AC-DC-DC電源設計(電力電子課設)

武漢理工大學《電力電子裝置及系統(tǒng)》課程設計說明書_______________________________________________________________________________目錄TOC\o"1-3"\h\u136471開關電源 228601.1開關電源的概念 248211.1.1PWM技術簡介 2286181.1.2降壓型DC-DC開關電源原理簡介 335971.2開關電源的發(fā)展簡介 584641.3開關電源的發(fā)展展望 6141012主電路圖設計 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設計思想 12227393.2設計電路圖 12253134最終設計方案 1519024總結 1732106參考文獻 1831067附錄 19AC-DC-DC電源(120V，500W)設計1開關電源1.1開關電源的概念開關電源(SwitchModePowerSupply，SMPS)是以功率半導體器件為開關元件，利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關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上，反而高于開關電源，這一點稱為成本反轉點。開關電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。

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

脈沖寬度調制（PWM）基于采樣控制理論中的一個重要結論，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，其效果基本相同。在控制時對半導體開關器件的導通和關斷進行控制,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)則對各脈沖的寬度進行調制,既可改變逆變電路輸出電壓的大小,也可改變輸出頻率.PWM運用于開關電源控制時首先保持主電路開關元件的恒定工作周期（T=ton+toff），再由輸出信號與基準信號的差值來控制閉環(huán)反饋，以調節(jié)導通時間ton，最終控制輸出電壓（或電流）的穩(wěn)定。PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或將邏輯0改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。

