1、武汉理工大学电力电子装置课程设计说明书目录1.电源基本原理11.1 AC-DC11.1.2 AC-DC电源模块的作用11.1.3整流基本原理电路21.2 DC-DC61.2.1 DC-DC概念61.2.2DC-DC电源模块的作用71.3 控制原理介绍81.3.1控制技术81.3.2 电压模式控制101.3.3 电流模式控制102.AC-DC-DC电源设计122.1 AC-DC环节设计122.2 DC-DC环节设计122.2.1 具体参数计算122.2.2 DC-DC具体设计133闭环反馈设置15个人小结16参考文献17AC-DC-DC电源(110V，1200W)设计 1.电源基本原理1.1 A
2、C-DC1.1.1 AC-DC概念 ACDC变换是将交流电压变换为直流电压，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。ACDC变换器输入为5060Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA)，交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制ACDC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大。 ACDC变换按电路的接线方式可分为半波电路、全波电路。按电源相可
3、分为单项、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。1.1.2 AC-DC电源模块的作用 一、隔离： 1、安全隔离：强电弱电隔离IGBT隔离驱动浪涌隔离保护雷电隔离保护（如人体接触的医疗电子设备的隔离保护） 2、噪声隔离：（模拟电路与数字电路隔离、强弱信号隔离） 3、接地环路消除：远程信号传输分布式电源供电系统 二、保护：短路保护、过压保护、欠压保护、过流保护、其它保护 三、电压变换：升压变换降压变换交直流转换（AC/DC、DC/AC）极性变换（正负极性转换、单电源与正负电源转换、单电源与多电源转换） 四、稳压：交流市电供电远程直流供电分布式电源供电系统电池供电五、 降
4、噪：有源滤波1.1.3整流基本原理电路 1 单端反激电路 反激式开关电源的核心部分是反激式直流直流变换器，基本电路如下图所示：单端反激电路一般用在小功率电源和开关电源的辅助电源上。其占空比可达100。图1-1 反激式电路原理图 2单端正激电路正激式开关电源的核心部分是正激式直流直流变换器，基本电路如下图所示。正激电路变压器的利用率比较高，工作时的占空比小于50，工作频率是振荡频率的一半，。可以做中型功率的开关电源，使用双管正激电路，其功率可以做得更高一点。虽然功率变压器不像反激式电路要开气隙，但是一般要在变压器中加去磁绕组，在关断时将付边的能量反射到交流输入上。图1-2 正激电路原理图（双管正
5、激） 3推挽电路 推挽式功率变换电路原理图，如图下图所示。推挽电路要求输入电压低，两个开关管的耐压要求是输入电压的2倍，所以一般用在DC/DC电源中。推挽电路一般用在中型功率电路上，变压器双向激励，变压器效率高,但是变压器容易出现磁偏现象。它的功率比正激电路稍微大一点，但是存在开关管“直通”的危险。工作时两个功率开关管V1、V2交替导通或截止。当V1和V2分别导通时，W1和W2有相应的电流流过，这时变换器次级将有功率输出。当V1导通，V截止时，V2集射两端承受的电压为2倍的Uin，而在V1、V2都处于截止时它们所承受的电压为输入直流电压Uin。图1-3 推挽电路原理图 4半桥电路半桥电路有两个
6、功率开关管，通过两个串连的电容器来构成工作回路，这两个功率管交替导通驱动高频变压器进行能量传递，变压器是双向激励的。半桥电路同样存在变压器磁偏现象，会出现“直通”问题。同样的变压器的情况，半桥的输出功率大于推挽电路。如下图所示：C1和C2的作用主要是实现静态时分压，使Ua=1/2Uin。当V1导通，V2截止时，输入电流方向为图中虚线方向，向C2充电；当V1截止，V2导通时，输入电流方向为图中实线方向，向C1充电。当V1导通，V2截止时，V2两端承受的电压为输入直流电压Uin。图1-4 半桥型开关电源原理图 5全桥电路 全桥电路是大功率电源常用的电路，有四个开关管组成两个桥臂。两个桥臂分别导通激
