本设计根据设计的要求，设计的硬件电路，经过多次的测试，选取好的方案，最终设计出适合汽车永磁发电机稳压的系统的电路。本设计主要采用的电源芯片是电压控制型脉宽调制SG3525，详细介绍SG3525的特点和原理将，并对其构成的电压控制型脉宽调制开关稳压电源进行了分析和实验。SG3525具有精度可以达到（5.1±1％）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路，同时应用电流控制型脉宽调制UC3842设计一个小功率的电源提供给SG3525工作的电源。功率管采用25N500V，具有开关速度快，工作电流大，耐压高等优点，续流二极管采用MUR1520,同样具有速度快，电流大，耐压高等优点。主要电路结构主要采用降压斩波变换电路来实现输出电压的稳定。
关键字：永磁发电机；SG3525；变压器
According to the design of the design requirements, design the hardware circuit, after many tests, select a good programme, the final design of a permanent magnet motor vehicles for the generator system regulator circuit. The design of the main chip is used in power voltage-controlled PWM SG3525, detail the characteristics and principles of SG3525 will, and the composition of the voltage-controlled PWM switching power supply for the analysis and experimental. SG3525 with precision can be achieved (5.1 ± 1%) V, using a temperature compensation, but with overcurrent protection circuits, application-PWM current control UC3842 design of a small power supply available to the work of the SG3525 power. Power of a 25 N500V, a switching speed, the current work, the advantages of high pressure, the continued flow diodes used MUR1520, with the same speed, current, high pressure advantages. The main circuit used mainly buck chopper transform the output voltage circuit to achieve stability.
Keyword:permanent magnet generators; SG3525; Transformer
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目录
第1章绪论 (1)
1.1 概述 (1)
1.2 研究动机 (1)
1.3 主要工作 (2)
第2章主要元器件介绍 (4)
2.1 SG3525的简介 (4)
2.1.1 特点 (4)
2.1.2 工作原理 (5)
2.2 大功率续流二极管 (6)
2.3 MOSFET管简介 (6)
2.3.1 MOSFET特点 (6)
2.3.2 MOSFET的控制方法 (6)
2.3.3 MOSFET的选择 (7)
第3章变压器的绕制 (8)
3.1变压器磁芯的选择与工作点的确定 (8)
3.1.1 磁芯材料的选择 (8)
3.1.2工作点的确定 (8)
3.2 变压器主要参数的计算 (9)
3.2.1 确定变压器的变比 (10)
3.2.2 计算初级线圈中的电流 (10)
3.2.3计算初级绕组圈数N1 (11)
3.2.4 计算次级绕组圈数N2 (12)
3.2.5 反馈绕组N3的估算 (12)
3.2.6导线线径的选取 (12)
3.2.7线圈绕制与绝缘 (12)
3.3 变压器绕制小结 (13)
第4章SG3525应用电路 (15)
