1kW 非隔離降壓型變換器設(shè)計PPT課件

1、2021/3/91電力電子裝置及系統(tǒng)電力電子裝置及系統(tǒng) 1kW 1kW 非隔離降壓型變換器設(shè)計非隔離降壓型變換器設(shè)計 2021/3/92技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)輸入電壓： 200 240V DC輸出電壓： 40V DC額定功率： 1kW輸出電壓紋波： 1%開關(guān)頻率： 50kHz保護(hù)功能：輸出過壓，輸出欠壓， 輸出短路，輸入過壓,輸入欠壓使用拓?fù)洌?Buck 變換拓?fù)洹?021/3/93非隔離降壓型變換器非隔離降壓型變換器目錄目錄主電路設(shè)計主電路設(shè)計1緩沖器設(shè)計緩沖器設(shè)計2采樣、保護(hù)電路采樣、保護(hù)電路3驅(qū)動器設(shè)計驅(qū)動器設(shè)計45控制器設(shè)計控制器設(shè)計6仿真驗證仿真驗證2021/3/941主電路設(shè)計主電路設(shè)計

2、SECTION2021/3/95主電路設(shè)計主電路設(shè)計續(xù)流二極管濾波器輸入濾波電容VS=22020VVO=40VP=1000W負(fù)載電流Iomax=25AIomin=10%Iomax=2.5A占空比：Dmax=0.2Dmin=0.167最小負(fù)載：Romin=162021/3/96 201sTcLffUi dtC8LffsIC f 主電路設(shè)計主電路設(shè)計2021/3/97 C1=220FCf=10FLf=1mH16Ro1.6T：P-MOSFETD：快速二極管 主電路設(shè)計主電路設(shè)計2021/3/982SECTION緩沖器設(shè)計緩沖器設(shè)計2021/3/991kw的變換器功率不大，采用有能耗串聯(lián)緩沖和并聯(lián)緩沖

3、。 緩沖器設(shè)計緩沖器設(shè)計2021/3/9102.關(guān)斷緩沖設(shè)計設(shè)P-MOSFET的電流恢復(fù)時間為0.2us,I=25.3A,按照臨界緩沖計算電容Cs=tfi/2VD=0.012uF可選用一只500V/15nF的高頻電容。由i=VD/RS不宜過大，電阻RS取15。電阻耗能功率 PR=0.5*Cs*VD2*f=21.6W取電阻額定功率為40W。二極管選DSE160-06：60A,600V2021/3/9113SECTION采樣、保護(hù)電路采樣、保護(hù)電路2021/3/912過壓、欠壓保護(hù)采用自鎖式保護(hù)電路 如圖為過壓保護(hù)電路基本原理圖，當(dāng)電路正常工作時Vo小于設(shè)定值Vref，此時比較器輸出負(fù)電平，二極管

4、不導(dǎo)通；當(dāng)電路電壓高于設(shè)定值時，比較器輸出高電平，此時二極管導(dǎo)通。高電平時由于二極管的鉗位作用，比較器將自鎖定。無論電壓信號如何變化，比較器均輸出高電平信號不變。+2021/3/913輸入電路保護(hù)輸入電路保護(hù) 欠壓比較器過壓比較器R110.5k14.7kR211.8k12.0kVref6.35V5.39V2021/3/914輸出電路保護(hù)輸出電路保護(hù)輸出電路參考輸入電路設(shè)計思路經(jīng)過計算取得如圖數(shù)值36VVout44V4.89VVs5.98V在對Vref取值時應(yīng)參考上述數(shù)值欠壓比較器過壓比較器R116.0k20kR211.0k20kVref4.88V6.0V 2021/3/915輸出短路保護(hù)輸出短