7、励高频功率变压器，进行能量变换，但是存在开关管“直通”的危险。全桥电路原理图如下图所示。由四个功率开关器件V1V4组成，变压器T连接在四桥臂中间，相对的两只功率开关器件V1、V4和V2、V3分别交替导通或截止，使变压器T的次级有功率输出。当功率开关器件V1、V4导通时，另一对V2、V3则截止，这时V2和V3两端承受的电压为输入电压Uin在功率开关器件关断过程中产生的尖峰电压被二极管V5V8箝位于输入电压Uin。 图1-5 全桥型电路原理图 几种类型电路比较表1-1 变不同换电路方式的比较1.2 DC-DC 1.2.1 DC-DC概念 DCDC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直
8、流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式TS不变，改变ToN(通用)，阿二是频率调制方式，ToN不变，改变Ts(易产生干扰)。其具体的电路由以下几类图1-5 各种变换拓扑电路及主要工作波形1.2.2DC-DC电源模块的作用1.输入输出端的电压均为平滑直流,无交流谐波分量2.输出阻抗为零3.快速动态响应,抑制能力强4.高效率小型化1.3 控制原理介绍1.3.1控制技术 为将电源输出稳定在一定值，需要有控制模块对输出调整。开关电源控制技术按调制方式可分为：脉频调制(PFM)和脉宽调制(PWM)。各种调制方式都有其优缺点，可根据实际需要选择。 1 脉频调制(PFM) 经典PFM，也叫跨脉冲调
9、制(PSM，以开关管控制信号，略过一部分时钟周期而得名)。经典脉频调制是一种最简单的控制技术，在该方式下时钟被固定为50占空比，通过电压反馈实现开关频率的控制。当输出电压低于一定值时，固定时钟将控制开关开启与关闭，直到输出上升到调整值；当输出高于调整值时，开关管将关闭直到输出下降到调整值以下。 图为一种经典PFM调制方式原理图，输出通过电阻分压反馈至比较器COM输入端与VREF比较，当低于VREF时，CLK将通过RS触发器直接控制开关管，当高于VREF时则屏蔽一部分时钟，使开关管关闭。通过这样的方式，能量由VIN传递到VOUT。经典PFM模式的电感选择复杂，电压纹波很大，噪声频谱随负载变化很大
10、。电流限制脉频调制不同于PFM调制，此调制方式运用峰值电感电流限制一个最小关闭时间和最大开启时间。工作于此模式下，一旦输出电压低于调整值，开关管将开启直到电感电流达到设计值，此时开关管将关闭一定时间(最小关闭时间)，电感电流开始下降，当该段时间结束时，反馈电路通过对输出电压采样，比较输出电压此时是否低于调整值，若低于则开启开关管，否则继续关闭开关管。电流限制脉频调制的电感电流峰值固定，电感容易选择，同时纹波相对于经典PFM小，但噪声频谱仍然随负载变化。图3为最小关闭时间电流限制脉频调制的原理图。 2 脉宽调制(PWM)脉宽调制指固定时钟频率，通过调节开关管控制信号的占空比D实现对输出压的调整。
11、PWM技术在较宽的负载范围内都具有较高效率，此外因为频率恒定，噪声频谱相对窄，利用简单的低通滤波技术便可得低纹波输出电压。因此PWM技术普遍应用于通信技术中。PWM调制方式根据反馈采样的不同可分为：电压模式和电流模式。在下面两节中将分别详细介绍。1.3.2 电压模式控制 电压模式控制是最早应用于开关电源中的一种模式。下图所示 如图输出电压通过电阻分压与基准电压VREF比较，其差值通过ERRORAMP放大为VE，并作为PWM比较器PWM COM的输入端，PWM COM另一端则是由时钟产生的斜升电压。PWM COM输出VS控制开关管，在一个周期内，VE越大，占空比越大，则开关管开启时间越长；VE越
