AC-DC-DC电源(100V)设计(武汉理工大学电气1101)得了优的哦.doc

目录摘要I1.设计任务12开关电源12.1 背景综述12.2 开关电源12.3 开关电源的发展22.4 开关电源的分类32.4.1 直流-直流变换电路32.4.2交流-直流变换电路32.5 开关电源的组成33 开关电源原理及设计43.1开关电源工作原理43.2电源设计原理54主电路原理与设计54.1 整流电路设计54.1.1整流电路工作原理54.1.2 整流电路设计64.2 降压斩波电路设计74.2.1 buck电路的设计74.2.2控制方案选择94.3 PWM控制的基本原理94.3.1 IGBT基本简介94.3.2面积等效原理104.3.3 PWM控制的基本原理104.4电路设计参数的计算114.4.1整流滤波电路114.4.2直流降压斩波电路115 SIMULINK仿真模型135.1 Matlab简介135.2 SIMULINK简介135.3 开环仿真电路及波形135.3.1 开环仿真电路原理图135.3.2 开环仿真电路仿真结果155.4.3结果分析175.4闭环仿真电路及波形185.4.1 闭环仿真电路图185.4.2 闭环仿真电路仿真195.4.3结果分析205.5控制方案比较216心得与体会22参考文献23摘要开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，以其小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。按照设计要求，结合开关电源和电力电子技术相关知识，本文设计出了一个AC-DC-DC电路，结合了整流滤波电路，和降压斩波电路，构成了能实现将单相交流输入220V/50Hz，转化为输出直流电压100V,纹波系数5%，功率1000W的直流电。并采用闭环控制方法，转变为100V的直流输出，保证了系统的供电性能。最后利用SIMULINK搭建仿真模型，对所设计的电路进行仿真,并考虑了电路开环和闭环所构成的影响以及对纹波系数的影响。最后，对仿真结果进行了简要的对比分析。关键字：开关电源 AC-DC-DC电路 闭环控制AC-DC-DC电源(100V，1000W)设计1.设计任务设计一个AC-DC-DC电源，具体参数如下：单相交流输入220V/50Hz，输出直流电压100V,纹波系数5%，功率1000W。并要求完成的如下任务：1）对AC-DC-DC 电源进行主电路设计；2）控制方案设计；3）给出具体滤波参数的设计过程；4）在MATLAB/Simulink搭建闭环系统仿真模型，进行系统仿真；5) 分析仿真结果，验证设计方案的可行性。2开关电源2.1 背景综述随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。2.2 开关电源开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成 开关电源中主要的组成部分有：PWM控制器、功率开关管、变压器和反馈电路。根据反馈电路的不同，对输出的控制精度也不同。这不但增加了成本和体积，而且还使可靠性受到影响。从提高开关电源的竞争力来说，提高控制电路和保护电路的可集成性，使电源系统的设计简单化成为一个关键的问题。与线性电源相比，开关电源输出精度高、转换效率高，性能可靠。开关电源代替线性电源是大势所趋。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在安防监控，节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。2.3 开关电源的发展1)高频化开关电源采用高频开关调制，容易实习功率等级的稠密化，理论分析和实践表明，电器产品的变压器、电感线圈和电容的体积重量与供电频率的平方成正比，由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使原本传统的设备高频化。开关电源一般采用10kHz100kHz的高频调制，随着软开关技术的发展，工作频率还要提高。2）电源电路的模块化、集成化。其一是他的功率器件模块化，其二是电源单元模块化。常见的模块集成化含有一单元、二单元、六单元甚至更多单元，电源单元的模块化使单个有限功率等级的电源可以使用均流技术，既扩大了功率容量也满足了大电流输出的要求。3）绿色化。首先是节电，其次是这些电源减少了对电网及其他电器产生的污染。4)低电压、大电流、高功率。开关电源已经逐步采用低电压、大电流、高功率变换技术。同时，电源的输出指标，如纹波、精度、效率、启动时间、启动过冲以及动态特性等，也得到进一步提高。它的研究内容非常广泛，包括电路拓扑结构、动态问题(尤其是负载的大信号动态问题)、同步整流技术、控制技术以及其它相关技术的研究。诸如布线、磁集成、新兴电容、封装和高频大功率器件等技术。从目前至今后一段时间内。它都是电力电子界的热点。2.4 开关电源的分类 开关电源可分为DCDC和ACDC两大类，DCDC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但ACDC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。2.4.1 直流-直流变换电路直流-直流变换电路（DC-DC）是将直流电变为另一种固定电压或者可调电压的直流电，包括直接直流和间接直流变流电路，斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式、，二是频率调制方式、其具体的电路由以下几类1) Buck电路，降压斩波器，其输出平均电压小于输入电压，极性相同。2) Boost电路，升压斩波器，其输出平均电压大于输入电压，极性相同。3) Buck-Boost电路，降压或升压斩波器，其输出平均电压大于或小于输入电压，极性相反。4) Cuk电路，降压或升压斩波器，其输出平均电压大于或小于输入电压极性相反，电容传输。2.4.2交流-直流变换电路交流-直流变换电路变换（ACDC）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”。 交流-直流变换电路变换变换按电路的接线方式可分为半波电路、全波电路。