电力电子装置课程设计ACDCDC电源样本.doc

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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

指导教师
许湘莲

年
6
月
18
日

课程设计任务书

学生姓名: 专业班级:
指导教师: 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:
设计一个AC-DC-DC电源, 具体参数如下: 单相交流输入220V/50Hz, 输出直流电压36V,纹波系数<5%, 功率300W。
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。
时间安排:
6月8日至 6月18日, 历时一周半, 具体进度安排见下表
具体时间
设计内容
6.8
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
6.9－6.13
开始查阅资料, 完成方案的初步设计
6.14—6.16
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
6.17－6.18
撰写课程设计说明书
6.18
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

目录
摘要 1
AC-DC-DC电源(36V, 300W)设计 2
1 设计任务及要求 2
1.1．技术要求 2
1.2．设计内容 2
2电路总体方案及原理 2
2.1 开关电源的简介 2
2.2设计方案 2
3主电路设计及参数计算 3
3.1整流电路的设计 3
3.2降压斩波电路设计 4
3.3控制方案的设计 6
3.4主电路参数的计算 7
3.4.1主电路参数计算 7
3.4.2 滤波参数的计算 8
4 系统建模与仿真 8
４.1开环系统的仿真 8
4.2闭环系统的仿真 11
5结果分析 12
6总结与体会 13
参考文献 14

摘要

随着电力电子技术的发展, 电力电子设备与人们的工作、 生活关系日益密切, 而任何电子设备都离不开可靠的电源。而开关电源以小型, 轻量和高效率的特点被广泛应用于电子计算机为主导的各种终端设备、 通信设备等几乎所有的电子设备, 是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。本此设计主要对降压型AC-DC-DC开关电源的核心部分——AC-DC整流装置与DC-DC转换器( 降压斩波电路) 的拓扑结构及其工作原理机型设计, 描述了DC-DC转换器的控制方法——脉宽调制控制( PWM) 。在此基础上设计了一款基于电压控制模 式的PWM降压型AC-DC-DC开关电源, 设计的内容包括主电路的设计、 控制及驱动电路的设计, 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。经过对仿真结果的分析, 验证设计的正确性。

关键词: 开关电源 整流　降压斩波　MATLAB

AC-DC-DC电源(36V, 300W)设计

1 设计任务及要求
1.1．技术要求
设计一个AC-DC-DC电源, 具体参数如下: 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。
2电路总体方案及原理
2.1 开关电源的简介
开关电源(Switch Mode Power Supply, SMPS)是以功率半导体器件为开关元件, 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。开关电源和线性电源相比, 二者的成本都随着输出功率的增加而增长, 但二者增长速率各异。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的方向, 高频化使开关电源小型化, 并使开关电源进入更广泛的应用领域, 特别是在高新技术领域的应用, 推动了高新技术产品的小型化、 轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、 节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、 IGBT和MOSFET。一般由脉冲宽度调制( PWM) 控制IC和MOSFET构成。开关电源电路主要由整流滤波电路、 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组成。
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经过一个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的关断, 调节控制信号的占空比, 最后经过LC滤波电路的到所需电压。经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的。
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
整流部分是利用具有单向导通性的二极管构成桥式电路来实现的; 滤波部分是利用电容器件的储能效应, 来实现的; 降压部分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它所需要的波形。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( T=) , 最终控制输出电压( 或电流) 的。
3主电路设计及参数计算
3.1整流电路的设计
主电路主要完成对交流的整流滤波, 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
桥式整流电路的工作原理如图2所示。在Uin的正半周, 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的负半周, 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。在经过电容滤波, 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, 在充放电的过程中, 使输出电压基本稳定。 
滤波电容容量大, 因此一般采用电解电容, 在接线时要注意电解电容的正、 负极。电容滤波电路利用电容的充、 放电作用, 使输出电压趋于平滑。 
当u2为正半周而且数值大于电容两端电压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, 电容经过负载电阻RL放电, UC按指数规律缓慢下降这样就得到一个直流电压波形, 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
将整流后的得到的直流电压送入降压斩波电路, 经过脉宽调制控制调节输出电压平均值, 再经过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。控制时首先保持主电路开关元件的恒定工作周期( T=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。
其中, 功率IGBT为开关调整元件, 它的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可保持输出电流连续, 因此一般称为
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。为了使负载电流连续且脉动小, 一般串联L值较大的电感。至一个周期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, 负载电流在一个周期的初值和终值相等。负载电压的平均值为

式中, ton为VT处于导通的时间, toff为VT处于关断的时间; T为开关管控制信号的周期, 即ton+toff; D为开关管导通时间与控制信号周期之比, 一般称为控制信号的占空比。从该式能够看出, , 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, 因此将其称为降压型DC-DC转换器。负载电流的平均值为

