电力电子装置课设张弛.docx

武汉理工大学电力电子装置课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 张弛 专业班级： 电气1002班 指导教师： 许湘莲 工作单位： 武汉理工大学 题 目: 单端反激AC-DC-DC电源（15V，10W）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30V,纹波系数5%，功率45W。（根据具体仿真或设计可修改红色参数）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 日摘要在很多设备中都需要直流电源，如电视机、打印机等等，传统的AC/DC稳压电源都用的线性放大特性设计，功耗较大，现代AC/DC变换器采用功率半导体作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空来调整输出电压，工作频率高，滤波电容小、电感小，所以体积相对较小，而且开关电源的功耗较低，对电网的适用能力强，所以开关电源的应用逐渐取代了传统的电源。而且现在的开关器件发展成熟开关频率高，电源电路也已经逐步实现模块化、集成化，并且向绿色化发展所以研究高频开关电源是非常具有实用价值的。开关电源有多种拓扑结构，选择合适的拓扑结构，合适的器件，是设计开关电源的重中之重。本次课程设计主要针对单端反激开关电源进行设计。 关键词: AC/DC变换 单端反激 闭环 开环 仿真目录单端反激AC-DC-DC电源设计31开关电源概述31.1开关稳压电源的优点41.1.1内部功率损耗小，转换效率高41.1.2体积小，重量轻41.1.3稳压范围宽，线性调整率高51.1.4滤波的效率大为提高51.1.5电路形式灵活多样51.2开关稳压电源的缺点61.2.1关稳压电源存在着较为严重的开关噪声和干扰61.2.2电路结构复杂，不便于维修62开关电源结构72.1 AC-DC变换环节72.1.1整流环节72.1.2整流电路设计72.1.3滤波环节82.1.4滤波的基本概念92.1.5 LC滤波电路设计92.2 DC/DC变换器92.2.1电流工作模式的方案选择112.2.2 PWM 集成控制器的工作原理与比较113参数设计133.1 高频变压器设计133.2占空比选择163.3滤波电感大小的计算163.4滤波电容大小的计算164模型与仿真1641闭环模型与仿真结果164.2开环模型与仿真结果194.3仿真结果对比215心得体会226参考文献23单端反激AC-DC-DC电源设计1开关电源概述传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠，但它存在着效率低（只有40% 50%）、体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调整范围小等缺点。为了提高效率，人们研制出了开关式稳压电源，它的效率可达85% 以上，稳压范围宽，除此之外，还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点，是一种较理想的稳压电源。正因为如此，开关式直流稳压稳流电源已广泛应用于各种电子设备中。单端反激式开关电源的典型电路图1-1 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。图1-11.1开关稳压电源的优点 1.1.1内部功率损耗小，转换效率高 在开关稳压电源原理框图中，开关功率管V在PWM驱动信号的驱动下，交替地工作在导通-截止与截止-导通开关状态，转换速度非常快，频率一般可高达100kHz左右。在一些电子工业发达国家，可以做到MHz以上。这便使得开关功率管V上的功率损耗大为减小，储能电感的电感量大为减小，储能效率大为提高，从而使整个开关稳压电源的转换效率得到大幅度的提高，其转换效率可高达90左右。1.1.2体积小，重量轻从开关稳压电源的原理电路图中我们可以清楚地看出，这里没有采用笨重的工频变压器。由于开关功率管V工作在开关状态，因此其本身的功率损耗大幅度地降低，这就省去了较大的散热器。另外由于电路的工作频率比线性稳压电源中的50Hz工频高了好几个数量级，因此滤波效率大大提高，滤波电容的容量也大为减小。