降壓型PWM AC-DC開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 降壓型 PWM AC-DC開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師:戴 欣學(xué) 生:趙 昕學(xué) 號(hào):20075123專(zhuān) 業(yè):自 動(dòng) 化班 級(jí):2007級(jí) 6班重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2009年 12月課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī)表 指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī):指導(dǎo)教師簽名:年 月 日自動(dòng)化學(xué)院 2007級(jí)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、課程設(shè)計(jì)的教學(xué)目的和任務(wù)電力電子技術(shù)是研究利用電力電子器件、電路理論和控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)電能 的控制、變換和傳輸?shù)目茖W(xué),其在電力、工業(yè)、交通、通信、航空航天等很多領(lǐng) 域具有廣泛的應(yīng)用。電力電子技術(shù)不但本身是一項(xiàng)高新技術(shù),而且還是其它多項(xiàng) 高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。因此,提高學(xué)

2、生的電力電子領(lǐng)域綜合設(shè)計(jì)和綜合應(yīng)用能力 是教學(xué)計(jì)劃中必不可少的重要一環(huán)。通過(guò)電力電子技術(shù)的課程設(shè)計(jì)達(dá)到以下幾個(gè)目的:1、 培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)檢索的能力, 特別是如何利用 Intel 網(wǎng)檢索需要的文獻(xiàn)資料。2、培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。3、培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力和工程設(shè)計(jì)的能力。4、提高學(xué)生的電力電子裝置分析和設(shè)計(jì)能力。5、提高學(xué)生課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫(xiě)水平。二、課程設(shè)計(jì)的基本要求1. 教師確定方向,在教師的指導(dǎo)下,學(xué)生自立題目注意事項(xiàng): 所立題目必須是某一電力電子裝置或電路的設(shè)計(jì),題目難度和工作量要 適應(yīng)在一周內(nèi)完成,題目要結(jié)合工程實(shí)際。學(xué)生也可以選擇規(guī)定題目方向外的其 他電力電子裝

3、置設(shè)計(jì),如開(kāi)關(guān)電源、調(diào)光燈、鎮(zhèn)流器、 UPS 電源等,但不允許選 擇其他班題目方向的內(nèi)容設(shè)計(jì)(復(fù)合變換除外 。 通過(guò)圖書(shū)館和 Intel 網(wǎng)廣泛檢索和閱讀自己要設(shè)計(jì)的題目方向的文獻(xiàn)資 料,確定適應(yīng)自己的課程設(shè)計(jì)題目。自立題目后,首先要明確自己課程設(shè)計(jì)的設(shè) 計(jì)內(nèi)容。要給出所要設(shè)計(jì)裝置(或電路的主要技術(shù)數(shù)據(jù)(如輸入要求,輸出要 達(dá)到的目標(biāo),裝置容量的大小以及裝置要具有哪些功能 。如:直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速可控整流電源設(shè)計(jì)主要技術(shù)數(shù)據(jù)輸入交流電源:三相 380V 10% f=50Hz直流輸出電壓:0220V50220V范圍內(nèi),直流輸出電流額定值 100A直流輸出電流連續(xù)的最小值為 10A設(shè)計(jì)內(nèi)容:整流電

4、路的選擇整流變壓器額定參數(shù)的計(jì)算晶閘管電流、電壓額定的選擇平波電抗器電感值的計(jì)算保護(hù)電路的設(shè)計(jì)觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)畫(huà)出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖列出主電路和控制電路所用元器件的明細(xì)表2. 在整個(gè)設(shè)計(jì)中要注意培養(yǎng)靈活運(yùn)用所學(xué)的電力電子技術(shù)知識(shí)和創(chuàng)造 性的思維方式以及創(chuàng)造能力。要求具體電路方案的選擇必須有論證說(shuō)明,要 說(shuō)明其有哪些特點(diǎn)。具體電路元器件的選擇應(yīng)有計(jì)算和說(shuō)明。課程設(shè)計(jì)從確 定方案到整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),必須在檢索、閱讀及分析研究大量的相關(guān)文獻(xiàn)的 基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)刨析、提煉,設(shè)計(jì)出所要求的電路(或裝置 。課程設(shè)計(jì)中要 不斷提出問(wèn)題,并給出這些問(wèn)題的解決方法和自己的研究體會(huì)。 (注意:所 確定的主

