電力電子裝置_ac-dc-ac_電源課程設(shè)計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.電源基本原理1</p><p>　　1.1 AC-DC1</p><p>　　1.1.2 AC-DC電源模塊的作用1</p><p>　　1.1.3整流基本原理電路2</p><p>　　1.2 DC-DC6</p

2、><p>　　1.2.1 DC-DC概念6</p><p>　　1.2.2DC-DC電源模塊的作用7</p><p>　　1.3 控制原理介紹8</p><p>　　1.3.1控制技術(shù)8</p><p>　　1.3.2 電壓模式控制10</p><p>　　1.3.3 電流模式控制10&

3、lt;/p><p>　　2.AC-DC-DC電源設(shè)計12</p><p>　　2.1 AC-DC環(huán)節(jié)設(shè)計12</p><p>　　2.2 DC-DC環(huán)節(jié)設(shè)計12</p><p>　　2.2.1 具體參數(shù)計算12</p><p>　　2.2.2 DC-DC具體設(shè)計13</p><p>　　3

4、．閉環(huán)反饋設(shè)置15</p><p><b>　　個人小結(jié)16</b></p><p><b>　　參考文獻17</b></p><p>　　AC-DC-DC電源(110V，1200W)設(shè)計 </p><p><b>　　1.電源基本原理</b></p>&l

5、t;p>　　1.1 AC-DC</p><p>　　1.1.1 AC-DC概念 </p><p>　　AC／DC變換是將交流電壓變換為直流電壓，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為“整流"，功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。AC／DC變換器輸入為50／60Hz的交流電，因必須經(jīng)整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標(biāo)準(如

6、UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA)，交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標(biāo)準的元件，這樣就限制AC／DC電源體積的小型化，另外，由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開關(guān)動作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大。</p><p>　　AC／DC變換按電路的接線方式可分為半波電路、全波電路。按電源相可分為單項、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、</p>

7、<p><b>　　四象限。</b></p><p>　　1.1.2 AC-DC電源模塊的作用</p><p><b>　　一、隔離：</b></p><p>　　1、安全隔離：強電弱電隔離\IGBT隔離驅(qū)動\浪涌隔離保護\雷電隔離保護（如人體接觸的醫(yī)療電子設(shè)備的隔離保護）　</p><p&g

8、t;　　2、噪聲隔離：（模擬電路與數(shù)字電路隔離、強弱信號隔離）　</p><p>　　3、接地環(huán)路消除：遠程信號傳輸\分布式電源供電系統(tǒng)　</p><p>　　二、保護：短路保護、過壓保護、欠壓保護、過流保護、其它保護　</p><p>　　三、電壓變換：　升壓變換\降壓變換\交直流轉(zhuǎn)換（AC/DC、DC/AC）\極性變換（正負極性轉(zhuǎn)換、單電源與正負電源轉(zhuǎn)換、單電源

9、與多電源轉(zhuǎn)換）　</p><p>　　四、穩(wěn)壓：交流市電供電\遠程直流供電\分布式電源供電系統(tǒng)\電池供電　</p><p><b>　　降噪：有源濾波</b></p><p>　　1.1.3整流基本原理電路</p><p><b>　　1 單端反激電路</b></p><p>

10、;　　反激式開關(guān)電源的核心部分是反激式直流——直流變換器，基本電</p><p>　　路如下圖所示：單端反激電路一般用在小功率電源和開關(guān)電源的輔助電</p><p>　　源上。其占空比可達100％。</p><p>　　圖1-1 反激式電路原理圖</p><p><b>　　2單端正激電路</b></p>

11、<p>　　正激式開關(guān)電源的核心部分是正激式直流——直流變換器，基本電路如下圖所示。正激電路變壓器的利用率比較高，工作時的占空比小于50％，工作頻率是振蕩頻率的一半，?？梢宰鲋行凸β实拈_關(guān)電源，使用雙管正激電路，其功率可以做得更高一點。雖然功率變壓器不像反激式電路要開氣隙，但是一般要在變壓器中加去磁繞組，在關(guān)斷時將付邊的能量反射到交流輸入上。</p><p>　　圖1-2 正激電路原理圖（雙管正激）&l

12、t;/p><p><b>　　3推挽電路</b></p><p>　　推挽式功率變換電路原理圖，如圖下圖所示。推挽電路要求輸入電壓低，兩個開關(guān)管的耐壓要求是輸入電壓的2倍，所以一般用在DC/DC電源中。推挽電路一般用在中型功率電路上，變壓器雙向激勵，變壓器效率高,但是變壓器容易出現(xiàn)磁偏現(xiàn)象。它的功率比正激電路稍微大一點，但是存在開關(guān)管“直通”的危險。工作時兩個功率開關(guān)管V