4.1 SG3525应用电路设计（方案一） (15)
4.1.1控制原理 (15)
4.1.2 方案一的优缺点分析 (16)
4.2 方案改进 (17)
4.3 改进后的SG3525电源电路（方案二） (17)
4.3.1 主电路 (17)
4.3.2 控制电路 (18)
4.3.3信号放大 (20)
4.3.4取样反馈 (21)
第5章实验结论分析 (22)
5.1稳压分析 (22)
5.2散热分析 (23)
5.2.1整流二极管发热 (23)
5.2.2功率开关管发热 (23)
5.2.3续流二极管发热 (23)
5.3噪声分析 (24)
5.4 纹波分析 (24)
结论 (26)
致谢 (27)
参考文献 (28)
附录 (29)
附录1 原理图 (29)
附录2 材料清单 (30)
附录 3 光耦P521 (31)
附录 4 MUR1560 (32)
附录五：MOSFET管IXFH24N50 (33)
第1章绪论
1.1 概述
近年来,随着永磁材料的发展,车用永磁发电机以其结构简单、比功率高、低速特性好等优点,受到广泛关注。由于车用发电机工作过程中转速变化范围很大，一般需在1000～8000 r/min以上，高档轿车可达1000～15000 r/min，同时其负载也随工作状况的不同在大范围内变动，因此如何实现大范围变速变载条件下稳压输出是车用发电机的关键技术之一。在目前广泛使用的车用硅整流交流发电机中,通过调节励磁电流实现稳压,而对于永磁车用发电机而言,由于采用永久磁钢作为励磁源,励磁磁势不可调节，故实现变速、变载的稳压输出更加困难。目前被普遍看好的方案之一是采用三相半控桥式整流电路,但是由于本次设计的测试环境的约束，不能使用三相半控桥式整流电路。因此采用了斩波降压式变换电路的电路系统来完成稳压。该方式可实现稳压，并且具有输出纹波小，而且控制简单。
车用永磁发电机与现有励磁发电机相比，节能效果显著并具有激活蓄电池功能，延长蓄电池寿命，另外由于没有励磁发电机的环电刷，维护工作大大下降，可靠性明显提高，是今后汽车发电机的发展方向，但是高速低速发电输出电压变化大，工作电流大，稳压和散热难，本次毕业设计是设计永磁发电机电子稳压器，要求输出直流电压14.5V 2.0
V；工作电流90A。要做到这个大的功率的电子稳压器，需要的实验条件要求很高，针对毕业设计要求设计了一个低功率的进行测试。毕业设计采用了降压式斩波变换电路，而控制芯片的工作电源也是用他激式开关电源来完成的。
1.2 研究动机
永磁发电机有很多的优点比如：(1)结构简单、可靠性高永磁式发电机省去了励磁式发电机的励磁绕组、碳刷、滑环结构，整机结构简单，避免了励磁绕组易烧毁、断线，碳刷、滑环结构，整机结构简单，避免了励磁式发电机励磁式发
电机励磁绕组易烧毁、断线，碳刷、滑环易磨损等故障，可靠性大为提高。(2) 体积小、重量轻、比功率大永磁转子结构的采用，使得发电机内部结构设计排列得很紧凑，体积、重量大为减少。永磁转子结构的简化，还使得转子转动惯量减少，实用转速增加，比功率（即功率、体积之比例）达到一个很高的值。 (3) 中、低速发电性能好,功率等级相同的情况下，怠速时，永磁式发电机要比励磁式发电机的输出功率高一倍，也就是说，永磁式发电机的实际等功率等级的励磁式发电机。 (4)能显著地延长蓄电池寿命，减少蓄电池维护工作主要原因是永磁式发电机采用的是开关式的整流稳压方式，稳压精度高，充电效果好。避免了过电流充电造成的蓄电池寿命缩短。永磁式发电机的开头式整流输出对蓄电池采用小电流脉冲充电，相同的充电电流充电效果更好，从而延长蓄电池的使用寿命。(5)高效率永磁式发电机是一种节能产品。永磁转子结构免去了产生转子磁场所需的励磁功率和碳刷、滑环之间磨擦的机械损耗，使得永磁式发电机效率大为提高。普通励磁式发电机在1500转/分至6000转/分之间的转速范围内平均效率只有45%至55%，而永磁式发电机则可高达75%至80%。(6)采用自启动式稳压器无需外加励磁电源。发电机只要一旋转就能发电。当蓄电池损坏时，只要发动机处于运行状态，汽车充电系统仍可工常工作。如汽车没有蓄电池，只要摇转手把或溜车，也可实现点火运行。 (7)特别适合于在潮湿或灰尘多的恶劣环境下工作 (8) 无线电干扰永磁发电机无碳刷、无滑环的结构，消除了碳刷与滑环磨擦产生的无线电干扰，消除了电火花，特别适合于爆炸性危险程度较大的环境下工作，也降低了发电机对环境温度的要求。
1.3 主要工作
本次毕业设计是设计永磁发电机电子稳压器，要求输出直流电压14.5V
2.0
