AC-DC-DC电源(100V)设计

1、武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 杨忠山 专业班级： 电气1201班 指导教师： 许湘莲 工作单位： 武汉理工大学 题 目: AC-DC-DC电源(300V)设计 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300V,纹波系数<5%，功率约1000W。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

2、安排：2015年4月10日至2015年5月22日，共八个学时，具体进度安排见下表具体时间设计内容4.10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4.154.16开始查阅资料，完成方案的初步设计4.164.20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5.015.25撰写课程设计说明书5.29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 日摘要本次课程设计通过对输入220V三相交流进行整流和直流斩波的电路结构和工作原理进行分析，设计一种AC-DC-DC变换器，并采用闭环控制方法，产生30

3、0V的直流电压输出，功率为1000W,保证了系统的供电性能。最后利用Matlab的simulink对所设计的电路进行仿真,仿真结果验证了所设计系统的正确性。关键词：整流电流 Buck斩波 PWM Simulink目录1 设计的基本要求12 电路总体设计及相关原理13主电路设计及参数计算23.1 整流电路设计23.1.1 不串电感整流电路图23.1.2 不串电感整流电路仿真波形23.1.3 串电感整流电路图23.1.4 串电感整流电路仿真波形23.2 降压斩波电路设计53.2.1 buck电路图53.2.2 buck电路参数设计63.2.3 buck电路仿真波形73.3 闭环PWM产生电路74

4、AC-DC-DC全电路仿真74.1开环仿真电路及波形74.1.1 开环AC-DC-DC仿真电路74.1.2 开环AC-DC-DC仿真电路波形84.2闭环仿真电路及波形104.2.1 闭环AC-DC-DC仿真电路104.5.2 闭环AC-DC-DC仿真电路波形104.3 开环控制与闭环控制比较11心得与体会12参考文献13AC-DC-DC电源设计1 设计的基本要求设计一个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300V,纹波系数<5%，功率约1000W。设计基本要求: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

5、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。2 电路总体设计及相关原理电源输入为220V三相交流电压，频率为50HZ,斩波后输出300V直流电压，输出功率约为1000W。三相交流220V电压经过电容滤波的三相不可控整流电路后输出直流电压，因为空载时整流后输出电压平均值Ud=6Ui=2.45Ui=538V,所以斩波电路采用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D，最后经过LC滤波电路得到所需电压和功率。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

6、的。开关电源原理框图如下：图2-1 开关电源原理框图整流部分是利用具有单向导通性的电力二极管构成电容滤波的三相桥式不可控整流电路来实现的；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（Ts=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

7、计及参数计算3.1 整流部分设计3.1.1 不串电感整流电路图整流电路采用电容滤波的三相不可控桥式整流电路。该电路由理想三相工频电压源、二极管Diode1Diode6组成的三相整流桥和滤波电容C和C1以及负载电阻R组成。在理想情况下，即不考虑交流侧电源电感和为抑制冲击电流而串联的电感时，三相整流桥电路结构如图3-1所示：图3-1 交流侧不串接电感的三相整流电路图3.1.2 不串电感整流电路波形图仿真后Ia、Id、Ur、Ir的示波器波形如图3-2：图3-2 交流侧不串接电感的波形图图3-2示波器图形从上到下依次为交流侧A向电流Ia、整流桥输出电流Id、负载R的电压Ur和电流Ir,从示波器的图形中

8、发现交流侧的A相电流Ia和整流输出电流Id波形前沿陡峭，电流不连续，瞬时冲击电流的强度很大，达到几百安培，很容易对电力电子器件和电路的稳定工作造成冲击，使电子器件损坏、击穿或者是造成电路无法稳定运行，但是三相整流后输出的电压Ur和电流Ir的波形为周期性的锯齿波，整流输出电压的平均值和理论值Ud=6Ui=2.45Ui=538V接近一致，电压电流的纹波系数小于0.03%，能为Buck斩波电流提供很好的直流电源。但锯齿波的电压电流不如正弦波，含有较多的谐波分量，实际应用中对公用电网会产生危害和可能造成电力电子装置的噪声、过热等情况。3.1.3 串电感整流电路图为了避免交流侧的冲击电流，在电源侧串接电

