恒流脉冲波的设计学士学位论文 精品.docx
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摘 要
随着电力电子技术的飞速发展,各种电子设备对于电源的性能、重量、体积、效率提出了更高的要求,目前开关电源的控制方式多釆用电压控制型技术。
电压控制型存在响应速度慢等缺点。
针对电压控制型电路的缺点,最近十几年发展起来了电流控制型技术,它具有很好的快速响应,因此,对其进行研究设计具有十分重要的意义。
本论文是在研究分析了开关电源的基本原理以及UC3846芯片与TLP250芯片的功能与特性的基础上,设计了一种基于UC3846的电流型全桥拓扑结构的恒流高频开关电源。
主要进行了输入整流电容滤波、高频变压器的设计、驱动电路和控制电路等主要元器件和电路模块的选型与参数设计。
论文所设计的开关电源的输入为市电220V交流,输出电压为24V,电流为5A,开关频率为90khz。
最后基于原理分析与计算,搭建全桥拓扑实验平台。
实验结果表明:
输入整流滤波电压符合理论分析,控制电路的调试也基本符合要求。
关键词:
PWM控制;全桥电路;高频变压器;UC3846
Abstract
Withtherapiddevelopmentofpowerelectronicstechnology,variouskindsofelectronicequipmentfortheperformanceofthepower,weight,volumeandefficiencyputforwardhigherrequest,thecontrolmodeofswitchpowersupplymorebrighttypewithvoltagecontroltechnology.Voltagecontroltypeshortcomingsslowresponsespeedandsoon.Forvoltagecontrolcircuitfaulttype,typethecurrentcontroltechnologydevelopedinrecenttenyears,ithastheverygoodquickresponse,therefore,tostudydesignhastheveryvitalsignificance.
Thispaperislieontheresearchandanalysisofthefullbridgetopologyofswitchpowersupplyprinciple,UC3846andTLP250chiponthebasisofthefunctionandcharacteristics.DesignedacurrentmodebasedonUC3846fullbridgetopologystructureofhighfrequencyswitchingpowersupplywithconstantcurrent.Itcontainsinputrectifiercapacitancefilter,high-frequencytransformerdesign,drivecircuit,controlcircuitofthemaincomponentsandcircuitmoduleselectionandparameterdesign.ThepaperdesignofswitchpowersupplyinputfromthemainsAC220V,outputvoltageis24V,currentis5A,theswitchingfrequencyof90khz.
Thelastitbasedontheprincipleanalysisandcalculation,buildfullbridgetopologyexperimentplatform.Experimentalresultsshowthattheinputrectifierfiltervoltageaccordwiththeoreticalanalysis,thecontrolcircuitofthePWMpulsemeettherequirements,hasthegoodwaveformfeatures,varioustechnicalindicatorscanmeetthepowerrequirementsofexperimentalplatform.
Keywords:
PWMcontrol;fullbridgetopology;highfrequencytransformer;UC3846
1绪论
1.1课题研究背景