V；工作电流90A；过流保护电流为120A。在设计中主要完成的工作内容是完成总体方案设计；设计触发电路；完成自动稳压功能；设置过留保护电路。要做到这个大的功率的电子稳压器，需要的实验条件要求很高，而且无法模仿永磁发电机的发电效果，为此针对毕业设计要求设计了一个低功率的进行测试。此次调试的电压是由调压器提供，因此输出的交流电压是恒频变压的。所以没有采用了
三相半控桥式整流电路的电路系统,而是采用斩波降压式控制系统。根据厂家的数据提供，永磁发电机在时速为1500r/min，到2000r/min时输出直流电压为14.5V左右，正常时速为6000r/min，特殊状态为10000r/min，因此根据理论计算正常输出电压为58V，特殊状态输出电压为97V，因此针对本次设计，主要完成输入电压在16V到100V之间实现稳压值为14.5V，在负载变化的同时不会影响到稳压的精确度。
第2章主要元器件介绍
2.1 SG3525的简介
美国硅通用半导体公司（Silicon General）推出SG3525。SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFET。其产品一推出就受到广泛好评。SG3525系列PWM控制器分军品、工业品、民品三个等级。下面我们对SG3525特点、引脚功能、电气参数、工作原理以及典型应用进行介绍。
SG3525是电压控制型PWM控制器，所谓电压控制型脉宽调制器是按照接反馈电压来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。如2-1：
图2-1SG3525内部引脚及框图
2.1.1 特点
（1）工作电压范围宽：DC 8—35V；
（2）5.1 (%
)V 微调基准电源；
1
（3）振荡器工作频率范围宽：100Hz?—400KHz.；
（4）具有振荡器外部同步功能；
（5）死区时间可调；
（6）内置软启动电路；
（7）具有输入欠电压锁定功能；
（8）具有PWM琐存功能，禁止多脉冲；
（9）逐个脉冲关断；
（10）双路输出（灌电流/拉电流）：500mA(峰值)。
2.1.2 工作原理
SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在CT引脚和放电端引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个5UF 的软启动电容。上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。
外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当Shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结
束，才重新进入软启动过程。注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。
欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。
此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM琐存器才被复位。
2.2 大功率续流二极管
MUR1560是MOTOROLA公司的生产的，是一种大功率的快速二极管。
主要特点：
（1）最大工作电压：600V；
（2）最大工作电流：15A；
（3）工作温度范围：-65°到175°；
（4）恢复时间：35ns 到60ns；
本设计要求工作电流为90A，目前选择了MUR1560这个快速二极管作为续流，用于实物测试。
2.3 MOSFET管简介
2.3.1 MOSFET特点
MOSFET是功率场效应管，是一种多子导电的单极型电压控制器件。
MOSFET具有开关速度快，高频性能好，输入阻抗高，驱动功率小，热稳定性优良，无二次击穿，安全工作区宽和跨导线性度高等优点，但高压时内阻比较大，功耗大。但是在各类中小功率开关电路中应用广泛。
2.3.2 MOSFET的控制方法
（1）控制G极相对于S极电压为15V，可以控制MOSFET导通；
（2）在G、S极间加保护稳压管，一般取值为15V；
2.3.3 MOSFET的选择
在这次毕业设计中，课题要求输出电压为14.5V，工作电流为90A。由于市场上无法买到大电流工作的MOSFET的管子，所以选用40A200V的功率场效应管代替，工作电流大，耐压小，沟道就小，导通电阻就小，因此选用的MOSFET 选择耐压值只要满足要求就可以了，不应该过高。
