電子設計競賽中電源類電路的分析與設計

1、電子設計競賽中電源類電路的分析與設計中國石油大學（華東）信息與控制學院 趙仁德 概要概要1、國賽歷年電源類題目2、電源類基本電路的工作原理3、系統(tǒng)的總體框架4、實例分析5、總結一、國賽歷年電源類題目一、國賽歷年電源類題目第九屆（2009年）全國大學生電子設計競賽題目第十屆（2011年）全國大學生電子設計競賽題目A 開關電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)B 基于自由擺平板控制系統(tǒng) C 智能小車D LC諧振放大器 E 簡易數(shù)字信號傳輸性能分析儀 F 帆板轉角控制系統(tǒng) G 簡易自動電阻測試儀第十一屆（2013年）全國大學生電子設計競賽題目A 單相 AC-DC 變換電路B 四旋翼自主飛行器 C 簡易旋轉倒立擺及控制

2、裝置D 射頻寬帶放大器 E 簡易頻率特性測試儀 F 紅外光通信裝置 G 手寫繪圖板K 直流穩(wěn)壓電源及漏電保護裝置L 簡易照明線路探測儀p 電源類題目，在近幾屆比賽中，都有題目。p 其典型的特點是數(shù)字控制數(shù)字控制的開關開關電源。二、電源類基本電路的工作原理p 電能變換基本概念p 開關電源節(jié)能的原理p 基本的DC/DC變換電路p 開關電源中的磁性元件p 基本的DC/AC、AC/DC變換電路二、電源類基本電路的工作原理2.1 電能變換基本概念DC/DC變換：改變和控制輸出電壓的大??；AC/DC變換：控制直流電壓或者交流電流；DC/AC變換：產(chǎn)生正弦的幅值、相位、頻率可控的輸出電壓；AC/AC變換：改

3、變輸出交流電壓的頻率、幅值、相位。二、電源類基本電路的工作原理高效率、體積小、成本低是電源變換器的目標。效率決定了體積，也影響成本。二、電源類基本電路的工作原理這兩種方法的不足是效率太低。2.2 開關電源節(jié)能的原理輸入：100V，輸出：50V/10A的電源。效率低的主要原因是中間的變換電路是通過消耗電能實現(xiàn)電能變換的。二、電源類基本電路的工作原理通過能量的短時間儲、放實現(xiàn)電能的變換。二、電源類基本電路的工作原理二、電源類基本電路的工作原理開關電源需要復雜的電路和控制，輸出紋波較大，但有較高的效率和功率密度，而且可以升壓、降壓甚至輸出負壓。線性電源的輸出電壓平穩(wěn)，但效率低且不能升壓，有現(xiàn)成的芯片

4、。二、電源類基本電路的工作原理2.3 基本的DC/DC變換電路二、電源類基本電路的工作原理DC/DC電路有成熟的控制芯片，但競賽需要顯示、輸入等人機交互部分，所以一般采用數(shù)字控制。這就需要高性能的單片機、DSP、FPGA作為數(shù)字控制的核心。開關管一般選用MosFET，其驅動相對簡單。二、電源類基本電路的工作原理2.4 開關電源中的磁性元件電感、變壓器是開關電源中的最核心的部件，直接決定著系統(tǒng)的性能。沒有標準化的器件，只能靠自己設計。電感和變壓器的設計是開關電源制作的一個重要環(huán)節(jié)。設計所需要的原料：鐵芯和漆包線。鐵芯來構建磁路，而漆包線則用來構建電路部分。鐵芯的材質有好多種，基本上是鐵或者鐵的合

