电力电子装置及系统课程设计说明书单端反激AC-DC-DC电源设计.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除目录1设计要求22设计原理32.1高频开关电源的基本组成32.1.1开关电源的输入环节32.1.2功率变换电路42.1.3 控制及保护电路52.2单端反激电源基本原理72.2.1共同关系式72.2.2连续工作模式82.2.3不连续工作模式（含临界工作模式）83单端反激AC-DC-DC电源的设计93.1 整流环节设计93.2滤波环节设计123.2.1滤波原理123.2.2 RC滤波电路123.2.3 LC滤波电路133.2.4 滤波参数设计143.3 主电路设计163.3.1单端反激式开关电源电路的设计163.3.2反馈环设计164 模型仿真184.1 AC DC整流滤波电路仿真184.2开环系统仿真194.3 闭环系统仿真225 小结25参考文献26此文档仅供学习与交流单端反激AC-DC-DC电源（20V，10W）设计1 设计要求初始条件：设计一个AC-DC-DC电源，具体参数如下：三相交流输入220V/50Hz，输出直流电压20V,纹波系数3 这就是临界条件。RC和RC分别是电流id断续和连续的条件。图中给出了RC等于和小于时的电流波形。对一个确定的装置来讲，通常只有R是可变的，它的大小反映了负载的轻重。因此可以说，在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是R=（C）。 RC时，交流侧电流和电压波形如图1所示，其中和的求取可仿照单相电路的方法。和确定之后，即可推导出交流侧线电流ia的表达式，在此基础上可对交流侧电流进行谐波分析。以上分析的是理想的情况，未考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感。当考虑上述电感时，电路的工作情况发生变化,将电流波形与不考虑电感时的波形比较可知，有电感时电流波形的前沿平缓了许多，有利于电路的正常工作。随着负载的加重,电流波形与电阻负载时的交流侧电流波形逐渐接近。2.主要数量关系(1)输出电压平均值空载时，输出电压平均值最大，为Ud=2.45U2。随着负载加重，输出电压平均值减小，至 RC=3 进入id连续情况后，输出电压波形成为线电压的包络线，其平均值为Ud=2.34U2。可见，Ud在2.34U22.45U2之间变化。与电容滤波的单相桥式不可控整流电路相比，Ud的变化范围小得多，当负载加重到一定程度后，Ud就稳定在2.34U2不变了。(2)电流平均值输出电流平均值IR为： IR=UdR (3-3) 与单相电路情况一样，电容电流iC平均值为零，因此：Id=IR在一个电源周期中，id有6个波头，流过每一个二极管的是其中的两个波头，因此二极管电流平均值为Id的1/3，即：IVD=Id/3=IR/3(3)二极管承受的电压二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为6U23.2滤波环节设计3.2.1滤波原理整流电路的输出电压不是纯粹的直流，从示波器观察整流电路的输出，与直流相差很大，波形中含有较大的脉动成分，称为纹波。为获得比较理想的直流电压，需要利用具有储能作用的电抗性元件（如电容、电感）组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分以获得直流电压。常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒L型、LC滤波、LC型滤波和RC型滤波等)。有源滤波的主要形式是有源RC滤波，也被称作电子滤波器。直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示，此值越大，则滤波器的滤波效果越差。脉动系数(S)=输出电压交流分量的基波最大值输出电压的直流分量半波整流输出电压的脉动系数为S=157，全波整流和桥式整流的输出电压的脉动系数SO67。对于全波和桥式整流电路采用C型滤波电路后，其脉动系数S=1(4(RLCT-1)。(T为整流输出的直流脉动电压的周期。)3.2.2 RC滤波电路RC-型滤波电路，实质上是在电容滤波的基础上再加一级RC滤波电路组成的。如图1(B)RC滤波电路。若用S表示C1两端电压的脉动系数，则输出电压两端的脉动系数S=(1/C2R)S。由分析可知，电阻R的作用是将残余的纹波电压降落在电阻两端，最后由C2再旁路掉。在值一定的情况下，R愈大，C2愈大，则脉动系数愈小，也就是滤波效果就越好。而R值增大时，电阻上的直流压降会增大，这样就增大了直流电源的内部损耗；若增大C2的电容量，又会增大电容器的体积和重量，实现起来也不现实。这种电路一般用于负载电流比较小的场合.3.2.3 LC滤波电路 根据电抗性元件对交、直流阻抗的不同，由电容C及电感L所组成的滤波电路的基本形式如图1所示。因为电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C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。并联的电容器C在输入电压升高时，给电容器充电，可把部分能量存储在电容器中。而当输入电压降低时，电容两端电压以指数规律放电，就可以把存储的能量释放出来。经过滤波电路向负载放电，负载上得到的输出电压就比较平滑，起到了平波作用。若采用电感滤波，当输入电压增高时，与负载串联的电感L中的电流增加，因此电感L将存储部分磁场能量，当电流减小时，又将能量释放出来，使负载电流变得平滑，因此，电感L也有平波作用。图3-2 LC电感滤波电路利用储能元件电感器L的电流不能突变的特点，在整流电路的负载回路中串联一个电感，使输出电流波形较为平滑。