输出电压，其中高频变压器的自馈线圈N2中的感应的直流电压被反馈到UC3842内部误差放大器并和基准电压比较得到误差电压Ur，同时在取样电阻R24上建立的直流电压也被反馈到UC3842电流测定比较器的同向输入端，这个检测电压和误差电压Ur相比较，产生脉冲宽度可调的驱动信号，使得输出的电感峰值电流值跟随误差电压的变化而变化，从而