5、金構成。鐵氧體（錳鋅、鎳鋅）、疊片式鐵芯（硅鋼片、非晶合金）、粉未磁芯（鐵粉芯、鐵硅鋁和MPP等）二、電源類基本電路的工作原理2.5 基本的AC/DC、DC/AC變換電路近三屆國賽，有一次是DC/AC（09年），一次是AC/DC（13年），可見這類變換的重要性。其典型電路比較簡單，分為全橋和半橋兩大類。開關管一般用IGBT，低壓時也用MosFET。這類題目的關鍵在于數(shù)字控制算法和實際實現(xiàn)上。當然，PWM、死區(qū)和IGBT驅動等問題，是這類電路的共性問題。二、電源類基本電路的工作原理2.5.1 PWM 控制無論過程多么復雜，最后都是通過4個開關的導通、關斷來實現(xiàn)。4個開關怎么開關，持續(xù)多長時間是整

6、個系統(tǒng)的關鍵。為了使實際的輸出電壓更好的逼近期望輸出電壓為了使實際的輸出電壓更好的逼近期望輸出電壓，脈寬調制技術（PWM）被引入到電力電子的開關信號的產(chǎn)生領域。真實的輸出電壓與期望電壓之間的差距、開關器件的損耗、電磁干擾等均與PWM技術密切相關。二、電源類基本電路的工作原理沖量等效原理：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。f (t)(t)tO圖6-1a)b)c)d)tOtOtOf (t)f (t)f (t)tOua)b)圖6-3Out二、電源類基本電路的工作原理圖6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud調頻：調節(jié)調制波周期調頻：調節(jié)調制波周期變壓：調節(jié)調制

7、波幅值變壓：調節(jié)調制波幅值統(tǒng)一于調制波控制調制波控制圖6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud二、電源類基本電路的工作原理頻率就是器件的開關頻率，由開關損耗和輸出電壓的畸變程度決定。調制波就是期望的電壓，容易確定，關鍵是載波的確定。如果ur就是的參考電壓的實際值，那么載波該如何確定？（頻率、幅值）幅值取決于什么？在頻率一定的情況下，幅值決定了三角載波的斜率，也決定了與調制波的交點，從而影響開關的時間，進而影響輸出電壓。圖6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud二、電源類基本電路的工作原理在載波比很大時，在一個開關周期內，調制波的值可以認為不變。urA=urB，根據(jù)沖量等效的原則

8、：rAcdu TUrAcMcuuT根據(jù)三角形相似：cMduU圖6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud同理，負半周載波的幅值也是Ud，即直流母線電壓。二、電源類基本電路的工作原理2()(2)rAcdddcdcu TUUUTUT2cMrAcMcuuuT根據(jù)三角形相似：(0.5)22cMrArAcccMcMuuuTTuu(2(0.5)2rArArAcdcccdcMcMuuu TUTTTUuucMduU雙極性調制通常，對調制波和載波進行歸一化。二、電源類基本電路的工作原理通過三角波比較，我們由期望的電壓得到了能實現(xiàn)期望電壓的變換器輸出電壓，還沒有得到開關管的開關信號。如何才能使輸出電壓為零？

9、T1和T3開通，或者T2和T4開通。如何才能使輸出電壓為Ud？T1和T4開通。還有一種組合，就是T2和T3導通，輸出電壓為-Ud。實現(xiàn)方法有兩個，一是T1總是導通，控制T3和T4，二是T4總是導通，控制T1和T2。當然還有其它的方法。二、電源類基本電路的工作原理2.5.2 死區(qū)產(chǎn)生的原因及死區(qū)時間的設置電力電子器件存在著開關延時，為防止在上下橋臂進行換流的過程中發(fā)生短路，須保證該關斷的管子關斷之后再使該導通的管子導通。為做到這一點，通常采用按時關，延時開的方法。這樣同一橋臂的上下管之間有一段沒有導通信號的時間，這就叫死區(qū)。由于續(xù)流二極管的存在，死區(qū)是指沒有導通信號，并不意味著沒有電壓輸出。二、

