AC-DC-DC電源設(shè)計(jì)(電力電子課設(shè))

武漢理工大學(xué)《電力電子裝置及系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說明書_______________________________________________________________________________目錄TOC\o"1-3"\h\u136471開關(guān)電源 228601.1開關(guān)電源的概念 248211.1.1PWM技術(shù)簡介 2286181.1.2降壓型DC-DC開關(guān)電源原理簡介 335971.2開關(guān)電源的發(fā)展簡介 584641.3開關(guān)電源的發(fā)展展望 6141012主電路圖設(shè)計(jì) 6323942.1三相整流部分 7265052.2直流斬波電路部分 968202.2.1參數(shù)計(jì)算 9293072.2.2斬波仿真電路 1095192.3主電路仿真 11300393控制電路部分 12182403.1設(shè)計(jì)思想 12227393.2設(shè)計(jì)電路圖 12253134最終設(shè)計(jì)方案 1519024總結(jié) 1732106參考文獻(xiàn) 1831067附錄 19AC-DC-DC電源(120V，500W)設(shè)計(jì)1開關(guān)電源1.1開關(guān)電源的概念開關(guān)電源(SwitchModePowerSupply，SMPS)是以功率半導(dǎo)體器件為開關(guān)元件，利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。

開關(guān)電源中應(yīng)用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFET。一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源電路主要由整流濾波電路、DC-DC控制器（內(nèi)含變壓器）、開關(guān)占空比控制器以及取樣比較電路等模塊組成。1.1.1PWM技術(shù)簡介脈沖寬度調(diào)制（PWM），是英文“PulseWidthModulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

脈沖寬度調(diào)制（PWM）基于采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論，即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(shí)，其效果基本相同。在控制時(shí)對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制,既可改變逆變電路輸出電壓的大小,也可改變輸出頻率.PWM運(yùn)用于開關(guān)電源控制時(shí)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(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值來控制閉環(huán)反饋，以調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間ton，最終控制輸出電壓（或電流）的穩(wěn)定。PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。

對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。1.1.2降壓型DC-DC開關(guān)電源原理簡介將一種直流電壓變換成另一種固定的或可調(diào)的直流電壓的過程稱為DC-DC交換完成這一變幻的電路稱為DC-DC轉(zhuǎn)換器。根據(jù)輸入電路與輸出電路的關(guān)系，DC-DC轉(zhuǎn)換器可分為非隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器和隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器。降壓型DC-DC開關(guān)電源屬于非隔離式的。降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器主電路圖如圖1-1所示：圖1-1降壓型斬波電路其中，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(dòng)VT導(dǎo)通時(shí)，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(shí)，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(dòng)小，通常串聯(lián)L值較大的電感。至一個(gè)周期T結(jié)束，在驅(qū)動(dòng)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(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)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(shí)間，toff為VT處于關(guān)斷的時(shí)間；T為開關(guān)管控制信號(hào)的周期，即ton+toff；α為開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間與控制信號(hào)周期之比，通常稱為控制信號(hào)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(huì)在一個(gè)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。波形圖如下所示：1.2開關(guān)電源的發(fā)展簡介能源在每個(gè)國家中的地位都是舉足輕重，關(guān)乎興衰的，所以如何開發(fā)并合理利用能源是一個(gè)重要的課題。特別對(duì)于我國這樣的能源消耗大國和貧乏國，更是如此。