若负载中电感值较小, 则在VT管断后, 负载电流会在一个周期内衰减为零, 出现负载电流断续的情况。因此有降压DC-DC开关电源有非连续电流模式( DCM) 和连续电流模式( 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
降压斩波电路的工作波形:
图6 断续时的波形
t
t
t
O
O
O
图5 连续时的波形
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控制方案的设计
由于整流电路采用的是不控整流, 因此控制电路主要用于降压斩波电路中, 本处采用直流脉宽调制。
直流脉宽调制是利用直流调制信号和三角载波比较, 能够得到单脉波控制信号, 只要改变直流调制信号, 就能够改变单脉波的脉冲宽度 , 调节输出电压基波分量的有效值, 实现电压控制的目的。图7所示为实现直流脉宽调制的一种简单方法, 给定电压和反馈电压经过电压调节器得到一个控制电压, 和锯齿波电压比较得到脉冲波形, 触发器的输出是互补的方波、 , 经过两个与门电路, 获得互差的脉冲方波、 , 它们均可作为斩波电路的控制信号。

图7直流脉宽调制原理
方波输出电路简单, 易于闭环控制, 电压输出稳定度也比较高。特别是它能够借用直流电源控制技术, 很多直流控制芯片都能够应用, 因此方波输出具有成本低的优点。可是, 方波输出含有大量的低次谐波, 波形畸变严重, 主要应用在要求不高的场合。
3.4主电路参数的计算
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的直流电, 加到降压斩波电路的输入端, 滤波电容要选较大值, 本设计中C1选0.1F, R1选择100Ω。
设计输出电压为直流36V稳压, 占空比D=, 一般取0.11~0.12, 该电路取D=0.115。,
设计输出功率为300W, 因此能够确定:
因为占空比为0.115, 这里取最小负载电流为额定电流的1/10, 即=0.833A
3.4.2 滤波参数的计算
要电流连续必须最小负载电流大于临界负载电流;
,
即要求: =0.0191H
可取L=0.02H
要求电压纹波系数小于0.05时

107Hz
为此要求F
取C=0.2uF L=0.02H
%<5%,满足要求。
4 系统建模与仿真
4.1开环系统的仿真
　　根据上述计算所得参数, 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闭环系统的仿真
在开环系统模型的基础上增加电压反馈通道, 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, 则根据理论计算的占空比为11.5%, 则直流调制信号的电压幅值设为6×0.115=0.69V。给定电压为36V, 反馈电压为斩波输出负载上的电压值, 经过比较两个电压的大小, 将电压差反馈到与直流调制信号叠加, 以此来控制开关管的导通时间来稳定输出电压的大小。

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结果分析
经过比较上述仿真结果可知, 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, 因此满足设计要求的输出功率300W, 从仿真波形中能够看出, 纹波系数明显小于5%, 存在微小扰动。基本满足要求。
闭环系统仿真结果也符合设计要求, 相比开环系统而言, 输出电压与负载电流更加平稳, 系统的抗扰性能增强, 更好地满足了设计要求。

6总结与体会
本次电力电子装置课程设计, 使我更深入了解了开关电源的设计。加深了我对理论知识的掌握, 并把所学的知识系统、 高效的贯穿到实践中来, 避免了理论与实践的脱离。同时我对matlab的操作更为熟悉, 有了更深刻的了解, 这是一个款功能强大的软件, 它广泛应用于各个方面。随着科学技术发展的日新月异, 不断学习一些辅助设计软件是必要的, 能在一定程度上提高我们设计的效率和可行性。并在实践中不断完善理论基础, 培养综合能力。
在设计过程中, 我发现了自己有很多问题虽然感觉理论上已经掌握, 但想要用所学的只是系统的解决一个问题还是比较困难的。比如说, 虽然知道直流电源的组成部分, 可是想要按照要求既定的设计一个符合要求的直流电源, 必须综合实现的难易程度等方面综合选择器件, 并完成器件参数的计算。由于对以前所学过的知识理解得不够深刻, 掌握得不够牢固, 在比较系统地运用的过程中, 仍会存在很多盲点。这次课程设计之, 虽然遇到一些难题, 但经过一番努力, 都得以解决, 并使自己取得了一定的进步, 这也激发了我今后努力学习的决心。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。

参考文献
[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.高等教育出版社,
[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定表
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:

成绩评定依据:
序号
评定项目
评分成绩
1
选题合理、 目的明确( 10分)

2
设计方案正确, 具有可行性、 创新性( 20分)

3
设计结果可信( 例如: 系统建模、 求解, 仿真结果) ( 25分)

4
态度认真、 学习刻苦、 遵守纪律( 15分)

5
设计报告的规范化、 参考文献充分( 不少于5篇) ( 10分)

6
答辩( 20分)

总分

最终评定成绩( 以优、 良、 中、 及格、 不及格评定)

指导教师签字: