電力電子裝置課程設(shè)計AC-DC-DC電源匯總.doc

學(xué) 號： 課 程 設(shè) 計題 目AC-DC-DC電源(36V，300W)設(shè)計學(xué) 院自動化學(xué)院專 業(yè)電氣工程及其自動化班 級電氣班姓 名指導(dǎo)教師許湘蓮2013年6月18日武漢理工大學(xué)大學(xué)電力電子裝置及控制課程設(shè)計說明書課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 許湘蓮 工作單位： 武漢理工大學(xué) 題 目: AC-DC-DC電源(36V，300W)設(shè)計 初始條件：設(shè)計一個AC-DC-DC電源，具體參數(shù)如下：單相交流輸入220V/50Hz，輸出直流電壓36V,紋波系數(shù)5%，功率300W。要求完成的主要任務(wù): （1） 對AC-DC-DC 電源進(jìn)行主電路設(shè)計；（2） 控制方案設(shè)計；（3） 給出具體濾波參數(shù)的設(shè)計過程；（4） 在MATLAB/Simulink搭建閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行系統(tǒng)仿真；（5） 分析仿真結(jié)果，驗證設(shè)計方案的可行性。時間安排：2013年6月8日至2013年6月18日，歷時一周半，具體進(jìn)度安排見下表具體時間設(shè)計內(nèi)容6.8指導(dǎo)老師就課程設(shè)計內(nèi)容、設(shè)計要求、進(jìn)度安排、評分標(biāo)準(zhǔn)等做具體介紹；學(xué)生確定選題，明確設(shè)計要求6.96.13開始查閱資料，完成方案的初步設(shè)計6.146.16由指導(dǎo)老師審核模型，學(xué)生修改、完善并對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析6.176.18撰寫課程設(shè)計說明書6.18上交課程設(shè)計說明書，并進(jìn)行答辯指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄摘要1AC-DC-DC電源(36V，300W)設(shè)計21 設(shè)計任務(wù)及要求21.1技術(shù)要求21.2設(shè)計內(nèi)容22電路總體方案及原理22.1 開關(guān)電源的簡介22.2設(shè)計方案23主電路設(shè)計及參數(shù)計算33.1整流電路的設(shè)計33.2降壓斬波電路設(shè)計43.3控制方案的設(shè)計63.4主電路參數(shù)的計算73.4.1主電路參數(shù)計算73.4.2 濾波參數(shù)的計算84 系統(tǒng)建模與仿真8.1開環(huán)系統(tǒng)的仿真84.2閉環(huán)系統(tǒng)的仿真115結(jié)果分析126總結(jié)與體會13參考文獻(xiàn)14武漢理工大學(xué)大學(xué)電力電子裝置及控制課程設(shè)計說明書摘要隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活關(guān)系日益密切，而任何電子設(shè)備都離不開可靠的電源。而開關(guān)電源以小型，輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用于電子計算機為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。本此設(shè)計主要對降壓型AC-DC-DC開關(guān)電源的核心部分AC-DC整流裝置與DC-DC轉(zhuǎn)換器（降壓斬波電路）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理機型設(shè)計，描述了DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制方法脈寬調(diào)制控制（PWM）。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一款基于電壓控制模 式的PWM降壓型AC-DC-DC開關(guān)電源，設(shè)計的內(nèi)容包括主電路的設(shè)計、控制及驅(qū)動電路的設(shè)計，并給出設(shè)計參數(shù)。然后在MATLAB/Simulink搭建系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行系統(tǒng)仿真。通過對仿真結(jié)果的分析，驗證設(shè)計的正確性。