电力电子装置课程设计AC-DC-DC电源.docVIP

学 号： 课 程 设 计题 目AC-DC-DC电源(36V，300W)设计学 院自动化学院专 业电气工程及其自动化班 级电气班姓 名指导教师许湘莲2013年6月18日武汉理工大学大学电力电子装置及控制课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 许湘莲 工作单位： 武汉理工大学 题 目: AC-DC-DC电源(36V，300W)设计 初始条件：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36V,纹波系数5%，功率300W。要求完成的主要任务: （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。时间安排：2013年6月8日至2013年6月18日，历时一周半，具体进度安排见下表具体时间设计内容6.8指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍；学生确定选题，明确设计要求6.96.13开始查阅资料，完成方案的初步设计6.146.16由指导老师审核模型，学生修改、完善并对数学模型进行分析6.176.18撰写课程设计说明书6.18上交课程设计说明书，并进行答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要1AC-DC-DC电源(36V，300W)设计21 设计任务及要求21.1技术要求21.2设计内容22电路总体方案及原理22.1 开关电源的简介22.2设计方案23主电路设计及参数计算33.1整流电路的设计33.2降压斩波电路设计43.3控制方案的设计63.4主电路参数的计算73.4.1主电路参数计算73.4.2 滤波参数的计算84 系统建模与仿真8.1开环系统的仿真84.2闭环系统的仿真115结果分析126总结与体会13参考文献14武汉理工大学大学电力电子装置及控制课程设计说明书摘要随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活关系日益密切，而任何电子设备都离不开可靠的电源。而开关电源以小型，轻量和高效率的特点被广泛应用于电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等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。本此设计主要对降压型AC-DC-DC开关电源的核心部分AC-DC整流装置与DC-DC转换器（降压斩波电路）的拓扑结构及其工作原理机型设计，描述了DC-DC转换器的控制方法脉宽调制控制（PWM）。在此基础上设计了一款基于电压控制模 式的PWM降压型AC-DC-DC开关电源，设计的内容包括主电路的设计、控制及驱动电路的设计，并给出设计参数。然后在MATLAB/Simulink搭建系统仿真模型，进行系统仿真。通过对仿真结果的分析，验证设计的正确性。关键词：开关电源 整流降压斩波MATLABAC-DC-DC电源(36V，300W)设计1 设计任务及要求1.1技术要求设计一个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36V,纹波系数U2，导致D1和D4管反向偏置而截止，电容通过负载电阻RL放电，UC按指数规律缓慢下降这样就得到一个直流电压波形，如图所示：UioUoo图3整流电路工作波形3.2降压斩波电路设计 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，再经过LC滤波电路使电压稳定。脉宽调制控制信号由IGBT驱动电路发出。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。 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；D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。其电路图与波形图波形图如图所示：图4 降压斩波电路降压斩波电路的工作波形：图6 断续时的波形tttOOO图5 连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEM3.3控制方案的设计由于整流电路采用的是不控整流，所以控制电路主要用于降压斩波电路中，本处采用直流脉宽调制。