因为电感对直流的阻抗小，交流的阻抗大，因此能够得到较好的滤波效果而直流损失小。电感滤波缺点是体积大,成本高.电感滤波的波形图如图3-3所示。根据电感的特点，当输出电流发生变化时，L中将感应出一个反电势，使整流管的导电角增大，其方向将阻止电流发生变化。图3-3 电感滤波波形图3.2.4滤波参数设计(1)滤波参数设计整流电路采用三相桥式不控整流，交流电源为220V,50HZ。输出平均整流电压 Ud=2.34U2=2.34220=514.8 V (3-4)不考虑换相重叠角及直流电流连续情况下，不可控整流电路输出的直流电压采用傅立叶级数形式可表示为：ud=Udn=6k2Uncosnt (k=1,2,3,) =1.35U2l(1+2cos6t57-2cos12t1113+2cos18t1719- ） (3-5) 式中U2l为交流侧线电压有效值直流侧电流id可采用直流电压表达式与LCR电路的阻抗计算获得： id=UdR+n=6k2UncosntZn (3-6)式中 Zn为LCR电路的n次谐波阻抗考虑滤波电容C对6次及6次以上频率谐波的阻抗远小于R，Zn仅与LC的阻抗相关，即 Zn=j(XLn-XCn),则： id=UdR+n=6k2UnsinntnL-1/nC (3-7)由式（1）、（2）可以看出整流电压ud中的谐波电压Un随着频率的增加而迅速减小,而滤波电路的阻抗Zn迅速增加，因而id中的主要谐波成份为6次谐波,12次谐波仅为6次谐波的12%以下,18次谐波仅为6次谐波的3.6%。因此可以忽略12次及12次以上的谐波分量,同时令X6=6L-1/6C,这样式（2）可简化为id=UdR+n=6k2U6sin6t6L-1/6C =1.35R+7.7110-2sin6tX6U2l (3-8) 由此可得电感电流峰值为： Idm=1.35R+7.7110-2X6U2l (3-9)电容电流有效值为： Ic=5.4510-2X6U2l (3-10)由直流侧电流最小值为零可确定直流侧电流连续条件为： X6R5.7110-2 (3-11)并且要满足RC3 可取R=15.5，C=0.0047uF，L=1mH (2)二极管的选择二极管承受的最大反向电压为2U2=2202 V=311.1 V流过每个二极管的电流的有效值为 Ivt=Id2=10A (3-12)故晶闸管的额定电压为 UN =23311.1=622.2933.3 V (3-13)晶闸管的额定电流为 IN=1.52101.57=9.612.7 A (3-14)3.3主电路设计3.3.1单端反激式开关电源电路的设计电源框图如图3-4所示，三相交流输入先经过二极管的不控整流，再经过单端反激电源斩波得到20V直流电。图3-4 单端反激电源框图3.3.2反馈环设计单端反激电源及其PWM控制电路构成闭环系统，其原理框图如图3-5所示。该PWM控制用的是电压控制模式。它只有一个电压反馈环，误差放大器的输出与恒定频率的三角波相比较，通过脉冲宽度调制，得到要求的输出电压。图3-5 反馈环设计框图设定参考电压为20V，与输出电压比较后得到比较值，再通过增益放大。最终得到可以控制的PWM波。由于单端反激电源开始工作初始时，输出无电压。因此，设定一个反馈初始时间，在初始时间前采用方波脉冲控制开关管，初试时间后切换为反馈控制开关管。反馈环设计图如下图所示：图3-6 反馈环设计图4 模型仿真4.1AC DC整流滤波电路的仿真 整流滤波电路设计如下图：图4-1 整流滤波电路设计图 参数如下：三相电源： 380V；滤波电容：0.0047F；滤波电感：0.0001H；电阻：100。整流输出波形如下：图4-2三相整流滤波输出波形图 可见输出电压在514.8V附近上下波动，基本满足滤波要求。 4.2 开环系统的仿真开环系统MATLAB仿真模型如下图所示： 图4-3 单端反激电源开环系统仿真图其中参数设置如下：三相交流电源： 220V ,50HZ滤波电容C1：0.0047 F滤波电感L1：1mH电阻R1：100单端反激电源变压器:fn=10000HZ，变比：510/20 ；Rm(pu)=500，Lm(pu)=500单端反激电源部分负载 R2：40,C2：0.0002F开环系统输出电压波形如图4-4：图4-4 单端反激电源开环系统输出电压波形图输出电压局部放大图如图4-5所示：图4-5 单端反激电源开环系统输出电压波形放大图由图中数据可以计算出开环系统的直流电压输出的纹波系数为0.3/20=1.5%5%,可见开环系统的输出电压已满足要求。 输出功率波形图如图4-6所示：4-6 单端反激电源开环系统输出功率波形图4.3 闭环系统的仿真 增加闭环，搭建MATLAB闭环系统仿真如下图4-7所示图4-7 单端反激电源闭环系统仿真图闭环系统输出电压波形如图4-8所示：图4-8单端反激电源闭环系统输出电压波形图输出电压局部放大图如下图4-9所示：图4-9 单端反激电源闭环系统输出电压局部放大波形图由图中数据可以计算出开环系统的直流电压输出的纹波系数为0.25/20=1.25%5%,可见闭环系统的输出电压满足要求。闭环系统输出功率波形如下图4-10所示： 图4-10 单端反激电源闭环系统输出功率波形图 可见输出功率满足也10W的要求并接近理想波形。因此该设计方案可行。5 小结 开关电源的设计是一个技术性很强的课题。在本次课程设计过程中及仿真上遇到许多困难，比如滤波参数的选取，以及变压器和各元件参数的设置不合要求而导致最终的仿真波形失真或偏离，甚至跳变剧烈等。在通过不断调试和修改参数，最终使波形趋于理想化，达到设计的要求。 这次课程设计以单端反激电源为基础，巩固了我电力电子装置的基础知识。然而光靠课本上的知识完成单端反激电源的设计和仿真仍然是不够的，需要查阅相关资料以及分析和设置相关参数，在MATLAB里搭建Simulink模型