13、1、V2交替導(dǎo)通或截止。當(dāng)V1和V2分別導(dǎo)通時，W1和W2有相應(yīng)的電流流過，這時變換器次級將有功率輸出。當(dāng)V1導(dǎo)通，V截止時，V2集—射兩端承受的電壓為2倍的Uin，而在V1、V2都處于截止時它們所承受的電壓為輸入直流電壓Uin。</p><p>　　圖1-3 推挽電路原理圖</p><p><b>　　4半橋電路</b></p><p>　　

14、半橋電路有兩個功率開關(guān)管，通過兩個串連的電容器來構(gòu)成工作回路，這兩個功率管交替導(dǎo)通驅(qū)動高頻變壓器進行能量傳遞，變壓器是雙向激勵的。半橋電路同樣存在變壓器磁偏現(xiàn)象，會出現(xiàn)“直通”問題。同樣的變壓器的情況，半橋的輸出功率大于推挽電路。如下圖所示：C1和C2的作用主要是實現(xiàn)靜態(tài)時分壓，使Ua=1/2Uin。當(dāng)V1導(dǎo)通，V2截止時，輸入電流方向為圖中虛線方向，向C2充電；當(dāng)V1截止，V2導(dǎo)通時，輸入電流方向為圖中實線方向，向C1充電。當(dāng)V1導(dǎo)通

15、，V2截止時，V2兩端承受的電壓為輸入直流電壓Uin。</p><p>　　圖1-4 半橋型開關(guān)電源原理圖</p><p><b>　　5全橋電路</b></p><p>　　全橋電路是大功率電源常用的電路，有四個開關(guān)管組成兩個橋臂。兩個橋臂分別導(dǎo)通激勵高頻功率變壓器，進行能量變換，但是存在開關(guān)管“直通”的危險。全橋電路原理圖如下圖所示。由四個

16、功率開關(guān)器件V1~V4組成，變壓器T連接在四橋臂中間，相對的兩只功率開關(guān)器件V1、V4和V2、V3分別交替導(dǎo)通或截止，使變壓器T的次級有功率輸出。當(dāng)功率開關(guān)器件V1、V4導(dǎo)通時，另一對V2、V3則截止，這時V2和V3兩端承受的電壓為輸入電壓Uin在功率開關(guān)器件關(guān)斷過程中產(chǎn)生的尖峰電壓被二極管V5~V8箝位于輸入電壓Uin。</p><p>　　圖1-5 全橋型電路原理圖</p><p>&

17、lt;b>　　幾種類型電路比較</b></p><p>　　表1-1 變不同換電路方式的比較</p><p>　　1.2 DC-DC </p><p>　　1.2.1 DC-DC概念 </p><p>　　DC／DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式TS不變，

18、改變ToN(通用)，阿二是頻率調(diào)制方式，ToN不變，改變Ts(易產(chǎn)生干擾)。其具體的電路由以下幾類</p><p>　　圖1-5 各種變換拓撲電路及主要工作波形</p><p>　　1.2.2DC-DC電源模塊的作用</p><p>　　1.輸入輸出端的電壓均為平滑直流,無交流諧波分量</p><p><b>　　2.輸出阻抗為零&

19、lt;/b></p><p>　　3.快速動態(tài)響應(yīng),抑制能力強</p><p><b>　　4.高效率小型化</b></p><p>　　1.3 控制原理介紹</p><p><b>　　1.3.1控制技術(shù)</b></p><p>　　為將電源輸出穩(wěn)定在一定值，需要有控

20、制模塊對輸出調(diào)整。開關(guān)電源控制技術(shù)按調(diào)制方式可分為：脈頻調(diào)制(PFM)和脈寬調(diào)制(PWM)。各種調(diào)制方式都有其優(yōu)缺點，可根據(jù)實際需要選擇。</p><p>　　1 脈頻調(diào)制(PFM)</p><p>　　經(jīng)典PFM，也叫跨脈沖調(diào)制(PSM，以開關(guān)管控制信號，略過一部分時鐘周期而得名)。經(jīng)典脈頻調(diào)制是一種最簡單的控制技術(shù)，在該方式下時鐘被固定為50％占空比，通過電壓反饋實現(xiàn)開關(guān)頻率的控制。當(dāng)