5、電路方案如果沒(méi)有論證說(shuō)明,成績(jī)不能得優(yōu);設(shè)計(jì)報(bào)告最后給出設(shè) 計(jì)中所查閱的參考文獻(xiàn)最少不能少于 5篇, 且文中有引注, 否則也不能得優(yōu) 。 3. 在整個(gè)設(shè)計(jì)中要注意培養(yǎng)獨(dú)立分析和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。要求學(xué) 生在教師的指導(dǎo)下, 獨(dú)力完成所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主電路和控制電路等詳細(xì)的設(shè)計(jì) (包括計(jì)算和器件選型 ,嚴(yán)禁抄襲。4. 課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是主電路的設(shè)計(jì),主電路的分析說(shuō)明,主電路 元器件的計(jì)算和選型,以及控制電路設(shè)計(jì)。5. 課題設(shè)計(jì)報(bào)告要求圖表規(guī)范,文字通順,邏輯性強(qiáng)。三、課程設(shè)計(jì)的工作計(jì)劃課程設(shè)計(jì)時(shí)間 6天。 第 1天上午, 指導(dǎo)教師向?qū)W生講授課程設(shè)計(jì)的目的、 任務(wù)、 設(shè)計(jì)方法和注意事項(xiàng)。 第 1天下

6、午和第 2天學(xué)生到圖書(shū)館和 Intel 網(wǎng)上按照指導(dǎo)教師的要求查找所需要的文獻(xiàn), 并在閱讀分析中確定自己的研究題 目、技術(shù)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)內(nèi)容,交指導(dǎo)教師審閱。第 3天學(xué)生的主要任務(wù)是確定 方案。第 4天和第 5天上午,學(xué)生的任務(wù)是綜合所學(xué)知識(shí),進(jìn)行主電路和控 制電路的設(shè)計(jì)。第 5天下午和第 6天學(xué)生的主要任務(wù)是撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告。四、各班的題目方向4班題目方向:可控整流技術(shù)的工程應(yīng)用(AC-DC 5班題目方向:交流調(diào)壓或交流調(diào)功技術(shù)的工程應(yīng)用(AC-AC 或無(wú)源逆變 技術(shù)的工程營(yíng)養(yǎng)6班題目方向:直流斬波技術(shù)的工程應(yīng)用(DC-DC 。摘 要電源半導(dǎo)體產(chǎn)品近期呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì), 甚至超過(guò)了數(shù)字處理器和存

7、儲(chǔ)器等 半導(dǎo)體的增長(zhǎng)速度。 大部分增長(zhǎng)來(lái)源于高容量電池供電的電子產(chǎn)品, 如手機(jī)和數(shù) 字音樂(lè)播放器。 由于所有電子產(chǎn)品都需要有電源供電, 所以電源管理技術(shù)變得至 關(guān)重要。在這樣的前提下,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)高效率、高頻、小體積的 DC-DC 開(kāi)關(guān)電源 芯片,無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)角度,還是從科學(xué)研究上來(lái)講都是很有價(jià)值的。本文對(duì)開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展歷史、 當(dāng)下發(fā)展?fàn)顩r以及將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)作了簡(jiǎn)要的 介紹,隨后闡述了降壓型 AC-DC 開(kāi)關(guān)電源的核心部分 DC-DC 轉(zhuǎn)換器(降壓斬 波電路 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理, 描述了 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的控制方法脈寬調(diào) 制控制(PWM 。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款基于電壓控制模式的 PWM 降壓

8、型 AC-DC 開(kāi)關(guān)電源, 設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括主電路的設(shè)計(jì)、 控制及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、 保護(hù)電路的 設(shè)計(jì)以及各個(gè)部分的電路設(shè)計(jì)圖,并給出設(shè)計(jì)參數(shù)。關(guān)鍵詞:DC-DC 降壓斬波電路 脈寬調(diào)制控制(PWM 目 錄1.3 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展展望 . . 42. 降壓型 PWM AC-DC開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的基本要求 . 53. 電路總體方案的設(shè)計(jì)及相關(guān)原理 . 54. 主電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算 . . 6 4.1 主電路的設(shè)計(jì) . 64.2 主電路的參數(shù)確定 . . 85. 控制電路、驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路的設(shè)計(jì) . 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。 5.1 控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) . . 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。5.2 保護(hù)電路的設(shè)計(jì) . 錯(cuò)誤