12、小，占空比越小，则开关管开启时间越短。 电压模式控制具有以下优点：1)单环控制，设计简单；2)较大的斜坡幅度将；3)低输出阻抗。同时具有以下缺点：1)响应慢；2)补偿复杂。1.3.3 电流模式控制 针对于电压模式的缺点，电流模式控制发展起来，电流模式控制可分为峰值电流模式控制(PCM)，和以其为基础发展起来的平均电流模式，通常情况下所指电流模式为峰值电流模式控制。图24所示为PWM峰值电流模式控制原理图。这里PWM COM的输入端由电压模式控制中的斜升电压，换成对开关管电流采样值所转换成的电压，因而电流模式控制是双环控制，其中电压环为外环，电流控制为内环。 图1-9所示电流模式控制具有如下优点
13、：1)由于输入前馈，有较好的开环线形调整：2)单极点系统，具有良好的小信号稳定性能，较好补偿；3)优异的动态特性。缺点如下：1)当占空比高于05时出现次谐波不稳定状况，需要有斜坡补偿；2)噪声抑制差；3)负载调整差；4)峰值电流与平均电流有很大的误差。2.AC-DC-DC电源设计2.1 AC-DC环节设计 整流电路采用全桥不控整流电路。其中交流电源为单相220V（有效值），频率50Hz，经过二极管组成的整流桥后经过滤波加到负载电阻两端。 图 3-1整流电路仿真2.2 DC-DC环节设计2.2.1 具体参数计算 输出电压与功率可以算出负载电阻R=10,IGBT开关频率设置为5kHz,占空比为36
14、%，滤波电感流经电容的电流对电容充电产生的电压称为纹波电压。纹波电压与参数的关系表达式为则根据要求的纹波电压系数不大于5%和其他参数可求得电路的电容 以上计算的参数只是理论数值，在具体仿真过程中并不一定能达到要求，所以以上参数会有改动以符合要求。2.2.2 DC-DC具体设计 要求输出电压为 V ，由整流装置讲220V整流后输出的是幅值为311V的直流脉动电压，所以要控制IGBT的占空比约为 %。仿真电路图如下：图2-2 AC-DC-DC仿真原理图 经仿真后得到负载电压电流波形如下 图2-3输出电压、电流、功率波形图 在没有闭环控制的斩波电路输出的波形脉动很大，不满足纹波系数的要求，因此应该使
15、用闭环反馈控制，来减小电压的脉动。3闭环反馈设置 本例采用从输出电压到整流环节的输出的半闭环反馈。 其仿真原理图如下 其电压、电流、功率仿真波形图如下由以上功率和电压波形图可见波形都没有超调且脉动极小，纹波系数满足要求，且在短时间内最终的电压和功率的终值稳定在了需要的值附近，满足设计要求。 个人小结 通过这次电源的设计。学习了电源的相关知识。同时也复习了以前学习过的模电数电知识。在这次设计中最难的就是功率的要求。因为一直设计的过程中没有注意功率是否达到要求。结果出来之后功率太小。达不到要求。其他的输出电压的最大电压值和最小电压值都能达到要求。 本次课设就是将单相220V交流电整流为直流电并降压
16、后得到质量良好的直流，简称AC-DC-DC。首先将选择了全桥不控整流电路，然后经过调试和计算发现与理论差距不大。接着把功率变换电路和整流电路连在一起设计和仿真。最后，发现输出波形不是特别理想，又进行了半闭环的设计与仿真。 通过这次对电源的课程设计，让我对在书本上学习的电源的知识有了更为深入和更加形象的了解，对电源的工作原理，参数，及它的性能有了比较深入的认识，对全桥型变换电路有个了解，而这些知识我相信对我以后进行设计是很有帮助的。参考文献（1）电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.洪乃刚 等编著. 机械工业出版社（2）电力电子技术第五版.王兆安、刘进军 主编.机械工业出版社（3）MATLAB在电气信息类专业中的应用.周又玲主编.清华大学出版社（4）电力电子应用技术的MATLAB仿真.林飞、杜欣 编著.中国电力出版社（5）电力电子装置与系统.杨荫福、段善旭、朝泽云 编著.清华大学出版社（6） 电力电子系统建模及控制.徐德鸿 编著.机械工业出版社17
