基于uc3844变频器辅助电源研究设计毕业论文(编辑修改稿)

基于uc3844变频器辅助电源研究设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

种类型。 脉宽调制 PWM 即要求逆变电路输入直流电压的有效值是不能控制的，也就是整流电路应为二极管控桥路，而逆变电路通过控制全控元件的开关频率和开关时间的长短，用来改变其输出电压变频和输出脉冲占空比，因此 实现频率和电压值配合改变目的。 整流器分为电压型和电流型两大类。 电压型 PWM 整流器（ Voltage Source Rectifier,简称 VSR）最显著的拓扑结构特征就是直流侧采用电容进行直流储能，从而使直流侧呈低阻抗的电压源特性。 它以其较低的损耗、简单的结构、方便的控制和较快的响应速度等一系列优点，一直成为 PWM 整流器研究的重点。 下图是三相电压型 PWM 整流器。 图 一种三相电压型 PWM 整流器 基于 UC3844 变频器辅助电源的研究设计 4 电流型 PWM 控制系统的流程框图如图所示。 图 电流型 PWM 控制系统框图 该系统采用电流电 压双闭环串级控制结构 ,内环是电流环 ,外环是电压环。 控制原理是 :给定的电压 Ug与从输出反馈回的电压 Ur 进行比较 ,得到的电压误差经电压调节器输出作为另一个给定的电压信号 Ue。 该信号与经电阻采样反映电流变化的信号 Us 进行比较 ,输出一个占空比可调节的 PWM 脉冲信号 ,从而使得输出的电压信号 V0 保持恒定。 电流型 PWM 控制的优点如下 : a)负载调整率好。 由于电压误差放大器可专门用于控制占空比 ,可以很快适应负载变化造成的输出电压的变化 ,因此可以显著改善负载调整率。 b)电压调整率好。 输入电压的变化会带动电感电流的变化 ,电 感电流的变化立即被电流控制回路感应而被抑制 ,不需要类似电压控制调节的复杂过程，所以响应快。 如果输入电压的变化是持续的 ,电压反馈环也起作用 ,可以达到较高的调整率。 c)系统稳定性好。 电压控制单闭环系统是一个无条件的二阶稳定系统。 而电流控制双闭环系统是一个无条件的一阶稳定系统 ,因此系统稳定性好。 变频器的开关电源简介 开关电源的发展 开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、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，因此国外各大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（ Bs)下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。 SMT 技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。 开关电源的高频化就必然对传统的 PWM 基于 UC3844 变频器辅助电源的研究设计 5 开关技术进行创新，实现 ZVS、 ZCS 的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。 对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提 高。 开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、 IGBT 和 MOSFET、变压器。 SCR 在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用， GTR 驱动困难，开关频率低，逐渐被 IGBT 和 MOSFET 取代。 开关电源高频化和小型化，使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了开关电源的发展前进，每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。 开关电源可分为 AC/DC 和 DC/DC 两大类，DC/DC 变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已 得到用户的认可，但 AC/DC 的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。 另外，开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。 模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成 N+1 冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。 针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开 展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。 电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。 要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。 开关电源的工作原理： 开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是， PWM 开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏 安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小） /功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。 与线性电源相比， PWM 开关电源更为有效的工作过程是通过 “ 斩波 ” ，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。 脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。 一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。 通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。 最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。 基于 UC3844 变频器辅助电源的研究设计 6 控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。 也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计 成与线性调节器相同。 他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。 开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。 尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。 