电力电子装置专业课程设计ACDCDC电源.doc

学 号：

课 程 设 计

题 目
AC-DC-DC电源(36V，300W)设计
学 院
自动化学院
专 业
电气工程及其自动化
班 级
电气
班
姓 名

指引教师
许湘莲

年
6
月
18
日

课程设计任务书

学生姓名： 专业班级：
指引教师： 许湘莲 工作单位： 武汉理工大学
题 目： AC-DC-DC电源(36V，300W)设计
初始条件：
设计一种AC-DC-DC电源，详细参数如下：单相交流输入220V/50Hz，输出直流电压36V,纹波系数<5%，功率300W。
规定完毕重要任务：
（1） 对AC-DC-DC 电源进行主电路设计；
（2） 控制方案设计；
（3） 给出详细滤波参数设计过程；
（4） 在MATLAB/Simulink搭建闭环系统仿真模型，进行系统仿真；
（5） 分析仿真成果，验证设计方案可行性。
时间安排：
6月8日至6月18日，历时一周半，详细进度安排见下表
详细时间
设计内容
6.8
指引教师就课程设计内容、设计规定、进度安排、评分原则等做详细简介；学生拟定选题，明确设计规定
6.9－6.13
开始查阅资料，完毕方案初步设计
6.14—6.16
由指引教师审核模型，学生修改、完善并对数学模型进行分析
6.17－6.18
撰写课程设计阐明书
6.18
上交课程设计阐明书，并进行答辩

指引教师签名： 年 月 日
系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

目录
摘要 1
AC-DC-DC电源(36V，300W)设计 2
1 设计任务及规定 2
1.1．技术规定 2
1.2．设计内容 2
2电路总体方案及原理 2
2.1 开关电源简介 2
2.2设计方案 2
3主电路设计及参数计算 3
3.1整流电路设计 3
3.2降压斩波电路设计 4
3.3控制方案设计 6
3.4主电路参数计算 7
3.4.1主电路参数计算 7
3.4.2 滤波参数计算 8
4 系统建模与仿真 8
４.1开环系统仿真 8
4.2闭环系统仿真 11
5成果分析 12
6总结与体会 13
参照文献 14

摘要

随着电力电子技术发展，电力电子设备与人们工作、生活关系日益密切，而任何电子设备都离不开可靠电源。而开关电源以小型，轻量和高效率特点被广泛应用于电子计算机为主导各种终端设备、通信设备等几乎所有电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少一种电源方式。本此设计重要对降压型AC-DC-DC开关电源核心某些——AC-DC整流装置与DC-DC转换器（降压斩波电路）拓扑构造及其工作原理机型设计，描述了DC-DC转换器控制办法——脉宽调制控制（PWM）。在此基本上设计了一款基于电压控制模 式PWM降压型AC-DC-DC开关电源，设计内容涉及主电路设计、控制及驱动电路设计，并给出设计参数。然后在MATLAB/Simulink搭建系统仿真模型，进行系统仿真。通过对仿真成果分析，验证设计对的性。

核心词：开关电源 整流　降压斩波　MATLAB

AC-DC-DC电源(36V，300W)设计

1 设计任务及规定
1.1．技术规定
设计一种AC-DC-DC电源，详细参数如下：单相交流输入220V/50Hz，输出直流电压36V,纹波系数<5%，功率300W。
1.2．设计内容
（1）对AC-DC-DC 电源进行主电路设计；
（2）控制方案设计；
（3）给出详细滤波参数设计过程；
（4）在MATLAB/Simulink搭建闭环系统仿真模型，进行系统仿真；
（5）分析仿真成果，验证设计方案可行性。
2电路总体方案及原理
2.1 开关电源简介
开关电源(Switch Mode Power Supply，SMPS)是以功率半导体器件为开关元件，运用当代电力电子技术，控制开关管开通和关断时间比率，维持稳定输出电压一种电源。开关电源和线性电源相比，两者成本都随着输出功率增长而增长，但两者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。开关电源高频化是其发展方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛应用领域，特别是在高新技术领域应用，推动了高新技术产品小型化、轻便化。此外开关电源发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具备重要意义。
开关电源中应用电力电子器件重要为二极管、IGBT和MOSFET。普通由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源电路重要由整流滤波电路、DC-DC控制器（内含变压器）、开关占空比控制器以及取样比较电路等模块构成。
2.2设计方案
电源有一种输入，即单相220V 50Hz交流电压，有一种输出：36V直流电压。交流220V通过一种AC-DC滤波整流电路后得到直流电压，滤波后送入DC-DC降压斩波电路，控制电路提供控制信号控制IGBT关断，调节控制信号占空比，最后通过LC滤波电路到所需电压。通过对输出电压取样，比较和放大，调节控制脉冲宽度，以达到稳压输出目。
整流滤波电路
降压斩波电路
滤波电路
脉宽调制控制驱动
反馈电路
36V DDDC