按电源相数可分为单项、三相、多相。2.5 开关电源的组成开关电源大致由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。1）主电路冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。2）控制电路一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。3）检测电路提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。4）辅助电源实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。3 开关电源原理及设计3.1开关电源工作原理开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。3.2电源设计原理按照设计要求，单相220V，50Hz的交流电输入，经过AC-DC-DC变换电路，得到交流输入220V/50Hz，输出直流电压20V,纹波系数5%，功率500W，开关电源原理控制框图如图。所示。 图3-1 开关电源设计原理框图由原理图可得，单相交流电输入，经过整流环节，整流部分是利用具有单向导通性的二极管构成桥式电路来实现的；随后经过滤波电容，滤除高频谐波，得到直流电压，随后利用以PWM为控制方式的直流斩波电路进行降压，最后经过LC滤波电路的到所需电压，再由输出信号与基准信号的差值来控制闭环反馈，以调节导通时间，最终控制输出稳定的电压（或电流）。4主电路原理与设计4.1 整流电路设计4.1.1整流电路工作原理整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压。习惯上称单向脉动性直流电压。4.1.2 整流电路设计单相220V，50Hz的交流电输入，为了得到直流输出电压，我们首先设置一个整流电路，整流部分由四个二极管反向并联组成，为了滤除谐波分量，同时加入了两个滤波电容。整流电路图设计如图。所示。图4-1 三相不可控整流电路图工作时的波形图如下：图4-2 整流电路工作波形分析整流电路的工作波形，我们发现，整流电路将220V，50Hz输入的单相交流电，转化变成了电压只在正方向变动的直流电，且其周期变为了原来的二倍。4.2 降压斩波电路设计4.2.1 buck电路的设计为了使220V，50Hz的单相交流电变为输出100V的直流电，我们需要进行降压处理，根据电力电子相关知识，本文选择DC-DC变化中的BUCK电路作为电路中的降压，其中BUCK的电路图如图所示。图4-3 BUCK电路示意图降压斩波电路的电路图如图4-3所示。该电路使用一个全控器件IGBT，图中示意为V，通过控制全控器件IGBT的导通关断的时间来控制输出侧的电压输出。斩波电路主要应用于电力电子的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，直流斩波电路的工作波形如图。所示。图4-4 BUCK电路工作波形图时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压,负载电流按指数曲线上升。 时控制V关断，二极管VD续流，负载电压近似为零，负载电流呈指数曲线下降，通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。直至一个周期结束，在驱动V导通，重复上一个周期过程，当电路工作于稳定，负载在一个周期内的初值和终值相等。1） 负载电压的平均值为 （4-1）式中，为V处于通态的时间，为V处于断态的时间，为开关周期，a为导通占空比，简称占空比或导通比。2）负载电流平均值为: （4-2）若负载中L较小，在V关断后，到了时刻，负载电流已衰减至零，出现负载电流断续的情况。因此，电流断续时,负载电压平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。4.2.2控制方案选择为了实现输出BUCK的输出电压为20V，我们需要通过控制IGBT的开通和关断来控制输出电压，根据对输出电压平均值进行调制的方式不同,斩波电路有三种控制方式：1）保持开关周期不变，调节开关导通时间，称为脉冲宽度调制即为PWN控制方式；2）保持开关导通时间不变，改变开关周期，称为频率调制；3）和都可调，使占空比改变称为混合型。通过分析研究，本次选取脉宽调制方式来控制IGBT的通断。4.3 PWM控制的基本原理4.3.1 IGBT基本简介IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor)，绝缘栅双极型功率管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。图4-5 IGBT示意图图4-5所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+区称为源区，附于其上的电极称为源极。N+区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P型区（包括P+和P一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannelregion）。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Draininjector），它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极4.3.2面积等效原理冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。对于不同形状的脉波，只要他们的面积（冲量）相等，则他们家在具有同一惯性的环节上，其输出相应基本相同。仅在高平段有所不同。