9、!未定義書(shū)簽。6. 課程設(shè)計(jì)總結(jié) . 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。 參考文獻(xiàn) . 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。 附錄 . 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。1. 引 言1.1開(kāi)關(guān)電源的概念開(kāi)關(guān)電源 (Switch Mode Power Supply, SMPS 是以功率半導(dǎo)體器件為開(kāi)關(guān)元 件, 利用現(xiàn)代電力電子技術(shù), 控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率, 維持穩(wěn)定輸出 電壓的一種電源。 開(kāi)關(guān)電源和線性電源相比, 二者的成本都隨著輸出功率的增加 而增長(zhǎng), 但二者增長(zhǎng)速率各異。 線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上, 反而高于開(kāi) 關(guān)電源, 這一點(diǎn)稱(chēng)為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。 開(kāi)關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向, 高頻化使開(kāi) 關(guān)電源小型化, 并使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣

10、泛的應(yīng)用領(lǐng)域, 特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的 應(yīng)用, 推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、 輕便化。 另外開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié) 約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用的電力電子器件主要為二極管、 IGBT 和 MOSFET 。 一般由脈 沖寬度調(diào)制 (PWM 控制 IC 和 MOSFET 構(gòu)成。 開(kāi)關(guān)電源電路主要由整流濾波電路、 DC-DC 控制器(內(nèi)含變壓器 、開(kāi)關(guān)占空比控制器以及取樣比較電路等模塊組成。脈沖寬度調(diào)制(PWM ,是英文“ Pulse Width Modulation ”的縮寫(xiě),簡(jiǎn) 稱(chēng)脈寬調(diào)制, 脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式, 其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái) 調(diào)制晶體管

11、柵極或基極的偏置, 來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo) 通時(shí)間的改變,這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定, 是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。 廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。脈沖寬度調(diào)制 (PWM 基于采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論,即沖量相等 而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí),其效果基本相同。在控制時(shí) 對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制 , 使輸出端得到一系列幅值相等而 寬度不相等的脈沖 , 用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形 . 按一定 的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制 , 既可改變逆變電路輸出電壓的大小

12、, 也可 改變輸出頻率 .PWM 運(yùn)用于開(kāi)關(guān)電源控制時(shí)首先保持主電路開(kāi)關(guān)元件的恒定工作 周期(T=ton+toff ,再由輸出信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值來(lái)控制閉環(huán)反饋,以調(diào)節(jié) 導(dǎo)通時(shí)間 ton ,最終控制輸出電壓(或電流的穩(wěn)定。PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的,無(wú)需進(jìn)行 數(shù)模轉(zhuǎn)換。 讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。 噪聲只有在強(qiáng)到 足以將邏輯 1改變?yōu)檫壿?0或?qū)⑦壿?0改變?yōu)檫壿?1時(shí), 也才能對(duì)數(shù)字信號(hào) 產(chǎn)生影響。對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是 PWM 相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn), 而且這 也是在某些時(shí)候?qū)?PWM 用于通信的主要原因。 從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向 PWM 可以極大

13、 地延長(zhǎng)通信距離。 在接收端, 通過(guò)適當(dāng)?shù)?RC 或 LC 網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方 波并將信號(hào)還原為模擬形式。將一種直流電壓變換成另一種固定的或可調(diào)的直流電壓的過(guò)程稱(chēng)為DC-DC 交換完成這一變幻的電路稱(chēng)為 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。 根據(jù)輸入電路與輸出電 路的關(guān)系, DC-DC 轉(zhuǎn)換器可分為非隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn) 換器。降壓型 DC-DC 開(kāi)關(guān)電源屬于非隔離式的。降壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器主電路圖如下: 其中,功率 IGBT 為開(kāi)關(guān)調(diào)整元件,它的導(dǎo)通與關(guān)斷由控制電路決定; L 和 C 為濾波元件。驅(qū)動(dòng) VT 導(dǎo)通時(shí),負(fù)載電壓 Uo=Uin,負(fù)載電流 Io 按指 數(shù)上升

