1、1现代电源技术综合实验指导书黄海宏 张学 李文生 朱元付编 杜少武审合肥工业大学电气与自动化工程学院2012 年 8 月 18 日2现代电源技术综合实验包括三部分：单端隔离型高频开关电源实验部分；隔离型桥式 DC/DC 实验部分；变频调速实验部分。这三个部分在实验箱电路板上有明显的区域标识，并且三个部分相互独立。3实验 1 单端隔离型高频开关电源实验一实验目的1.了解单端反激式开关电源的主电路结构、工作原理；2.掌握单端反激式变压器设计和绕制方法；3.学会开关电源调试的基本方法。二实验原理 Ui-+ RLVDVT+*CN12T图 1 单端反激式隔离变换器电路拓扑单端反激式隔离变换器图 1 所示
2、。当 VT 导通时，输入电压 Ui 便加到变压器 T 的初级绕组 N1 上，根据变压器 T 对应端的极性，次级绕组 N2 为下正上负，二极管 VD 截止，次级绕组 N2 中没有电流流过。当 VT 截止时，N 2 绕组电压极性变为上正下负，二极管 VD 导通，此时，VT 导通期间储存在变压器（电感）中的能量使通过二极管 VD 向负载释放。本次实验输入为工频交流 220V，经过工频隔离变压器将电压降到交流35V，再经过二极管整流和大电解电容滤波变成约 48V 的直流电压。采用UC3842 作为 PWM 控制芯片，驱动功率 MOSFET，控制高频变压器的原边通电，副边采用15V 和+15V 三路输出
3、，其中+15V 输出作为反馈端，实现电压稳压输出。 AC20V 输 出工 频变 压 器 二 极 管整 流 滤 波 功 率MOS管 高 频变 压 器 整 流滤 波UC38423842外围 电 路 电 压 反 馈图 2 单端隔离型高频开关电源电路框图技术指标：输入：交流 220V15%输出：+15V/0.2A，15V /0.4A（实验者可调整）MOSFET 开关频率：100kHz（实验者可调整）实验者可观测的数据和波形：交流输入电压波形、二极管整流后电压波形、电容滤波后电压波形、MOSFET 的漏源极电压波形、输出电压波形、UC3842 的锯齿波振荡器波形、UC3842 的输出驱动波形。实验者可调
4、整的参数：可改变反馈电压分压比进而改变输出电压数值；可改变 RCD 吸收电路参数观测 MOSFET 的漏源极电压波形变化情况；可改变功率 MOSFET 的驱动电阻4数值参数观测 MOSFET 的漏源极电压波形变化情况；可改变 UC3842 的锯齿波振荡器电阻值，观测 UC3842 的输出驱动波形频率的变化情况。三实验设备单端隔离型反激式变换器实验板 1 块（已含在实验箱内）DF1731 直流稳压电源 1 台示波器 1 台数字万用表 1 块小一字螺丝刀 1 把四实验电路原理分析1.PWM 控制芯片 UC3842 简介UC3842 是一种单端输出控制电路芯片，其内部结构框图如图 3 所示。5.0V
5、参 考 电 压 VC欠 压 锁 定Vref欠 压 锁 定1mA振 荡 器 锁 存脉 宽调 制 器RR误 差放 大 器电 流 检 测内 部偏 置 SRT 36V3.6V 1.0VVC7653输 出地输 出 补 偿反 馈 T/CVref8421 电 流 检 测比 较 器图 3 UC3842 内部结构框图该芯片电源电压范围 30V，输出电流峰值1A，输出电流（连续）200mA，模拟输入（2 脚、3 脚）从 0 到 2.6V，误差放大器下拉电流 5mA，振荡频率范围 100Hz500Hz，振荡器定时电阻(R T)500RT150k，振荡器电容(CT)1000pFCT1F。UC3842 的管脚功能如下：
6、1 脚：输出补偿端。该管脚为误差放大器输出，并可用于环路补偿。2 脚：电压反馈端。该管脚为误差放大器的反相输入端，通常通过一个分压器连接至开关电源的输出，构成电压闭环。3 脚：电流取样端。一个正比于所控电流的电压接至该引脚，利用电流测定、电流测定比较器构成电流闭环。当该引脚电压1.0V 时，PWM 控制芯片封锁输出脉冲。4 脚：R T/CT 端。用于外接振荡电阻和电容，将电阻 RT 跨接在 4 脚与 8 脚（V ref）两端，电容 CT 接在 4 脚与电源地之间。当 RT5k时，振荡频率为：OSC86.1f55 脚：接地端。是控制电路与电源的公共地。6 脚：脉冲输出端。该输出可直接驱动功率 M
7、OSFET，具有 1A 的驱动（拉、灌）能力。7 脚：电源供电端。启动门限电压为 16V，最低工作电压为 10V。8 脚：基准电压输出端。该引脚输出 5V 基准电压，具有 50mA 的带载能力，该电源通过 RT 向 CT 提供充电电流。VREF8RT/CT4VFB2VCC7OUT 6C/S 3CP1GND5D1UC3842R115kR71kR5 150kR3 3.6kR415kR2 10kC4104C71000pC5100pC6470pR1151/0.5WGNDGNDGNDGND+C925V10uRP1 10kR1251/0.5WRP7 1kR2210kGND为为为为为为为为为为为为图 4 U
