降压型PWM-AC-DC-开关电源课程设计

降压型PWMAC-DC开关电源课程设计.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：图2-1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。3.主电路设计及参数计算3.1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个工作。整流电路图设计如下：图3-1整流电路图工作时的波形图如下：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，在经过LC滤波电路是电压稳定。降压斩波电路设计如下图：图3-3降压斩波电路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：3.2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，即设计输出电压为直流24V稳压，电流为8A直流。占空比α通常取0.4~0.45，该电路取α=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=100Ω，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I(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IGBTVT，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，电感压降约为0.2V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R0：81.8Ω电阻R1：100Ω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R2：2.88Ω占空比α：0.42电力二极管：正向平均电流I(AV)≥8.5A，反向重复峰值电压Urrm≥169VIGBT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≥723W4.控制电路、驱动电路及保护电路的设计4.1控制及驱动电路设计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：图4-1控制驱动电路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。4.2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：图4-2保护电路5.DC-DC电路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DC-DC转换器主电路图如下：图5-1降压型DC-DC主电路其中，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，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；α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：6.结论本设计的内容包括主电路的设计、控制及驱动电路的设计和保护电路的设计，完成了一个降压型PWMAC-DC开关电源的设计。7.心得体会通过本次课程设计，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，是将在在设计开关电源的过程需要着重考虑的一个方面。本文首先对开关电源的发展历史、当下发展状况以及将来的发展趋势作了简要的介绍，随后阐述了降压型AC-DC开关电源的核心部分——DC-DC转换器（降压斩波电路）的拓扑结构及其工作原理，描述了DC-DC转换器的控制方法——脉宽调制控制（PWM），并详细介绍了该控制方法的基本原理。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和保护电路的设计，每个部分均给出设计电路图，重点分析了主电路的工作原理，并给出设计参数。参考文献[1].王兆安、黄俊.电力电子技术.机械工业出版社.2000[2].赵同贺.开关电源设计技术与应用实例.人民邮电出版社.2007[3].(美)RaymondA.MackJr.开关电源入门.人民邮电出版社.2007[4]