图1 开关电源原理图
整流某些是运用品有单向导通性二极管构成桥式电路来实现；滤波某些是运用电容器件储能效应，来实现；降压某些运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脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其她所需要波形。本次设计开关电源控制时一方面保持主电路开关元件恒定工作周期（T=），最后控制输出电压（或电流）。
3主电路设计及参数计算
3.1整流电路设计
主电路重要完毕对交流整流滤波，对直流电压降压和滤波三个工作。
整流电路图设计如图：

图2 整流电路
桥式整流电路工作原理如图2所示。在Uin正半周，VD1、VD4导通，VD2、VD3截止，电流经VD1→ R1 →VD3回到下端，在负载RL上得到一半波整流电压。  
  在Uin负半周，D1、D4截止，D2、D3导通，电流经D2→ RL →D4 回上端，在负载RL 上得到另一半波整流电压。在通过电容滤波，其工作原理是整流电压高于电容电压时电容充电，当整流电压低于电容电压时电容放电，在充放电过程中，使输出电压基本稳定。 
滤波电容容量大，因而普通采用电解电容，在接线时要注意电解电容正、负极。电容滤波电路运用电容充、放电作用，使输出电压趋于平滑。 
当u2为正半周并且数值不不大于电容两端电压uC时，二极管D1和D4管导通，D2和D3管截止，电流一路流经负载电阻RL，另一路对电容C充电。当UC>U2，导致D1和D4管反向偏置而截止，电容通过负载电阻RL放电，UC按指数规律缓慢下降这样就得到一种直流电压波形，如图所示：

Ui

o

Uo

o

图3整流电路工作波形

3.2降压斩波电路设计
将整流后得到直流电压送入降压斩波电路，通过脉宽调制控制调节输出电压平均值，再通过LC滤波电路使电压稳定。脉宽调制控制信号由IGBT驱动电路发出。控制时一方面保持主电路开关元件恒定工作周期（T=ton+toff），再由输出信号与基准信号差值来控制闭环反馈，以调节导通时间ton，最后控制输出电压（或电流）稳定。
其中，功率IGBT为开关调节元件，它导通与关断由控制电路决定；L和C为滤波元件。驱动VT导通时，负载电压Uo=Uin，负载电流Io按指数上升；控制VT关断时，二极管VD可保持输出电流持续，因此普通称为
续流二极管。负载电流经二极管VD续流，负载电压Uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流持续且脉动小，普通串联L值较大电感。至一种周期T结束，在驱动VT导通，重复上一周期过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一种周期初值和终值相等。负载电压平均值为

式中，ton为VT处在导通时间，toff为VT处在关断时间；T为开关管控制信号周期，即ton+toff；D为开关管导通时间与控制信号周期之比，普通称为控制信号占空比。从该式可以看出，，占空比最大为1，若减小占空比，该电路输出电压总是低于输入电压，因而将其称为降压型DC-DC转换器。负载电流平均值为

若负载中电感值较小，则在VT管断后，负载电流会在一种周期内衰减为零，浮现负载电流断续状况。因而有降压DC-DC开关电源有非持续电流模式（DCM）和持续电流模式（CCM)两种工作模式。其电路图与波形图波形图如图所示：
图4 降压斩波电路
降压斩波电路工作波形：
图6 断续时波形
t
t
t
O
O
O
图5 持续时波形
T
E
i
G
t
on
t
off
i
o
i
1
i
2
I
10
I
20
t
1
u
o
O
O
O
t
t
t
T
E
E
i
G
i
G
t
on
t
off
i
o
t
x
i
1
i
2
I
20
t
1
t
2
u
o
E
M

3.3控制方案设计
由于整流电路采用是不控整流，因此控制电路重要用于降压斩波电路中，本处采用直流脉宽调制。
直流脉宽调制是运用直流调制信号和三角载波比较，可以得到单脉波控制信号，只要变化直流调制信号，就可以变化单脉波脉冲宽度 ，调节输出电压基波分量有效值，实现电压控制目。图7所示为实现直流脉宽调制一种简朴办法，给定电压和反馈电压通过电压调节器得到一种控制电压，和锯齿波电压比较得到脉冲波形，触发器输出是互补方波、，通过两个与门电路，获得互差脉冲方波、，它们均可作为斩波电路控制信号。