第3章 变压器的绕制
3.1变压器磁芯的选择与工作点的确定
3.1.1 磁芯材料的选择
从变压器的性能指标要求可知，传统的薄带硅钢已很难满足变压器在频率、使用环境方面的设计要求。磁芯的材料只有从坡莫合金、铁氧体材料、钴基非晶态合金和超微晶合金几种材料中来考虑。坡莫合金、钴基非晶态价格高，约为铁氧体材料的数倍，而饱和磁感应强度也不是很高，且加工工艺复杂。考虑到我们所要求的电源输出功率并不高，大约为30W ，因此，综合几种材料的性能比较，我们还是选择了饱和磁感应强度较高，温度稳定性好，价格低廉，加工方便的性价比较低的锌锰铁氧体材料，并选以此材料作为框架的EI28来绕制本例中的脉冲变压器。
3.1.2工作点的确定
根据相关资料，EC35输出功率为50W ，饱和磁感应强度大约在2000Gs 左右。买来的磁芯，由于厂家提供的磁感应强度值并不准确，可用3-1所提供的方式粗略测试一下。将调压器接至原线圈，用示波器观察副线圈输出电压波形。将原线圈的输入电压由小到大慢慢升高，直到示波器显示的波形发生奇变。此时，磁芯已饱和，根据公式：
m fN U φ144.4=
可推知在工频时的m φ值。要求不高时，可根据测算出的m φ，粗略估算出原线圈的匝数N 1
m
f U
N φ44.41=
(3-1)
3.2 变压器主要参数的计算
本例中的变换器采用单端反激式工作方式，单端反激变换器在小功率开关电源设计中应用非常广泛，且多路输出较方便。单端反激电源的工作模式有两种：电流连续模式和电流断续模式。前者适用于较小功率，副边二极管存在没有反向恢复的问题，但MOS 管的峰值电流相对较大；后者MOS 管的峰值电流相对较小，但存在副边二极管的反向恢复问题，需要给二极管加吸收电路。这两种工作模式可根据实际需求来选择，本文采用了后者。
设计变压器时大多需要考虑下面问题：变换器频率f(H2)；初级电压U 1(V)，次级电压U 2(V)；次级电流i 2(A)；绕组线路参数n 1、，n 2；温升τ(℃)；绕组相对电压降u ；环境温度τHJ(℃)；绝缘材料密度γz(g ／cm3)。
(1)根据变压器的输出功率选取铁芯，所选取的铁芯的户，值应等于或大于给定值。
(2)绕组每伏匝数
T
T C k fBS W 41
=
(3-2)
S T 是铁芯的截面积；k T 是窗口的填充系数；
(3)初级绕组电势
)2
1(1u
U E -= (3-3)
(4)初级绕组匝数
110E W W = (3-4)
(5)次级绕组电势
E 2i ＝U 2i (1+) (3-5)
(6)次级绕组匝数
W 2i ＝W 0E 2i (3-6)
(7)初级绕组电流
1
1
111U P n I =
(3-7)
(8)次级绕组电流
i i
i i U P n I 22221
=
(3-8)
其中，n 1、n 2：分别是初级绕组和次级绕组的每层匝数。
(9)初级绕组线径
j
I d 1
113
.1= (3-9) (10)次级绕组线径
j
I d i i 2213
.1= (3-10)
其中，j 是电流密度。
详细的变压器设计方法与计算相当复杂，本文参照经验公式，依据下面的步骤设计了本例转换器中的高频变压器。 3.2.1 确定变压器的变比
根据输出电压U 0的关系式
)(ON
ON D
O t T t n U U -=
(3-11) 得变比为
)(ON
ON O D
t T t U U n -=
(3-12)
式中U D 为整流器输出的直流电压。
本例中U D ＝24V ，f 为100kHz ，t ON 取0．5；n ＝2。 3.2.2 计算初级线圈中的电流
已知输出直流电压U 0＝±12V 、5V ，负载电流均为I 0＝lA ，则输出功率
P 0＝P 1+P 2+P 3＝29W
开关电源的效率η一般在60～90%之间，本例取η＝0.65，则输入功率为
W P P O
4565
.029
1≈=
=
η
初级的平均电流为
A U P U P I D O D 86.124
65.029
max max
11=?==
=
η
假定初级线圈的初始电流为零，那么，在开关管的导通期t ON 里，初级线圈中的电流心便从零开始线性增长到峰值I 1P
A t TI I N P 44.75
86
.11022011=??==
3.2.3计算初级绕组圈数N1
初级绕组的最小电感L 1为
uH I t U L P ON D 13.1644
.7105246
1max 1=??==-
根据输出功率P 的大小，选用适当的磁芯，其形状用环形、EI 形或罐形均可，本例采用EI28，该类型的铁芯在f ＝50kHz 时，功率可达到60W ，在f ＝100kHz 时，输出功率可达到90W 。
