设计任务

设计并制作图 1 所示的三相 AC-DC 变换电路，该电路的直流输出电压 Uo 应稳定在 36V，直流输出电流 Io 额定值为 2A。

方案论证

1.题目解析

题目要求在不限制变压器具体工作特性的情况下，通过改变变压器输出线电压$U_i$$U_i$,使得AC-DC变换电路输出稳定的36V电压，且此时额定电流为2A。同时需要满足稳定、负载变动率低、效率高、功率因数高等特性。为此，AC-DC变换部分应该选择三相可控整流电路，方便我们对整体电路等功率因数进行调控。同时，由于AC-DC变换在滤波良好的情况下会损失电压，无法达到36V的目的。还需要在AC-DC转换后添加DC-DC或DC-AC-DC变流电路。且需要保证电路输出各项参数指标保持相对稳定。

2.方案选择与比较

1.AC-DC-DC

AC-DC-DC是将三相交流电整流为直流电后，再通过DC-DC变流电路将其调整为目标输出。其结构与达成方式较为简单。通过已有资源选定了使用UC3842驱动的Boost升压电路。其具有较强的稳压能力与较高的输出功率。缺点在于功能简陋，可调性不高，拓展性不强

2.开关电源模式

一个开关模式功率（SWP）变流器将一个(通常）固定值的直流电压转换成为一个可调节的直流输出电压。通过改变半导体开关器件的占空比可以实现对电压的控制，必须要使用一个隔离变压器。DC-DC 变流器的开关频率可以远远高于线频率，因此能使滤波器件，包括变压器在内都更小、更轻、效益更高，而且成本更低。变压器的输出被整流、滤波后得到一平滑的输出电压 V。可以用一个电压反馈控制回路来调节输出电压，这个回路采用了 PWM 开关技术。但是操作难度较大，周围为准备此类器件。

综上所属，选择方案一方式。

电路理论计算与设计

三相整流电路设计

1、三相不可控整流电路

三相不可控整流电路采用阴极连接起来的三只二极管组成共阴级组，阳级连接在一起的三只二极管组成共阳极组。即构成六脉冲整流电路。整流电路的平均值表示为

$U_d=\frac{3}{\pi }{\int }_{\frac{\pi }{3}}^{\frac{2\pi }{3}}\sqrt{2}{U}_{21}sin\omega td(\omega t)=1.35U_{21}=2.34U_2$$U_d=\frac3{\pi}\int_{\frac\pi3}^{\frac{2\pi}3}\sqrt{2}U_{21}sin\omega t d(\omega t)=1.35U_{21}=2.34U_{2}$

2、三相可控整流电路

若将普通二极管置换为可控二极管，通过控制触发角可以起到控输出电压波形的作用。同时，通过调整触发角可以有效的控制整个的电路的功率因数范围。在时间和设备允许的条件下，将考虑将不可控整流电路设计更改为可控整流电路。

DC-DC升压电路设计

设计DC-DC升压变流。需要将AC-DC转换断输出电压（约20V）得到36V，2A的恒定输出。总功率达到72W。因此考虑基于UC3842的BOOST升压电路。

电路的技术指标为：输入$V_i=18V$$V_i=18V$，输出$V_o=36V,I_o=2A$$V_o=36V,I_o=2A$。频率$f=100kHz$$f=100kHz$。

1.电感设计

根据输入电压和输出电压确定最大占空比。

$D_{max}=\frac{V_o-V_i}{V_o}=\frac{36-20}{36}=0.44$$D_{max}=\frac{V_o-V_i}{V_o}=\frac{36-20}{36}=0.44$

当输出最大负载时至少应满足电路工作在CCM模式下：

$L\ge \frac{2(V_i-V_s)D(1-D)}{I_{o}f}=\frac{2\times (20-0.9)\times 0.44\times (1-0.44)}{2\times 49000}=171\mu H$$L\ge\frac{2(V_i-V_s)D(1-D)}{I_of}=\frac{2\times(20-0.9)\times0.44\times(1-0.44)}{2\times49000}=171\mu H$

