电力电子装置课程设计AC-DC-DC电源汇总

1、学 号：课程设计题目学院专业班级姓名指导教师AC-DC-DC 电源 （36V，300W）设计自动化学院电气工程及其自动化电气班许湘莲2013 年 6 月 18 日武汉理工大学大学电力电子装置及控制课程设计说明书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

2、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 ：2013年 6月 8日至 2013年 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：系主任（或责任教师

3、）签名：武汉理工大学大学电力电子装置及控制课程设计说明书目录摘要 1AC-DC-DC电源 （36V，300W）设计 21 设计任务及要求 21.1 技术要求 21.2 设计内容 22 电路总体方案及原理 22.1 开关电源的简介 22.2 设计方案 23 主电路设计及参数计算 33.1 整流电路的设计 33.2 降压斩波电路设计 43.3 控制方案的设计 63.4 主电路参数的计算 73.4.1 主电路参数计算 73.4.2 滤波参数的计算 84 系统建模与仿真 8.1 开环系统的仿真 84.2 闭环系统的仿真 115 结果分析 126 总结与体会 13参考文献 14武汉理工大学大学电力电子装

4、置及控制课程设计说明书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

5、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。通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武汉理工大学大学电力电子装置及控制课程设计说明书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

6、）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

7、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 MOSFE。T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-

8、DC 滤波整流电路后得到直流电压，滤波后送入 DC-DC武汉理工大学大学电力电子装置及控制课程设计说明书降压斩波电路，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。 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的。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

9、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（ T=ton toff ），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 整流电路武汉理工大学大学电力电子装置及控制课程设计说明书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， D

10、2、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 为正半周并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>U，2 导 致 D1和 D4管反向偏置而截止，电容通过负载电阻 R

11、L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：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， 通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驱动电武汉理工大学大学电力电子装置及控制课程设计说明书路发出。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

12、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，所以通常称为 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，通常串联 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UinontonUintonDUin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，

13、通常称为控制信号的占空比。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 降压斩波电路武汉理工大学大学电力电子装置及控制课程设计说明书降压斩波电路的工作波形toIt20Gtt on onoffOiTo10oEOOGttonoffOGTt图5 I 0连续时的波形iiE

14、E图6 I 0断续时的波形3.3 控制方案的设计由于整流电路采用的是不控整流，所以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， 可以得到单脉波控制信号，只要改变直流调制信号，就可以改变单脉波的脉冲宽度 ，调节输出电压基武汉理工大学大学电力电子装置及控制课程设计说明书波分量的有效值， 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通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、 ，通过两个与门电路，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

15、 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。 特别是它可以借 用直流电源控制技术， 很多直流控制芯片都可以应用， 因此方波输出具有成本低 的优点。但是，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 100。设计输出电压为直流 36V 稳压，占空比 D= 36 =0.1

16、154 ，通常取 0.110.12，312该电路取 D=0.115。 ,设计输出功率为 300W，所以可以确定：武汉理工大学大学电力电子装置及控制课程设计说明书Io2Po300 w8.33 AR2UoUoIo236V36V4.328.33 A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Io min =0.833A3.4.2 滤波参数的计算要电流连续必须最小负载电流Io min 大于临界负载电流；IoB= 2Lf(s 1-D)，即要求：LVo(1 D) 36(13 0.115) =0.0191H2fsIo min2 103 0.833 =0.0191HIo min可取

17、L=0.02H要求电压纹波系数小于 0.05 时VOVOfc 2( )2(1 D) 0.05fsfc12 LCfs2 0.051D1 1032 0.051 0.115107Hz为此要求 C1224 2 Lfc22 1 1.106 10 4 F4 2 0.02 107取 C=0.2uF L=0.02HVO 2 fc 2( )2(1 D)=2.8 %<5%,满足要求。VO 2 fs4 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：武汉理工大学大学电力电子装置及控制课程设计说明

18、书图8 开环系统仿真模型武汉理工大学大学电力电子装置及控制课程设计说明书整流输出电压波形如图：图 9 开环系统整流波形降压斩波电路输出电压与负载电流波形：图 10 开环系统输出波形10武汉理工大学大学电力电子装置及控制课程设计说明书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， 通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

19、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11武汉理工大学大学电力电子装置及控制课程设计说明书闭环系统输出电压与负载电流波形：图 12 闭环系统输出波形5 结果分析通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，所以满足设计要求的输出功率 300W，从仿真波形中可以 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。12武汉理工大学大学电力电子装置及控制课程设计说明书6 总结与体会本次

20、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， 但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