电子设计竞赛中电源类电路的分析与设计

1、电子设计竞赛中电源类电路的分析与设计中国石油大学（华东）信息与控制学院 赵仁德 概要概要1、国赛历年电源类题目2、电源类基本电路的工作原理3、系统的总体框架4、实例分析5、总结一、国赛历年电源类题目一、国赛历年电源类题目第九届（2009年）全国大学生电子设计竞赛题目第十届（2011年）全国大学生电子设计竞赛题目A 开关电源模块并联供电系统B 基于自由摆平板控制系统 C 智能小车D LC谐振放大器 E 简易数字信号传输性能分析仪 F 帆板转角控制系统 G 简易自动电阻测试仪第十一届（2013年）全国大学生电子设计竞赛题目A 单相 AC-DC 变换电路B 四旋翼自主飞行器 C 简易旋转倒立摆及控制

2、装置D 射频宽带放大器 E 简易频率特性测试仪 F 红外光通信装置 G 手写绘图板K 直流稳压电源及漏电保护装置L 简易照明线路探测仪p 电源类题目，在近几届比赛中，都有题目。p 其典型的特点是数字控制数字控制的开关开关电源。二、电源类基本电路的工作原理p 电能变换基本概念p 开关电源节能的原理p 基本的DC/DC变换电路p 开关电源中的磁性元件p 基本的DC/AC、AC/DC变换电路二、电源类基本电路的工作原理2.1 电能变换基本概念DC/DC变换：改变和控制输出电压的大小；AC/DC变换：控制直流电压或者交流电流；DC/AC变换：产生正弦的幅值、相位、频率可控的输出电压；AC/AC变换：改

3、变输出交流电压的频率、幅值、相位。二、电源类基本电路的工作原理高效率、体积小、成本低是电源变换器的目标。效率决定了体积，也影响成本。二、电源类基本电路的工作原理这两种方法的不足是效率太低。2.2 开关电源节能的原理输入：100V，输出：50V/10A的电源。效率低的主要原因是中间的变换电路是通过消耗电能实现电能变换的。二、电源类基本电路的工作原理通过能量的短时间储、放实现电能的变换。二、电源类基本电路的工作原理二、电源类基本电路的工作原理开关电源需要复杂的电路和控制，输出纹波较大，但有较高的效率和功率密度，而且可以升压、降压甚至输出负压。线性电源的输出电压平稳，但效率低且不能升压，有现成的芯片

4、。二、电源类基本电路的工作原理2.3 基本的DC/DC变换电路二、电源类基本电路的工作原理DC/DC电路有成熟的控制芯片，但竞赛需要显示、输入等人机交互部分，所以一般采用数字控制。这就需要高性能的单片机、DSP、FPGA作为数字控制的核心。开关管一般选用MosFET，其驱动相对简单。二、电源类基本电路的工作原理2.4 开关电源中的磁性元件电感、变压器是开关电源中的最核心的部件，直接决定着系统的性能。没有标准化的器件，只能靠自己设计。电感和变压器的设计是开关电源制作的一个重要环节。设计所需要的原料：铁芯和漆包线。铁芯来构建磁路，而漆包线则用来构建电路部分。铁芯的材质有好多种，基本上是铁或者铁的合

5、金构成。铁氧体（锰锌、镍锌）、叠片式铁芯（硅钢片、非晶合金）、粉未磁芯（铁粉芯、铁硅铝和MPP等）二、电源类基本电路的工作原理2.5 基本的AC/DC、DC/AC变换电路近三届国赛，有一次是DC/AC（09年），一次是AC/DC（13年），可见这类变换的重要性。其典型电路比较简单，分为全桥和半桥两大类。开关管一般用IGBT，低压时也用MosFET。这类题目的关键在于数字控制算法和实际实现上。当然，PWM、死区和IGBT驱动等问题，是这类电路的共性问题。二、电源类基本电路的工作原理2.5.1 PWM 控制无论过程多么复杂，最后都是通过4个开关的导通、关断来实现。4个开关怎么开关，持续多长时间是整

6、个系统的关键。为了使实际的输出电压更好的逼近期望输出电压为了使实际的输出电压更好的逼近期望输出电压，脉宽调制技术（PWM）被引入到电力电子的开关信号的产生领域。真实的输出电压与期望电压之间的差距、开关器件的损耗、电磁干扰等均与PWM技术密切相关。二、电源类基本电路的工作原理冲量等效原理：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。f (t)(t)tO图6-1a)b)c)d)tOtOtOf (t)f (t)f (t)tOua)b)图6-3Out二、电源类基本电路的工作原理图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud调频：调节调制波周期调频：调节调制波周期变压：调节调制