9、感，三相整流桥电路结构如图3-3所示：图3-3 交流侧串接电感的三相整流电路图3.1.4 串电感整流电路波形图仿真后Ia、Id、Ur、Ir的示波器波形如图3-4所示图3-4 交流侧串接电感的波形图交流侧三相输入串联上适当大小的电感后，从示波器的图形中发现交流侧的A相电流Ia和整流输出电流Id波形较为平缓，电流保持连续，没有出现瞬时冲击电流，并且电流的峰值在10A左右，不会对电力电子器件和电路的稳定工作造成较大冲击，这是因为电感起到了缓冲瞬时冲击电流的作用。并且三相整流后输出的电压Ur和电流Ir的波形为平稳的接近正弦的包络线，和锯齿波相比，谐波分量和无功损耗大大减少。但在工频交流输入的情况下，电

10、感的感抗XL=L=2fL=314L,当输入电源为理想三相电压源时，如果单纯的为了减少冲击时，而加大电感的容量，会有多方面的不良影响。例如使用Simulink仿真时，当电感采用L=0.05H，整流输出的电压平均值只有470V左右，这是因为感抗过大而分压，造成电能在感抗上消耗大量无功也使整流桥的效率和输出电压下降很厉害；同时大电感对电流的抑制作用严重，使输出电流Id对电容C的充电过程延长，时间持续到20S左右才进入稳定运行状况，使系统进入稳定工作时间加长，这样的电源是不符合实际使用的。所以，经过多次尝试和修改电感的容量，最终选定L=0.002H的电感，保证输入输出电流连续，整流后输出的电压值为53

11、4.8V。3.2 降压斩波电路设计3.2.1 buck电路图斩波电路部分采用Buck斩波电流电路，电路如图3-5所示，电路由直流电压源、以占空比D工作的IGBT、二极管Diode、电感L1和电容C2以及负载R1组成。在理想情况下，即假定各元器件均为理想元器件时，利用Pulse Generator模块设置占空比模拟产生触发脉冲驱动IGBT的开通和关断。图3-5 Buck降压斩波电路图3.2.2 buck电路参数设计（1）负载电阻 因为直流输出电压为300V，额定输出的功率为1000W，因此可以求得负载电阻R的阻值： Io=PUO=1000300=3.33A R=UOIO=3003.33=90.0

12、9（2）占空比所给三相交流输入电压UI为220V，直流输出电压UO为300V，因此占空比D的值为 D=tonTS=TS=UOUi=300534.8=55.67% （3）滤波电感从我们学的知识可以知道，对于buck调整器，不连续工作模式不是必须重点考虑的问题。设计可以通过电感的设计使电路在期望的负载电流范围内工作于连续模式。电感的选择应保证直流输出电流为最小规定电流（通常为额定负载电流的10%），电感电流保持连续。因此 L=Vdc-Vo×Ton2×Ion×0.1=534.8-300×0.5567×0.0012×3.3×0.1=

13、201.4mH （3）滤波电容电容的容量，会影响输出纹波电压和超调量的大小。在开关关断时为负载供电和减小输出电压的纹波，滤波电容C的选择直接关系开关稳压电源输出中纹波电压分量U的大小。 C=VO×1-D×TS28×L×Vo=300×1-0.5567×0.00128×201.4×10-3×1.5=55.027F3.2.3 buck电路仿真波形图计算出Buck斩波电路的各元件的参数，设定直流电压源为534.8V，对Buck电路Simulink仿真，结果如图3-6： 图3-6 Buck降压斩波电路波形图图3-2