8、C3842 及外围电路原理图整流后的直流电压经 R1 分压后向 C9 充电，当 C9 电压16V 时，达到UC3842 7 脚的启动电压门槛值，芯片开始工作：4 脚输出锯齿波，其频率可通过电位器 RP1 调节；6 脚输出方波驱动功率 MOSFET 工作，以控制变压器的原边通电。当输出高电平时，MOSFET 开通。2.整流输出电路R131.5kT2-1VD1FR104VD9MBR3100+C1025V100u C8104VD11为为为为1GND+15V_1R141.5kVD7FR304+C1350V100u C1104T2-4 VD12为为为为2R151.5kVD8FR304+C1450V100
9、u C2104T2-2 VD13为为为为3. 123X2为为1-15V+15V+C1525V100u+C1625V100uC12104C11104Vin1 GND2Vout 3V37915Vin1GND2Vout 3V2 7815123X3为为2F50.5AF60.5AF70.5A12J5为为为为12J6为为为为12J7为为为为1 2J8为为为为R1025W100 R1035W100R1045W100R1055W100123456789101112J22为为为为1234J21为为为为为为为为图 5 变压器副边输出电路原理图变压器副边采用+15V 和15V 三路输出，选择+15V 输出 1（X2
10、）作为反馈6端，15V 输出 2（X3）是变压器另两个绕组 T2-4、T2-2 的输出电压，经过7815 和 7915 稳压输出。变压器开始向负载传递能量时，+15V 输出 1 作为反馈端开始工作：反馈电压向 C9 充电将 UC3842 的 7 脚电压钳制住保持不变；反馈电压经 R3 和电位器RP7 分压后输入 UC3842 的 2 脚的误差放大器，与芯片内部 2.5V 基准电压作比较来调整驱动脉冲宽度，从而改变输出电压以实现反馈绕组电压稳压输出，由此可知调节图 4 中的电位器 RP7 可以改变反馈输出端的输出电压。3.电压尖峰抑制电路R830/5WC17103/200VR1151/0.5WV
11、1IRFP460GNDVD2FR104R1251/0.5W1 2J1为为为为为为R210.22/2WR930/5WC18103/200V1 2J2为为为为1 2J3为为为为1 2J4为为为为J2 J3 J4为为RCD为为1 2 3 4J29DS为为为为为为为为为为为为图 6 DS 波形尖峰抑制电路图 6 所示是驱动电阻和 RCD 缓冲电路部分，此部分设计用来抑制MOSFET 漏源极电压波形尖峰即 DS 波形尖峰。通过 J1 可改变驱动电阻数值，通过 J2J4 的组合可改变 RCD 的 R、C 参数。五 调试引脚说明：X1：输入端 X1 稳压电源 48V 输入，注意红正黑负，如下图所示。X2：是
12、变压器反馈绕组 T2-1 稳压后 15V 输出端子。X3：是变压器两个绕组 T2-4、T2-2 的输出电压经过 7815 和 7915 后的稳压输出7端子。J16：J16 的 GND 和 AC 可用于观察输入交流电压波形和电压值，其中 GND 接示波器探头的地；如下图所示。同理，GND 和 DC 可用于观察经整流和滤波之后的直流电压波形和电压值；GND 和 CT 可用于观察芯片 UC3842 的 4 脚的锯齿波输出；GND 和 OUT 可用于观察芯片 UC3842 的 6 脚波形输出（MOS 管驱动波形） 。J21：可用于观察反馈绕组端输出电压。 （见图 5）J22：1 端和 12 端为变压器
13、副边输出电压观测端，分别对应两个绕组 T2-4、T2-2 的输出电压，3 端和 9 端是变压器两个绕组 T2-4、T2-2 的输出电压经过 7815和 7915 稳压输出。 （可参照图 5 的原理图）J29：为 MOSFET 漏源极电压波形尖峰观测端，即 DS 波形尖峰观测端。可以通过一些短路块的调整，来观测 DS 波形尖峰的变化（可参考图 6）：1） J1 用于调节驱动电阻，接上短路块后并联一电阻使总驱动电阻变小；2） J4 接短路块时，表示 RCD 缓冲电路接入电路，但缓冲电路内部只有 R8 和C17 起作用； J4、J3、J2 均接短路块，内部 R8、R9、C17 和 C18 起作用，缓
