降压型PWM_AC-DC开关电源设计

1、2009 - 2010学年 第 2学期 电力电子技术课 程 设 计 报 告题 目: 降压型 PWM AC-DC开关电源课程设计专 业: 电气自动化本班 级: 07自动化本姓 名: 毕飞飞指导教师: 焦俊生成 绩:电气工程系2010年 6 月 16 日课 程 设 计 任 务 书学生班级: 07自动化本 学生姓名:毕飞飞 学号: 0709111001 设计名称:降压型 PWM AC-DC 开关电源课程设计起止日期: 2010-6-10至 2010-6-17 指导教师:焦俊生 目 录1.3 开关电源的发展展望 . . 62. 降压型 PWM AC-DC开关电源设计的基本要求 . 73. 电路总体方案

2、的设计及相关原理 . 74. 主电路设计及参数计算 . . 6 4.1 主电路的设计 . 64.2 主电路的参数确定 . . 85. 控制电路、驱动电路及保护电路的设计 . 12 5.1 控制及驱动电路设计 . . 125.2 保护电路的设计 . 136. 课程设计总结 . 14 参考文献 . 14 附录 . 151. 引 言1.1开关电源的概念开关电源 (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

3、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

4、样比较电路等模块组成。脉冲宽度调制(PWM ,是英文“ Pulse Width Modulation ”的缩写,简 称脉宽调制, 脉冲宽度调制是一种模拟控制方式, 其根据相应载荷的变化来 调制晶体管栅极或基极的偏置, 来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导 通时间的改变,这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定, 是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉冲宽度调制 (PWM 基于采样控制理论中的一个重要结论,即冲量相等 而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。在控制时 对半导体开关器件

5、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他所需要的波形 . 按一定 的规则对各脉冲的宽度进行调制 , 既可改变逆变电路输出电压的大小 , 也可 改变输出频率 .PWM 运用于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 ,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。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的,无需进行 数模转换。 让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。 噪声只有在强到 足以将逻辑 1改变为逻辑 0或将逻辑 0改

6、变为逻辑 1时, 也才能对数字信号 产生影响。对噪声抵抗能力的增强是 PWM 相对于模拟控制的另外一个优点, 而且这 也是在某些时候将 PWM 用于通信的主要原因。 从模拟信号转向 PWM 可以极大 地延长通信距离。 在接收端, 通过适当的 RC 或 LC 网络可以滤除调制高频方 波并将信号还原为模拟形式。将一种直流电压变换成另一种固定的或可调的直流电压的过程称为DC-DC 交换完成这一变幻的电路称为 DC-DC 转换器。 根据输入电路与输出电 路的关系, DC-DC 转换器可分为非隔离式 DC-DC 转换器和隔离式 DC-DC 转 换器。降压型 DC-DC 开关电源属于非隔离式的。降压型 D

7、C-DC 转换器主电路图如下: 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,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 为式中, ton 为 VT 处于导通的时间,

8、 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; 为开关管导通时间与控制信号周期之比, 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。波形图如下所示:in on in off on on in o U T t U t t t U U =+

9、=RU I o o =1.2 开关电源的发展简介 3能源在每个国家中的地位都是举足轻重, 关乎兴衰的, 所以如何开发并合理 利用能源是一个重要的课题。 特别对于我国这样的能源消耗大国和贫乏国, 更是 如此。我国、美国和俄罗斯等大国始终把能源技术列为国家关键性的科技领域。 能源技术的其中一个重要方面就是电力电子技术,这是一门结合了微电子学、 电机学、 控制理论等多种学科的交叉性边沿学科, 它利用功率半导体器件对电网 功率、 电流、 电压、 频率、 相位进行精确控制和处理, 使得电力电子装置小型化、 高频化、智能化,效率和性能得以大幅度提高。开关电源技术属于电力电子技术, 它运用功率变换器进行电能

10、变换, 经过变 换电能, 可以满足各种对参数的要求。 这些变换包括交流到直流 (AC-DC, 即整流 , 直流到交流 (DC-AC, 即逆变 , 交流到交流 (AC-AC, 即变压 , 直流到直流 (DC-DC。 广义地说, 利用半导体功率器件作为开关, 将一种电源形式转变为另一种电源形 式的主电路都叫做开关变换器电路; 转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环 节则称为开关电源(SwitchingPower Supply 。由于其高效节能可带来巨大经济 效益,因而引起社会各方面的重视而得到迅速推广。电源管理芯片实际上也是指具有自动控制环路和保护电路的 DC-DC 变换芯 片,是开关电源的核心控

