ACDC开关电源.docx

学 号： 0121011360617课 程 设 计题 目AC/DC开关电源学 院自动化学院专 业自动化班 级自动化1006班姓 名李中指导教师李志宏2013年1月1日课程设计任务书学生姓名： 李中 专业班级： 自动化1006班 指导教师： 李志宏 工作单位： 自动化学院 题 目:AV/DC开关电源 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）输出电压： 直流，纹波电压（峰峰值）小于额定电压的0.5%负载短时过载倍数： 200%输出电流：50A输出电压：34V输入电压： AC三相380V10%输入电压频率： 505HZ时间安排：指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录 1、开关电源的概念4 1.1PWM技术简介41.2降压型DC-DC开关电源原理简介42、电路总体方案的设计及相关原理73、主电路设计及参计算8 3.1 主电路的设计8 3.2 主电路的参数确定104、控制电路、驱动电路及保护电路的设计114.1 控制及驱动电路设计114.2保护电路的设计125、课程设计总结131、开关电源 开关电源是利用现代电力电子，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控制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。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。 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。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。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。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。1.1 PWM技术 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，是利用微处理器数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。多数负载（无论是电感性负载还是电容性负载）需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。1.2 降压型DC-DC开关电源原理简介降 压 斩 波 电 路 主 电 路 工 作 原 理 图 如 下 ：图 1 降 压 斩 波 电路 主 电 路 工 作原 理 图t=0 时 刻 驱 动 V 导 通 ， 电 源 E 向 负 载 供 电 ， 负 载 电 压 U 0 = E ， 负 载 电 流 i0 按 指 数 曲 线 上 升 。t=t1 时 控 制 V 关 断 ， 二 极 管 VD 续 流 ， 负 载 电 压 U 0 近 似 为 零 ， 负 载 电 流 i0 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 。 图2 电流连续时的波形 图3 电流断续时的波形当电路工作稳定时，负载电流在一个周期的初值和终值相等如图2 所示，负载电压的平均值为：式中， ton 为V 处于通态的时间，t o f f 为V 处于断态的时间；T 为开关周期；为导通占空比，简称占空比或导通比。负载电流的平均值为： 若负载中L 值较小，则在V 关断后，到了2 t 时刻，如图3 所示，负载电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。由波形可见，负载电压0 U 平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书2. 电路总体方案的设计及相关原理 三相交流380V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。3.主电路设计及参数计算3.1 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： 3.2 主电路的参数确定设计输入电流为频率50Hz的三相380V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34V稳压，电流为50A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： ton =T=10s*0.42=4.2s toff =T-ton=(10-4.2) s=5.8s Uin2=(U0+(0.8+0.2)V/=35V/0.42=83.3V设计输出功率为200W，所以可以确定： I02=50A R2=U0/I02=34V/50A=0.68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 IO1= Uin2/ R1=83.3V/100=0.833A R0 =0.5 Uin- Uin2-2*0.8v-0.2V/ IO1=125.9A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：三相380V交流 输出电压Uo1：34V直流 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Uin2：83.3V直流 输出电压Uo：34V稳压直流 电阻R2：0.68 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 4.控制电路、驱动电路及保护电路的设计4.1 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。4.2 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.课程设计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-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。本文首先对开关电源的发展历史、当下发展状况以及将来的发展趋势作了简要的介绍，随后阐述了降压型AC-DC开关电源的核心部分DC-DC转换器（降压斩波电路）的拓扑结构及其工作原理，描述了DC-DC转换器的控制方法脉宽调制控制（PWM），并详细介绍了该控制方法的基本原理。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和保护电路的设计，每个部分均给出设计电路图，重点分析了主电路的工作原理，并给出设计参数。参考文献1. 王兆安、黄俊. 电力电子技术.