PLC课程设计报告-降压型PWM AC-DC开关电源设计.doc

PLC课程设计报告题 目 降压型PWM AC-DC开关电源设计 专业班级 学 号 学生姓名 指导教师 学院名称 目 录1.引 言31.开关电源的概念31.1 PWM技术简介31.2 降压型DC-DC开关电源原理简介42. 降压型PWM AC-DC开关电源设计的基本要求63. 电路总体方案的设计及相关原理64.主电路设计及参数计算74.1 主电路的设计74.2 主电路的参数确定85.控制电路、驱动电路及保护电路的设计105.1 控制及驱动电路设计105.2 保护电路的设计116.课程设计总结12参考文献12附录1311.引 言1.1开关电源的概念开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC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AC/DC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。开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源电路主要由整流滤波电路、DC-DC控制器（内含变压器）、开关占空比控制器以及取样比较电路等模块组成。AC/DC变换是将交流变换为直流，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。AC/DC换器输入为50/60Hz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AC/DC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，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。1.1.1 PWM技术简介 随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。 模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在0V,5V这一集合中取值。 模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。 尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重（如老式的家庭立体声设备）和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。 通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。1.1.2 降压型DC-DC开关电源原理简介将一种直流电压变换成另一种固定的或可调的直流电压的过程称为DC-DC交换完成这一变幻的电路称为DC-DC转换器。根据输入电路与输出电路的关系，DC-DC 转换器可分为非隔离式DC-DC转换器和隔离式DC-DC转换器。降压型DC-DC 开关电源属于非隔离式的。降压型DC-DC转换器主电路图如下： 其中，功率IGBT为开关调整元件，它的导通与关断由控制电路决定；L和C为滤波元件。驱动VT导通时，负载电压Uo=Uin，负载电流Io按指数上升；控制VT关断时，二极管VD可保持输出电流连续，所以通常称为续流二极管。负载电流经二极管VD续流，负载电压Uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常串联L值较大的电感。至一个周期T结束，在驱动VT导通，重复上一周期过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。负载电压的平均值为式中，ton为VT处于导通的时间，toff为VT处于关断的时间；T为开关管控制信号的周期，即ton+toff；为开关管导通时间与控制信号周期之比，通常称为控制信号的占空比。从该式可以看出，占空比最大为1，若减小占空比，该电路输出电压总是低于输入电压，因此将其称为降压型DC-DC转换器。负载电流的平均值为 若负载中电感值较小，则在VT管断后，负载电流会在一个周期内衰减为零，出现负载电流断续的情况。因此有降压DC-DC开关电源有非连续电流模式（DCM）和连续电流模式（CCM)两种工作模式。波形图如下所示：2. 降压型PWM AC-DC开关电源设计的基本要求设计一款降压型PWM AC-DC开关电源，设计参数如下：输入参数：1.输入交流电压：单相AC220V2.输入电压变动范围：20%3.输入频率：50Hz2Hz输出参数：1.输出直流电压：24V2.输出功率：约200W设计基本要求:1.设计主电路；2.设计控制电路和保护电路；3.计算主电路电力电子器件参数；4.绘制主电路、控制电路和保护电路电路图；5.绘制完整电路图。3. 电路总体方案的设计及相关原理 电源有一种输入，即单相220V交流电压，设计输入电压变动范围为20%。有一种输出：24V直流电压，输出功率约为200W。交流220V经过一个滤波整流电路后得到直流电压，送入DC-DC降压斩波电路，控制电路提供控制信号控制IGBT的关断，调节直流电压的占空比，最后经过LC滤波电路的到所需电压。通过对输出电压的取样，比较和放大，调节控制脉冲的宽度，以达到稳压输出的目的。开关电源原理框图如下：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；滤波部分是利用电容电感器件的储能效应，构成LC电路来实现的；降压部分是利用降压斩波电路来实现，控制方式为脉宽调制控制（PWM），即在控制时对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。本次设计的开关电源控制时首先保持主电路开关元件的恒定工作周期（T=ton+toff），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ton，最终控制输出电压（或电流）的稳定。