1kW 非隔离降压型变换器设计PPT课件

1、2021/3/91电力电子装置及系统电力电子装置及系统 1kW 1kW 非隔离降压型变换器设计非隔离降压型变换器设计 2021/3/92技术指标技术指标输入电压： 200 240V DC输出电压： 40V DC额定功率： 1kW输出电压纹波： 1%开关频率： 50kHz保护功能：输出过压，输出欠压， 输出短路，输入过压,输入欠压使用拓扑： Buck 变换拓扑。2021/3/93非隔离降压型变换器非隔离降压型变换器目录目录主电路设计主电路设计1缓冲器设计缓冲器设计2采样、保护电路采样、保护电路3驱动器设计驱动器设计45控制器设计控制器设计6仿真验证仿真验证2021/3/941主电路设计主电路设计

2、SECTION2021/3/95主电路设计主电路设计续流二极管滤波器输入滤波电容VS=22020VVO=40VP=1000W负载电流Iomax=25AIomin=10%Iomax=2.5A占空比：Dmax=0.2Dmin=0.167最小负载：Romin=162021/3/96 201sTcLffUi dtC8LffsIC f 主电路设计主电路设计2021/3/97 C1=220FCf=10FLf=1mH16Ro1.6T：P-MOSFETD：快速二极管 主电路设计主电路设计2021/3/982SECTION缓冲器设计缓冲器设计2021/3/991kw的变换器功率不大，采用有能耗串联缓冲和并联缓冲

3、。 缓冲器设计缓冲器设计2021/3/9102.关断缓冲设计设P-MOSFET的电流恢复时间为0.2us,I=25.3A,按照临界缓冲计算电容Cs=tfi/2VD=0.012uF可选用一只500V/15nF的高频电容。由i=VD/RS不宜过大，电阻RS取15。电阻耗能功率 PR=0.5*Cs*VD2*f=21.6W取电阻额定功率为40W。二极管选DSE160-06：60A,600V2021/3/9113SECTION采样、保护电路采样、保护电路2021/3/912过压、欠压保护采用自锁式保护电路 如图为过压保护电路基本原理图，当电路正常工作时Vo小于设定值Vref，此时比较器输出负电平，二极管

4、不导通；当电路电压高于设定值时，比较器输出高电平，此时二极管导通。高电平时由于二极管的钳位作用，比较器将自锁定。无论电压信号如何变化，比较器均输出高电平信号不变。+2021/3/913输入电路保护输入电路保护 欠压比较器过压比较器R110.5k14.7kR211.8k12.0kVref6.35V5.39V2021/3/914输出电路保护输出电路保护输出电路参考输入电路设计思路经过计算取得如图数值36VVout44V4.89VVs5.98V在对Vref取值时应参考上述数值欠压比较器过压比较器R116.0k20kR211.0k20kVref4.88V6.0V 2021/3/915输出短路保护输出短

5、路保护霍尔电流模块设计IN=1KW/40V=25A 取保护电流为27A采用电压输出型霍尔电流传感器，输出电压超过27A电流对应的输出电压时锁存输出低电平。2021/3/9164SECTION驱动电路驱动电路2021/3/917驱动电路1、采用直接驱动，CMOS电源为12V；2、开机延时约1s左右再使保护信号有效；3、串联20电阻减小开通振荡， MUR120为超快速恢复二极管，与晶体管均可加速栅极电荷的释放；2021/3/9185SECTION反馈控制系统反馈控制系统2021/3/919控制器设计控制器设计电压模式控制PWM（单环） 在负反馈电路中，输出电压u经采样后与给定的参考电压Uref比较

6、，得误差信号Ue送控制器，控制器输出信号UC送PWM环节，与PWM环节中的振荡器锯齿波时钟信号比较，使比较器输出为周期不变、脉冲宽度（即占空比D）受UC调制的一系列脉冲信号。 再通过驱动器将脉冲信号放大，控制变换器的功率开关器件的导通与关断。改变占空比D即可调节开关变换器的输出电压U，这里的D称为控制量。当输入电压或负载发生变化，或系统受到其他干扰使输出电压发生波动时，通过负反馈电路可调节开关变换器的功率器件在一个开关周期内的导通时间达到稳定输出电压的目的。2021/3/920控制器设计控制器设计电压模式控制PWM（单环） 优点：振荡电路的锯齿波幅值较大，在进行脉冲宽度调制时有很好的抗噪声能力

7、 控制电路只有电压闭环反馈，是单环系统，设计简单，调试方便缺点：对输入电压的动态响应较慢2021/3/921控制器设计控制器设计 小信号分析法，是假设扰动信号很小，并且扰动信号的频率比开关频率小很多，在直流工作点附近线性化，将非线性方程近似为线性方程，再应用经典控制理论中分析线性系统的基本方法，设计补偿网络，使系统成为稳定系统，如电压型、电流型控制系统等。经过小信号分析，理想Buck电路的输出u(s)对控制变量d(s)的传递函数Gud(s)为： 1)(2sRLLCsUgsGud2021/3/922控制器设计控制器设计 2021/3/923控制器设计控制器设计 其中，假定三角波的峰峰值采用5V，

8、假定Vref=5V，则有如下推导：开环传递函数为：GH(s)=Gc(s)Gm(s)Gud(s)H(s)(4010*5 . 210*4220)(110*25. 6102201*101*10*12201)(2 . 05/11)(81540)(532752822sGsssGHsssuFmHsuFmHVsRLLCsUgsGVsGVVsHVucudMMref2021/3/924控制器设计控制器设计)(4010*5 . 210*4220)(327sGsssGHc首先作出 的Bode图如下：4010*5 . 210*4220) s (327ssX2021/3/925控制器设计控制器设计)(4010*5 .

9、210*4220)(327sGsssGHc由以上Bode图来设计Gc(s)，拟定选取相位超前校正器进行补偿：TsaTssG11)( c由自控理论知识计算得：=5.06 T=1.225*10(-5)计算得到的传递函数如下：ssTsTssG5510*225. 1110*2 . 6111)( c4010*99. 210*036. 410*9 . 40136. 0220)(327312sssssGH2021/3/926控制器设计控制器设计作出 的Bode图如下：4010*99. 210*036. 410*9 . 40136. 0220)(327312sssssGH2021/3/9276SECTION仿真验证仿真验证2021/3/928MATLAB仿真模型2021/3/929开环状态输出电压波形（输入200V,D=0.2）稳定时间约为2.5ms闭环状态输出电压波形（输入220V）稳定