PWM单端反激式充电器
主要用于电瓶车充电器(电动自行车)
本设计方案及报告
淮海工程学院-电气工程及自动化——G电气161，朱奎春和余某整理设计编写。本文后半部分采用截图。
以下如下：
引言
根据控制模式，开关电源分为两种基本形式：一种是脉冲宽度调节（PWM），其特点是通过改变脉冲宽度来调节固定开关频率；另一种是频率调节（PFM），其特点是固定宽度，通过改变开关频率来调整空间比。两者的电路不同，但都属于时间比控制（TGC）方法，其效果相同，可以达到稳定的目的。目前，大多数开关电源使用PWM方式。 随着电子技术的发展，出现了很多种PWM技术包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等等，镍氢电池智能充电器中使用的脉宽PWM该方法将每个脉冲宽度相等的脉冲列作为PWM波形可以通过改变脉冲列的周期来调节频率，改变脉冲的宽度或占空比来调节压力，电压和频率可以通过适当的控制方法协调变化。可调整PWM的周期、PWM达到控制充电电流的目的。 电动汽车充电器是专门为电动自行车电池配置的充电设备！充电器分类： 可分为两类：有、无工频（50赫兹）变压器。货运三轮充电器一般采用带工频变压器的充电器，体积大、重量大、耗电，但可靠、便宜；电动自行车和电动摩托车采用所谓的开关电源充电器，节能、高效，但易损坏。
1 设计内容
本课程设计为PWM脉冲宽 用单端反激变换器制备充电器。课程设计的主要步骤包括方案选择、方案设计、充电器分析、主电路分析和相关计算。市场上有许多充电设计方案，如正负、二段、三段、全智能脉冲充电器，其中三段智能充电器用户较多。我们的计划是三段的。
1．1 参数指标
市场上充电器的输出电压和规格主要分为以下几种： 1.1.1 36V10-12Ah： 恒流1.8A±0.1A，最高限压：44.4V，转灯电流:300mA±20mA，浮充电压：41.4-41.7V。 1.1.2 48V10-12Ah： 恒流1.8A±0.1A，最高限压：59.2V，转灯电流:300mA±20mA，浮充电压：55.2-55.6V。 1.1.3 48V14-16Ah： 恒流2.0A±0.1A，最高限压：59.2V，转灯电流:350mA±20mA，浮充电压：55.2-55.6V。 1.1.4 48V17Ah： 恒流2.7A±0.2A，最高限压：59.2V，转灯电流:500mA±20mA，浮充电压：55.2-55.6V。 1.1.5 48V20Ah： 恒流3.0A±0.2A，最高限压：59.2V，转灯电流:600mA±30mA，浮充电压：55.2-55.6V。 1.1.6 48V28Ah： 恒流4.5A±0.3A，最高限压：59.2V，转灯电流:800mA±50mA，浮充电压：55.2-55.6V。 由于我们设计的东西和相关的数据，我们在这里选择48V28Ah充电器参数作为本课程设计的参数指标。
1.2 技术要求
对于这个充电器，我们应该能够对蓄电池车进行三级充电。三级充电器的充电模式是将充电过程分为三个充电阶段：恒流、恒压和浮动充电。并具有电池检测部件和电网电压波动的保护电路，可进行过流保护和输出端短路保护。 电动自行车是一种集电池技术、电力电子技术、电机技术和精密传动技术于一体的新型特种自行车。由于其无污染、噪音低、能耗低、道路占用少、方便快捷等特点，已成为世界上流行和大力推广的绿色私人交通工具。
2 方案选择
电瓶车充电器总体框图 
2.1 方案设计
2.1.1 整流滤波电路 整流滤波电路包括半波整流、桥式整流和变压器中心抽头整流。有些设备也分为非控制、半控制和全控制。滤波器包括电容滤波、电感滤波和Π型滤波。 为了实现更好的整流，我们采用无控桥式电容滤波进行整流。由于蓄电池充电器的充电功率一般为200W左右。因此，我们不需要堆栈式二极管，直插式可以更好。 2.1.2 开关管的选择 开关管的类型主要分为半控型和全控型。如晶闸管，GTO, GTR, IGBT, MOSFET等。而IGBT它是绝缘栅双极场效应管，为电压控制电流，栅控装置，其工作频率高于普通双极装置，电流处理能力比MOSFET一般用于中高频中高压领域。功率MOSFET由于是单极设备，电流处理能力相对较弱，但由于开关过程中没有载流子存储的建立和提取，在高频低压领域具有良好的频率特性。 电瓶车充电器是高频变压器。在选择管道时，我们选择频率好的。MOSFET开关管。价格也比较合适。
