電力電子裝置課程設(shè)計ac-dc-dc電源

1、<p><b>　　課 程 設(shè) 計</b></p><p>　學(xué) 號： </p><p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　題 目: AC-DC-DC電源(36V，300W)設(shè)計 </p><p>

2、<b>　　初始條件：</b></p><p>　　設(shè)計一個AC-DC-DC電源，具體參數(shù)如下：單相交流輸入220V/50Hz，輸出直流電壓36V,紋波系數(shù)<5%，功率300W。</p><p>　　要求完成的主要任務(wù): </p><p>　　對AC-DC-DC 電源進(jìn)行主電路設(shè)計；</p><p><b&g

3、t;　　控制方案設(shè)計；</b></p><p>　　給出具體濾波參數(shù)的設(shè)計過程；</p><p>　　在MATLAB/Simulink搭建閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行系統(tǒng)仿真；</p><p>　　分析仿真結(jié)果，驗證設(shè)計方案的可行性。</p><p><b>　　時間安排：</b></p><p

4、>　　2013年6月8日至2013年6月18日，歷時一周半，具體進(jìn)度安排見下表</p><p>　　指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日</p><p><b>　　目錄</b></p>

5、<p><b>　　摘要1</b></p><p>　　AC-DC-DC電源(36V，300W)設(shè)計2</p><p>　　1 設(shè)計任務(wù)及要求2</p><p>　　1.1．技術(shù)要求2</p><p>　　1.2．設(shè)計內(nèi)容2</p><p>　　2電路總體方案及原理2&l

6、t;/p><p>　　2.1 開關(guān)電源的簡介2</p><p><b>　　2.2設(shè)計方案2</b></p><p>　　3主電路設(shè)計及參數(shù)計算3</p><p>　　3.1整流電路的設(shè)計3</p><p>　　3.2降壓斬波電路設(shè)計4</p><p>　　3.3控制

7、方案的設(shè)計6</p><p>　　3.4主電路參數(shù)的計算7</p><p>　　3.4.1主電路參數(shù)計算7</p><p>　　3.4.2 濾波參數(shù)的計算8</p><p>　　4 系統(tǒng)建模與仿真8</p><p>　?。?1開環(huán)系統(tǒng)的仿真8</p><p>　　4.2閉環(huán)系統(tǒng)的仿真

8、11</p><p><b>　　5結(jié)果分析12</b></p><p><b>　　6總結(jié)與體會13</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)14</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　

9、隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活關(guān)系日益密切，而任何電子設(shè)備都離不開可靠的電源。而開關(guān)電源以小型，輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電子計算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。本此設(shè)計主要對降壓型AC-DC-DC開關(guān)電源的核心部分——AC-DC整流裝置與DC-DC轉(zhuǎn)換器（降壓斬波電路）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理機(jī)型設(shè)計，描述了DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制方法——

10、脈寬調(diào)制控制（PWM）。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一款基于電壓控制模 式的PWM降壓型AC-DC-DC開關(guān)電源，設(shè)計的內(nèi)容包括主電路的設(shè)計、控制及驅(qū)動電路的設(shè)計，并給出設(shè)計參數(shù)。然后在MATLAB/Simulink搭建系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行系統(tǒng)仿真。通過對仿真結(jié)果的分析，驗證設(shè)計的正確性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：開關(guān)電源 整流　降壓斬波　MATLAB</p><p>　　AC-DC-DC電源(36

11、V，300W)設(shè)計</p><p><b>　　1 設(shè)計任務(wù)及要求</b></p><p><b>　　1.1．技術(shù)要求</b></p><p>　　設(shè)計一個AC-DC-DC電源，具體參數(shù)如下：單相交流輸入220V/50Hz，輸出直流電壓36V,紋波系數(shù)<5%，功率300W。</p><p>

12、<b>　　1.2．設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　?。?）對AC-DC-DC 電源進(jìn)行主電路設(shè)計；</p><p>　?。?）控制方案設(shè)計；</p><p>　　（3）給出具體濾波參數(shù)的設(shè)計過程；</p><p>　　（4）在MATLAB/Simulink搭建閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行系統(tǒng)仿真；</p>

13、<p>　?。?）分析仿真結(jié)果，驗證設(shè)計方案的可行性。</p><p>　　2電路總體方案及原理</p><p>　　2.1 開關(guān)電源的簡介</p><p>　　開關(guān)電源(Switch Mode Power Supply，SMPS)是以功率半導(dǎo)體器件為開關(guān)元件，利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關(guān)電源和線性