电源是各种电子设备的组成部分,其性能好坏直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地持续性工作。
目前常用的是直流稳压电源和开关电源两大类。
由于开关电源本身能耗较低,电源效率比普通线性稳压电源高很多,因此被大量用于电子计算机、通讯、家电等各个行业。
由于开关电源的广泛应用,有必要对其原理进行掌握、对其发展趋势有所了解。
开关电源(SwitchModePowerSupply,即SMPS)被誉为高效节能型电源,它是稳压电源的发展方向,现已成稳压电源的主流产品。
半个世纪以来,开关电源主要经历了四个发展阶段。
早期的开关电源全部由分离元件构成,不仅开关频率低和效率低,而且电路复杂,不易调试。
在20世纪70年代研制出的脉宽调制器集成电路,对开关电源中的控制电路实现了集成化,有效减小体积。
20世纪80年代问世的单片开关稳压器。
随着各种类型单片开关电源集成电路的问世,AC/DC电源变换器的集成化变为现实。
随着全球对能源问题的重视,电子产品的耗能问题将越发引人关注,如何降低其待机功耗,提高供电效率成为一个研究热点。
传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠,但它存在着效率低、体积大、铜铁消耗量大,工作温度高及调整范围小等缺点。
为了提高效率,人们研制出了开关式稳压电源,效率很高,稳压范围宽,而且还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特性,是一种很理想的稳压电源产品。
所以,开关式稳压电源已广泛应用于各种电子设备中,开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的导通与截止,将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压,从而产生所需要的一组或多组电压的技术,而大多数开关电源都是基于电压控制模式,但由于其响应慢等缺点,本文根据电压控制模式的缺点设计了一种基于电流控制模式的开关电源。
1.2开关电源的基本原理
开关电源就是通过控制开关管对电路进行高速的导通与截止,将直流电变流为高频率的交流电,再让高频变压器进行变压,从而产生所需要的一组或多组电压。
它利用电容、电感的储能的特性,通过可控开关进行高频开关的动作,将输入的电能储存在电容(感)里,当开关断开时,储层的电能再供给给负载。
其输出的功率或电压的大小与占空比有关。
高频开关电源由以下几个部分组成:
1、主电路
从交流电网输入、直流输出的全过程,包括:
(1)输入滤波:
其作用是将电网存在的谐波滤除,同时也阻碍本机产生的谐波污染公用电网。
(2)输入整流与滤波:
将电网交流电源直接不控整流变为直流电,以供进一步变换。
(3)逆变:
将整流后的直流电转化为高频交流电,使得滤波器和高频变压器体积大大减小。
(4)输出整流与滤波:
提供稳定可靠的直流电。
2、控制电路
从输出端取样(电压或者电流),经与给定值进行比较,然后去控制逆变器来改变控制频率或脉宽,达到使输出稳定,同时设置保护电路,使控制电路对整机进行各种保护措施。
3、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。
4、辅助电源
提供所有单一电路的相互隔离的供电电源。
1.3开关电源发展趋势
开关电的效率比线性电源高很多。
这样就节省了能源,因此它受到人们的青睐。
但它也有缺点,就是电路复杂,维修困难,对电路的污染严重。
电源噪声大,不适合用于某些低噪声电路。
开关电源的发展趋势可以概括为以下四个方面:
1、小型化、薄型化、轻量化、高频化。
开关电源的体积、重量主要是由储能元件(磁性元件和电容)决定的,因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。
因此高频化是开关电源的主要发展方向。
2、高可靠性。
开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍,因此降低了可靠性。
所以,要从设计方面着眼,尽可能使用较少的器件,提高集成度,采用模块化技术可满足分布式电源系统的需要,提高系统的可靠性。
同时如今的开关电源还具有自我故障预测的HMM技术来检测电源故障,提高电源供电可靠性。
3、低噪声。
开关电源的缺点之一是噪声大,单纯地追求高频化,噪声也会随之增大。