21、輸出電壓低于一定值時，固定時鐘將控制開關(guān)開啟與關(guān)閉，直到輸出上升到調(diào)整值；當(dāng)輸出高于調(diào)整值時，開關(guān)管將關(guān)閉直到輸出下降到調(diào)整值以下。</p><p>　　圖為一種經(jīng)典PFM調(diào)制方式原理圖，輸出通過電阻分壓反饋至比較器COM輸入端與VREF比較，當(dāng)?shù)陀赩REF時，CLK將通過RS觸發(fā)器直接控制開關(guān)管，當(dāng)高于VREF時則屏蔽一部分時鐘，使開關(guān)管關(guān)閉。通過這樣的方式，能量由VIN傳遞到VOUT。經(jīng)典PFM模式的電感選擇

22、復(fù)雜，電壓紋波很大，噪聲頻譜隨負載變化很大。電流限制脈頻調(diào)制不同于PFM調(diào)制，此調(diào)制方式運用峰值電感電流限制一個最小關(guān)閉時間和最大開啟時間。工作于此模式下，一旦輸出電壓低于調(diào)整值，開關(guān)管將開啟直到電感電流達到設(shè)計值，此時開關(guān)管將關(guān)閉一定時間(最小關(guān)閉時間)，電感電流開始下降，當(dāng)該段時間結(jié)束時，反饋電路通過對輸出電壓采樣，比較輸出電壓此時是否低于調(diào)整值，若低于則開啟開關(guān)管，否則繼續(xù)關(guān)閉開關(guān)管。電流限制脈頻調(diào)制的電感電流峰值固定，電感容易選

23、擇，同時紋波相對于經(jīng)典PFM小，但噪聲頻譜仍然隨負載變化。圖3為最小關(guān)閉時間電流限制脈頻調(diào)制的原理圖。</p><p>　　2 脈寬調(diào)制(PWM)</p><p>　　脈寬調(diào)制指固定時鐘頻率，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管控制信號的占空比D實現(xiàn)對輸出壓的調(diào)整。PWM技術(shù)在較寬的負載范圍內(nèi)都具有較高效率，此外因為頻率恒定，噪聲頻譜相對窄，利用簡單的低通濾波技術(shù)便可得低紋波輸出電壓。因此PWM技術(shù)普遍應(yīng)用于通

24、信技術(shù)中。PWM調(diào)制方式根據(jù)反饋采樣的不同可分為：電壓模式和電流模式。在下面兩節(jié)中將分別詳細介紹。</p><p>　　1.3.2 電壓模式控制</p><p>　　電壓模式控制是最早應(yīng)用于開關(guān)電源中的一種模式。下圖所示</p><p>　　如圖輸出電壓通過電阻分壓與基準電壓VREF比較，其差值通過ERRORAMP放大為VE，并作為PWM比較器PWM COM的輸入端

25、，PWM COM另一端則是由時鐘產(chǎn)生的斜升電壓。PWM COM輸出VS控制開關(guān)管，在一個周期內(nèi)，VE越大，占空比越大，則開關(guān)管開啟時間越長；VE越小，占空比越小，則開關(guān)管開啟時間越短。</p><p>　　電壓模式控制具有以下優(yōu)點：1)單環(huán)控制，設(shè)計簡單；2)較大的斜坡幅</p><p>　　度將；3)低輸出阻抗。</p><p>　　同時具有以下缺點：1)響應(yīng)慢；

26、2)補償復(fù)雜。</p><p>　　1.3.3 電流模式控制</p><p>　　針對于電壓模式的缺點，電流模式控制發(fā)展起來，電流模式控制可分為峰</p><p>　　值電流模式控制(PCM)，和以其為基礎(chǔ)發(fā)展起來的平均電流模式，通常情況下所指電流模式為峰值電流模式控制。圖2．4所示為PWM峰值電流模式控制原理圖。這里PWM COM的輸入端由電壓模式控制中的斜升電壓

27、，換成對開關(guān)管電流采樣值所轉(zhuǎn)換成的電壓，因而電流模式控制是雙環(huán)控制，其中電壓環(huán)為外環(huán)，電流控制為內(nèi)環(huán)。</p><p>　　圖1-9所示電流模式控制具有如下優(yōu)點：1)由于輸入前饋，有較好的開環(huán)線形調(diào)整：2)單極點系統(tǒng)，具有良好的小信號穩(wěn)定性能，較好補償；3)優(yōu)異的動態(tài)特性。缺點如下：1)當(dāng)占空比高于0．5時出現(xiàn)次諧波不穩(wěn)定狀況，需要有斜坡補償；2)噪聲抑制差；3)負載調(diào)整差；4)峰值電流與平均電流有很大的誤差。&