14、電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。 開關(guān)電源中應(yīng)用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFE

15、T。一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源電路主要由整流濾波電路、DC-DC控制器（內(nèi)含變壓器）、開關(guān)占空比控制器以及取樣比較電路等模塊組成。</p><p><b>　　2.2設(shè)計方案</b></p><p>　　電源有一種輸入，即單相220V 50Hz交流電壓，有一種輸出：36V直流電壓。交流220V經(jīng)過一個AC-DC濾波整流電路后得到直

16、流電壓，濾波后送入DC-DC降壓斬波電路，控制電路提供控制信號控制IGBT的關(guān)斷，調(diào)節(jié)控制信號的占空比，最后經(jīng)過LC濾波電路的到所需電壓。通過對輸出電壓的取樣，比較和放大，調(diào)節(jié)控制脈沖的寬度，以達(dá)到穩(wěn)壓輸出的目的。</p><p>　　圖1 開關(guān)電源原理圖</p><p>　　整流部分是利用具有單向?qū)ㄐ缘亩O管構(gòu)成橋式電路來實現(xiàn)的；濾波部分是利用電容器件的儲能效應(yīng)，來實現(xiàn)的；降壓部分利

17、用降壓斬波電路來實現(xiàn)，控制方式為脈寬調(diào)制控制（PWM），即在控制時對半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。本次設(shè)計的開關(guān)電源控制時首先保持主電路開關(guān)元件的恒定工作周期（T=），最終控制輸出電壓（或電流）的。</p><p>　　3主電路設(shè)計及參數(shù)計算</p><p>　　3.1整流電路的設(shè)計</p&

18、gt;<p>　　主電路主要完成對交流的整流濾波，對直流電壓降壓和濾波三個工作。</p><p>　　整流電路圖設(shè)計如圖：</p><p><b>　　圖2 整流電路</b></p><p>　　橋式整流電路的工作原理如圖2所示。在Uin的正半周，VD1、VD4導(dǎo)通，VD2、VD3截止，電流經(jīng)VD1→ R1 →

19、VD3回到下端，在負(fù)載RL上得到一半波整流電壓。  </p><p>　　在Uin的負(fù)半周，D1、D4截止，D2、D3導(dǎo)通，電流經(jīng)D2→ RL →D4 回上端，在負(fù)載RL 上得到另一半波整流電壓。在經(jīng)過電容濾波，其工作原理是整流電壓高于電容電壓時電容充電，當(dāng)整流電壓低于電容電壓時電容放電，在充放電的過程中，使輸出電壓基本穩(wěn)定。 </p&g

20、t;<p>　　濾波電容容量大，因此一般采用電解電容，在接線時要注意電解電容的正、負(fù)極。電容濾波電路利用電容的充、放電作用，使輸出電壓趨于平滑。 </p><p>　　當(dāng)u2為正半周并且數(shù)值大于電容兩端電壓uC時，二極管D1和D4管導(dǎo)通，D2和D3管截止，電流一路流經(jīng)負(fù)載電阻RL，另一路對電容C充電。當(dāng)UC>U2，導(dǎo)致D1和D4管反向偏置而截止，電容通過負(fù)載電阻RL放電，UC按指數(shù)規(guī)

21、律緩慢下降這樣就得到一個直流電壓波形，如圖所示：</p><p>　　圖3整流電路工作波形</p><p>　　3.2降壓斬波電路設(shè)計</p><p>　　將整流后的得到的直流電壓送入降壓斬波電路，通過脈寬調(diào)制控制調(diào)節(jié)輸出電壓平均值，再經(jīng)過LC濾波電路使電壓穩(wěn)定。脈寬調(diào)制控制信號由IGBT驅(qū)動電路發(fā)出?？刂茣r首先保持主電路開關(guān)元件的恒定工作周期（T=ton+toff