14、冲电路的总电阻变小，总电容变大。8J5、J6、J7 、 J8 为负载选择端：J5 、J6 端接上短路块表示反馈绕组端接上负载；J7，J8 端接上短路块表示变压器副边另两个绕组 T2-4、T2-2 端输出接上负载（参考图 5） 。六实验步骤1.反激式变压器设计设计一个安匝连续的反激变压器（1）决定设计反激变压器有关的电源参数。输入电压 Ui：487V输出电压 Uo：15V满载电流 Io：0.2A电路拓扑 反激连续模式开关频率 fs：100kHz设定占空比 D：在48V输入时0.4最大纹波电流 I：0.03A（次级），55V输入变压器效率 ：80%输出功率 =18W0P峰值短路电流 Isp：6.4
15、74A（次级） 次级电感 L：18.23H (D=0.4, I=0.03A)最大损耗（绝对）：2.0W最大温升 40冷却方式 自然对流（2）初步计算：Uo等于输出电压加上整流器、功率开关、线圈和电感电阻压降，在额定Ui =48V和设定的占空比为0.4时匝比为： io1Dn应首先计算低U i时占空比D 、交流和直流分量。低输入电压时的占空比为：maxioU线圈取整后，占空比要相应发生变化，电流推迟到后面计算。（3）部分参数计算： ， ，且有 ，0iPmin41V21ipPLIf，两式相除的 ，由此解得 。1minaxpLIUDT21minaxpLIfUDT1pI9根据公式得初级短路峰值电流： 1
16、.3sppI另有： ， 。21npI2.spI由： ，得02()UDfL02-DpULIf（ ）初级电流：I 1L=I0/n（4）用产品手册选择磁芯材料：磁芯材料为铁氧体，Philips 3C90。100时，饱和磁感应为0.32T。（5）决定磁芯工作的最大磁通密度和最大磁通密度摆幅。如右图，采用磁芯比损耗为100W/cm3时，工作频率f =100kHz对应的B值约为120mT。电感安匝连续模式，饱和限制了最大磁通密度B max0.12T(3000高斯)。因此，在峰值短路时，B 将达到B max 。假定加了气隙的=0.12T磁芯的B H 特性线性度好，B max与电流纹波（在55V）将是：max
17、SP2.3.56647I将峰峰值磁通密度摆幅除以2是0.03T（300高斯）。在3C90 材料磁芯损耗曲线上查300高斯，纹波频率100kHz 时比损耗近似为100mW/cm 3。比经验值100mW/cm 3小得多，磁芯损耗可忽略不计。因此，在I SP6.474A时达到B max，而 I=0.045A时B max仅为0.0028T 。（6）选取B max=0.3T，反激变压器 K1=0.008543SP21LmaxIA磁芯类型选择：查表得磁芯 EI22 的磁芯 AP= ， 如果选择 EI2240.125cm容易引起磁饱和。因此选择 EE25 磁芯，其 AP 为 0.3515cm4，裕量充分，查
18、表得 EE25 磁芯 的磁芯参数为：有效截面积 Ae：0.429cm 2体积 Ve：4.17cm 3磁路长度 le：4.95cm中柱直径 C：0.655cm，D：0.655cm窗口面积 Aw：0.8194cm 2（7）根据需要的电感量计算次级匝数(LH;尺寸cm)：2max10eINB根据匝比求得初级匝数：图7 不同频率下比损耗与峰值磁感应强度的关系（100）40102030(mT)10210320kHz10kHz525kHzmW/c31012Nn（8）根据要求的电感量计算所需的气隙长度(L H;尺寸cm)：g4g0AL（9）计算 100kHz 时的穿透深度76.5f（10）计算导线尺寸次级线
19、圈：U o=41V，1D max=0.56。输出电流：I o=0.2A平均峰值电流： 2amax1I电流有效值： 22ax()IDI选择电流密度为4A/mm 2，导线截面为0.267/=0.066mm 2，次级线圈可以选用AWG30号导线绕制，每股导线截面0.06785mm 2。初级线圈：U i=41V， 0.44。max=因为初级和次级的平均安匝总是相等的，一起驱动电感磁芯。因此平均峰值电流：I 1a=I2a/n有效值电流： 21ax1D峰值短路电流： .3spp另有： ，21npI2.sI由： ，得02()UfL02-DpULIf（ 1）初级电流： 1I=0n选择电流密度为4A/mm 2，
20、导线截面为0.13/4=0.0325mm 2，初级线圈可以选用AWG33号导线绕制， 每股导线截面 0.03662mm2。T2-4 和 T2-2 端匝数按类似方法计算。设计变压器时采用不同匝比可得到不同输出电压值，由于稳压块 7815 和 7915 的启动电压在 17V-30V 之间，因此绕制变压器时 T2-4 和 T2-2 的匝数与 T2-1（+15V ）的不同。单排插针 J22 的 1脚和 9 脚用来测变压器 T2-4、T2-2 端输出电压值，本实验中取此值约为 25V，最后输出端稳定输出15V 电压。2.变压器绕制方法：设变压器原边匝数为 n1，副边+15V（反馈端）匝数为 n2，15V 匝数为n3。1为拿到变压器骨架后首先确定 1，2，3，4，5，6，7 脚2为1（原边） ，4，6，7 脚为同名端