5、路保護(hù)霍爾電流模塊設(shè)計IN=1KW/40V=25A 取保護(hù)電流為27A采用電壓輸出型霍爾電流傳感器，輸出電壓超過27A電流對應(yīng)的輸出電壓時鎖存輸出低電平。2021/3/9164SECTION驅(qū)動電路驅(qū)動電路2021/3/917驅(qū)動電路1、采用直接驅(qū)動，CMOS電源為12V；2、開機(jī)延時約1s左右再使保護(hù)信號有效；3、串聯(lián)20電阻減小開通振蕩， MUR120為超快速恢復(fù)二極管，與晶體管均可加速柵極電荷的釋放；2021/3/9185SECTION反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)2021/3/919控制器設(shè)計控制器設(shè)計電壓模式控制PWM（單環(huán)） 在負(fù)反饋電路中，輸出電壓u經(jīng)采樣后與給定的參考電壓Uref比較

6、，得誤差信號Ue送控制器，控制器輸出信號UC送PWM環(huán)節(jié)，與PWM環(huán)節(jié)中的振蕩器鋸齒波時鐘信號比較，使比較器輸出為周期不變、脈沖寬度（即占空比D）受UC調(diào)制的一系列脈沖信號。 再通過驅(qū)動器將脈沖信號放大，控制變換器的功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷。改變占空比D即可調(diào)節(jié)開關(guān)變換器的輸出電壓U，這里的D稱為控制量。當(dāng)輸入電壓或負(fù)載發(fā)生變化，或系統(tǒng)受到其他干擾使輸出電壓發(fā)生波動時，通過負(fù)反饋電路可調(diào)節(jié)開關(guān)變換器的功率器件在一個開關(guān)周期內(nèi)的導(dǎo)通時間達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。2021/3/920控制器設(shè)計控制器設(shè)計電壓模式控制PWM（單環(huán)） 優(yōu)點：振蕩電路的鋸齒波幅值較大，在進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制時有很好的抗噪聲能力

7、 控制電路只有電壓閉環(huán)反饋，是單環(huán)系統(tǒng)，設(shè)計簡單，調(diào)試方便缺點：對輸入電壓的動態(tài)響應(yīng)較慢2021/3/921控制器設(shè)計控制器設(shè)計 小信號分析法，是假設(shè)擾動信號很小，并且擾動信號的頻率比開關(guān)頻率小很多，在直流工作點附近線性化，將非線性方程近似為線性方程，再應(yīng)用經(jīng)典控制理論中分析線性系統(tǒng)的基本方法，設(shè)計補償網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)，如電壓型、電流型控制系統(tǒng)等。經(jīng)過小信號分析，理想Buck電路的輸出u(s)對控制變量d(s)的傳遞函數(shù)Gud(s)為： 1)(2sRLLCsUgsGud2021/3/922控制器設(shè)計控制器設(shè)計 2021/3/923控制器設(shè)計控制器設(shè)計 其中，假定三角波的峰峰值采用5V，

8、假定Vref=5V，則有如下推導(dǎo)：開環(huán)傳遞函數(shù)為：GH(s)=Gc(s)Gm(s)Gud(s)H(s)(4010*5 . 210*4220)(110*25. 6102201*101*10*12201)(2 . 05/11)(81540)(532752822sGsssGHsssuFmHsuFmHVsRLLCsUgsGVsGVVsHVucudMMref2021/3/924控制器設(shè)計控制器設(shè)計)(4010*5 . 210*4220)(327sGsssGHc首先作出 的Bode圖如下：4010*5 . 210*4220) s (327ssX2021/3/925控制器設(shè)計控制器設(shè)計)(4010*5 .

9、210*4220)(327sGsssGHc由以上Bode圖來設(shè)計Gc(s)，擬定選取相位超前校正器進(jìn)行補償：TsaTssG11)( c由自控理論知識計算得：=5.06 T=1.225*10(-5)計算得到的傳遞函數(shù)如下：ssTsTssG5510*225. 1110*2 . 6111)( c4010*99. 210*036. 410*9 . 40136. 0220)(327312sssssGH2021/3/926控制器設(shè)計控制器設(shè)計作出 的Bode圖如下：4010*99. 210*036. 410*9 . 40136. 0220)(327312sssssGH2021/3/9276SECTION仿真驗證仿真驗證2021/3/928MATLAB仿真模型2021/3/929開環(huán)狀態(tài)輸出電壓波形（輸入200V,D=0.2）穩(wěn)定時間約為2.5ms閉環(huán)狀態(tài)輸出電壓波形（輸入220V）穩(wěn)定