4.3.3 PWM控制的基本原理将图4-6所示正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；如果用一系列等幅不等宽的脉冲来代替由正弦半波N等分后的脉冲序列，即用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，就得到图5-3 b所示的脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出，各脉冲幅值相等，而宽度按正弦规律变化，由面积等效原理知，PWM波和正弦半波是等效的。像这种脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形也称为SPWM波。图4-6 PWM波代替正弦半波示意图同样，通过改变幅值或改变每个脉冲的宽度，也可以使PWM等效为方波、三角波、锯齿波等等的任意波形。4.4电路设计参数的计算按照设计要求，设计一个AC-DC-DC电源，在单相交流输入220V/50Hz，输出直流电压100V，纹波系数，功率1000W，我们需要选定整流电路的整流器件和BUCK电路的滤波参数。4.4.1整流滤波电路对于整流电路，我们选定单相桥式不可控整流电路，并对整流后的输出电压进行滤波，选取两个滤波电容并联，其中滤波电容的数值为：（4-3）4.4.2直流降压斩波电路根据设计要求，我们可以计算相关参数如下。1）占空比所给单相交流输入220V，经过整流滤波之后得到220V直流电压，而最后直流输出为100V，因此占空比D的值为：（4-4）负载电流的平均值（4-5）3）负载电阻 根据要求，直流斩波电路的输出电压为20V，输出的功率为500W，因此计算求得负载电阻R的值（4-6）4）滤波电感电感的选择应保证直流输出电流为最小规定电流（通常为额定负载电流的10%），电感电流保持连续。（4-7）5）滤波电容按照设计要求，输出直流电压为100V，纹波系数，所以我们可以得到输出的最大电压波动差值为：（4-8）取PWM发生器的开关频率为（4-9）电在开关关断时为负载供电和减小输出电压的纹波，按照设计要求，选定滤波电容的大小如下：（4-10）5 SIMULINK仿真模型5.1 Matlab简介MATLAB是matrix和laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。5.2 SIMULINK简介SIMULINK是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。SIMULINK可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，SIMULINK提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。5.3 开环仿真电路及波形5.3.1 开环仿真电路原理图按照设计要求，要求我们设计设计一个AC-DC-DC电源，具体参数如下：单相交流输入220V/50Hz，输出直流电压100V,纹波系数，功率1000W。对于该设计，我们首先考察仿真电路开环时的结果。对于开环的电路，我们不能利用反馈来驱动IGBT，因此我们需从新加一个方波发生器来控制IGBT的导通和关断。按照数据计算，我们选择方波发生器的频率为，并求得了占空比为0.3214，于是做如下设置：图5-1 脉冲发生器设置示意图加入上述触发脉冲之后，我们搭建了根据AC-DCDC电路的原理搭建了如图5-2所示的开环仿真电路。图5-2开环仿真电路图5.3.2 开环仿真电路仿真结果我们首先将单相有效值为220V即设置赋值为311，频率为50Hz的电源输入，其输入电源的波形如图所示。电压/V时间/s图5-3 单相输入电源电压波形图首先经过一个单相不可控整流电路，得到了幅值为311V的直流电时间/s电压/V图5-4 整流滤波过后电压波形图经过DC-DC降压变换电路得到电路的电流变化如图5-5所示。电流/A时间/s图5-5 输出电流波形时间/s电压/V图5-6 输出电压波形电流/A电压/V时间/s图5-7 电压电流波形的局部放大图5.4.3结果分析由上图我们可以得到对于输出线路中的电流，可以得到其纹波系数为（5-1）输出电压的纹波系数为:（5-2）经过分析计算，我们可以看到输出电压和电流的纹波系数都是满足要求的即，小于5%5.4闭环仿真电路及波形5.4.1 闭环仿真电路图按照设计要求，我们需要设计一个AC-DC-DC的闭环电流，我们通过将设计开环电路的电压作为反馈信号的输入并与期望输出100V电压比较得出误差值，然后经过放大，与信号比较等经过多项处理最后得PWM的触发信号，从而控制IGBT的通断来控制输出电压，其中反馈环节的组要组成如图5-8所示。图5-8 电源电路闭环反馈环节在开环得电源电路的基础之上，我们以输出电压作为反馈信号的输入，同时构成闭环电源电路模型，加入反馈环节之后的闭环电源电路如图5-9所示。图5-9 闭环仿真电路图5.4.2 闭环仿真电路仿真通过设计的AC-DC-DC的电源电路，可以得到该电路的电流和输出电压如图5-10所示。时间/s电流/V图5-10闭环电源电路电压波形时间/s电压/V图5-11闭环电源电路电压波形为了确定电路输出的纹波系数，我们对输出电压电流波形进行局部放大处理后得到如图5-12所示。时间/s电压/V电流/A图5-12 脉冲发生器设置示意图5.4.3结果分析由上图，我们可以看到电路电流的纹波系数如下：（5-3）电压的纹波系数为：（5-4）经过分析计算，我们可以看到闭环电源电路的输出电压和电流的纹波系数都是满足要求的即，小于5%。5.5基于PI调节器的闭环反馈电路在上述电路的闭环控制系统时，我们首先采用的是将输出的信号与期望输出的电压值100V作比较，将比较电压经过处理，得到控制IGBT的一系列脉冲被从而实现了电路的反馈。在本节，我拟采用PI调节器，对误差输出信号进行处理，利用PI调节器控制电路的输出。PI部分电路如下所示：5.6控制方案比较在开环电路仿真结果中，开环系统运行后电压超调约为0V左右，稳定后的纹波约为1.6V，纹波系数为1.6%；稳定后的纹波约为0.16A, 纹波系数为1.6%。在闭环电路仿真结果中，闭环系统运行后电压超调约为0V左右，稳定后的纹波约为1.2V，纹波系数为1.2%；电流稳定后的纹波约为0.12A，纹波系数为1.2%。分析发现，开环与闭环都能满足输出电压纹波系数5%的要求，且超调基本为0。但是，相对而言，开环系统纹波系数较大，受扰动后难以恢复稳定，抗扰性能较差，但是闭环系统可以将任意时刻的输