7、波幅值变压：调节调制波幅值统一于调制波控制调制波控制图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud二、电源类基本电路的工作原理频率就是器件的开关频率，由开关损耗和输出电压的畸变程度决定。调制波就是期望的电压，容易确定，关键是载波的确定。如果ur就是的参考电压的实际值，那么载波该如何确定？（频率、幅值）幅值取决于什么？在频率一定的情况下，幅值决定了三角载波的斜率，也决定了与调制波的交点，从而影响开关的时间，进而影响输出电压。图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud二、电源类基本电路的工作原理在载波比很大时，在一个开关周期内，调制波的值可以认为不变。urA=urB，根据冲量等效的原则

8、：rAcdu TUrAcMcuuT根据三角形相似：cMduU图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud同理，负半周载波的幅值也是Ud，即直流母线电压。二、电源类基本电路的工作原理2()(2)rAcdddcdcu TUUUTUT2cMrAcMcuuuT根据三角形相似：(0.5)22cMrArAcccMcMuuuTTuu(2(0.5)2rArArAcdcccdcMcMuuu TUTTTUuucMduU双极性调制通常，对调制波和载波进行归一化。二、电源类基本电路的工作原理通过三角波比较，我们由期望的电压得到了能实现期望电压的变换器输出电压，还没有得到开关管的开关信号。如何才能使输出电压为零？

9、T1和T3开通，或者T2和T4开通。如何才能使输出电压为Ud？T1和T4开通。还有一种组合，就是T2和T3导通，输出电压为-Ud。实现方法有两个，一是T1总是导通，控制T3和T4，二是T4总是导通，控制T1和T2。当然还有其它的方法。二、电源类基本电路的工作原理2.5.2 死区产生的原因及死区时间的设置电力电子器件存在着开关延时，为防止在上下桥臂进行换流的过程中发生短路，须保证该关断的管子关断之后再使该导通的管子导通。为做到这一点，通常采用按时关，延时开的方法。这样同一桥臂的上下管之间有一段没有导通信号的时间，这就叫死区。由于续流二极管的存在，死区是指没有导通信号，并不意味着没有电压输出。二、

10、电源类基本电路的工作原理对于IGBT，死区时间一般为25s，小容量的IGBT，现在1.5s以下。在DSP中只需要设置一个死区设置寄存器即可，一般的单片机中不能设置死区，通常采用死区电路。死区的存在，使得原来的开关信号发生了改变，逆变器的输出逼近期望电压的精度要受到影响。二、电源类基本电路的工作原理PWM环节得到的开关信号是弱电信号，要让弱电信号变成IGBT的开通和关断状态，就需要有驱动电路。(1)、IGBT 导通后的管压降与uGE有关，在电流一定的情况下，uGE越高， uCE就越低，器件的导通损耗就越小。但是，uGE并非越高越好，一般不允许超过20V。1、选择和应用驱动电路应考虑的几点：(2)

11、、能向IGBT 提供足够的反向栅压，使IGBT在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。2.5.3 IGBT的驱动、缓冲电路二、电源类基本电路的工作原理(3)有足够的输入输出电隔离能力。只希望传递信号，不希望有电气上的任何联系。以保证设备的正常工作，同时有利于维修调试人员的人身安全。一般采用光隔离或磁隔离。(4)具有栅射电压限幅电路,保护栅极不被击穿。IGBT 栅射极限电压一般为20V ,驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。(5)在出现短路、过流的情况下,能迅速发出过流保护信号,供控制电路进行处理。当IGBT 处于负载短路或过流状态时,能在IGBT 允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流,实现IGB

12、T 的软关断。(6)常用的驱动电路M57962、M57959或6ED003L06-F等。二、电源类基本电路的工作原理缓冲电路又称为吸收电路，其作用是抑制电力电子器件开关过程中的过电压、过电流及高di/dt和du/dt。按是否有能耗分为耗能式缓冲电路和无损缓冲电路，按抑制作用不同分为开通和关断缓冲电路两种。通常所说的缓冲电路主要是指关断缓冲电路，抑制因线路杂散电感引起的关断过程中的过电压，保护IGBT。(A)适合中小功率电路，主电路布线好的电路中，最好是无感电容。(B)适合中等功率。R、C应选用无感无件，D应选用快速恢复二极管。(C)效果比较好，适合于大功率。三、系统的总体框架系统总的结构图di