14、;控制 VT 關(guān)斷時(shí),二極管 VD 可保持輸出電流連續(xù),所以通常稱(chēng)為 續(xù)流二極管。負(fù)載電流經(jīng)二極管 VD 續(xù)流,負(fù)載電壓 Uo 近似為零,負(fù)載電 流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小,通常串聯(lián) L 值較大的 電感。至一個(gè)周期 T 結(jié)束,在驅(qū)動(dòng) VT 導(dǎo)通,重復(fù)上一周期過(guò)程。當(dāng)電路工 作于穩(wěn)態(tài)時(shí),負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等。負(fù)載電壓的平均值 為式中, ton 為 VT 處于導(dǎo)通的時(shí)間, toff 為 VT 處于關(guān)斷的時(shí)間; T 為開(kāi)關(guān)管 控制信號(hào)的周期,即 ton+toff; 為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間與控制信號(hào)周期之比, 通常稱(chēng)為控制信號(hào)的占空比。從該式可以看出, ,占空比最大為 1,若

15、減小 占空比,該電路輸出電壓總是低于輸入電壓,因此將其稱(chēng)為降壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。負(fù)載電流的平均值為in on in off on on in o U T t U t t t U U =+=RU I o o =1.2 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展簡(jiǎn)介 3能源在每個(gè)國(guó)家中的地位都是舉足輕重, 關(guān)乎興衰的, 所以如何開(kāi)發(fā)并合理 利用能源是一個(gè)重要的課題。 特別對(duì)于我國(guó)這樣的能源消耗大國(guó)和貧乏國(guó), 更是31.2節(jié)部分引用于脫立芳的碩士學(xué)位論文降壓型 PWMDC_DC開(kāi)關(guān)電源技術(shù)研究和趙同賀的開(kāi)關(guān)電源 設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例 如此。我國(guó)、美國(guó)和俄羅斯等大國(guó)始終把能源技術(shù)列為國(guó)家關(guān)鍵性的科技領(lǐng)域。 能源技術(shù)的其中一個(gè)

16、重要方面就是電力電子技術(shù),這是一門(mén)結(jié)合了微電子學(xué)、 電機(jī)學(xué)、 控制理論等多種學(xué)科的交叉性邊沿學(xué)科, 它利用功率半導(dǎo)體器件對(duì)電網(wǎng) 功率、 電流、 電壓、 頻率、 相位進(jìn)行精確控制和處理, 使得電力電子裝置小型化、 高頻化、智能化,效率和性能得以大幅度提高。開(kāi)關(guān)電源技術(shù)屬于電力電子技術(shù), 它運(yùn)用功率變換器進(jìn)行電能變換, 經(jīng)過(guò)變 換電能, 可以滿(mǎn)足各種對(duì)參數(shù)的要求。 這些變換包括交流到直流 (AC-DC, 即整流 , 直流到交流 (DC-AC, 即逆變 , 交流到交流 (AC-AC, 即變壓 , 直流到直流 (DC-DC。 廣義地說(shuō), 利用半導(dǎo)體功率器件作為開(kāi)關(guān), 將一種電源形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N電源形

17、式的主電路都叫做開(kāi)關(guān)變換器電路; 轉(zhuǎn)變時(shí)用自動(dòng)控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護(hù)環(huán) 節(jié)則稱(chēng)為開(kāi)關(guān)電源(SwitchingPower Supply 。由于其高效節(jié)能可帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì) 效益,因而引起社會(huì)各方面的重視而得到迅速推廣。電源管理芯片實(shí)際上也是指具有自動(dòng)控制環(huán)路和保護(hù)電路的 DC-DC 變換芯 片,是開(kāi)關(guān)電源的核心控制芯片。電源管理芯片在 90年代中后期問(wèn)世,由于替 換了大部分分立器件, 使開(kāi)關(guān)電源的整體性能得到大幅度提高, 同時(shí)降低了成本, 因而顯示出強(qiáng)大的生命力。我國(guó)開(kāi)關(guān)電源起源于 1970年代末期, 到 1980年代中期, 開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品開(kāi)始 推廣應(yīng)用。那時(shí)的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品采用的是頻率為 20 kH