同时考虑在$10\mathrm{\%}$$10\%$额定负载以上电流连续的情况。一般情况下，可以假定电路在额定输出时电感纹波电流为平均电流的$20\mathrm{\%}$$20\%$至$30\mathrm{\%}$$30\%$，因此增加电感器电流纹波可以减小电感，但又为不增加输出纹波电压需要增大输出电容，取$30\mathrm{\%}$$30\%$为平衡点：

$\mathrm{\Delta }{I}_L=30\mathrm{\%}\times I_{L(ave)}=30\mathrm{\%}\times \frac{I_o}{1-D}=30\mathrm{\%}\times \frac{2}{1-0.44}=1.07A$$\Delta I_L=30\%\times I_{L(ave)}=30\%\times\frac{I_o}{1-D}=30\%\times \frac{2}{1-0.44}=1.07A$

则$L=\frac{(V_i-V_s)D}{I_{L}f}=\frac{(20-0.9)\times 0.55}{1.07\times 49000}=200\mu H$$L=\frac{(V_i-V_s)D}{I_Lf}=\frac{(20-0.9)\times 0.55}{1.07\times49000}=200\mu H$

通过电感的峰值电流为：

$I_{LP}=I_{L(ave)}+\frac{\mathrm{\Delta }{I}_L}{2}=1.15\times \frac{I_o}{1-D}=1.15\times \frac{2}{1-0.44}=4.12A$$I_{LP}=I_{L(ave)}+\frac{\Delta I_L}{2}=1.15\times \frac{I_o}{1-D}=1.15\times\frac{2}{1-0.44}=4.12A$

则电感应选择电感量大于$200\mu H$$200\mu H$且可以通过$4A$$4A$以上电流不会饱和。

2.输出电压取样电阻的选择

UC3842的脚2为误差放大器的反向输入端，芯片内正向输入端端基准为2.5V，可知输出电压$V_o=2.5\times (1+\frac{R1}{R2})$$V_o=2.5\times(1+\frac{R1}{R2})$,根据输出电压可以确定取样电阻R1、R2的取值。同时，由于电感的作用，在开关管开启和关闭时会形成的啊的尖顶电流，令检测电阻产生一个尖顶脉冲。为了防止误操作应此在取样点与脚3间加入RC滤波电路。时间常数与尖峰时间相同。

3.开关管的选择

开关管的电流由电感分析可以得到：

$I_{max}=I_{LP}=4.12A$$I_{max}=I_{LP}=4.12A$

开关耐压值为：

$Vd{s}_{off}=V_o+V_f=36+0.8=36.8V$$Vds_{off}=V_o+V_f=36+0.8=36.8V$

按照$20\mathrm{\%}$$20 \%$余量可以选择$5A/45V$$5A/45V$以上的开关管。

4.输出二极管D与输出电容器C2

升压电路中输出二极管D必须承受和输出电压等值的反向电压、并且需要传导负载所需的最大电流。即满足$I_{max}=4.12A、Vd{s}_{off}=36.8V$$I_{max}=4.12A、Vds_{off}=36.8V$，选用$5A/45V$$5A/45V$以上的快恢复二极管。

对于输出电容，其选定取决于对输出纹波电压的要求。纹波电压与电容的等效串联电阻ESR有关，电容器的容许纹波电流要大于电路中的纹波电流。需要满足$ESR<\frac{\mathrm{\Delta }{V}_o}{\mathrm{\Delta }{I}_L}=\frac{36\times 1\mathrm{\%}}{1.07}=0.34\mathrm{\Omega }$$ESR<\frac{\Delta V_o}{\Delta I_L}=\frac{36\times1\%}{1.07}=0.34\ohm$

滤波电容量应满足：

$\frac{\mathrm{\Delta }{U}_0}{U_0}=\frac{DT}{RC}$$\frac{\Delta U_0}{U_0}=\frac{DT}{RC}$

这要求我们选择合适的电容大小以获得最佳的滤波效果。

5.外补偿电路

通过改变$R_f、C_f$$R_f、C_f$改变电路的闭环增益与频率响应。

6.斜坡补偿

通过补偿网络$R_x、C_x$$R_x、C_x$，将在$R_s$$R_s$的感应电压上增加斜坡的斜率，使得工作保持稳定。

实际使用电路参数与器件选择

1.实际选择电路参数表

2.实际电路图设计