降压型PWM_AC-DC开关电源设计.doc

电力电子技术课程设计报告降压型PWM_AC-DC开关电源设计姓 名 学 号 年 级 专 业 系（院） 指导教师 2010年12月20日1第一章引 言1.1发展现状与前景目前开关电源以小型，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。市场上的DC-DC开关电源中，用MOS管制成的300-500KHZ电源早已经实用化，其频率可以进一步提高。但是频率的提高会产生浪涌或噪声，这样不仅影响周围的电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。所以如何抑制高频噪声现在也是开关电源的一个研究方向。开关电源的技术趋势和未来可以概括为以下四个方面：（1）小型化、薄型化、轻量化、高频化开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积；在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。（2）高可靠性开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度。这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。（3）低噪声开关电源的缺点之一是噪声大。单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。（4）采用计算机辅助设计和控制采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。电源管理芯片实际上也是指具有自动控制环路和保护电路的DC-DC变换芯片，是开关电源的核心控制芯片。电源管理芯片在90年代中后期问世，由于替换了大部分分立器件，使开关电源的整体性能得到大幅度提高，同时降低了成本，因而显示出强大的生命力。我国开关电源起源于1970年代末期，到1980年代中期，开关电源产品开始推广应用。那时的开关电源产品采用的是频率为20 kHz以下的PWM技术，其效率只能达到60%70%。经过20多年的不断发展，新型功率器件的研发为开关电源的高频化莫定了基础，功率MOSFET和IGBT的应用使中、小功率开关电源工作频率高达到400kHz(AC/DC)和1MHz(DC/DC)。软开关技术的出现，真正实现了开关电源的高频化，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了开关电源的效率。目前，采用软开关技术的国产开关电源，其效率已达到93%。但是，目前我国的开关电源技术与世界上先进的国家相比仍有较大的差距。1.2研究开关电源的意义 信息时代离不开电子设备，而开关电源（switch power supply）在效率，重量，体积等方面相对于传统晶体管电源方面具有显著的优势，所以如今高频开关电源成为最广泛使用的电源。目前所有的开关电源都由功率级和控制级组成，功率级的主要任务是，根据不同的应用选用不同的拓扑结构，同时兼顾半导体元件，成本，参数等现状进行适当程度的调整。控制级采用的控制方式主要为经典的PID控制，实现时一般选用集成电路芯片。半导体技术，主功率电路，控制方式是开关电源设计和制造的三大方面。第二章设计任务与基本要求设计一款降压型AC-DC开关电源，设计参数如下：2.1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：50Hz2Hz2.2输出参数：1.输出直流电压：24V2.输出功率：约200W2.3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。第三章开关电源及PWM控制的工作原理3.1基本电路 开关式稳压电源的基本电路框图如下图所示： 交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。 3.2单端反激式开关电源 单端反激式开关电源的典型电路如图三所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管VT1 导通时，高频变压器初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时，变压器初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1 整流和电容滤波后向负载输出。单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20100，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。单端反激式开关电源使用的开关管VT1 承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20 200kHz之间。3.3单端正激式开关电源 单端正激式开关电源的典型电路如图四所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管VT1导通时，VD2也 导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感储存能量；当开关管VT1截止时，电感通过续流二极管VD3 继续向负载释放能量。在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2，它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件，即磁通建立和 复位时间应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于。由于这种电路在开关管VT1导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50200 的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。3.4自激式开关稳压电源 自激式开关稳压电源的典型电路如图五所示。这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，也是目前广泛使用的基本电源之一。 当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，其集电极电流Ic在L1中线性增长，在L2 中感应出使VT1 基极为正，发射极为负的正反馈电压，使VT1 很快饱和。与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，致使VT1退出饱和区，Ic 开始减小，在L2 中感应出使VT1 基极为负、发射极为正的电压，使VT1 迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输人电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器的次级绕组向负载输出所需要的电压。 自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从，也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输人和输出相互隔离的优点。3.5推挽式开关电源 推挽式开关电源的典型电路如图六所示。它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器次级统组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在100-500 范围内。3.6降压式开关电源 降压式开关电源的典型电路如图七所示。当开关管VT1 导通时，二极管VD1 截止，输人的整流电压经VT1和L向充电，这一电流使电感中的储能增加。当开关管VT1截止时，电感感应出左负右正的电压，经负载RL和续流二极管VD1释放电感中存储的能量，维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。这种电路使用元件少它同下面介绍的另外两种电路一样，只需要利用电感电容和二极管即可实现。3.7升压式开关电源 升压式开关电源的稳压电路如图八所示。当开关管 VT1 导通时，电感储存能量。当开关管VT1 截止时，电感感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管VD1向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压式开关电源。3.8反转式开关电源 反转式开关电源的典型电路如图九所示。这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，电路均能正常工作。当开关管 VT1 导通时，电感L 储存能量，二极管VD1 截止，负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。当开关管VT1截止时，电感中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管VD1向负载供电，同时给电容充电。 3.9 PWM技术简介 脉冲宽度调制（PWM），是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 脉冲宽度调制（PWM）基于采样控制理论中的一个重要结论，即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。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.按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率.PWM运用于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。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。以上介绍了脉冲宽度调制式开关稳压电源的基本工作原理和各种电路类型，在实际应用中，会有各种各样的实际控制电路，但无论怎样，也都是在这些基础上发展出来的。第四章电路总体方案的设计及相关原理4.1 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：4.2总体方案的设计 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。第四章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第五章控制电路、驱动电路及保护电路的设计5.1 控制及驱动电路设计 本文设计的开关电源的控制及驱动电路的核心为三菱公司的M579系列驱动器。电路图如下所示：该集成驱动器的内部包含有检测电路、定时及复位电路和电气隔离环节，可在发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT。输出的正驱动电压为+15V，负驱动电压为-10V。5.2 保护电路的设计本文设计的电源电路主要需要对IGBT在开通时采取di/dt保护和在关断时采取过电压保护，可选择复合缓冲电路作为IGBT的保护电路，电路图如下：5.3降压型PWM AC-DC开关电源完整电路图总结通过本次课程设计，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-