采用部分谐振转换回路技术,在原理上既可以提高频率又可以降低噪声,所以,尽可能降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。
4、采用计算机辅助设计和控制。
采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数,使开关电源具有最简结构和最佳工况。
在电路中引入微机检测和控制,可构成多功能监控系统,可以实时检测、记录并自动报警等。
5、低输出电压技术。
随着半导体制造技术的不断发展,微处理器和便携式电子设备的工作越来越低,这就要求未来的DC-DC变换器能够提供低输出电压以适应微处理器和便携式电子设备的供电要求。
开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关,高频化的实现,需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。
发展电力MOSFET、IGBT等新型高速器件,开发高频用的低损磁性材料,改进磁元件的结构及设计方法,提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等方面的工作,对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。
总之,人们在开关电源技术领域里,边开发低损耗回路技术。
1.4开关电源的分类
1、按驱动方式划分:
(1)他激式幵关电源。
其电源内部备有专门独立的振荡电路,与振荡器同步的控制信号驱动开关管。
单端正激式开关电源电路就是其中一例,它使用专用的脉冲宽度控制器PWM芯片或分立电路。
(2)自激式开关电源。
其借助于变换器自身的正反馈控制信号,实现开关自动周期性开关。
开关管起着振荡期间和功率开关的作用。
如单管振铃扼流圈变换器,即称RCC变换器、双管单变压器罗耶尔电路。
2、按控制方式划分:
(1)脉冲宽度调制开关电源(PWM)。
这种控制电路的特点是,电路的工作频率不变,通过改变脉冲宽度(占空比)实现对输出电压和输出电流的调节和控制。
目前大部分的开关电源都是采用这种控制方式对电路进行控制。
(2)脉冲频率调制开关电源(PFM)。
该电路的脉冲宽度(占空比)保持不变,通过改变电路的工作频率实现稳定输出电压和电流的目的,自激式开关电源
(3)混合型调制开关电源(PSM)。
这种电路通过调节脉冲宽度和频率实现对输出电压和电流进行调节,采用这种控制电路进行设计的主要缺点是:
需要同时考虑脉宽和频率的变化,电路设计比较复杂。
3、按输入输出是否隔离划分:
(1)隔离式开关变换器。
他是高频变压器将变换器的一次侧与二次侧隔离。
主要结构有单端正激式变换器、单端反激式变换器、推挽变换器、半桥式变换器、全桥式变换器
(2)非隔离式开关变换器。
他在电气上输入与输出不隔离的,输入与输出共用一个公共端。
主要有BUCK变换器、BOOST变换器、GUK变换器、ZETA变换器、SEPIC变换器等。
1.5本文主要做的工作
本文所作的工作主要分为以下四个方面
1、分析电流控制型PWM全桥拓扑电路的工作原理。
2、对主电路结构进行设计,研究主电路中各元件的选择主要包括:
输入输出整流滤波电路、开关管选择、高频变压器设计等等。
3、研究UC3846控制芯片的功能,对控制电路进行设计
4、进行理论分析和实验平台的搭建。
1.6本论文结构
论文的主要结构如下:
1、介绍了课题的研究背景和开关电源的原理与发展方向。
2、对电压控制模式和电流控制模式的优缺点进行对比。
3、介绍了主电路和高频变压器的参数进行设计。
4、对控制电路进行具体的分析和设计。
5、实验结果,主要介绍了对实验结果的分析,主要有输入整流滤波和控制电路输出的波形。
1.7本章小结
本章主要介绍了课题的研究背景,并介绍了开关电源的基本原理和开关电源的分类以及发展方向,接着介绍了本文的主要工作和主体结构。
2开关电源的控制模式介绍
2.1PWM电压控制模式
对于开关电源来说,开关频率通常为一设定的恒定值,通过控制电路来调节主电路脉冲宽度来改变占空比,实现稳定输出电压或电流的目的。
控制采样信号主要有输出电压、输入电压、开关管峰值电流、输出电流以及输出电感电流等等。
由这些信号可以组成单环或多环控制系统。
这种闭环反馈控制模式称为脉冲宽度调制(PWM)。
下面主要介绍常用的两种PWM控制模式,电压控制型和电流控制型,并详细分析了这两种电路的基本工作原理,各自的优缺点等等。
电压模式控制是最早应用于开关电源中的一种模式。
图2.1所示为PWM电压模式的原理图。