11、制芯片。电源管理芯片在 90年代中后期问世,由于替 换了大部分分立器件, 使开关电源的整体性能得到大幅度提高, 同时降低了成本, 因而显示出强大的生命力。我国开关电源起源于 1970年代末期, 到 1980年代中期, 开关电源产品开始 推广应用。那时的开关电源产品采用的是频率为 20 kHz以下的 PWM 技术,其效 率只能达到 60%70%。经过 20多年的不断发展,新型功率器件的研发为开关电 源的高频化莫定了基础,功率 MOSFET 和 IGBT 的应用使中、小功率开关电源工 作频率高达到 400kHz(AC/DC和 1MHz(DC/DC。软开关技术的出现,真正实现了 开关电源的高频化,

12、它不仅可以减少电源的体积和重量, 而且提高了开关电源的 效率。目前,采用软开关技术的国产开关电源,其效率已达到 93%。但是,目前 我国的开关电源技术与世界上先进的国家相比仍有较大的差距。开关电源的发展历史可以追溯到几十年前,可分为下列几个时期:1.电子管稳压电源时期 (1950年代 。此时期主要为电子管直流电源和磁饱 和交流电源,这种电源体积大、耗能多、效率低。2.晶体管稳压电源时期 (1960年代 -1970年代中期 。随着晶体管技术的发 展,晶体管稳压电源得到迅速发展,电子管稳压电源逐渐被淘汰。3.低性能稳压电源时期 (1970年代 -1980年代末期 。出现了晶体管自激式 开关稳压电源

13、,工作频率在 20kHz 以下,工作效率 60%左右。随着压控率 器件的出现,促进了电源技术的极大发展,它可使兆瓦级的逆变电源设计 简化, 可取代需要强迫换流的晶闸管, 目前仍在使用。 功率 MOSFET 的出现, 构成了高频电力电子技术, 其开关频率可达 l00kHz 以上, 并且可并联大电 流输出。4.高性能的开关稳压电源时期 (1990年代 至今 。随着新型功率器件和脉 宽调制 (PWM电路的出现和各种零电压、零电流变换拓扑电路的广泛应用 出现了小体积、高效率、高可靠性的混合集成 DC-DC 电源。1.3 开关电源的发展展望1. 半导体和电路器件是开关电源发展的重要支撑。2. 高频、高效

14、、低压化、标准化是开关电源主要发展趋势:1低电压化半导体工艺等级在未来十年将从 0.18微米向 50纳米工艺迈进, 芯片所需最 低电压最终将变为 0.6V ,但输出电流将朝着大电流方向发展。2高效化应用各种软开关技术,包括无源无损软开关技术、有源软开关技术,如 ZVS/ZCS谐振、准谐振;恒频零开关技术;零电压、零电流转换技术及目前同步 整流用 MOSFET 代替整流二极管都能大大地提高模块在低输出电压时的效率,而 效率的提高使得敞开式无散热器的电源模块有了实现的可能。3大电流、高密度化4高频化为了缩小开关电源的体积, 提高电源的功率密度并改善其动态响应, 小功率 DC -DC 变换器的开关频

15、率已将现在的 200500kHz 提高到 1MHz 以上,但高频 化又会产生新的问题, 如开关损耗以及无源元件的损耗增大, 高频寄生参数以及 高频电磁干扰增大等。5在封装结构上正朝着薄型,甚至超薄型方向发展2. 降压型 PWM AC-DC开关电源设计的基本要求设计一款降压型 PWM AC-DC开关电源,设计参数如下:输入参数:1. 输入交流电压:单相 AC220V2. 输入电压变动范围:±20%3. 输入频率:50Hz ±2Hz输出参数 :1. 输出直流电压:24V2. 输出功率:约 200W设计基本要求 :1. 设计主电路;2. 设计控制电路和保护电路;3. 计算主电路电

16、力电子器件参数;4. 绘制主电路、控制电路和保护电路电路图;5. 绘制完整电路图。3. 电路总体方案的设计及相关原理电源有一种输入,即单相 220V 交流电压,设计输入电压变动范围为 ±20%。有一种输出:24V 直流电压,输出功率约为 200W 。交流 220V 经过一个滤波整流 电路后得到直流电压,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,调节直流电压的占空比,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。开关电源原理框图如下:整流部分是利用具有单向导通性的二极管构成桥

17、式电路来实现的; 滤波部分是利 用电容电感器件的储能效应,构成 LC 电路来实现的;降压部分是利用降压斩波 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 ,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。4. 主电路设计及参数计算4.1 主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