4.主电路设计及参数计算4.1 主电路的设计主电路主要完成对交流的整流滤波，对直流电压降压和滤波三个工作。整流电路图设计如下：工作时的波形图如下：将整流后的得到的直流电压送入降压斩波电路，通过脉宽调制控制调节输出电压平均值，在经过LC滤波电路是电压稳定。降压斩波电路设计如下图：脉宽调制控制型号有IGBT驱动电路发出；RCD保护电路用以缓冲IGBT在高频工作环境下关断时因为正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。工作时的波形图如下：4.2 主电路的参数确定设计输入电流为频率50Hz的单相220V交流电，其脉冲周期为：经过整流后得到的是只有正半部分的正弦波幅值与输入电压一样，但周期为输入电压一般，即设计输出电压为直流24V稳压，电流为8A直流。占空比通常取0.40.45，该电路取=0.42，考虑IGBT和二极管的导通压降取0.8V，电感压降取0.2V。于是可以得到：设计输出功率为200W，所以可以确定：又由于Uin2=Uo1，确定电阻R1=100，一次侧与二次侧线圈匝数比N1/N2=2，可以确定整流滤波电路中的回路电流及分压电阻R0为：对于整流滤波电路中的四个二极管VD1、VD2、VD3、VD4，它们承受的反向最大峰值电压为输入电压Uin最大值的一半，约为77.8V；流过的最大平均电流约为0.5952A。所以我们可以选择正向平均电流I(AV)大于0.62A，反向重复峰值电压Urrm大于156V的电力二极管用来构成全桥。对于斩波电路中的电力二极管VD，承受的最大反向重复峰值电压约为84.2V，最大正向平均电流I(AV)约为8.33A，所以我们可以选择正向平均电流I(AV)大于8.5A，反向重复峰值电压Urrm大于169V的电力二极管作为续流二极管。对于斩波电路中的IGBT VT，集射极承受的最大电压Uce约为84.2V，流过的最大电流值约为8.33A，则最大耗散功率约为701.2W。所以我们可以选择最大集射极间电压大于85V，最大集电极电流大于8.5A，最大集电极功耗大于723W的IGBT。综上所述，主电路的主要参数如下：所用电力二极管和IGBT的导通压降约为0.8V，电感压降约为0.2V1. 整流滤波电路部分： 一次侧与二次侧线圈匝数比N1/N2：2 输入电压Uin：单相220V交流 输出电压Uo1：59.52V直流 回路电流平均值Io1：0.5952A 电阻R0：81.8 电阻R1：100 电力二极管VD1、VD2、VD3、VD4参数： 正向平均电流I(AV)0.62A，反向重复峰值电压Urrm156V2. 降压斩波电路部分： 输入电压Uin2：59.52V直流 输出电压Uo：24V稳压直流 回路电流平均值（输出电流）Io2：8.33A 输出功率：200W 电阻R2：2.88 占空比：0.42 电力二极管： 正向平均电流I(AV)8.5A，反向重复峰值电压Urrm169V IGBT参数： 最大集射极间电压Uces85V，最大集电极电流Ic8.5A 最大集电极功耗Pcm723W 5.控制电路、驱动电路及保护电路的设计5.1 控制及驱动电路设计 驱动电路（电压型）：如图1所示:图1(a)适合于低频小电流驱动。当控制信号Vi为高电平时，V1导通，输出Vo对应控制的开关管（IGBT）导通；当控制信号Vi为低电平时，V2导通，输出Vo对应控制的开关管（IGBT）被关断图1(b)采用场效应管组成推挽电路，其工作原理同图1(a),这种电路高频峰值驱动电流可达10A以上,适用于大功率M0SFET或IGBT。5.2 保护电路的设计电子高速检测保护电路：如图2所示:在正常工作时,V2导通VDS处于低电平,A点电位通过D2回流至D点，因为漏极处于低电位，所以A点也处于低电位状态,不对V1产生偏置构成对V2的影响。当M0SFET过流时,漏极电压VDS迅速上升,D2承受反向电压截止,由R1、C1的充电作用,A点电位开始升高,直到使V1导通,将G极电位下拉接近0V,从而使M0SFET可靠关断而处于截止状态,限制了过电流。R1、C1有两个作用,其一是当FET的栅极加速向偏置信号使其导通瞬间,C1瞬间短路,保持V1的截止状态,以至不影响FET的开通,当C1充电电压上升时,还没到V1开通,FET已经开通,由D2的作用,使A点箝位,V1始终不开通,FET正常工作。其二是当FET过流时,VDS迅速上升,D2立即反向截止,A点电位开始积分延时,当积分到V1开通时,FET截止,这段时间为保护动作时间,是由R1和C1的参数决定的。这种过电流保护电路可以在0.1S级的时间内将过电流FET关断。图中D2选用高压超快恢复型二极管,D3选低压超快恢复型肖特基二植管,可消除D4稳压管存在较大结电容形成电荷位移电流对V1的影响。6.课程设计总结随着科学技术发展的日新日异，电力电子技术在现代社会生产中占据着非常重要的地位，电力电子技术应用在是生活中可以说得是无处不在如果把计算机控制比喻为人的大脑，电磁机械等动力机构喻为人的四肢的话，则电力电子技术则可喻为循环和消化系统，它是能力转化和传递的渠道。因此作为二十一世纪的电气专业的学生而言掌握电力电子应用技术十分重要。通过本次课程设计，使我更加深刻地理解了直流斩波电路以及开关电源，了解了开关电源的基本结构、设计过程和实现的功能。使我了解到开关电源在电子设备、电力设备和通信系统的直流供电中得到广泛应用，在高频开关电源中，DC-DC变换是其核心。随着半导体技术的发展，高集成度，功能强大的大规模集成电路不断出现，使电子设备不断缩小，重量不断减轻，相应地要求系统供电电源的体积和重量相应减小，如何减小开关电源的体积，提高其效率，是将在在设计开关电源的过程需要着重考虑的一个方面。从理论到实践，在专业课程设计持续的日子里，可以培养学生学到很多东西，不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过课程设计教育学生认识理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。参考文献1. 王兆安、黄俊. 电力