72
.0851044.71013.16106
66111≈????=?=-m P SB L L N 匝
式中I lp —初级线圈峰值电流，A ； L 1—初级电感，H ； S —磁芯截面积，mm2； Bm —磁芯最大磁通密度，T 。
3.2.4 计算次级绕组圈数N 2
52
1012===
n N N 匝 即±12V 分别绕5匝，5V 绕3匝。 3.2.5 反馈绕组N3的估算
反馈绕组匝数的确定，要求既能保证开关元件的饱和导通又不至于造成过大损耗。根据UC3842的要求，反馈绕组的输出电压应在13V 左右。因此，
624
1013max 133≈?==
D U N U N 匝 3.2.6导线线径的选取
根据输入输出的估算，初线线圈的平均电流值应该允许达到2A 。 (1)初级绕组
初级绕组的线径可选d ＝0.80mm ，其截面积为0.5027mm 的圆铜线。 (2)次级绕组
次级绕组的线径可根据各组输出电流的大小，利用原级相同线径采用多股并绕的办法解决。为了方便线圈绕制，也可选用线径较粗的导线。由于工作频率较高，应考虑集肤效应的影响。 3.2.7线圈绕制与绝缘
绕制开关变压器最重要的问题是想办法使初、次级线圈紧密地耦合在一起，这样可以减小变压器漏感，因为漏感过大，将会造成较大的尖峰脉冲，从而击穿开关管。因此，在绕制高频变压器线圈时，应尽量使初、次级线圈之间的距离近些。
具体可采用以下方法： (1)双线并绕法
将初、次级线圈的漆包线合起来并绕，即所谓双线并绕。这样初、次级线间
距离最小，可使漏感减小到最小值。但这种绕法不好绕制，同时两线间的耐压值较低。
(2)逐层间绕法
为克服并绕法耐压低、绕制困难的缺点，用初、次级分层间绕法，即1、3、5行奇数层绕初级绕组，2、4、6等偶数层绕次级绕组。这种绕法仍可保持初、次级间的耦合，又可在初、次级间垫绝缘纸，以提高绝缘程度。
(3)夹层式绕法
把次级绕组绕在初级绕组的中间，初级分两次绕。这种绕法只在初级绕组中多一个接头，工艺简单，便于批量生产。
本例中，为减小分布参数的影响，初级采用双线并绕连接的结构，次级采用分段绕制，串联相接的方式，即所谓堆叠绕法。降低绕组间的电压差，提高变压器的可靠性。在变压器的绝缘方面，线圈绝缘应尽量选用抗电强度高、介质损耗低的复合纤维绝缘纸，提高初、次级之间的绝缘强度和抗电晕能力，本例中，因为不涉及高压，绝缘问题不必特殊考虑。
3.3 变压器绕制小结
绕制脉冲变压器是制作开关电源的重要工作，也是设计与制作过程中消耗大量时间和主要精力的工作。变压器做得好，整个设计与制作工作就完成了70%以上。做得不好，可能就会出现停振、啸叫或输出电压不稳、负载能力不高等现象。在变压器的温升<35℃，绕制良好的脉冲变压器的工作效率可达到90%以上，且波形质量优异，电性能参数稳定。在100kHz的使用条件下，脉冲变压器的体积可以大大减小。绕制变压器时，要尽最大的努力保证以下几点：
(1)即使输入电压最大，主开关器件导通时间最长，也不至于使变压器的磁芯饱和。
(2)初级线圈与次级线圈的耦合要好，漏电感要小。
(3)高频开关变压器会因集肤效应导致电线的电阻值增大，因而要减小电流密度。通常，工作时的最大磁通密度取决于次级线圈。
m
ON B S t U N ??=
max
max 22 (3-13)
(4)一般来说，采用铁氧体磁芯E128时，要把Bm 控制在3kGs 以下。
第4章SG3525应用电路
4.1 SG3525应用电路设计（方案一）
应用一的主电路的控制电路如4-1：
图4-1 方案一主电路
4.1.1控制原理
晶闸管（SCR）整流方式有两种，一种是SCR共阴整流二极管共阳的方式，第二种是SCR共阳整流二极管共阴的方式。选择第一种的方式，在每相切换导通的时候，由于SCR的反相漏电，导致发热很严重，必须在这个上串联上整流二极管，才能避免，但是成本就加大很多。
因此我们选择了第二种的整流方法，采用SCR共阳整流二极管共阴，这样就有效的解决了SCR发热的问题，而且成本没有增加，并且这种方法是最简单的方案。
该电路的晶闸管的控制部分是由PWM控制专用集成芯片来完成，利用PWM 来控制晶闸管的控制级，因此晶闸管的通断周期是固定，导通关断的时间随着具体的工况变化而变化，以实现稳压.当发电机低速运行时，由发电机输出交流电压较低，为使输出整流电压达到稳压值，每个PWM周期整流器所需导通时间较长，此时电压调节器产生的PWM控制信号u3较低，使u8 低电平时间较长。而当发电机高速运行时，相应u3较高，u8的低电平时间缩短，整流器导通时间减少，