對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候將PWM用于通信的主要原因。從模擬信號轉向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當?shù)腞C或LC網(wǎng)絡可以濾除調制高頻方波并將信號還原為模擬形式。1.1.2降壓型DC-DC開關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轉換器。根據(jù)輸入電路與輸出電路的關系，DC-DC轉換器可分為非隔離式DC-DC轉換器和隔離式DC-DC轉換器。降壓型DC-DC開關電源屬于非隔離式的。降壓型DC-DC轉換器主電路圖如圖1-1所示：圖1-1降壓型斬波電路其中，功率IGBT為開關調整元件，它的導通與關斷由控制電路決定；L和C為濾波元件。驅動VT導通時，負載電壓Uo=Uin，負載電流Io按指數(shù)上升；控制VT關斷時，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。負載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負載電壓Uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小，通常串聯(lián)L值較大的電感。至一個周期T結束，在驅動VT導通，重復上一周期過程。當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，負載電流在一個周期的初值和終值相等。負載電壓的平均值為式中，ton為VT處于導通的時間，toff為VT處于關斷的時間；T為開關管控制信號的周期，即ton+toff；α為開關管導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轉換器。負載電流的平均值為若負載中電感值較小，則在VT管斷后，負載電流會在一個周期內衰減為零，出現(xiàn)負載電流斷續(xù)的情況。因此有降壓DC-DC開關電源有非連續(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開關電源的發(fā)展簡介能源在每個國家中的地位都是舉足輕重，關乎興衰的，所以如何開發(fā)并合理利用能源是一個重要的課題。特別對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列為國家關鍵性的科技領域。能源技術的其中一個重要方面就是電力電子技術，這是一門結合了微電子學、電機學、控制理論等多種學科的交叉性邊沿學科，它利用功率半導體器件對電網(wǎng)功率、電流、電壓、頻率、相位進行精確控制和處理，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。開關電源技術屬于電力電子技術，它運用功率變換器進行電能變換，經(jīng)過變換電能，可以滿足各種對參數(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，利用半導體功率器件作為開關，將一種電源形式轉變?yōu)榱硪环N電源形式的主電路都叫做開關變換器電路；轉變時用自動控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護環(huán)節(jié)則稱為開關電源（SwitchingPowerSupply)。由于其高效節(jié)能可帶來巨大經(jīng)濟效益，因而引起社會各方面的重視而得到迅速推廣。電源管理芯片實際上也是指具有自動控制環(huán)路和保護電路的DC-DC變換芯片，是開關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，使開關電源的整體性能得到大幅度提高，同時降低了成本，因而顯示出強大的生命力。我國開關電源起源于1970年代末期，到1980年代中期，開關電源產(chǎn)品開始推廣應用。那時的開關電源產(chǎn)品采用的是頻率為20kHz以下的PWM技術，其效率只能達到60%~70%。經(jīng)過20多年的不斷發(fā)展，新型功率器件的研發(fā)為開關電源的高頻化莫定了基礎，功率MOSFET和IGBT的應用使中、小功率開關電源工作頻率高達到400kHz(AC/DC)和1MHz(DC/DC)。軟開關技術的出現(xiàn)，真正實現(xiàn)了開關電源的高頻化，它不僅可以減少電源的體積和重量，而且提高了開關電源的效率。目前，采用軟開關技術的國產(chǎn)開關電源，其效率已達到93%。但是，目前我國的開關電源技術與世界上先進的國家相比仍有較大的差距。1.3開關電源的發(fā)展展望1.半導體和電路器件是開關電源發(fā)展的重要支撐。2.高頻、高效、低壓化、標準化是開關電源主要發(fā)展趨勢：1）低電壓化半導體工藝等級在未來十年將從0.18微米向50納米工藝邁進，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）高效化應用各種軟開關技術，包括無源無損軟開關技術、有源軟開關技術，如ZVS/ZCS諧振、準諧振；恒頻零開關技術；零電壓、零電流轉換技術及目前同步整流用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現(xiàn)的可能。3）大電流、高密度化4）高頻化為了縮小開關電源的體積，提高電源的功率密度并改善其動態(tài)響應，小功率DC－DC變換器的開關頻率已將現(xiàn)在的200～500kHz提高到1MHz以上，但高頻化又會產(chǎn)生新的問題，如開關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)在封裝結構上正朝著薄型，甚至超薄型方向發(fā)展。2主電路圖設計設計任務要求設計一個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，主電路設計分為AC-DC變換和DC-DC變換兩個部分，即三相整流部分和直流斬波部分。交流220V經(jīng)過一個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控制IGBT的關斷，調節(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。通過對輸出電壓的取樣，比較和放大，調節(jié)控制脈沖的寬度，以達到穩(wěn)壓輸出的目的。開關電源原理框圖如下圖2-1所示：圖2-1開關電源原理框圖整流部分是利用具有單向導通性的二極管構成橋式電路來實現(xiàn)的；濾波部分是利用電容電感器件的儲能效應，構成LC電路來實現(xiàn)的；降壓部分是利用降壓斬波電路來實現(xiàn)，控制方式為脈寬調制控制（PWM），即在控制時對半導體開關器件的導通和關斷進行控制,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。本次設計的開關電源控制時首先保持主電路開關元件的恒定工作周期（T=ton+toff），再由輸出信號與基準信號的差值來控制閉環(huán)反饋，以調節(jié)導通時間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。利用具有單向導電特性的器件，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；按電路結構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。本設計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，通過脈寬調制控制調節(jié)輸出電壓平均值，在經(jīng)過LC濾波電路是電壓穩(wěn)定。降壓斬波電路設計如下圖2-5所示：圖2-5降壓斬波電路圖脈寬調制控制型號有IGBT驅動電路發(fā)出；RCD保護電路用以緩沖IGBT在高頻工作環(huán)境下關斷時因為正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。2.2.1參數(shù)計算估算直流母線電壓、占空比，并計算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調制波頻率為10kHZ）電容：（根據(jù)紋波要求計算）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%，正好符合設計要求。但是，從輸出電壓整體波形上來看，該電路經(jīng)0.35S左右才達到穩(wěn)定且波動較大。因此，設計中加入反饋系統(tǒng)，能使系統(tǒng)更快達到穩(wěn)定，并且波形更平穩(wěn)。3控制電路部分3.1設計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，從而達到控制輸出電壓的目的。當輸出電壓大于要求電壓時，通過控制電路減小占空比，從而能夠減小輸出電壓；當輸出電壓小于要求電壓時，通過控制電路增大占空比，從而能夠增大輸出電壓。3.2設計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)當輸入等于120時，輸出的波形如下圖3-3所示：圖3-3當輸入等于120時占空比為0.404當輸入大于120如輸入為121時，輸出波形占空比減小，如圖3-4所示，從而減小輸出。圖3-4當輸入大于120時占空比減小當輸入小于120如輸入為119時，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當輸入小于120時輸出占空比增大4最終設計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的導通，從而使輸出電壓盡可能平穩(wěn)。最終設計方案見附錄。加入反饋的最終輸出電壓波形如圖4-1所示。時間/S輸出電壓值\V時間/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%，符合設計要求。總結通過本次課程設計，使我更加深刻地理解了直流斬波電路以及開關電源，了解了開關電源的基本結構、設計過程和實現(xiàn)的功能。使我了解到開關電源在電子設備、電力設備和通信系統(tǒng)的直流供電中得到廣泛應用，在高頻開關電源中，DC-DC變換是其核心。隨著半導體技術的發(fā)展，高集成度，功能強大的大規(guī)模集成電路不斷出現(xiàn)，使電子設備不斷縮小，重量不斷減輕，相應地要求系統(tǒng)供電電源的體積和重量相應減小，如何減小開關電源的體積，提高其效率，是將在在設計開關電源的過程需要著重考慮的一個方面。本文首先對開關電源的發(fā)展歷史、當下發(fā)展狀況以及將來的發(fā)展趨勢作了簡要的介紹，隨后闡述了降壓型AC-DC開關電源的核心部分——DC-DC轉換器（降壓斬波電路）的拓撲結