宽电压输入直流开关电源的设计.ppt

宽电压输入直流开关电源设计大学生SRTP项目报告,项目队员：李洋任健刘江宽刘孝星薛彥召指导老师：冯高明,开关电源现状目前，开关电源产品正在向“四化”的方向发展：应用技术的高频化、硬件结构的模块化、软件控制的数字化和产品性能的绿色化。开关电源最突出的优点是体积小，重量轻，这一优点是和系统的高频工作状态相关的。进一步提高工作频率，电源的体积和重量将更加小，从而实现更高的功率密度。使开关电源进入更广泛的领域。开关电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进入到全数字控制阶段。全数字控制作为开关电源的发展趋势，已经在许多功率变换设备中得到应用。近两年来，高性能全数字控制芯片相继开发，费用也已降到比较合理的水平，欧美已有多家公司开发并制造出开关变换器的数字控制芯片及软件。,一、开关电源现状和发展,开关电源在煤矿中的应用我国煤矿井下架线电机车通常采用550V或250V电压等级的直流电压通过牵引电网供电。此电压无法适应电机车的照明和警铃信号，通常采取将此电压经过直流变换电源变换为24V后供照明电路和警铃信号使用。目前矿用直流变换电源存在着通用性差，输入电压范围较窄以及成本高的问题，研制低成本宽输入的直流变换电源可以满足煤矿行业的这一需求。,二、项目作品实物与作品性能,图1作品实物图,作品性能本设计完成的直流变换电源主要解决了三个问题，一是可以通过不同的接线方式应用于两种不同的电压下，通用性很强。为具有250V和550V两种架线电压系统的厂矿减少了备用机器和备件。二是输入电压范围很宽，适应了煤矿供电电网波动大、纹波强、架线的始端和末端压差高等特点。三是实现了低成本。我们设计的作品简单实用，稳定性好，测试工作120个小时工作正常、性能良好。有良好的应用前景，广阔的市场需求。下面我介绍一下我们作品的原理和设计的思路与过程。,作品优势1）输入电源：可应用于直流250V和550V两种电压下。输入直流电压的范围要求要宽，250V电压等级的电压范围为：150V-400V；550V电压等级的电压范围为：300V-800V。2）输出电源指标：电压：DC24V0.5V允许最大输出：200W纹波电压：100mV使用环境温度：-10C+45C3）整个电源的成本控制在100元以内，实现低成本。,三、开关电源电路设计,开关电源原理及各电路功能电路方案设计主电路工作原理控制电路工作原理驱动电路工作原理,开关电源原理及各电路功能,图2开关电源电路方框图,开关电源是利用现代电力电子技术，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。它通过高频开关技术将输入的较高的交流电压转换为低压设备所需要的较低的直流电压。EMI电路整流滤波功率变换整流滤波PWM控制器输入过欠压保护输出取样稳压环路功率因数调整短路保护输出过压保护限流保护。开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等,电路方案设计,图4整体电路方框图,主电路的选择,主电路的选择主要包括功率变换电路的拓扑结构的选择和整流电路的选择。,表2-1功率变换电路各结构比较,表2-1续,上表展示了各个不同电路的优点和缺点，经过综合考虑，并且由于设计要求两个电压等级同时适用，即250V和550V。故选择两个半桥开关电路，通过连线使其以并联或串形联式工作，就可满足要求。下面我们讨论一下整流电路的选择。对于三种常用的整流电路，现将各自的优缺点和适用范围进行比较,表2-2几种整流电路的比较,从输出电压方面以及电路结构方面考虑，本设计选用全波整流最为合适。,控制电路工作原理,本设计采用PWM脉冲宽度调制，应用开关电源PWM集成控制器使得电路简单，轻便，维修方便。目前常用的PWM控制器有TL494、SG3524、SG3525A、UC3842/42A、UC3846/47、UC3823X、UC3825X和MC44603等。从输出稳定精度上考虑，达到2%，就能满足要求；对纹波电压要求也不高。故选择电压模式控制就可以满足要求。从功率等级上考虑，本设计的功率200W不是很高，故开关频率不用选择很高。另外从成本上考虑，目前广泛应用的TL494控制芯片是最佳选择。,控制电路连接图,图5控制电路连接图,驱动电路工作原理,电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节。驱动电路的基本任务是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。,驱动电路连接图,图6驱动电路连接图,其他电路说明,集成块N4是MC7824，可将输出电压稳定在+24V。C14、R35和C13、R34为高、低压侧阻容吸收回路。L2时为了载波机使用时不是载波信号短路，C2为载波机耦合电容。R43为限流电阻，另外起线路保护作用。V23使电路中的电解电容所存电压不至于由于架线弓子断开瞬间通过机车放电。,四、参数计算,主电路的参数确定主要有功率开关管的计算、整流二极管的计算、功率变压器的设计与计算、控制电路的参数设计、电压反馈电路的设计、死区时间控制参数的计算、时钟频率的设计、驱动电路参数设计。,在老师的指导下，我们完成了PCB板的绘制、变压器的制作、电路板的焊接。充分锻炼了我们的动手能力，和解决实际问题的能力。我们学会了变压器的绕制，PCB怎样布局更合理，也让我们的焊接工艺更加扎实，确实学到了不少东西。,五、电路焊接及实物制作,在完成了变压器的制作和电路板的焊接后，需要做的工作是系统整体测试，检验产品的性能。实验系统的流程图下图5所示。,六、系统测试,图5-1实验系统流程图,实验系统的输入端选择将工频电压整流后连接自耦变压器，这样就可以对输入的直流电压进行调节，以此来观察输出电压能否稳定在24V。实验系统的输出端是将直流开关电源输出的直流24V电压经一个车载逆变器转化为交流220V，共给灯泡箱组使用。通过改变灯泡箱组中投入工作的灯泡的数量即可实现负载的改变，从而验证电源的输出电压能否在负载变化时维持24V不变。实际实验过程中对系统加压为360V，电源负载为200W，连续工作120个小时，系统温升在正常许可范围内，系统经历了温度老化、加载老化等实验。,七、结论,本设计完成了预期的设计要求：1、实现了直流电力之间的转换。250V连接方式下，输入电压在150V时起振，输出为24V。电压在150V-400V范围内，负载从0到200W变动时，系统输出能够保持24V不变；550V连接方式下，输入电压在330V时起振，输出为24V。电压在330V-880V范围内，负载从0到200W变动时，系统输出能够保持24V不变。,2、