18、个工作。 整流电路图设计如下: 平均值,在经过 LC 滤波电路是电压稳定。降压斩波电路设计如下图:脉宽调制控制型号有 IGBT 驱动电路发出; RCD 保护电路用以缓冲 IGBT 在高频工 作环境下关断时因为正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电 压。 工作时的波形图如下: 4.2 主电路的参数确定设计输入电流为频率 50Hz 的单相 220V 交流电,其脉冲周期为:经过整流后得到的是只有正半部分的正弦波幅值与输入电压一样, 但周期为输入 电压一般,即sHzf T in in 205011=ss T T in 102202=设计输出电压为直流 24V 稳压,电流为 8A 直流。占空

19、比 通常取 0.40.45,该 电路取 =0.42,考虑 IGBT 和二极管的导通压降取 0.8V ,电感压降取 0.2V 。于 是可以得到:设计输出功率为 200W ,所以可以确定:又由于 Uin2=Uo1,确定电阻 R1=100,一次侧与二次侧线圈匝数比 N1/N2=2, 可以确定整流滤波电路中的回路电流及分压电阻 R0为:对于整流滤波电路中的四个二极管 VD1、 VD2、 VD3、 VD4,它们承受的反向最大 峰值电压为输入电压 Uin 最大值的一半,约为 77.8V ;流过的最大平均电流约为 0.5952A 。 所以我们可以选择正向平均电流 I(AV大于 0.62A , 反向重复峰值电

20、压 Urrm 大于 156V 的电力二极管用来构成全桥。对于斩波电路中的电力二极管 VD ,承受的最大反向重复峰值电压约为 84.2V ,最大正向平均电流 I(AV约为 8.33A ,所以我们可以选择正向平均电流V V VU U s s t T t s s T t o in on off on 52. 5942. 025 2. 08. 0(8. 5 2. 410(2. 442. 0*102=+=-=-=88. 233. 82433. 824200222AV I U R A Vw U P I o o o o o =-=-=8. 815952. 08. 152. 591102. 08. 0*215

21、952. 010052. 59120121AV V V I V V U U R AV R U I o in in in oI(AV大于 8.5A , 反向重复峰值电压 Urrm 大于 169V 的电力二极管作为续流二极 管。对于斩波电路中的 IGBT VT,集射极承受的最大电压 Uce 约为 84.2V ,流过 的最大电流值约为 8.33A , 则最大耗散功率约为 701.2W 。 所以我们可以选择最大 集射极间电压大于 85V ,最大集电极电流大于 8.5A ,最大集电极功耗大于 723W 的 IGBT 。综上所述,主电路的主要参数如下:所用电力二极管和 IGBT 的导通压降约为 0.8V

22、,电感压降约为 0.2V1. 整流滤波电路部分:一次侧与二次侧线圈匝数比 N1/N2:2输入电压 Uin :单相 220V 交流输出电压 Uo1:59.52V 直流回路电流平均值 Io1:0.5952A电阻 R0:81.8电阻 R1:100电力二极管 VD1、 VD2、 VD3、 VD4参数:正向平均电流 I(AV 0.62A ,反向重复峰值电压 Urrm 156V 2. 降压斩波电路部分:输入电压 Uin2:59.52V 直流输出电压 Uo :24V 稳压直流回路电流平均值(输出电流 Io2:8.33A输出功率:200W电阻 R2:2.88占空比 :0.42电力二极管:正向平均电流 I(AV

23、 8.5A ,反向重复峰值电压 Urrm 169V IGBT参数:最大集射极间电压 Uces 85V ,最大集电极电流 Ic 8.5A 最大集电极功耗 Pcm 723W5. 控制电路、驱动电路及保护电路的设计5.1 控制及驱动电路设计 4本文设计的开关电源的控制及驱动电路的核心为三菱公司的 M579系列驱动 器。电路图如下所示: 该集成驱动器的内部包含有检测电路、 定时及复位电路和电气隔离环节, 可在发 生过电流时能快速响应但慢速关断 IGBT 。输出的正驱动电压为 +15V,负驱动电 压为 -10V 。5.2 保护电路的设计本文设计的电源电路主要需要对 IGBT 在开通时采取 di/dt保护和在关断时 采取过电压保护,可选择复合缓冲电路作为 IGBT 的保护电路,电路图如下: 6. 课程设计总结通过本次课程设计, 使我更加深刻地理解了直流斩波电路以及开关电源, 了 解了开关电源的基本结构、 设计过程和实现的功能。 使我了解到开关电源在电子 设备、电力设备和通信系统的直流供电中得到广泛应用,在高频开关电源中, DC-DC 变换是其核心。随着半导体技术的发展,高集成度,功能强大的大规模集 成电路不断出现, 使电子设备不断缩小, 重量不断减轻, 相应地要求系统供电电 源的体积和重量相应减小, 如何减小开关电源的体积, 提高其效率,