电源输出电压Uo与参考电压Uerf经误差放大器A比较放大后,又经PWM比较器N比较,由锁存器输出占空比随误差电压信号Ue变化的一系列脉冲,再驱动控制用的开关晶体管VT,使输出电压Uo稳定。
图2.1PWM电压控制模式
电压模式控制的主要优点有:
1、单环控制,设计简单;
2、较大的斜升坡幅度将提供良好噪声裕度;
3、低输出阻抗有利于多输出。
同时具有以下缺点:
1、响应慢;2、补偿复杂
从反馈特点来看,在反馈回路中,只有输出电压信号被采样,并将其转化为PWM信号控制输出电压,因此该反馈模式被称为电压模式。
2.2PWM电流控制模式
2.2.1电流控制模式简介
以电流信号作为采样控制信号的控制电路称为电流模式控制PWM电流控制模式。
图2.2是电流控制模式:
图2.2电流控制模式
由图2.2可见,它是一个双环控制系统,既保留了电压型控制器的输出电压反馈控制部分,又增加了一个反馈环节,它的电路工作原理是:
Uo与Uerf经A比较放大后,得到Ue,由恒频时钟脉冲置位锁存器输出脉冲驱动VT管导通,电源电路中因输出电感的作用使脉冲电流逐渐增大,当电流在采样电阻Rs上的电流信号电压Us幅度达到Ue电平时,脉宽比较器的状态反转,锁存器复位,驱动撤除,功率管关断,电路逐个地检测和调节电流脉冲,控制电源输出。
电流控制模式的主要优点有:
1、具有良好的线性调整率和快速的输入输出动态响应。
2、消除了输出滤波电感带来的极点和系统的二阶特性,使系统不存在有条件的环路稳定性问题,具有最佳的大信号特性。
3、固有的逐个脉冲电流限制,简化了过载保护和短路保护,在推挽电路和全桥电路中具有自动磁通平衡功能。
多电源单元并联易于实现自动均流。
同时缺点如下:
1、需要双环控制,增加了电路设计和分析的难度。
2、因电流上升率不够大,在没有斜坡补偿时,当占空比大于50%时,控制环变得不稳定,抗干扰性能差。
3、因控制信号来自输出电流,功率级电路的谐振会给控制环带来噪声。
2.2.2峰值电流控制模式
针对电压控制模式的缺点,人们设计出了峰值电流控制模式,随着控制芯片技术的成熟,峰值电流模式得到越来越广泛的应用。
峰值电流模式是一种采用固定时钟开启、逐个峰值电流检测关断的方法。
输出电压采样信号与参考电压在误差放大器中进行比较产生误差放大信号Vea,然后误差信号Vea再与电感电流采样信号在PWM比较器中进行比较产生控制信号,由于电感电流直接反应了电路状态的变化,且不需要经过误差放大器,直接输入到系统的比较环,因此,峰值电流控制模式与电压控制模式相比,具有更快的响应速度,但是在占空比D>50%时,需要进行斜坡补偿。
目前补偿方式有两种:
1、将补偿信号叠加在电流采样信号上;2、将补偿信号从误差电压信号Vea中减去。
峰值电流模式控制的优点有:
1、暂态闭环响应比较快,对输入电压的变化和输出负载的变化瞬态响应也比较快。
2、控制环易于设计
3、具有简单自动的磁平衡功能
4、具有瞬时峰值电流限流功能
峰值电流模式的缺点有:
1、在占空比大于50%的时候开环工作不稳定,难以校正平均电流和峰值电流的对应关系,需要加入斜坡补偿电路。
2、由于存在两个反馈环路,电路调试复杂。
3、容易产生次谐波振荡。
图2.3峰值电流模式原理
2.2.3滞环电流控制模式
图2.4滞环电流控制
在这种情况下,当电流误差达到滞环的最低值时逆变器将会产生正的输出电压。
相反,当电流误差达到滞环的最大值时逆变器将会产生负的输出电压。
这种电流控制输出电压波形类似于双极脉宽调制。
滞环电流模式控制的优点是:
(1)稳定性好,不容易因噪声而发生不稳定振荡,
(2)不需要斜坡补偿电路。
滞环电流模式的缺点是:
(1)变频控制容易产生变频噪声,
(2)需要对电感电流进行全周期的检测和控制。
2.3斜坡补偿电路的基本原理和设计
本文电路采用TI公司的UC3846芯片,该芯片采用的峰值电流控制型技术,因而存在峰值电流控制模式的优点和缺点,其中一问题是当占空比大于50%电路开环工作状态缺乏稳定性,而且易发生次谐波振荡,可以通过加入斜率补偿电路来改善。
斜坡补偿即运用峰值电流控制方式时,通过斜率补偿电路将振荡电路产生的三角波信号的一部分加到控制电路信号上,来改善控制电路的控制性能,从而让电路处于稳定工作状态。
2.3.1斜率补偿的基本原理
在不考虑外部电压环的情况下,当恒频电流型变换器的占空比D>50%时,就存在内部电流环不稳定的问题。
图2.5是峰值电流控制的电感电流在扰动下的波形图,
0为扰动信号,Vea为电压放大器输出电流设定值,m1,m2分别为电感电流上升沿和下降沿斜率。
(a)占空比小于50%
(b)占空比大于50%
图2.5峰值电流控制的电感电流在扰动下的波形