10、電源類基本電路的工作原理對于IGBT，死區(qū)時間一般為25s，小容量的IGBT，現(xiàn)在1.5s以下。在DSP中只需要設置一個死區(qū)設置寄存器即可，一般的單片機中不能設置死區(qū)，通常采用死區(qū)電路。死區(qū)的存在，使得原來的開關信號發(fā)生了改變，逆變器的輸出逼近期望電壓的精度要受到影響。二、電源類基本電路的工作原理PWM環(huán)節(jié)得到的開關信號是弱電信號，要讓弱電信號變成IGBT的開通和關斷狀態(tài)，就需要有驅動電路。(1)、IGBT 導通后的管壓降與uGE有關，在電流一定的情況下，uGE越高， uCE就越低，器件的導通損耗就越小。但是，uGE并非越高越好，一般不允許超過20V。1、選擇和應用驅動電路應考慮的幾點：(2)

11、、能向IGBT 提供足夠的反向柵壓，使IGBT在柵極出現(xiàn)開關噪聲時仍能可靠截止。2.5.3 IGBT的驅動、緩沖電路二、電源類基本電路的工作原理(3)有足夠的輸入輸出電隔離能力。只希望傳遞信號，不希望有電氣上的任何聯(lián)系。以保證設備的正常工作，同時有利于維修調試人員的人身安全。一般采用光隔離或磁隔離。(4)具有柵射電壓限幅電路,保護柵極不被擊穿。IGBT 柵射極限電壓一般為20V ,驅動信號超出此范圍就可能破壞柵極。(5)在出現(xiàn)短路、過流的情況下,能迅速發(fā)出過流保護信號,供控制電路進行處理。當IGBT 處于負載短路或過流狀態(tài)時,能在IGBT 允許時間內通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流,實現(xiàn)IGB

12、T 的軟關斷。(6)常用的驅動電路M57962、M57959或6ED003L06-F等。二、電源類基本電路的工作原理緩沖電路又稱為吸收電路，其作用是抑制電力電子器件開關過程中的過電壓、過電流及高di/dt和du/dt。按是否有能耗分為耗能式緩沖電路和無損緩沖電路，按抑制作用不同分為開通和關斷緩沖電路兩種。通常所說的緩沖電路主要是指關斷緩沖電路，抑制因線路雜散電感引起的關斷過程中的過電壓，保護IGBT。(A)適合中小功率電路，主電路布線好的電路中，最好是無感電容。(B)適合中等功率。R、C應選用無感無件，D應選用快速恢復二極管。(C)效果比較好，適合于大功率。三、系統(tǒng)的總體框架系統(tǒng)總的結構圖di

13、veLRidt尋找控制目標與控制手段之間關系：三、系統(tǒng)的總體框架寫出各部分傳遞函數(shù)，構建電流環(huán)控制系統(tǒng)的框圖關于如何計算PI參數(shù)，參考自動控制原理，或者利用工程化的方法，參考陳伯時老師的電力拖動自動控制系統(tǒng)，將電流環(huán)設計成I型系統(tǒng)然后數(shù)字化即可。需要注意比例的變換。三、系統(tǒng)的總體框架計算PI參數(shù)時，是按照物理量的實際值進行計算的，而在單片機或DSP中，采樣以后得到的數(shù)值不是實際值，需要把相關的倍數(shù)考慮進去。數(shù)字控制系統(tǒng)必須有保證嚴格的采樣時間，一般通過高優(yōu)先級的定時器中斷來實現(xiàn)。采樣、處理、控制及PWM波的產(chǎn)生都是在中斷中實現(xiàn)。一般過程如下：啟動AD轉換，并等待。數(shù)據(jù)處理，比例縮放，減去偏移量

14、等把指令和反饋進行PI運算，得到期望電壓利用期望電壓與直流母線電壓之間的關系求出占空比四、實例分析以以09年和年和13年的題目為例，匯報一下我們的設計過程。這兩年的題目為例，匯報一下我們的設計過程。這兩個題目硬件相同，軟件有很多相通的地方。個題目硬件相同，軟件有很多相通的地方。四、實例分析4.1、任務和要求、任務和要求設計并制作一個光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置，其結構框圖如上圖所示。用直流穩(wěn)壓電源US和電阻RS模擬光伏電池，US=60V，RS=3036；uREF為模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考信號，其峰峰值為2V，頻率fREF為45Hz55Hz；T為工頻隔離變壓器，變比為n2:n1=2:1、n3:n1=1:1