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源 整流降壓斬波MATLABAC-DC-DC電源(36V，300W)設(shè)計1 設(shè)計任務(wù)及要求1.1技術(shù)要求設(shè)計一個AC-DC-DC電源，具體參數(shù)如下：單相交流輸入220V/50Hz，輸出直流電壓36V,紋波系數(shù)U2，導(dǎo)致D1和D4管反向偏置而截止，電容通過負(fù)載電阻RL放電，UC按指數(shù)規(guī)律緩慢下降這樣就得到一個直流電壓波形，如圖所示：UioUoo圖3整流電路工作波形3.2降壓斬波電路設(shè)計 將整流后的得到的直流電壓送入降壓斬波電路，通過脈寬調(diào)制控制調(diào)節(jié)輸出電壓平均值，再經(jīng)過LC濾波電路使電壓穩(wěn)定。脈寬調(diào)制控制信號由IGBT驅(qū)動電路發(fā)出?？刂茣r首先保持主電路開關(guān)元件的恒定工作周期（T=ton+toff），再由輸出信號與基準(zhǔn)信號的差值來控制閉環(huán)反饋，以調(diào)節(jié)導(dǎo)通時間ton，最終控制輸出電壓（或電流）的穩(wěn)定。 其中，功率IGBT為開關(guān)調(diào)整元件，它的導(dǎo)通與關(guān)斷由控制電路決定；L和C為濾波元件。驅(qū)動VT導(dǎo)通時，負(fù)載電壓Uo=Uin，負(fù)載電流Io按指數(shù)上升；控制VT關(guān)斷時，二極管VD可保持輸出電流連續(xù)，所以通常稱為續(xù)流二極管。負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓Uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小，通常串聯(lián)L值較大的電感。至一個周期T結(jié)束，在驅(qū)動VT導(dǎo)通，重復(fù)上一周期過程。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，負(fù)載電流在一個周期的初值和終值相等。負(fù)載電壓的平均值為式中，ton為VT處于導(dǎo)通的時間，toff為VT處于關(guān)斷的時間；T為開關(guān)管控制信號的周期，即ton+toff；D為開關(guān)管導(dǎo)通時間與控制信號周期之比，通常稱為控制信號的占空比。從該式可以看出，占空比最大為1，若減小占空比，該電路輸出電壓總是低于輸入電壓，因此將其稱為降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。負(fù)載電流的平均值為若負(fù)載中電感值較小，則在VT管斷后，負(fù)載電流會在一個周期內(nèi)衰減為零，出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況。因此有降壓DC-DC開關(guān)電源有非連續(xù)電流模式（DCM）和連續(xù)電流模式（CCM)兩種工作模式。其電路圖與波形圖波形圖如圖所示：圖4 降壓斬波電路降壓斬波電路的工作波形：圖6 斷續(xù)時的波形tttOOO圖5 連續(xù)時的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEM3.3控制方案的設(shè)計由于整流電路采用的是不控整流，所以控制電路主要用于降壓斬波電路中，本處采用直流脈寬調(diào)制。直流脈寬調(diào)制是利用直流調(diào)制信號和三角載波比較，可以得到單脈波控制信號，只要改變直流調(diào)制信號，就可以改變單脈波的脈沖寬度 ，調(diào)節(jié)輸出電壓基波分量的有效值，實現(xiàn)電壓控制的目的。圖7所示為實現(xiàn)直流脈寬調(diào)制的一種簡單方法，給定電壓和反饋電壓通過電壓調(diào)節(jié)器得到一個控制電壓，和鋸齒波電壓比較得到脈沖波形，觸發(fā)器的輸出是互補的方波、，通過兩個與門電路，獲得互差的脈沖方波、，它們均可作為斬波電路的控制信號。圖7直流脈寬調(diào)制原理方波輸出電路簡單，易于閉環(huán)控制，電壓輸出穩(wěn)定度也比較高。特別是它可以借用直流電源控制技術(shù)，很多直流控制芯片都可以應(yīng)用，因此方波輸出具有成本低的優(yōu)點。但是，方波輸出含有大量的低次諧波，波形畸變嚴(yán)重，主要應(yīng)用在要求不高的場合。3.4主電路參數(shù)的計算3.4.1主電路參數(shù)計算 輸入電壓為單相220V交流電，經(jīng)晶閘管不控整流，電容濾波之后，考慮到器件壓降及濾波損失，輸出有效值約為312V的直流電，加到降壓斬波電路的輸入端，濾波電容要選較大值，本設(shè)計中C1選0.1F，R1選擇100。 設(shè)計輸出電壓為直流36V穩(wěn)壓，占空比D=，通常取0.110.12，該電路取D=0.115。