由图可知,经过一个周期,由扰动电流0引起的误差为:
(2-1)
经过n个周期扰动电流引起的误差为
(2-2)由公式2-2可知当电路占空比小于50%时,m2 当电路占空比大于50%时,m2>m1扰动电流引起的误差变大,电感电流信号振荡发散,系统工作不稳定,这时需要加入一定的斜坡补偿电路使开关电源稳定工作。 如图2.6所示,在加入斜坡补偿电路之后,即使电路占空比小于或接近50%,也能改善电路的性能。 图2.6占空比大于50%时斜率补偿 加入补偿后,经过一个周期,扰动电流引起的误差为: (2-3)经过n个周期扰动电流引起的误差为 (2-4) 系统实现稳定的条件是 (2-5) 对于占空比为100%的情况,m1=0,代入到上式中得到m>-0.5m2,图2.7为-m=m2,时,电感电流波形。 可以看出经过一个周期后,由扰动电流引起的误差已经被消除。 在实际应用中通常选取m为m2的0.7-0.8倍。 图2.7电感电流波形 2.3.2斜坡补偿电路的设计 图2.8斜率补偿电路 图2.8中所示是斜率补偿电路,通过采样电阻Rs将电感电流的信号变成电压信号来反馈,R1和R2值的比例决定了所加的斜坡补偿量的大小,电容C2与R1构成RC滤波电路可以防止电路的误动作.将斜率补偿电路再简化即可得到如下图2.9所示电路: 图2.9简化的斜率补偿电路 斜率补偿电路的设计: 电感电流下降的斜率 (2-6) 初级绕组的电感电流的下降斜率 (2-7) 初级电流反馈电压 (2-8) 频率振荡电路的斜率 (2-9) 由叠加原理可知补偿后的误差放大器的输入电压 (2-10) 斜坡的补偿值 (2-11) M是补偿系数,取0.8。 2.4本章小结 本章主要对电压控制与电流控制的优缺点进行比较进,对峰值电流这种电流控制型方式进行了介绍。 接着对峰值电流型控制电路中存在的斜率补偿问题进行了分析和研究,并给出了补偿电路设计过程。 3DC/DC全桥变换电路参数设计 3.1输入整流与滤波电路 图3.1主电路 本文所设计的电流控制型全桥主电路拓扑结构如图3.1所示,其主要包括输入输出整流滤波电路、全桥拓扑、高频变压器和吸收电路等。 接下来将对主电路的各部分的工作原理及关键元器件的参数设计和选取作详细的介绍。 开关电源输出电压为24V,最大额定输出电流5A,电源的效率为80%. 1、整流桥的参数选择: 反向重复峰值电压: 输入电压为220V时,经过整流后的最小直流电压为(考虑到电源电压的波动) = (3-1) 输入电流有效值: = (3-2) 整流桥额定的有效值电流: (3-3) 综上考虑选择的整流桥为KBPC2510,其主要参数为: 最大反向电压经常峰值1000V 电压最大RMS700V 阻断电压最大DC1000V 最大正向平均电流25A 峰值正向浪涌电流单一正弦半波300A 2、输入滤波电容的选择: 电源的输入功率: W(3-4) 输入电压为220V时,经过整流后的最小直流电压为(考虑到电源电压的 波动) (3-5) Vpp为输入电容上要得到的电压纹波峰峰值,其大小为输入电压峰值的5%-10%,这里取5%,则输入滤波电容的大小为: (3-6) 式中f等于纹波频率,0.7为全桥整流电流占空因数的补偿系数。 另外根据经验也可得知,一般输出1W的功率对应输入滤波电容可取1uF。 考虑到电容裕量,本文选用2个470uF/450V的电解电容并联使用。 3.2全桥电路的设计 3.2.1主电路结构的选择 全桥拓扑电路(图3.2)由四个MOSFET组成,它的主要优点是高频变压器只需要一个初级绕组,通过交流电压得到正反向磁通,次级输出采用带中心抽头式的输出,输出整流电路采用全波整流电路。 全桥拓扑电路的效率和功率密度较高。 全桥拓扑电路的主要缺点是由于MOSFET管的交替导通,很容易造成上下管的直通炸管现象,因此需要采用一定的电路来避免上下开关管的直通现象。 图3.2主电路功率开关及整流输出滤波电路 3.2.2MOSFET的选择 由于采用全桥电路拓扑,主电路开关管在关断时间内所承受的电压为主电路直流母线电压。 为此在设计的过程中,为了确保在电网电压输入波动时,电源能够可靠的工作,MOS管的正向耐压值应该在358V以上(即Vinmax=358V,考虑电网电压波动范围是 %。 所以直流母线上的最大电流为 (3-7) 由于随着MOS管的管温的升高,MOS管承受的最大工作电流将减小,与此同时考虑到裕量,应该选取连续漏极工作电流在2A以上的MOS管,其漏极-源极的击穿电压应大于400V,所以本文选取得是IR公司生产的具有低栅荷的场效应管IRF
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