14、波形图依次显示为脉冲触发器的占空比D、负载电流IO和电压UO。观察得到各元件仿真后结果和理论计算几乎一致，输出的纹波电压UO=1.5V5%UO=15V，输出的纹波电流IO=0.02A5%IO=0.165A。3.3 闭环PWM产生电路通过对输出电压UO进行测量，然后标幺值化与常数1进行比较，将差值通过增益放大，然后通过PID调节器和限幅器与要求达到的占空比进行比较产生PWM控制波，反馈部分环节如图3-7所示:图3-7 闭环反馈环节4.AC-DC-DC全电路simulink仿真4.1.1 开环AC-DC-DC仿真电路将三相不控桥整流电路的输出电压作为Buck斩波电路的直流电压源，构成AC-DC-D

15、C变换电路，如图4-1所示，开环系统下用Pulse Generator设置占空比驱动IGBT的导通和关断。图4-1 开环AC-DC-DC仿真电路图4.1.2 开环AC-DC-DC仿真电路波形图开环系统仿真输出电压电流波形如图4-1和输出电压电流波形图局部放大如图4-2示：图4-2 开环输出电压电流波形图图4-3 开环输出电压电流波形放大图 图4-1和图4-2依次显示的是整流输出电压Ud、负载电压Ur和电流Ir，从示波器波形可以发现整流输出电压平均值Ud=534.8V，和理论值保持一致。斩波后负载的电压平均值Ur=298.7和电流平均值Ir=3.285，输出功率P=Ur×Ir=298.

16、7×3.285=981.23W。输出的纹波电压UO=1.5V5%UO=15V，输出的纹波电流IO=0.015A5%IO=0.165A。实际输出功率981.23W和额定输出1000W存在微小误差，这可能是由于负载的电阻稍微略大，调整电阻从90.9变为88后，输出的功率和额定功率1000W一致。4.2闭环仿真电路及波形4.2.1 闭环仿真电路图闭环系统下，用PWM产生电路来驱动 IGBT的导通和关断如图4-4所示。图4-4 闭环仿真电路图4.2.2 闭环仿真输出电压和电流波形闭环系统仿真输出电压电流波形如图4-5和输出电压电流波形图局部放大如图4-6：图4-5 闭环输出电压电流波形图图4

17、-6 闭环输出电压电流波形放大图图4-5和图4-6依次显示的是整流输出电压Ud、负载电压Ur和电流Ir，从示波器波形可以发现整流输出电压平均值Ud=534.8V，和理论值保持一致。斩波后负载的电压平均值Ur=299.2和电流平均值Ir=3.292，输出功率P=Ur×Ir=299.2×3.292=984.97W。输出的纹波电压UO=0.4V5%UO=15V，输出的纹波电流IO=0.002A5%IO=0.165A。实际输出功率984.97W和额定输出1000W存在微小误差，这可能是由于负载的电阻稍微略大，调整电阻从90.9变为88后，输出的功率和额定功率1000W一致。4.3

18、开环控制与闭环控制比较从图4-2至4-3中可看出，开环系统运行稳定后的纹波电压约为1.5V，纹波系数为0.5%；电流稳定后的纹波约为0.015A，纹波系数为0.45%。从图4-5至4-6中可看出，闭环系统运行稳定后的纹波电压约为0.4V，纹波系数为0.13%；电流稳定后的纹波约为0.002A，纹波系数为0.06%。通过波形比较和之前所学知识我们可以知道，采用闭环系统的输出电压电流更加的稳定，纹波系数更小，抗干扰的性能好，进入稳定的时间更快；而开环系统纹波系数较大，受扰动后难以恢复稳定，抗扰性能较差。这是因为开闭环系统可以将时时采样任意时刻的输出反馈给输入信号端，通过反馈回路的PID调节器的设定，可以达到超调量小、稳定时间快、与理想输出接近接近一致的优点，并且能够达到时时调控的作用，因此稳定性能较好，纹波系数完全达到要求。心得与体会本次的课程设计十分有意义，设计的题目是AC-DC-DC开关电源，主要涵盖了整流和降压斩波的知识。虽然理论知识理解的比较透彻，但实际分析、设计电路以及选取元件的参数、