15、0，將uF作為輸出電流的反饋信號；負載電阻RL=3036。 4.1.14.1.1、基本要求基本要求四、實例分析（1）具有最大功率點跟蹤（MPPT）功能：RS和RL在給定范圍內變化時，使dS12UU相對偏差的絕對值不大于1%。 （2）具有頻率跟蹤功能：當fREF在給定范圍內變化時，使uF的頻率fF=fREF，相對偏差絕對值不大于1%。四、實例分析（3）當RS=RL=30時，DC-AC變換器的效率 60%（4）當RS=RL=30時，輸出電壓uo的失真度THD5%。 （5）具有輸入欠壓保護功能，動作電壓Ud（th）=（250.5）V。 （6）具有輸出過流保護功能，動作電流Io（th）=（1.50.2

16、）A。 四、實例分析4.1.24.1.2、發(fā)揮部分發(fā)揮部分 （2）降低輸出電壓失真度，使THD1%（RS=RL=30時）。 （3）實現(xiàn)相位跟蹤功能：當fREF在給定范圍內變化以及加非阻性負載時，均能保證uF與uREF同相，相位偏差的絕對值5。 （4）過流、欠壓故障排除后，裝置能自動恢復為正常狀態(tài)。 （5）其他。（1）提高DC-AC變換器的效率，使 80%四、實例分析4.1.34.1.3、總結總結題目雖小，光伏并網(wǎng)裝置的基本性能均要求了，而且指標還不低。 MPPT、鎖相（頻率和相位跟蹤）、效率、THD、欠壓和過流保護以及自動恢復功能。要求有性價比的功能，即盡可能地選擇廉價的元器件完成任務?；疽?/p>

17、求與發(fā)揮部分比較，可以看出，發(fā)揮部分，不是并列地增加功能，而是指標的提高，所以，一定要在最初選方案的時間把這兩部分統(tǒng)籌考慮。四、實例分析4.2.1、DC/AC電路選擇電路選擇電路結構簡單，元器件少，但輸出電壓幅值只有母線電壓一半，不適合本題。元器件較多，但PWM方式存在著優(yōu)化的可能，對于提高THD有利。4.2 硬件電路方案和元器件選擇四、實例分析4.2.2、開關管選擇、開關管選擇常用的全控電力電子器件是IGBT和Power MosFETIGBT的電壓等級主要有三類：600V、1200V和1700V。電壓等級越高，通態(tài)壓降越高，損耗越大。Power MosFET的電壓等級較多，但一般不超過600

18、V，它的通態(tài)損耗取決于通態(tài)電阻，高性能的是幾十毫歐。從本題目來看，電壓等級較低，宜采用低導通電阻的Power MosFET，但當時手頭上恰好有600V的IGBT，再買來不及，13年的題目，用的是MosFET。四、實例分析4.2.3、控制單元的選擇、控制單元的選擇工業(yè)上的電力電子裝置的控制核心一般選擇DSP，功能強大，有集成的死區(qū)產(chǎn)生、PWM信號產(chǎn)生、AD等單元，但其成本較高，當時的主流是TMS320F28335、TMS320F28027。09年學生集中培訓時采用的是C8051F120單片機，這款單片機運算性能尚可，并且集成了PWM產(chǎn)生單元和AD，因此選擇了以C8051F120為核心的單片機數(shù)字

19、控制單元。但是這也帶來了三個問題（死區(qū)、PWM波形質量、AD采樣時間）。13年則采用TMS320F28027，成本沒有增加，但是性能有所提高，不足是學生對于定點編程的能力不足。四、實例分析DC電源開關管濾波電路變壓器負載電流傳感器變壓器n3調理電路調理電路A/DA/DSPWM死區(qū)設置IGBT驅動過流保護欠壓保護MPPT調理電路A/D直流母線電壓采樣按鍵顯示控制單元 C8051f120Uref調理電路A/D四、實例分析4.2.4、濾波電路、濾波電路DC/AC變換器輸出的是PWM波，經(jīng)變壓器傳遞到副邊，THD不能滿足要求。采用LC濾波器，再加上變壓器漏感，相當于三階濾波。四、實例分析L、C的參數(shù)選