2.1.3 高频变压电路 常用的开关电源充电器分为半桥式和单激式，单激式分为正激式和反激式。半桥式充电器成本高，性能好，常用于负脉冲充电器；单激式成本低，市场份额高。但也有一些使用PFM方式。PWM方式电路的工作原理： 若用T表示开关的脉冲周期，t_(on )表示其导通时间，n在脉冲周期的前提下，表示高频变压器的最终输出电压U_(o ) 和输入电压U_(i )关系可用性(2-1)表示: U_O=1/n t_on/T U_S=1/n DU_S （2-1） 式(2-1)表明,开电源的输入电压或输出电压发生变化时,如电网电压升高或负载变化使输出电压升高或降低时,只要适当控制占空比,可以使输出电压Uo保持不变。控制电路的功能是实现此功能。脉冲宽度调节器是此类开关电源的核心。它能产生频率固定、脉冲宽度可调的驱动信号，控制开关设备的开关状态，调节输出电压，达到稳压的目的。锯齿波发生器用于提供恒定的时钟频率信号。使用误差放大器和PWM比较器形成闭环调压系统。若由某种原因造成Uo脉宽调制器会改变驱动信号的脉冲宽度，即开关的占空比D,减少斩波后的平均住电压，反之亦然。 buck变换器和单端正激。图2-1-3中（a）图为buck电路。但我们充电器的输入电压整流后的电压约为300V，对电池和人都有潜在的危险，所以需要buck变换器改为图2-1-3（b），加入隔离变压器进行电隔离，只有磁连接。图2-1-3中（b）为单端正激变换器。我们学过的电力电子技术课本单端正激: U_O=N_2/N_1 t_on/T U_S=N_2/N_1 DU_S （5-1） 而单端反激DC/DC变换器图2-1-3（c）如下
在图2-1-3（c）中,变压器T1起隔离和传递储能的作用，即开关管Q开启时Np储存能量，Q关闭时开关管Np向Ns释放能量。输出端应添加电感器L和电容器C。低通滤波器由变压器组成Cr、Rr和〖VD〗_r组成的RCD漏感尖峰吸收电路。输出回路需要整流二极管VD1。如果变压器使用有气隙的磁芯，铜损大，变压器温度相对较高，输出的纹波电压相对较大。但其优点是电路结构简单，适用于200W以下电源，多路输出交调特性较好。 本课程选择为单端反激变换器。首先，变压器可以隔离，高压侧和低压侧可以隔离。防止爆炸等危害。变压器具有储能、变压和隔离功能。其次，反激的优点是电路简单，体积相对较小。反激式电源输出电压的调节范围主要高于正激式开关电源。反激开关电源多用于多路输出。 2.1.4 控制电路 控制电路是控制电路运行状态的一部分。主要产生脉冲控制开关管、三端充电恒流、稳压、涓流充电。它还可以显示充电量和各种电源保护，如电网电压波动、负载短路、负载不匹配（非相应的充电器电池组）等。 集成元件体积小，电路结构简单，设计方便。控制电路对功率要求不大。PWM与脉冲调制相关的集成器件包括UC3842,UC3843等。 为了设计简单，我们使用它UC控制3843集成块MOSFET管道的通断。电池组集成块的检测LM339是4个电压比较器。价格也比较合适。
3 设计充电器相关参数
3.1 计算整流电路，选择元件参数：
滤波电容器的尺寸选择如下： 桥式全波整流滤波带负载输出电压公式： U_L=1.2×U_2=1.2×220=264V 每个二极管承受的最大反向电压： U_VTM=√2 U=√2×220≈311V 为了考虑1.5~2的余量: U_VTM=(1.52)×311=466622V 平滑负载电压： τ=RE1=4T/2=2T=2/50=0.04s 得到滤波电容： E1=0.04/1320=30μF 考虑到电网电压的波动，电容承受的最高电压为： V_cm=264×(1 0.1)=290.4V 根据上述计算结果，滤波电容器应选择标称为68uF 400V电解电容。工频交流电滤波电路滤波后的工频电压通过整流二极管D1~D4全桥整流，然后通过滤波电容器E1滤波。通过通过搜索二极管的参数来了解IN5399的最高反向峰值电压为1000V，平均整流电流为5A，最大峰值浪涌电压一般为1.5A，最大反向泄漏电流为5A，通过比较发现，符合作为充电器的高速整流用。