开关电源的优点： 开关电源的电路结构与线性电源相比有如下几个优点： (1)功耗小，效率高。 激励信号激励功率晶体管，晶体管交替工作在饱和导通与截止的快速开关状态，频率一般在几十到几百 kHz。 这就使得功率晶体管的损耗较小，电源的效率可以达到 80%以 上。 (2)滤波的效率高，大大减小了滤波电容的容量和体积。 开关稳压电源的工作频率是线性稳压电源的频率的 1000 倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了 1000 倍。 采用开关稳压电源时，在相同的纹波输出电压的要求下，滤波电容的容量远小于线性稳压电源中滤波电容容量。 (3)稳压范围宽。 激励信号的占空比和激励信号的频率是用来调节开关稳压电源输出电压的，并且通过变频或调宽，可以对输入电压的变化进行补偿。 在电网电压不稳定的时候，或者负载有较大的变化时，它仍然可以保证稳定的输出电压，因此它的稳压范围较宽、稳压效果比其他电源 好。 (4)体积小。 开关稳压电源没有体积较大工频变压器，并且省去了很多散热片，因为其在功率晶体管上的耗散功率大幅降低。 因此开关稳压电源无论是体积还是重量都有所减小。 (5)电路形式较多。 例如，有调宽型和调频型，自激式和他激式，有单端式和双端式。 设计师可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。 开关电源的构成 变频器开关电源主要包括整流滤波电路、变换器、控制电路、保护电路组成。 基于 UC3844 变频器辅助电源的研究设计 7 图 开关电源的基本构成 变频器的整流虑波电路和逆变电路，可分为晶闸管三相桥半控式整流和三相逆变电路、二极管单相桥式整流和三相逆变电路、晶闸管三相桥全控式整流和三相逆变电路、二极管三相桥式整流和三相逆变电路等 4 类。 在变频器整流的过程中，可以产生大量的高次谐波，据绿波杰能的不完全统计，最高的电流畸变率，可以达到 70%以上。 这些高次谐波，会通过与变频器输入端连接的电源线，进入到电网中，进而会影响到使用这一电网的敏感设备的正常工作。 变频器输入滤波器，就是为了解决变频器干扰电网的问题 ，同时，亦能解决变频器遭受电网中的谐波危害所产生的过压、过流、欠压、过载、过热等误报警、误动作、拒动等问题。 输入滤波器的作用： 第一，对将要进入变频器的电网中的谐波进行阻止。 第二，对变频器产生的谐波进行抑制。 第三，缓和电网中的尖峰脉冲； 第四，抑制电网的换相缺口； 输出整流滤波器的作用是将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时防止高频噪声对负载的干扰。 开关电源有两种常用的变换器： ① PWM 变换器 脉冲宽度调制简称脉宽调制。 它的原理是利用微处理器的数字输出控制模拟 电路。 是一种非常有效的技术，在通信、功率控制、测量与变换等许多领域都有所应用。 通过 基于 UC3844 变频器辅助电源的研究设计 8 参数相应载荷的变化来调制晶体管基极或栅极的偏置，以此改变晶体管导通的时间，这种方式能使电源输出电压在外部工作条件变化时，一直保持恒定。 脉冲宽度调制（ PWM）通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。 PWM 信号仍然是数字的，所以不论在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么为 0，要么完全存在。 SU 1++VTCi sU 0 图 PWM 变换器原理图 电压或电流源是以一种通或断的重复脉冲序列。 直流供电加到负载上 的时候就是通的时候，供电被断开的时候就是断的时候。 所以如果带宽够的话，所有模拟值都可以使用 PWM 来编码。 其工作原理如上图。 多数负载 (无论是电感性负载还是电容性负载 )需要的调制频率高于 10Hz，通常调制频率为 1kHz 到 200kHz 之间。 PWM 相对于模拟控制的另外一个优点是对噪声抵抗能力的增强，所以某些时候我们必须以 PWM 进行通信。 通过将模拟信号转向 PWM，可以很大程度上地延长通信距离。 通过适当的 LC 或 RC 网络可以在接收端滤除调制高频方波，并将信号还原为模拟形式。 ② DC/DC 变换器 DC/DC 变换器在开关电源中，一般来说是要求输入与输出间进行电隔离的。 在这种情况下需要使用称为隔离变换器的变压器进行隔离。 隔离变换器可以把直流电压变换为高频方波电压，把直流电流变换为高频方波电流。 通过升压降压变换和整流平滑滤波，最后变为直流电压或电流。 DC/DC 变换器有 5 种基本类型：单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。 下面重点分析隔离式单端反激转换电路，电路结构图如图所示。 基于 UC3844 变频器辅助电源的研究设计 9 V DCR LM 2V i n 图 隔离式单端反激转换电路 单端反激式变换器又称电感储能式变换器，其变压器兼有储能、变压、隔离三重作用。 所谓单 端，指变压器磁芯仅工作在其磁滞回线的一侧。 当功率开关管 S 导通时，直流输入电压 Vin 加在初级绕组上，在变压器初级电感线圈中储存能量，由于次级绕组感应电压为上负下正，使二极管 D 反偏截止，次级绕组中无电流，此时电能转化为磁能存储在初级电感中。 当 S 截止时，初级感应电压极性反向，使次级绕组感应电压极性反转，二极管 D 导通，储存在变压器中的能量传递给输出电容 C，同时给负载供电，磁能转化为电能释放出来。 当开关管重新导通时，负载电流由电容 C 来提供，同时变压器初级绕组重新储能，如此反复。 从以上电路分析可以看出， S 导通时，次级绕 组无电流； S 截止时，次级绕组有电流，这就是 “ 反激 ” 的含义。 所谓反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流脉冲电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。 下图是反激式变压器开关电源的简单工作原理图： 图 反激式变压器开关电源原理图 基于 UC3844 变频器辅助电源的研究设计 10 图中变压器的初级绕组与次级绕组同名端相反， inU 为输入直流电压，开关 S 为功率开关管， C 为输出滤波电容， R 为负载， L1i 为初级绕组电流， L2i为次级绕组 电流；oU 和 oi为输出电压和电流，参考方向如图 所示。 反激变换电路由于具有拓扑简单，输入输出电气隔离，升 /降压范围广，多路输出负载自动均衡等优点，广泛用于多路输出的机内电源中。 在反激变换器中， 变压器 起着 电感 和变压器的双重作用，由于变压器 磁芯 处于直流偏磁状态，为防磁饱和要加入气隙，漏感较大。 功率管导通时，电感电流变化率和电流峰值很大，生成功率开关管开通时的电流尖峰；当功率管关断时，也会产生很高的关断电压尖峰，给功率管造成很大负担，会损坏功率管。 因此，要想法设法限制反激变换器功率开关电流尖峰和电压尖峰。 反激变换器具有容易进行多路隔离输出、输入输出电气全部隔离、简单有效、高可靠性的优点。 因此，反激变换器是对开关电源来说非常重要 ,电力电 子技术研究人员对此进行了大量的研究。 反激变换器的参数由反激式变压器来决定，如最大峰值电流和占空比，反激式变压器的设计，就是对所有的工作器件做一个合理的安排和规划，参数计算要尊重事实规律和理论。