我國、美國和俄羅斯等大國始終把能源技術(shù)列為國家關(guān)鍵性的科技領(lǐng)域。能源技術(shù)的其中一個(gè)重要方面就是電力電子技術(shù)，這是一門結(jié)合了微電子學(xué)、電機(jī)學(xué)、控制理論等多種學(xué)科的交叉性邊沿學(xué)科，它利用功率半導(dǎo)體器件對(duì)電網(wǎng)功率、電流、電壓、頻率、相位進(jìn)行精確控制和處理，使得電力電子裝置小型高頻化、智能化，效率和性能得以大幅度提高。開關(guān)電源技術(shù)屬于電力電子技術(shù)，它運(yùn)用功率變換器進(jìn)行電能變換，經(jīng)過變換電能，可以滿足各種對(duì)參數(shù)的要求。這些變換包括交流到直流(AC-DC，即整流)，直流到交流(DC-AC，即逆變)，交流到交流(AC-AC，即變壓)，直流到直流(DC-DC)。廣義地說，利用半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，將一種電源形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N電源形式的主電路都叫做開關(guān)變換器電路；轉(zhuǎn)變時(shí)用自動(dòng)控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護(hù)環(huán)節(jié)則稱為開關(guān)電源（SwitchingPowerSupply)。由于其高效節(jié)能可帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益，因而引起社會(huì)各方面的重視而得到迅速推廣。電源管理芯片實(shí)際上也是指具有自動(dòng)控制環(huán)路和保護(hù)電路的DC-DC變換芯片，是開關(guān)電源的核心控制芯片。電源管理芯片在90年代中后期問世，由于替換了大部分分立器件，使開關(guān)電源的整體性能得到大幅度提高，同時(shí)降低了成本，因而顯示出強(qiáng)大的生命力。我國開關(guān)電源起源于1970年代末期，到1980年代中期，開關(guān)電源產(chǎn)品開始推廣應(yīng)用。那時(shí)的開關(guān)電源產(chǎn)品采用的是頻率為20kHz以下的PWM技術(shù)，其效率只能達(dá)到60%~70%。經(jīng)過20多年的不斷發(fā)展，新型功率器件的研發(fā)為開關(guān)電源的高頻化莫定了基礎(chǔ)，功率MOSFET和IGBT的應(yīng)用使中、小功率開關(guān)電源工作頻率高達(dá)到400kHz(AC/DC)和1MHz(DC/DC)。軟開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，真正實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源的高頻化，它不僅可以減少電源的體積和重量，而且提高了開關(guān)電源的效率。目前，采用軟開關(guān)技術(shù)的國產(chǎn)開關(guān)電源，其效率已達(dá)到93%。但是，目前我國的開關(guān)電源技術(shù)與世界上先進(jìn)的國家相比仍有較大的差距。1.3開關(guān)電源的發(fā)展展望1.半導(dǎo)體和電路器件是開關(guān)電源發(fā)展的重要支撐。2.高頻、高效、低壓化、標(biāo)準(zhǔn)化是開關(guān)電源主要發(fā)展趨勢(shì)：1）低電壓化半導(dǎo)體工藝等級(jí)在未來十年將從0.18微米向50納米工藝邁進(jìn)，芯片所需最低電壓最終將變?yōu)?.6V，但輸出電流將朝著大電流方向發(fā)展。2）高效化應(yīng)用各種軟開關(guān)技術(shù)，包括無源無損軟開關(guān)技術(shù)、有源軟開關(guān)技術(shù)，如ZVS/ZCS諧振、準(zhǔn)諧振；恒頻零開關(guān)技術(shù)；零電壓、零電流轉(zhuǎn)換技術(shù)及目前同步整流用MOSFET代替整流二極管都能大大地提高模塊在低輸出電壓時(shí)的效率，而效率的提高使得敞開式無散熱器的電源模塊有了實(shí)現(xiàn)的可能。3）大電流、高密度化4）高頻化為了縮小開關(guān)電源的體積，提高電源的功率密度并改善其動(dòng)態(tài)響應(yīng)，小功率DC－DC變換器的開關(guān)頻率已將現(xiàn)在的200～500kHz提高到1MHz以上，但高頻化又會(huì)產(chǎn)生新的問題，如開關(guān)損耗以及無源元件的損耗增大，高頻寄生參數(shù)以及高頻電磁干擾增大等。5)在封裝結(jié)構(gòu)上正朝著薄型，甚至超薄型方向發(fā)展。2主電路圖設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)一個(gè)AC-DC-DC電源，具體參數(shù)如下：三相交流輸入，相電壓220V/50Hz，輸出直流電壓120V,紋波系數(shù)<5%，功率500W。因此，主電路設(shè)計(jì)分為AC-DC變換和DC-DC變換兩個(gè)部分，即三相整流部分和直流斬波部分。交流220V經(jīng)過一個(gè)濾波整流電路后得到直流電壓，送入DC-DC降壓斬波電路，控制電路提供控制信號(hào)控制IGBT的關(guān)斷，調(diào)節(jié)直流電壓的占空比，最后經(jīng)過LC濾波電路的到所需電壓。通過對(duì)輸出電壓的取樣，比較和放大，調(diào)節(jié)控制脈沖的寬度，以達(dá)到穩(wěn)壓輸出的目的。開關(guān)電源原理框圖如下圖2-1所示：圖2-1開關(guān)電源原理框圖整流部分是利用具有單向?qū)ㄐ缘亩O管構(gòu)成橋式電路來實(shí)現(xiàn)的；濾波部分是利用電容電感器件的儲(chǔ)能效應(yīng)，構(gòu)成LC電路來實(shí)現(xiàn)的；降壓部分是利用降壓斬波電路來實(shí)現(xiàn)，控制方式為脈寬調(diào)制控制（PWM），即在控制時(shí)對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。