20、擇應當根據(jù)兩個主要因素：一是濾波的效果；二是效率。濾波的效果主要是濾波器的截止頻率，根據(jù)相關的公式計算即可。關鍵是效率，電感選擇小了，相同的磁芯，銅線都會少一些，銅耗會少，但是電流紋波會大一些，鐵耗會增大。磁芯的材料也有影響，采用硅鋼片、鐵氧體等需加氣隙，要注意避免飽和，粉芯類材料氣隙均勻，但相同工作條件下?lián)p耗不一樣，選擇當時實驗室有的鐵硅鋁材料的磁芯。導線的粗細對效率也有影響，繞制電感線較長，為減少損耗，提高效率，在允許的情況下，應使導線加粗。四、實例分析4.2.5、傳感器的選擇與信號調理電路、傳感器的選擇與信號調理電路需要采集的信號有：兩路直流電壓、兩路交流電壓、一路交流電流。如采用霍爾傳

21、感器測直流電壓，成本較高，采用了低成本的電阻分壓差分取樣的方法。三路交流信號則需要經(jīng)過比例和提升電路進行處理。四、實例分析1006 470COinkVVk多個電阻串主要是考慮功率的問題，此電路成本應在2元以內，而LEM的電壓傳感器，價格近200元。四、實例分析4.2.6、驅動電路、驅動電路IGBT的驅動電路較多，M57系列，IR21系列等等，優(yōu)點是可靠性較好，但不足是外圍電路比較多，有的還需要多路隔離電源。采用實驗室前期做項目積累的一個小模塊，主要的優(yōu)點是：（1）四路驅動只需要一路12V電源，（2）不需要其它外圍電路，可直接接在單片機PWM輸出和IGBT之間。四、實例分析4.3、控制方案選擇、

22、控制方案選擇MPPT是光伏系統(tǒng)的最重要的功能，最常用的是增量電導法和爬山法，但是，題目要求的精度太高，甚至要高于采樣精度，所以，經(jīng)過采用爬山法嘗試，很難達到控制精度。采用的思路是，比較Ud與0.5Us的大小，根據(jù)比較的結果改變輸出電壓，也就是輸出功率。 4.3.1、MPPT四、實例分析4.3.2、頻率跟蹤和鎖相、頻率跟蹤和鎖相鎖相技術也是光伏并網(wǎng)發(fā)電的重要技術，它決定了輸出正弦波的畸變情況。當電網(wǎng)電壓有諧波畸變時，尤其重要。鎖相的方法很多，主要分為兩大類，一類是硬件過零比較+查表法；另一類是軟件實時鎖相?；谟布^零檢測的方式，其不足是要么易受干擾，特別是諧波的影響，要么誤差太大。還需要單片機

23、有精確的捕獲單元。四、實例分析考慮到題目給出的已知條件（UREF為2V，沒有諧波），而且在控制中，需要的是參考信號本身，不是相位。采用了采樣后歸一化，作為參考正弦信號的方法，獲得了比較好的效果。 現(xiàn)在的主流是通過軟件來實現(xiàn)實時鎖相。不過隨著要求的提高，難度也在增大，比如，怎么才能在諧波背景下快速、準確提取出基波的實時相位，是目前一個研究的熱點和難點。需要控制單元有較強的運算能力。四、實例分析4.3.3、效率和、效率和THD性能提高的思路性能提高的思路電力電子裝置的效率最主要地取決于硬件，軟件能夠改變的很有限，曾經(jīng)改變過開關頻率，在當時的電路中，8kHz的開關頻率（倍頻輸出后相當于16kHz）效率最優(yōu)。而調試過程中最有效的方法是增加緩沖電路。THD跟硬件關系也比較密切，但開關頻率和不同的PWM方式對其有一定的影響。最有效的兩種方法是（1）換了一臺實