13、veLRidt寻找控制目标与控制手段之间关系：三、系统的总体框架写出各部分传递函数，构建电流环控制系统的框图关于如何计算PI参数，参考自动控制原理，或者利用工程化的方法，参考陈伯时老师的电力拖动自动控制系统，将电流环设计成I型系统然后数字化即可。需要注意比例的变换。三、系统的总体框架计算PI参数时，是按照物理量的实际值进行计算的，而在单片机或DSP中，采样以后得到的数值不是实际值，需要把相关的倍数考虑进去。数字控制系统必须有保证严格的采样时间，一般通过高优先级的定时器中断来实现。采样、处理、控制及PWM波的产生都是在中断中实现。一般过程如下：启动AD转换，并等待。数据处理，比例缩放，减去偏移量

14、等把指令和反馈进行PI运算，得到期望电压利用期望电压与直流母线电压之间的关系求出占空比四、实例分析以以09年和年和13年的题目为例，汇报一下我们的设计过程。这两年的题目为例，汇报一下我们的设计过程。这两个题目硬件相同，软件有很多相通的地方。个题目硬件相同，软件有很多相通的地方。四、实例分析4.1、任务和要求、任务和要求设计并制作一个光伏并网发电模拟装置，其结构框图如上图所示。用直流稳压电源US和电阻RS模拟光伏电池，US=60V，RS=3036；uREF为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V，频率fREF为45Hz55Hz；T为工频隔离变压器，变比为n2:n1=2:1、n3:n1=1:1

15、0，将uF作为输出电流的反馈信号；负载电阻RL=3036。 4.1.14.1.1、基本要求基本要求四、实例分析（1）具有最大功率点跟踪（MPPT）功能：RS和RL在给定范围内变化时，使dS12UU相对偏差的绝对值不大于1%。 （2）具有频率跟踪功能：当fREF在给定范围内变化时，使uF的频率fF=fREF，相对偏差绝对值不大于1%。四、实例分析（3）当RS=RL=30时，DC-AC变换器的效率 60%（4）当RS=RL=30时，输出电压uo的失真度THD5%。 （5）具有输入欠压保护功能，动作电压Ud（th）=（250.5）V。 （6）具有输出过流保护功能，动作电流Io（th）=（1.50.2

16、）A。 四、实例分析4.1.24.1.2、发挥部分发挥部分 （2）降低输出电压失真度，使THD1%（RS=RL=30时）。 （3）实现相位跟踪功能：当fREF在给定范围内变化以及加非阻性负载时，均能保证uF与uREF同相，相位偏差的绝对值5。 （4）过流、欠压故障排除后，装置能自动恢复为正常状态。 （5）其他。（1）提高DC-AC变换器的效率，使 80%四、实例分析4.1.34.1.3、总结总结题目虽小，光伏并网装置的基本性能均要求了，而且指标还不低。 MPPT、锁相（频率和相位跟踪）、效率、THD、欠压和过流保护以及自动恢复功能。要求有性价比的功能，即尽可能地选择廉价的元器件完成任务。基本要

17、求与发挥部分比较，可以看出，发挥部分，不是并列地增加功能，而是指标的提高，所以，一定要在最初选方案的时间把这两部分统筹考虑。四、实例分析4.2.1、DC/AC电路选择电路选择电路结构简单，元器件少，但输出电压幅值只有母线电压一半，不适合本题。元器件较多，但PWM方式存在着优化的可能，对于提高THD有利。4.2 硬件电路方案和元器件选择四、实例分析4.2.2、开关管选择、开关管选择常用的全控电力电子器件是IGBT和Power MosFETIGBT的电压等级主要有三类：600V、1200V和1700V。电压等级越高，通态压降越高，损耗越大。Power MosFET的电压等级较多，但一般不超过600

18、V，它的通态损耗取决于通态电阻，高性能的是几十毫欧。从本题目来看，电压等级较低，宜采用低导通电阻的Power MosFET，但当时手头上恰好有600V的IGBT，再买来不及，13年的题目，用的是MosFET。四、实例分析4.2.3、控制单元的选择、控制单元的选择工业上的电力电子装置的控制核心一般选择DSP，功能强大，有集成的死区产生、PWM信号产生、AD等单元，但其成本较高，当时的主流是TMS320F28335、TMS320F28027。09年学生集中培训时采用的是C8051F120单片机，这款单片机运算性能尚可，并且集成了PWM产生单元和AD，因此选择了以C8051F120为核心的单片机数字