28、lt;/p><p>　　2.AC-DC-DC電源設(shè)計</p><p>　　2.1 AC-DC環(huán)節(jié)設(shè)計 </p><p>　　整流電路采用全橋不控整流電路。其中交流電源為單相220V（有效值），頻率50Hz，經(jīng)過二極管組成的整流橋后經(jīng)過濾波加到負載電阻兩端。</p><p>　　圖 3-1整流電路仿真</p><p>　　2

29、.2 DC-DC環(huán)節(jié)設(shè)計</p><p>　　2.2.1 具體參數(shù)計算</p><p>　　輸出電壓與功率可以算出負載電阻R=10,IGBT開關(guān)頻率設(shè)置為5kHz,占空比為36%，濾波電感</p><p>　　流經(jīng)電容的電流對電容充電產(chǎn)生的電壓稱為紋波電壓。紋波電壓與參數(shù)的關(guān)系表達式為</p><p>　　則根據(jù)要求的紋波電壓系數(shù)不大于5%和

30、其他參數(shù)可求得電路的電容</p><p>　　以上計算的參數(shù)只是理論數(shù)值，在具體仿真過程中并不一定能達到要求，所以以上參數(shù)會有改動以符合要求。</p><p>　　2.2.2 DC-DC具體設(shè)計 </p><p>　　要求輸出電壓為 V ，由整流裝置講220V整流后輸出的是幅值為311V的直流脈動電壓，所以要控制IGBT的占空比約為 %。仿真電路圖如下：</p

31、><p>　　圖2-2 AC-DC-DC仿真原理圖</p><p>　　經(jīng)仿真后得到負載電壓電流波形如下</p><p>　　圖2-3輸出電壓、電流、功率波形圖</p><p>　　在沒有閉環(huán)控制的斬波電路輸出的波形脈動很大，不滿足紋波系數(shù)的要求，因此應(yīng)該使用閉環(huán)反饋控制，來減小電壓的脈動。</p><p><b&g

32、t;　　3．閉環(huán)反饋設(shè)置</b></p><p>　　本例采用從輸出電壓到整流環(huán)節(jié)的輸出的半閉環(huán)反饋。</p><p><b>　　其仿真原理圖如下</b></p><p>　　其電壓、電流、功率仿真波形圖如下</p><p>　　由以上功率和電壓波形圖可見波形都沒有超調(diào)且脈動極小，紋波系數(shù)滿足要求，且在短時

33、間內(nèi)最終的電壓和功率的終值穩(wěn)定在了需要的值附近，滿足設(shè)計要求。 </p><p><b>　　個人小結(jié)</b></p><p>　　通過這次電源的設(shè)計。學(xué)習(xí)了電源的相關(guān)知識。同時也復(fù)習(xí)了以前學(xué)習(xí)過的模電數(shù)電知識。在這次設(shè)計中最難的就是功率的要求。因為一直設(shè)計的過程中沒有注意功率是否達到要求。結(jié)果出來之后功率太小。達不到要求。其他的輸出電壓的最大電壓值和最小電壓值都能達

34、到要求。</p><p>　　本次課設(shè)就是將單相220V交流電整流為直流電并降壓后得到質(zhì)量良好的直流，簡稱AC-DC-DC。首先將選擇了全橋不控整流電路，然后經(jīng)過調(diào)試和計算發(fā)現(xiàn)與理論差距不大。接著把功率變換電路和整流電路連在一起設(shè)計和仿真。最后，發(fā)現(xiàn)輸出波形不是特別理想，又進行了半閉環(huán)的設(shè)計與仿真。</p><p>　　通過這次對電源的課程設(shè)計，讓我對在書本上學(xué)習(xí)的電源的知識有了更為深入和

35、更加形象的了解，對電源的工作原理，參數(shù)，及它的性能有了比較深入的認識，對全橋型變換電路有個了解，而這些知識我相信對我以后進行設(shè)計是很有幫助的。 </p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　?。?）《電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真》.洪乃剛 等編著. 機械工業(yè)出版社</p><p>　　（2）《電力電

36、子技術(shù)》第五版.王兆安、劉進軍 主編.機械工業(yè)出版社</p><p>　?。?）《MATLAB在電氣信息類專業(yè)中的應(yīng)用》.周又玲主編.清華大學(xué)出版社</p><p>　?。?）《電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真》.林飛、杜欣 編著.中國電力出版社</p><p>　?。?）《電力電子裝置與系統(tǒng)》.楊蔭福、段善旭、朝澤云 編著.清華大學(xué)出版社</p>