这三方面的原因，就使得开关稳压电源具有体积小，重量轻的显著优点。1.1.3稳压范围宽，线性调整率高开关稳压电源的输出电压是由PWM/PFM（脉频调制）驱动信号的占空比来调节的，输出电压由于输入信号电压的变化而引起的不稳定，可以通过调节脉冲宽度或脉冲频率来进行补偿。这样，在输入工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有非常稳定的输出电压。因此，开关稳压电源除具有稳压范围宽的优点外，还具有稳压效果好和线性调整率高的优点。此外，由于改变占空比的方法有脉宽调制型和脉频调制型两种，因此开关稳压电源不仅具有以上所说的优点，而且实现稳压的方法和技术也较多，设计人员可以根据实际应用的要求和需要，灵活地选用各种类型的开关稳压电源电路。1.1.4滤波的效率大为提高使滤波电容的容量和体积大为减小。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的频率的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。在相同的纹波输出电压的要求下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容容量的1500一11000。1.1.5电路形式灵活多样例如，有自激式和他激式；有调宽型和调频型；有单端式和双端式，等等。设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。1.2开关稳压电源的缺点1.2.1关稳压电源存在着较为严重的开关噪声和干扰在开关稳压电源电路中，由于开关功率管工作在开关状态，因此它所产生的高频交流电压和电流将会通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振噪声，这些干扰和噪声如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。此外，由于开关稳压电源电路中的振荡器没有工频降压变压器的隔离，因此这些干扰和噪声就会窜入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。而且这种高频干扰还会通过开关稳压电源电路中的磁性元件（如电感和开关变压器等）辐射到空间，使周围的其他电子仪器、设备和家用电器也同样受到严重的干扰。1.2.2电路结构复杂，不便于维修对于无工频变压器的开关稳压电源电路中的高压、高温电解电容，高反压、大电流功率开关管，高频开关变压器的磁性材料，高反压、大电流、快恢复肖特基二极管等器件，在我们国家还处于研究、开发和试制阶段。在一些技术发达的国家，开关稳压电源虽然有了一定的发展，但在实际应用中也还存在着一些问题，不能令人十分满意。这就暴露出了开关稳压电源的另一个缺点，那就是电路结构复杂，故障率高，维修麻烦。对此，如果设计者和生产者不予以充分重视，它将直接影响开关稳压电源的推广应用。2开关电源结构2.1 AC-DC变换环节2.1.1整流环节变压器变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，半波整流电路和全波整流电路的输出波形如上图所画。可以看出，他们均含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作；例如，交流分量将混入输入信号被放大电路放电，甚至在放大电路的输出端所混入的电源交流分量大于有用信号；因而不能直接作为电子电路的供电电源。应当指出，图中整流电路输出端所画波形是未接滤波电路时的波形，接入滤波电路后波形将有所变化。本设计采用单相桥式整流电路，这种整流电路克服了单项半波整流电路输出电压低，交流分量大（即脉冲大），效率低等缺点。2.1.2整流电路设计整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。有半波整流和全波整流，最常用的是单相桥式整流电路。本设计也采用了单相桥式整流电路，所谓桥式整流电路，就是用二极管组成一个整流电桥。当输入电压处于交流电压正半周时，二极管D、负载电阻RL、D构成一个回路输出电压Uo=ui-UD-UD。