本次設(shè)計(jì)的開關(guān)電源控制時(shí)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(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值來控制閉環(huán)反饋，以調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間ton，最終控制輸出電壓（或電流）的穩(wěn)定。2.1三相整流部分整流，就是把交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^程。利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷?，可以把方向和大小交變的電流變換為直流電。整流電路按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種；按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路。本設(shè)計(jì)采用晶體二極管組成的三相全橋不可控整流電路，如圖2-2所示，三相交流電通過整流電路后的波形如圖2-3所示。另外，由電容和電感組成的LC電路起濾波作用，最終整流部分如圖2-4所示。圖2-2三相全橋不可控整流電路圖2-3三相交流電經(jīng)整流波形圖2-4三相整流部分仿真圖其中：L1=1mH，C1=330uF。2.2直流斬波電路部分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，在經(jīng)過LC濾波電路是電壓穩(wěn)定。降壓斬波電路設(shè)計(jì)如下圖2-5所示：圖2-5降壓斬波電路圖脈寬調(diào)制控制型號(hào)有IGBT驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出；RCD保護(hù)電路用以緩沖IGBT在高頻工作環(huán)境下關(guān)斷時(shí)因?yàn)檎螂娏餮杆俳档投删€路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。2.2.1參數(shù)計(jì)算估算直流母線電壓、占空比，并計(jì)算L2、C2、R的參數(shù)。直流母線電壓：要求輸出電壓為120V，因而占空比為：輸出電流：電感：（PWM調(diào)制波頻率為10kHZ）電容：（根據(jù)紋波要求計(jì)算）電阻：2.2.2斬波仿真電路根據(jù)直流斬波原理圖和所計(jì)算的參數(shù)，在MATLAB上仿真的斬波電路圖如下圖2-6所示：圖2-6斬波仿真電路圖2.3主電路仿真由上述分析，我們能在MATLAB上獲得主電路仿真電路圖，如圖2-7所示：圖2-7主電路仿真圖仿真輸出電壓波形如下圖所示：輸出電壓值/V輸出電壓值/V時(shí)間/s穩(wěn)定后，輸出電壓最大值為V0max=126V，輸出電壓最小值為V0min=114V。ΔV=12V，ΔV/2V0=5%，正好符合設(shè)計(jì)要求。但是，從輸出電壓整體波形上來看，該電路經(jīng)0.35S左右才達(dá)到穩(wěn)定且波動(dòng)較大。因此，設(shè)計(jì)中加入反饋系統(tǒng)，能使系統(tǒng)更快達(dá)到穩(wěn)定，并且波形更平穩(wěn)。3控制電路部分3.1設(shè)計(jì)思想輸出電壓的大小由占空比的大小來控制，因此我們考慮比較反饋大小來控制占空比大小，從而達(dá)到控制輸出電壓的目的。當(dāng)輸出電壓大于要求電壓時(shí)，通過控制電路減小占空比，從而能夠減小輸出電壓；當(dāng)輸出電壓小于要求電壓時(shí)，通過控制電路增大占空比，從而能夠增大輸出電壓。3.2設(shè)計(jì)電路圖反饋控制電路仿真如圖3-1所示，將輸出電壓值作為反饋控制電路的輸入與給定值進(jìn)行比較，將差值放大后來改變占空比值從而改變占空比。圖3-1反饋控制電路仿真圖鋸齒波參數(shù)如下圖3-2所示：圖3-2鋸齒波參數(shù)當(dāng)輸入等于120時(shí)，輸出的波形如下圖3-3所示：圖3-3當(dāng)輸入等于120時(shí)占空比為0.404當(dāng)輸入大于120如輸入為121時(shí)，輸出波形占空比減小，如圖3-4所示，從而減小輸出。圖3-4當(dāng)輸入大于120時(shí)占空比減小當(dāng)輸入小于120如輸入為119時(shí)，輸出波形的占空比增大，如圖3-5所示，從而增大輸出。圖3-5當(dāng)輸入小于120時(shí)輸出占空比增大4最終設(shè)計(jì)方案為減小紋波系數(shù)并且使輸出盡快穩(wěn)定，加入了反饋控制電路，通過改變占空比來控制IGBT的導(dǎo)通，從而使輸出電壓盡可能平穩(wěn)。最終設(shè)計(jì)方案見附錄。加入反饋的最終輸出電壓波形如圖4-1所示。時(shí)間/S輸出電壓值\V時(shí)間/S輸出電壓值\V圖4-1有反饋輸出電壓波形穩(wěn)定后，輸出電壓最大值為V0max=122.5V，輸出電壓最小值為V0min=119.5V。ΔV=3V，ΔV/2V0=1.25%<5%，符合設(shè)計(jì)要求?？偨Y(jié)通過本次課程設(shè)計(jì)，使我更加深刻地理解了直流斬波電路以及開關(guān)電源，了解了開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)過程和實(shí)現(xiàn)的功能。使我了解到開關(guān)電源在電子設(shè)備、電力設(shè)備和通信系統(tǒng)的直流供電中得到廣泛應(yīng)用，在高頻開關(guān)電源中，DC-DC變換是其核心。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，高集成度，功能強(qiáng)大的大規(guī)模集成電路不斷出現(xiàn)，使電子設(shè)備不斷縮小，重量不斷減輕，相應(yīng)地要求系統(tǒng)供電電源的體積和重量相應(yīng)減小，如何減小開關(guān)電源的體積，提高其效率，是將在在設(shè)計(jì)開關(guān)電源的過程需要著重考慮的一個(gè)方面。本文首先對(duì)開關(guān)電源的發(fā)展歷史、當(dāng)下發(fā)展?fàn)顩r以及將來的發(fā)展趨勢(shì)作了簡要的介紹，隨后闡述了降壓型AC-DC開關(guān)電源的核心部分——DC-DC轉(zhuǎn)換器（降壓斬波電路）的拓?fù)浣Y(jié)