19、控制单元。但是这也带来了三个问题（死区、PWM波形质量、AD采样时间）。13年则采用TMS320F28027，成本没有增加，但是性能有所提高，不足是学生对于定点编程的能力不足。四、实例分析DC电源开关管滤波电路变压器负载电流传感器变压器n3调理电路调理电路A/DA/DSPWM死区设置IGBT驱动过流保护欠压保护MPPT调理电路A/D直流母线电压采样按键显示控制单元 C8051f120Uref调理电路A/D四、实例分析4.2.4、滤波电路、滤波电路DC/AC变换器输出的是PWM波，经变压器传递到副边，THD不能满足要求。采用LC滤波器，再加上变压器漏感，相当于三阶滤波。四、实例分析L、C的参数选

20、择应当根据两个主要因素：一是滤波的效果；二是效率。滤波的效果主要是滤波器的截止频率，根据相关的公式计算即可。关键是效率，电感选择小了，相同的磁芯，铜线都会少一些，铜耗会少，但是电流纹波会大一些，铁耗会增大。磁芯的材料也有影响，采用硅钢片、铁氧体等需加气隙，要注意避免饱和，粉芯类材料气隙均匀，但相同工作条件下损耗不一样，选择当时实验室有的铁硅铝材料的磁芯。导线的粗细对效率也有影响，绕制电感线较长，为减少损耗，提高效率，在允许的情况下，应使导线加粗。四、实例分析4.2.5、传感器的选择与信号调理电路、传感器的选择与信号调理电路需要采集的信号有：两路直流电压、两路交流电压、一路交流电流。如采用霍尔传

21、感器测直流电压，成本较高，采用了低成本的电阻分压差分取样的方法。三路交流信号则需要经过比例和提升电路进行处理。四、实例分析1006 470COinkVVk多个电阻串主要是考虑功率的问题，此电路成本应在2元以内，而LEM的电压传感器，价格近200元。四、实例分析4.2.6、驱动电路、驱动电路IGBT的驱动电路较多，M57系列，IR21系列等等，优点是可靠性较好，但不足是外围电路比较多，有的还需要多路隔离电源。采用实验室前期做项目积累的一个小模块，主要的优点是：（1）四路驱动只需要一路12V电源，（2）不需要其它外围电路，可直接接在单片机PWM输出和IGBT之间。四、实例分析4.3、控制方案选择、

22、控制方案选择MPPT是光伏系统的最重要的功能，最常用的是增量电导法和爬山法，但是，题目要求的精度太高，甚至要高于采样精度，所以，经过采用爬山法尝试，很难达到控制精度。采用的思路是，比较Ud与0.5Us的大小，根据比较的结果改变输出电压，也就是输出功率。 4.3.1、MPPT四、实例分析4.3.2、频率跟踪和锁相、频率跟踪和锁相锁相技术也是光伏并网发电的重要技术，它决定了输出正弦波的畸变情况。当电网电压有谐波畸变时，尤其重要。锁相的方法很多，主要分为两大类，一类是硬件过零比较+查表法；另一类是软件实时锁相。基于硬件过零检测的方式，其不足是要么易受干扰，特别是谐波的影响，要么误差太大。还需要单片机

23、有精确的捕获单元。四、实例分析考虑到题目给出的已知条件（UREF为2V，没有谐波），而且在控制中，需要的是参考信号本身，不是相位。采用了采样后归一化，作为参考正弦信号的方法，获得了比较好的效果。 现在的主流是通过软件来实现实时锁相。不过随着要求的提高，难度也在增大，比如，怎么才能在谐波背景下快速、准确提取出基波的实时相位，是目前一个研究的热点和难点。需要控制单元有较强的运算能力。四、实例分析4.3.3、效率和、效率和THD性能提高的思路性能提高的思路电力电子装置的效率最主要地取决于硬件，软件能够改变的很有限，曾经改变过开关频率，在当时的电路中，8kHz的开关频率（倍频输出后相当于16kHz）效率最优。而调试过程中最有效的方法是增加缓冲电路。THD跟硬件关系也比较密切，但开关频率和不同的PWM方式对其有一定的影响。最有效的两种方法是（1）换了一台实