直流脉宽调制是利用直流调制信号和三角载波比较，可以得到单脉波控制信号，只要改变直流调制信号，就可以改变单脉波的脉冲宽度 ，调节输出电压基波分量的有效值，实现电压控制的目的。图7所示为实现直流脉宽调制的一种简单方法，给定电压和反馈电压通过电压调节器得到一个控制电压，和锯齿波电压比较得到脉冲波形，触发器的输出是互补的方波、，通过两个与门电路，获得互差的脉冲方波、，它们均可作为斩波电路的控制信号。图7直流脉宽调制原理方波输出电路简单，易于闭环控制，电压输出稳定度也比较高。特别是它可以借用直流电源控制技术，很多直流控制芯片都可以应用，因此方波输出具有成本低的优点。但是，方波输出含有大量的低次谐波，波形畸变严重，主要应用在要求不高的场合。3.4主电路参数的计算3.4.1主电路参数计算 输入电压为单相220V交流电，经晶闸管不控整流，电容滤波之后，考虑到器件压降及滤波损失，输出有效值约为312V的直流电，加到降压斩波电路的输入端，滤波电容要选较大值，本设计中C1选0.1F，R1选择100。 设计输出电压为直流36V稳压，占空比D=，通常取0.110.12，该电路取D=0.115。, 设计输出功率为300W，所以可以确定： 因为占空比为0.115，这里取最小负载电流为额定电流的1/10，即=0.833A3.4.2 滤波参数的计算 要电流连续必须最小负载电流大于临界负载电流；，即要求：=0.0191H 可取L=0.02H 要求电压纹波系数小于0.05时107Hz为此要求F 取C=0.2uF L=0.02H%5%,满足要求。4 系统建模与仿真4.1开环系统的仿真根据上述计算所得参数，在MATLAB/Simulink中搭建闭环系统仿真模型，进行系统仿真，开环系统仿真电路图如图所示：图8 开环系统仿真模型整流输出电压波形如图：图9 开环系统整流波形Io降压斩波电路输出电压与负载电流波形：Uo图10 开环系统输出波形4.2闭环系统的仿真在开环系统模型的基础上增加电压反馈通道，构成闭环控制系统。此处用到直流脉宽调制技术，三角载波电压幅值设为6V，则根据理论计算的占空比为11.5%，则直流调制信号的电压幅值设为60.115=0.69V。给定电压为36V，反馈电压为斩波输出负载上的电压值，通过比较两个电压的大小，将电压差反馈到与直流调制信号叠加，以此来控制开关管的导通时间来稳定输出电压的大小。图11 闭环系统电路图闭环系统输出电压与负载电流波形：UoIo图12 闭环系统输出波形5结果分析通过比较上述仿真结果可知，开环仿真输出电压基本稳定在36V，负载电流基本稳定在8.3A左右，所以满足设计要求的输出功率300W，从仿真波形中可以看出，纹波系数明显小于5%，存在微小扰动。基本满足要求。闭环系统仿真结果也符合设计要求，相比开环系统而言，输出电压与负载电流更加平稳，系统的抗扰性能增强，更好地满足了设计要求。6总结与体会本次电力电子装置课程设计，使我更深入了解了开关电源的设计。加深了我对理论知识的掌握，并把所学的知识系统、高效的贯穿到实践中来，避免了理论与实践的脱离。同时我对matlab的操作更为熟悉，有了更深刻的了解，这是一个款功能强大的软件，它广泛应用于各个方面。随着科学技术发展的日新月异，不断学习一些辅助设计软件是必要的，能在一定程度上提高我们设计的效率和可行性。并在实践中不断完善理论基础，培养综合能力。在设计过程中，我发现了自己有很多问题虽然感觉理论上已经掌握，但想要用所学的只是系统的解决一个问题还是比较困难的。比如说，虽然知道直流电源的组成部分，但是想要按照要求既定的设计一个符合要求的直流电源，必须综合实现的难易程度等方面综合选择器件，并完成器件参数的计算。由于对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，在比较系统地运用的过程中，仍会存在很多盲点。这次课程设计之，虽然遇到一些难题，但经过一番努力，都得以解决，并使自己取得了一定的进步，这也激发了我今后努力学习的决心。学习不能一知半解，需要坚持、耐心和努力，我一定要时时刻刻重新温故。参考文献1 王兆安,刘进军.电力电子技术.机械工业出版社,20092 杨荫福,段善旭,朝泽云.电力电子装置及系统.清华大学出版社,20063 陈坚,电力电子学.高等教育出版社,20024 王兆安,黄俊.电力电子变流技术.机械工业出版社,19935 王水平.PWM控制与驱动器使用指南及应用电路.西安电子科技大学出版社,200516本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别男专业、班级电气工程及其自