AC-DC-DC电源设计(电力电子课设)

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目录

1 开关电源.......................................................... 2

1.1开关电源的概念 .............................................. 2

1.1.1 PWM技术简介 .......................................... 2 1.1.2 降压型DC-DC开关电源原理简介.......................... 3 1.2 开关电源的发展简介.......................................... 5 1.3 开关电源的发展展望.......................................... 6 2 主电路图设计...................................................... 7

2.1 三相整流部分................................................ 8 2.2 直流斩波电路部分............................................ 9

2.2.1 参数计算............................................. 10 2.2.2 斩波仿真电路......................................... 10 2.3 主电路仿真................................................. 11 3 控制电路部分..................................................... 12

3.1 设计思想................................................... 12 3.2 设计电路图................................................. 13 4 最终设计方案..................................................... 15 总结............................................................... 17 参考文献........................................................... 18 附录............................................................... 19

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AC-DC-DC电源(120V，500W)设计

1 开关电源

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。

1.1.1 PWM技术简介

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。

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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。

1.1.2 降压型DC-DC开关电源原理简介

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转换器主电路图如图1-1所示：

图1-1 降压型斩波电路

LRUoUinVTVDCIo3

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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

tontonUoUinUinUintontoffT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

UoIoR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：

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1.2 开关电源的发展简介

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。

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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，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。

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、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

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DC－DC变换器的开关频率已将现在的200～500kHz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 主电路图设计

设计任务要求设计一个AC-DC-DC电源，具体参数如下：三相交流输入，相电压220V/50Hz，输出直流电压120V,纹波系数<5%，功率500W。因此，主电路设计分为AC-DC变换和DC-DC变换两个部分，即三相整流部分和直流斩波部分。

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所示：

图2-1 开关电源原理框图

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

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流）的稳定。

2.1 三相整流部分

整流，就是把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导电特性的器件，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。整流电路按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路。本设计采用晶体二极管组成的三相全桥不可控整流电路，如图2-2所示，三相交流电通过整流电路后的波形如图2-3所示。另外，由电容和电感组成的LC电路起滤波作用，最终整流部分如图2-4所示。

图2-2 三相全桥不可控整流电路

图2-3 三相交流电经整流波形

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图2-4 三相整流部分仿真图

其中：L1=1mH，C1=330uF。

2.2 直流斩波电路部分

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2-5所示：

RCD保护电路Io2L2++C2R2Uin2Uo1脉宽调制控制VDUo_图2-5 降压斩波电路图

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

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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。

2.2.1 参数计算

估算直流母线电压、占空比，并计算L2、C2、R的参数。 直流母线电压：

U112332uisintd(t)1.35Ui1.35380513V3要求输出电压为120V，因而占空比为：

DU01200.23423.4%U1513输出电流：

IP5004.167AU120电感：（PWM调制波频率为10kHZ）

L2DTS(U1U0)DTS(U1U0)U0TS(1D)120(123.4%)1.10E3H2ILB2I02I024.16710000电容：（根据纹波要求计算）

U0TS2(1D)120(123.4%)C28.70E6F328LU081.1010(5%1202)10000电阻： U120R028.80I04.1672.2.2 斩波仿真电路

根据直流斩波原理图和所计算的参数，在MATLAB上仿真的斩波电路图如下图2-6所示：

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图2-6 斩波仿真电路图

2.3 主电路仿真

由上述分析，我们能在MATLAB上获得主电路仿真电路图，如图2-7所示：

图2-7 主电路仿真图

仿真输出电压波形如下图所示：

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输出电压值/V

时间/s

稳定后，输出电压最大值为V0max=126V，输出电压最小值为V0min=114V。ΔV=12V，ΔV/2V0=5%，正好符合设计要求。但是，从输出电压整体波形上来看，该电路经0.35S左右才达到稳定且波动较大。因此，设计中加入反馈系统，能使系统更快达到稳定，并且波形更平稳。

3 控制电路部分

3.1 设计思想

输出电压的大小由占空比的大小来控制，因此我们考虑比较反馈大小来控制占空比大小，从而达到控制输出电压的目的。当输出电压大于要求电压时，通过控制电路减小占空比，从而能够减小输出电压；当输出电压小于要求电压时，通过控制电路增大占空比，从而能够增大输出电压。

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3.2 设计电路图

反馈控制电路仿真如图3-1所示，将输出电压值作为反馈控制电路的输入与给定值进行比较，将差值放大后来改变占空比值从而改变占空比。

图3-1 反馈控制电路仿真图

锯齿波参数如下图3-2所示：

图3-2 锯齿波参数

当输入等于120时，输出的波形如下图3-3所示：

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图3-3 当输入等于120时占空比为0.404

当输入大于120如输入为121时，输出波形占空比减小，如图3-4所示，从而减小输出。

图3-4 当输入大于120时占空比减小

当输入小于120如输入为119时，输出波形的占空比增大，如图3-5所示，从而增大输出。

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图3-5 当输入小于120时输出占空比增大

4 最终设计方案

为减小纹波系数并且使输出尽快稳定，加入了反馈控制电路，通过改变占空比来控制IGBT的导通，从而使输出电压尽可能平稳。最终设计方案见附录。 加入反馈的最终输出电压波形如图4-1所示。

输出电压值\\V 时间/S 图4-1 有反馈输出电压波形

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稳定后，输出电压最大值为V0max=122.5V，输出电压最小值为V0min=119.5V。ΔV=3V，ΔV/2V0=1.25%<5%，符合设计要求。

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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，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。

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参考文献

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[6]. 王兆安.电力电子交流技术(第4版).机械工业出版杜.2007

[7].脱立芳.降压型PWMDC_DC开关电源技术研究.西安电子科技大学硕士学位论文.2008

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附录

最终电路方案仿真图如下所示：

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