22、），再由輸出信號與基準(zhǔn)信號的差值來控制閉環(huán)反饋，以調(diào)節(jié)導(dǎo)通時間ton，最終控制輸出電壓（或電流）的穩(wěn)定。</p><p>　　其中，功率IGBT為開關(guān)調(diào)整元件，它的導(dǎo)通與關(guān)斷由控制電路決定；L和C為濾波元件。驅(qū)動VT導(dǎo)通時，負(fù)載電壓Uo=Uin，負(fù)載電流Io按指數(shù)上升；控制VT關(guān)斷時，二極管VD可保持輸出電流連續(xù)，所以通常稱為</p><p>　　續(xù)流二極管。負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載

23、電壓Uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小，通常串聯(lián)L值較大的電感。至一個周期T結(jié)束，在驅(qū)動VT導(dǎo)通，重復(fù)上一周期過程。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，負(fù)載電流在一個周期的初值和終值相等。負(fù)載電壓的平均值為</p><p>　　式中，ton為VT處于導(dǎo)通的時間，toff為VT處于關(guān)斷的時間；T為開關(guān)管控制信號的周期，即ton+toff；D為開關(guān)管導(dǎo)通時間與控制信號周期之比，通常稱為控制信號的占空比。

24、從該式可以看出，，占空比最大為1，若減小占空比，該電路輸出電壓總是低于輸入電壓，因此將其稱為降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。負(fù)載電流的平均值為</p><p>　　若負(fù)載中電感值較小，則在VT管斷后，負(fù)載電流會在一個周期內(nèi)衰減為零，出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況。因此有降壓DC-DC開關(guān)電源有非連續(xù)電流模式（DCM）和連續(xù)電流模式（CCM)兩種工作模式。其電路圖與波形圖波形圖如圖所示：</p><p>&

25、lt;b>　　圖4 降壓斬波電路</b></p><p>　　降壓斬波電路的工作波形：</p><p>　　3.3控制方案的設(shè)計</p><p>　　由于整流電路采用的是不控整流，所以控制電路主要用于降壓斬波電路中，本處采用直流脈寬調(diào)制。</p><p>　　直流脈寬調(diào)制是利用直流調(diào)制信號和三角載波比較，可以得到單脈波控制信

26、號，只要改變直流調(diào)制信號，就可以改變單脈波的脈沖寬度 ，調(diào)節(jié)輸出電壓基波分量的有效值，實現(xiàn)電壓控制的目的。圖7所示為實現(xiàn)直流脈寬調(diào)制的一種簡單方法，給定電壓和反饋電壓通過電壓調(diào)節(jié)器得到一個控制電壓，和鋸齒波電壓比較得到脈沖波形，觸發(fā)器的輸出是互補(bǔ)的方波、，通過兩個與門電路，獲得互差的脈沖方波、，它們均可作為斬波電路的控制信號。</p><p>　　圖7直流脈寬調(diào)制原理</p><p>　　

27、方波輸出電路簡單，易于閉環(huán)控制，電壓輸出穩(wěn)定度也比較高。特別是它可以借用直流電源控制技術(shù)，很多直流控制芯片都可以應(yīng)用，因此方波輸出具有成本低的優(yōu)點(diǎn)。但是，方波輸出含有大量的低次諧波，波形畸變嚴(yán)重，主要應(yīng)用在要求不高的場合。</p><p>　　3.4主電路參數(shù)的計算</p><p>　　3.4.1主電路參數(shù)計算</p><p>　　輸入電壓為單相220V交流電，經(jīng)晶

28、閘管不控整流，電容濾波之后，考慮到器件壓降及濾波損失，輸出有效值約為312V的直流電，加到降壓斬波電路的輸入端，濾波電容要選較大值，本設(shè)計中C1選0.1F，R1選擇100Ω。</p><p>　　設(shè)計輸出電壓為直流36V穩(wěn)壓，占空比D=，通常取0.11~0.12，該電路取D=0.115。,</p><p>　　設(shè)計輸出功率為300W，所以可以確定：</p><p>

29、　　因為占空比為0.115，這里取最小負(fù)載電流為額定電流的1/10，即=0.833A</p><p>　　3.4.2 濾波參數(shù)的計算</p><p>　　要電流連續(xù)必須最小負(fù)載電流大于臨界負(fù)載電流；</p><p><b>　　，</b></p><p>　　即要求：=0.0191H</p><p&g

30、t;<b>　　可取L=0.02H</b></p><p>　　要求電壓紋波系數(shù)小于0.05時</p><p><b>　　107Hz</b></p><p><b>　　為此要求F</b></p><p>　　取C=0.2uF L=0.02H</p><