输入电压处于交流电压负半周时，二极管D、负载电阻RL、D构成一个回路，输出电压Uo=ui-UD-UD。单项桥式整流电路图2-1设变压器的副边电压有效值为,则其瞬时值=sint。当为正半周时，电流由A点流出，经、流入B点，因而负载电阻上的电压等于变压器副边电压，即=，和管承受的反向电压为 -。当为副半周时，电流由B点流出，经流入A点，负载电阻上的电压等于 -，即=-，承受的反向电压为。由于和两对二极管交替导通，致使负载电阻上在的整个周期内都有电流通过，而且方向不变，输出电压=|sint |。2.1.3滤波环节为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅为直流电压。对于稳定性不高的电子电路，整流、滤波后的直流电压可以作为供电电源。本设计采用LC滤波电路，这种电路具有较强适应性，带负载能力较强。二极管的导通角较大，整流管的冲击电流较小。2.1.4滤波的基本概念滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L 应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。滤波电路通常有电容滤波电感滤波和复式滤波。2.1.5 LC滤波电路设计由于LC滤波器具有良好的滤波性能，其带负载能力强，二极管导通角大，整流管的冲击电流小。它是电容滤波电路和电感滤波电路的结合。LC滤波是传统的谐波补偿手段，即LC滤波器，也称为无源滤波器。2.2 DC/DC变换器DC/DC变换器用于开关电源时，很多情况下要求输入与输出间进行电隔离。这时必须采用变压器进行隔离，称为隔离变换器。这类变换器把直流电压或电流变换为高频方波电压或电流，经变压器升压或降压后，再经整流平滑滤波变为直流电压或电流。因此，这类变换器又称为逆变整流型变换器。DC/DC变换器有5种基本类型：单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。下面重点分析隔离式单端反激转换电路，电路结构图如图2-2所示。图2-2 电路结构图电路工作过程如下：当M1导通时，它在变压器初级电感线圈中存储能量，与变压器次级相连的二极管VD处于反偏压状态，所以二极管VD截止，在变压器次级无电流流过，即没有能量传递给负载；当M1截止时，变压器次级电感线圈中的电压极性反转，使VD导通，给输出电容C充电，同时负载R上也有电流I流过。M1导通与截止的等效拓扑如图2-3所示。 图2-3 M1导通与截止的等效拓扑 2.2.1电流工作模式的方案选择方案一：电流连续模式。电流连续工作状态，在下一周期到来时，电感中的电流还未减小到零，电容的电流能够得倒及时的补充，输出电流的峰值较小，输出纹波电压小。方案二：电流断续模式。断续模式下，电感能量释放完时，下一周期尚未到来，电容能量得不到及时补充，二极管的峰值电流非常大，对开关管和二极管的要求就非常高，二极管的损耗非常大，而且由于电流是断续的，输出电流交流成分比较大，会增加输出电容上的损耗。由于对于相同功率的输出，断续工作模式的峰值电流要高很多，而且输出直流电压的纹波也会增加损耗大。2.2.2PWM 集成控制器的工作原理与比较PWM 集成控制器通常分为电压控制模式和电流控制模式，电流控制模式因为动态响应快，补偿及保护电路简单，增益带宽大，易于均流及可防止偏磁等优点而被广泛采用 电流控制模式又分为峰值电流模式和平均电流模式，本设计采用电压控制模式。如图2-4所示。 图2-4 电压控制模式 图2-5电流控制模式 电压电流两种控制模式的工作原理如图2-4为电压控制模式的PWM 原理图。由图可以看出电压控制模式只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法。它工作的基本原理是：当恒频时钟脉冲置位锁存器时，输出电压 与参考电压 经误差放大器EA 放大后得到了一个误差电压信号，再与振荡电路产生的固定锯齿波电压经PWM 比较器COM 比较，由锁存器输出占空比随误差电压信号 变化的具有一定占空比的一系列脉冲。如图2-5为峰值电流控制模式的PWM 原理图。由图可以看出，它在原有的电压环上增加了电流反馈环节,构成电压电流双闭环控制。