, 設(shè)計輸出功率為300W，所以可以確定： 因為占空比為0.115，這里取最小負(fù)載電流為額定電流的1/10，即=0.833A3.4.2 濾波參數(shù)的計算 要電流連續(xù)必須最小負(fù)載電流大于臨界負(fù)載電流；，即要求：=0.0191H 可取L=0.02H 要求電壓紋波系數(shù)小于0.05時107Hz為此要求F 取C=0.2uF L=0.02H%5%,滿足要求。4 系統(tǒng)建模與仿真4.1開環(huán)系統(tǒng)的仿真根據(jù)上述計算所得參數(shù)，在MATLAB/Simulink中搭建閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行系統(tǒng)仿真，開環(huán)系統(tǒng)仿真電路圖如圖所示：圖8 開環(huán)系統(tǒng)仿真模型整流輸出電壓波形如圖：圖9 開環(huán)系統(tǒng)整流波形Io降壓斬波電路輸出電壓與負(fù)載電流波形：Uo圖10 開環(huán)系統(tǒng)輸出波形4.2閉環(huán)系統(tǒng)的仿真在開環(huán)系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上增加電壓反饋通道，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。此處用到直流脈寬調(diào)制技術(shù)，三角載波電壓幅值設(shè)為6V，則根據(jù)理論計算的占空比為11.5%，則直流調(diào)制信號的電壓幅值設(shè)為60.115=0.69V。給定電壓為36V，反饋電壓為斬波輸出負(fù)載上的電壓值，通過比較兩個電壓的大小，將電壓差反饋到與直流調(diào)制信號疊加，以此來控制開關(guān)管的導(dǎo)通時間來穩(wěn)定輸出電壓的大小。圖11 閉環(huán)系統(tǒng)電路圖閉環(huán)系統(tǒng)輸出電壓與負(fù)載電流波形：UoIo圖12 閉環(huán)系統(tǒng)輸出波形5結(jié)果分析通過比較上述仿真結(jié)果可知，開環(huán)仿真輸出電壓基本穩(wěn)定在36V，負(fù)載電流基本穩(wěn)定在8.3A左右，所以滿足設(shè)計要求的輸出功率300W，從仿真波形中可以看出，紋波系數(shù)明顯小于5%，存在微小擾動。基本滿足要求。閉環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)果也符合設(shè)計要求，相比開環(huán)系統(tǒng)而言，輸出電壓與負(fù)載電流更加平穩(wěn)，系統(tǒng)的抗擾性能增強，更好地滿足了設(shè)計要求。6總結(jié)與體會本次電力電子裝置課程設(shè)計，使我更深入了解了開關(guān)電源的設(shè)計。加深了我對理論知識的掌握，并把所學(xué)的知識系統(tǒng)、高效的貫穿到實踐中來，避免了理論與實踐的脫離。同時我對matlab的操作更為熟悉，有了更深刻的了解，這是一個款功能強大的軟件，它廣泛應(yīng)用于各個方面。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異，不斷學(xué)習(xí)一些輔助設(shè)計軟件是必要的，能在一定程度上提高我們設(shè)計的效率和可行性。并在實踐中不斷完善理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)綜合能力。在設(shè)計過程中，我發(fā)現(xiàn)了自己有很多問題雖然感覺理論上已經(jīng)掌握，但想要用所學(xué)的只是系統(tǒng)的解決一個問題還是比較困難的。比如說，雖然知道直流電源的組成部分，但是想要按照要求既定的設(shè)計一個符合要求的直流電源，必須綜合實現(xiàn)的難易程度等方面綜合選擇器件，并完成器件參數(shù)的計算。由于對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，在比較系統(tǒng)地運用的過程中，仍會存在很多盲點。這次課程設(shè)計之，雖然遇到一些難題，但經(jīng)過一番努力，都得以解決，并使自己取得了一定的進(jìn)步，這也激發(fā)了我今后努力學(xué)習(xí)的決心。學(xué)習(xí)不能一知半解，需要堅持、耐心和努力，我一定要時時刻刻重新溫故。參考文獻(xiàn)1 王兆安,劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù).機械工業(yè)出版社,20092 楊蔭福,段善旭,朝澤云.電力電子裝置及系統(tǒng).清華大學(xué)出版社,20063 陳堅,電力電子學(xué).高等教育出版社,20024 王兆安,黃俊.電力電子變流技術(shù).機械工業(yè)出版社,19935 王水平.PWM控制與驅(qū)動器使用指南及應(yīng)用電路.西安電子科技大學(xué)出版社,200516本科生課程設(shè)計成績評定表姓 名性 別男專業(yè)、班級電氣工程及其自