31、p>　　%<5%,滿足要求。</p><p><b>　　4 系統(tǒng)建模與仿真</b></p><p>　　4.1開環(huán)系統(tǒng)的仿真</p><p>　　根據(jù)上述計算所得參數(shù)，在MATLAB/Simulink中搭建閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行系統(tǒng)仿真，開環(huán)系統(tǒng)仿真電路圖如圖所示：</p><p>　　圖8 開環(huán)系統(tǒng)仿真模

32、型</p><p>　　整流輸出電壓波形如圖：</p><p>　　圖9 開環(huán)系統(tǒng)整流波形</p><p>　　降壓斬波電路輸出電壓與負(fù)載電流波形：</p><p>　　圖10 開環(huán)系統(tǒng)輸出波形</p><p>　　4.2閉環(huán)系統(tǒng)的仿真</p><p>　　在開環(huán)系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上增加電壓反饋通道

33、，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。此處用到直流脈寬調(diào)制技術(shù)，三角載波電壓幅值設(shè)為6V，則根據(jù)理論計算的占空比為11.5%，則直流調(diào)制信號的電壓幅值設(shè)為6×0.115=0.69V。給定電壓為36V，反饋電壓為斬波輸出負(fù)載上的電壓值，通過比較兩個電壓的大小，將電壓差反饋到與直流調(diào)制信號疊加，以此來控制開關(guān)管的導(dǎo)通時間來穩(wěn)定輸出電壓的大小。</p><p>　　圖11 閉環(huán)系統(tǒng)電路圖</p><p>

34、;　　閉環(huán)系統(tǒng)輸出電壓與負(fù)載電流波形：</p><p>　　圖12 閉環(huán)系統(tǒng)輸出波形</p><p><b>　　5結(jié)果分析</b></p><p>　　通過比較上述仿真結(jié)果可知，開環(huán)仿真輸出電壓基本穩(wěn)定在36V，負(fù)載電流基本穩(wěn)定在8.3A左右，所以滿足設(shè)計要求的輸出功率300W，從仿真波形中可以看出，紋波系數(shù)明顯小于5%，存在微小擾動?；緷M

35、足要求。</p><p>　　閉環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)果也符合設(shè)計要求，相比開環(huán)系統(tǒng)而言，輸出電壓與負(fù)載電流更加平穩(wěn)，系統(tǒng)的抗擾性能增強(qiáng)，更好地滿足了設(shè)計要求。</p><p><b>　　6總結(jié)與體會</b></p><p>　　本次電力電子裝置課程設(shè)計，使我更深入了解了開關(guān)電源的設(shè)計。加深了我對理論知識的掌握，并把所學(xué)的知識系統(tǒng)、高效的貫穿到實踐中來

36、，避免了理論與實踐的脫離。同時我對matlab的操作更為熟悉，有了更深刻的了解，這是一個款功能強(qiáng)大的軟件，它廣泛應(yīng)用于各個方面。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異，不斷學(xué)習(xí)一些輔助設(shè)計軟件是必要的，能在一定程度上提高我們設(shè)計的效率和可行性。并在實踐中不斷完善理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)綜合能力。</p><p>　　在設(shè)計過程中，我發(fā)現(xiàn)了自己有很多問題雖然感覺理論上已經(jīng)掌握，但想要用所學(xué)的只是系統(tǒng)的解決一個問題還是比較困難的。比如說，

37、雖然知道直流電源的組成部分，但是想要按照要求既定的設(shè)計一個符合要求的直流電源，必須綜合實現(xiàn)的難易程度等方面綜合選擇器件，并完成器件參數(shù)的計算。由于對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，在比較系統(tǒng)地運(yùn)用的過程中，仍會存在很多盲點(diǎn)。這次課程設(shè)計之，雖然遇到一些難題，但經(jīng)過一番努力，都得以解決，并使自己取得了一定的進(jìn)步，這也激發(fā)了我今后努力學(xué)習(xí)的決心。學(xué)習(xí)不能一知半解，需要堅持、耐心和努力，我一定要時時刻刻重新溫故。</p&

38、gt;<p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 王兆安,劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社,2009</p><p>　　[2] 楊蔭福,段善旭,朝澤云.電力電子裝置及系統(tǒng).清華大學(xué)出版社,2006</p><p>　　[3] 陳堅,電力電子學(xué).高等教育出版社,2002</p><p&