它工作的基本原理是：输出电压 与参考电压 经误差放大器EA 放大后得到一个误差电压信号 ， 再与变压器初级电感线圈中电流的采样电压比较，产生调制脉冲的宽度,由恒频时钟脉冲置位锁存器输出脉冲，使得误差信号对电感电流的峰值起控制作用。当 幅度达到电平时，PWM 比较器的状态翻转，锁存器复位，驱动撤除，开关管关断，电路逐个地检测和调节电感电流脉冲，由此控制电源的输出电压。若输入电压下降,整流后的直流电压下降,经电感延迟使输出电压下降,经误差放大器延迟,电压不变,在电流环中电感的峰值电流也随输入电压下降,电感电流的斜率 下降,导致斜坡电压推迟到达 ,使PWM占空比增大,起到调整输出电压的作用。3参数设计3.1 高频变压器设计1） 磁芯损耗磁芯损耗取决于磁感应增量、频率和温度。若不考虑温度影响, 软磁铁氧体铁芯总损耗通常由三部分构成: 磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe 和剩余损耗Pr。每种损耗产生的频率范围是不同的, 铁芯总损耗为 : (3-1) 式(3-1)其中KP为铁芯损耗系数, 不考虑温度时为常数, V 为铁心体积, f为工作频率, B 为磁感应强度,m 、n 分别是工作频率和磁感应的指数, 它们与铁芯的材料有关, 具体数值可以通过查表得到。2） 绕组损耗由于谐波的存在, 绕组损耗也是变压器损耗的重要组成部分, 对变压器来说谐波畸变率越大, 损耗也将会越大。在谐波影响下, 变压器的绕组损耗将随着谐波电流的增大而增大。由于非全相整流负荷的原因, 变压器中会存在直流分量, 它会使变压器产生偏磁。因此, 如果考虑直流分量的影响, 绕组损耗的计算公式为: (3-2) 式(3-2)中: 为绕组损耗, h 为谐波次数, 为第h次谐波下原边绕组的电阻, 为第h次谐波下副边绕组的电阻, 为流过原边绕组的谐波电流的有效值, 为流过副边绕组的谐波电流的有效值。3） 温升 高频变压器的温升对系统的工作状态和输出功率会有影响, 而温升与能量损耗一般成正比关系,即: (3-3) 其中比例常数，即热阻 温升 损耗功率由上式(3-3)可知, 为了降低温升, 必须减少能量的损耗。而能量的损耗又直接与铁芯损耗和绕组损耗有关, 因此在设计中必须考虑降低它们的损耗量。4） 磁芯要求 高频变压器与50H z的工频变压器相比, 频率提高了几百倍, 绕组匝数大大减少, 铜耗及调整率减小, 但铁芯中的损耗将随频率的提高大大增加。一般开关电源中使用的铁芯有如下要求:( 1)尽可能高的磁感应强度(但注意在最大输出功率时, 不能达到饱和, 以免产生失真) ； ( 2)尽可能高的导磁率; ( 3)要求磁损较小; ( 4)要求线包加工及装配容易;( 5)磁特性随温度变化要小, 即要求较稳定的温度系数。 开关电源输出功率： (3-4)磁芯材料选用锰-锌铁氧体，其饱和磁感应强度为：5000Gs，相对磁导率：，取最大磁通密度：。当磁芯中磁感应强度小于时，磁芯的相对磁导率可取：，磁芯磁导率为： (3-5)开关电源效率取，则所需要的变压器面积乘积为： (3-6) =式(3-6)中：窗口利用系数取0.3，绕组电流密度取3。由于骨架需要，选择EI40磁芯，其磁芯截面积为：窗口面积为：磁路长度：面积乘积为： (3-7)所以综上计算 EI40满足功率输出能力要求。变压器变比3.2占空比选择3.3滤波电感大小的计算3.4滤波电容大小的计算4模型与仿真41闭环模型与仿真结果图4-1闭环结构图图4-2整流滤波后波形图4-3闭环功率波形图4-4闭环电流波形图4-5闭环电压波形4.2开环模型与仿真结果图4-6开环模型图4-7开环电流波形图4-8开环电压波形图4-9开环功率波形4.3仿真结果对比由开环和闭环的对比我们可以很清楚的发现闭环的波形无论从响应速度，超调量，上升时间，稳定时间这一类参数上面要远远好于开环。闭环的系统用了PI调节器，基本做到了无静差，无超调的结果。 不过闭环的系统比开环系统要求更为复杂，需要更多的电力电子变换器件来进行反馈控制。5心得体会经过一个多星期的努力，我收获了很多，也发现了很多自己的不足之处。每次做课程设计，我都从中学到了不少有用的东西，这不仅仅是有关课程的，还有许多课外的知识。这次也不例外，我不光对单端反激电路有了更深刻的理解，同时对WORD 2007，MATLAB 2012 等工具的运用也更加熟练。回想做课设的这些天，我感觉重要的是过程而不是结果，也许