3.2 RCD参数计算与选择
限制电路MOSFET高频变压器泄漏能引起的尖峰电位和二次线圈反射压的叠加，叠加的电压产生在MOS管由饱和转向关断的过程中，漏感中的能量通过VD向C6充电，C6上的电压可能冲到反电动势与漏感电压的叠加值。 C6作用：将该部分的能量吸收掉，其容量大小： 单端反激电路漏感Le一般在40uH到100uH之间，这里取60uH计算。 C6=(（Le×Isc×2）)/((Vr+△Vpp))×2-Vr×2=22nF R6=0.63×(（Vr+△Vpp）)/((△Vpp×f×C))=100kΩ VD的选择：耐压值要超过叠加值的10%。电流要大于输入电流的平均值的10%。因此，选择800V，3A的二极管。选择为IN5399二极管。
3.3 UC3842各管脚电位、元件参数的计算、选择
1脚：1脚是误差放大器的输出端，误差放大输出约为3.4V。 2脚：反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度。误差放大器反相输入端约为2.4V。 因为电路原因，UC3842的2脚和1脚之间通常会有补偿网络，通过电阻和电容来补偿。 两者大小不会太大，所以C1=10nF，R3=10kΩ。 3脚：电流检测输入端，当检测电压超过1V时，缩小脉冲宽度，使电源处于间歇工作状态，该脚产生大概0.1V的电压。 因为干扰问题，所以UC3842的电流取样端3脚为防止干扰，在后面接RC滤波器。 由于3脚干扰信号为高频，若选用电容较大，那在使用中，会因它电解液的频繁极化而产生较大热量，而较高的温度将使电容内部的电解液气化，电容内压力升高，最终导致电容的鼓包和爆裂。所以这里我们选用100pF的电解电容作为滤波。 4脚：定时端，内部振荡器的工作频率由外接阻容时间常数决定： f=1.72/((R_4×C_3)) 为了使频率在300kHz，所以电阻R4选择如下： R_4=1.72/(f×C_3 )=1.72/(300×〖10〗3×4.7×〖10〗(-9) )≈1.2KΩ 6脚：6脚为推挽输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅为50ns，驱动能力为正负1A，根据电路可知，该电流为正，假设此时电流正好为1A，驱动输出电压为2V，根据N沟道结型场效应的特性：Vgs大于一定的值就会导通，适用于源极接地。因为6脚电位本身就不高，那么Rg的阻值要远大于R8，才能分去更多的电压，才能满足MOS管的导通要求。所以R8、R9的取值分别为15Ω、10kΩ。 7脚：国产的电源PWM控制电路最常用的集成电路型号就是UC3842，经查阅它的7脚电压在10V到17V之间波动，因为整流滤波电路供给的电压达到近300V左右，又因为让芯片UC3842启动的电流在0.5mA到1mA之间，那么在电阻R5上的电流必须大于它既可，而它的电流又不能太大，则可推断出R5的阻值必定很大，若取1.5mA的电流供给芯片启动，则： R5=300V/1.5mA=200kΩ 8脚：基准电压输出，可以输出的精确的+5V电压，电流可达0.05A C2是个滤除8脚与4脚之间产生的不必要信号，这里取100nF。
3.4 MOSFET管的选择
最大占空比D_max因为不能超过50%，因此这里取40%用于计算，后面同样。 耐压选择: V_dss=V_dcmax=600V 耐电流选择: I_d=I_out 1.2(PoVdmin)1-D_max=1.5A 所以这里选择SSS5N80的MOSFET管，额定值分别为：800V 2.7A 42W
3.5 变压器的选择、计算
7 参考文献
- 周志敏、周纪海，《高频开关电源设计与应用实例》，人民邮电出版社，电气工程应用技术从书，2008年
- 周渊深、宋永英、吴迪，《电力电子技术》，普通高等教育电气信息类规划教材，2011年
- 刘遂俊，《精修电动车充电器与控制器》，机械工业出版社，全行业优秀畅销品种，2008年
- 吴祥兴，《深入浅出电源设计》，卓越工程师培养计划从书，2014年
- 张天星、张慧玲，《电动自行车电气原理与维修》，电子科技大学出版社，电子教图书编委会系列从书，2006年
- 吴文琳，《电动自行车结构与使用维修》，机械工业出版社，2005年