图7直流脉宽调制原理
方波输出电路简朴，易于闭环控制，电压输出稳定度也比较高。特别是它可以借用直流电源控制技术，诸多直流控制芯片都可以应用，因而方波输出具备成本低长处。但是，方波输出具有大量低次谐波，波形畸变严重，重要应用在规定不高场合。
3.4主电路参数计算
3.4.1主电路参数计算
输入电压为单相220V交流电，经晶闸管不控整流，电容滤波之后，考虑到器件压降及滤波损失，输出有效值约为312V直流电，加到降压斩波电路输入端，滤波电容要选较大值，本设计中C1选0.1F，R1选取100Ω。
设计输出电压为直流36V稳压，占空比D=，普通取0.11~0.12，该电路取D=0.115。,
设计输出功率为300W，因此可以拟定：
由于占空比为0.115，这里取最小负载电流为额定电流1/10，即=0.833A
3.4.2 滤波参数计算
要电流持续必要最小负载电流不不大于临界负载电流；
，
即规定：=0.0191H
可取L=0.02H
规定电压纹波系数不大于0.05时

107Hz
为此规定F
取C=0.2uF L=0.02H
%<5%,满足规定。
4 系统建模与仿真
4.1开环系统仿真
　　依照上述计算所得参数，在MATLAB/Simulink中搭建闭环系统仿真模型，进行系统仿真，开环系统仿真电路图如图所示：

图8 开环系统仿真模型
整流输出电压波形如图：
图9 开环系统整流波形
Io
降压斩波电路输出电压与负载电流波形：
Uo

图10 开环系统输出波形
4.2闭环系统仿真
在开环系统模型基本上增长电压反馈通道，构成闭环控制系统。此处用到直流脉宽调制技术，三角载波电压幅值设为6V，则依照理论计算占空比为11.5%，则直流调制信号电压幅值设为6×0.115=0.69V。给定电压为36V，反馈电压为斩波输出负载上电压值，通过比较两个电压大小，将电压差反馈到与直流调制信号叠加，以此来控制开关管导通时间来稳定输出电压大小。

图11 闭环系统电路图
闭环系统输出电压与负载电流波形：
Uo
Io

图12 闭环系统输出波形
5成果分析
通过比较上述仿真成果可知，开环仿真输出电压基本稳定在36V，负载电流基本稳定在8.3A左右，因此满足设计规定输出功率300W，从仿真波形中可以看出，纹波系数明显不大于5%，存在微小扰动。基本满足规定。
闭环系统仿真成果也符合设计规定，相比开环系统而言，输出电压与负载电流更加平稳，系统抗扰性能增强，更好地满足了设计规定。

6总结与体会
本次电力电子装置课程设计，使我更进一步理解了开关电源设计。加深了我对理论知识掌握，并把所学知识系统、高效贯穿到实践中来，避免了理论与实践脱离。同步我对matlab操作更为熟悉，有了更深刻理解，这是一种款功能强大软件，它广泛应用于各个方面。随着科学技术发展日新月异，不断学习某些辅助设计软件是必要，能在一定限度上提高咱们设计效率和可行性。并在实践中不断完善理论基本，培养综合能力。
在设计过程中，我发现了自己有诸多问题虽然感觉理论上已经掌握，但想要用所学只是系统解决一种问题还是比较困难。例如说，虽然懂得直流电源构成某些，但是想要按照规定既定设计一种符合规定直流电源，必要综合实现难易限度等方面综合选取器件，并完毕器件参数计算。由于对此前所学过知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，在比较系统地运用过程中，仍会存在诸多盲点。这次课程设计之，虽然遇到某些难题，但通过一番努力，都得以解决，并使自己获得了一定进步，这也激发了我此后努力学习决心。学习不能一知半解，需要坚持、耐心和努力，我一定要时时刻刻重新温故。

参照文献
[1] 王兆安,刘进军.电力电子技术.机械工业出版社,
[2] 杨荫福,段善旭,朝泽云.电力电子装置及系统.清华大学出版社,
[3] 陈坚,电力电子学.高等教诲出版社,
[4] 王兆安,黄俊.电力电子变流技术.机械工业出版社,1993
[5] 王水平.PWM控制与驱动器使用指南及应用电路.西安电子科技大学出版社,

本科生课程设计成绩评估表
姓 名

性 别
男
专业、班级
电气工程及其自动化班
课程设计题目：AC-DC-DC电源(36V，300W)设计
课程设计答辩或质疑记录：

成绩评估根据：
序号
评估项目
评提成绩
1
选题合理、目明确（10分）

2
设计方案对的，具备可行性、创新性（20分）

3
设计成果可信（例如：系统建模、求解，仿真成果）（25分）

4
态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）

5
设计报告规范化、参照文献充分（不少于5篇）（10分）

6
答辩（20分）

总分

最后评估成绩（以优、良、中、及格、不及格评估）

指引教师签字：