18、z以下的 PWM 技術(shù),其效 率只能達(dá)到 60%70%。經(jīng)過(guò) 20多年的不斷發(fā)展,新型功率器件的研發(fā)為開(kāi)關(guān)電 源的高頻化莫定了基礎(chǔ),功率 MOSFET 和 IGBT 的應(yīng)用使中、小功率開(kāi)關(guān)電源工 作頻率高達(dá)到 400kHz(AC/DC和 1MHz(DC/DC。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的出現(xiàn),真正實(shí)現(xiàn)了 開(kāi)關(guān)電源的高頻化, 它不僅可以減少電源的體積和重量, 而且提高了開(kāi)關(guān)電源的 效率。目前,采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的國(guó)產(chǎn)開(kāi)關(guān)電源,其效率已達(dá)到 93%。但是,目前 我國(guó)的開(kāi)關(guān)電源技術(shù)與世界上先進(jìn)的國(guó)家相比仍有較大的差距。開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展歷史可以追溯到幾十年前,可分為下列幾個(gè)時(shí)期:1.電子管穩(wěn)壓電源時(shí)期 (1950年代 。此

19、時(shí)期主要為電子管直流電源和磁飽 和交流電源,這種電源體積大、耗能多、效率低。2.晶體管穩(wěn)壓電源時(shí)期 (1960年代 -1970年代中期 。隨著晶體管技術(shù)的發(fā) 展,晶體管穩(wěn)壓電源得到迅速發(fā)展,電子管穩(wěn)壓電源逐漸被淘汰。3.低性能穩(wěn)壓電源時(shí)期 (1970年代 -1980年代末期 。出現(xiàn)了晶體管自激式 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源,工作頻率在 20kHz 以下,工作效率 60%左右。隨著壓控率 器件的出現(xiàn),促進(jìn)了電源技術(shù)的極大發(fā)展,它可使兆瓦級(jí)的逆變電源設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)化, 可取代需要強(qiáng)迫換流的晶閘管, 目前仍在使用。 功率 MOSFET 的出現(xiàn), 構(gòu)成了高頻電力電子技術(shù), 其開(kāi)關(guān)頻率可達(dá) l00kHz 以上, 并且可并聯(lián)

20、大電 流輸出。4.高性能的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源時(shí)期 (1990年代 至今 。隨著新型功率器件和脈 寬調(diào)制 (PWM電路的出現(xiàn)和各種零電壓、零電流變換拓?fù)潆娐返膹V泛應(yīng)用 出現(xiàn)了小體積、高效率、高可靠性的混合集成 DC-DC 電源。1.3 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展展望1. 半導(dǎo)體和電路器件是開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的重要支撐。2. 高頻、高效、低壓化、標(biāo)準(zhǔn)化是開(kāi)關(guān)電源主要發(fā)展趨勢(shì):1低電壓化半導(dǎo)體工藝等級(jí)在未來(lái)十年將從 0.18微米向 50納米工藝邁進(jìn), 芯片所需最 低電壓最終將變?yōu)?0.6V ,但輸出電流將朝著大電流方向發(fā)展。2高效化應(yīng)用各種軟開(kāi)關(guān)技術(shù),包括無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、有源軟開(kāi)關(guān)技術(shù),如 ZVS/ZCS諧振、準(zhǔn)諧振;

21、恒頻零開(kāi)關(guān)技術(shù);零電壓、零電流轉(zhuǎn)換技術(shù)及目前同步 整流用 MOSFET 代替整流二極管都能大大地提高模塊在低輸出電壓時(shí)的效率,而 效率的提高使得敞開(kāi)式無(wú)散熱器的電源模塊有了實(shí)現(xiàn)的可能。3大電流、高密度化4高頻化為了縮小開(kāi)關(guān)電源的體積, 提高電源的功率密度并改善其動(dòng)態(tài)響應(yīng), 小功率 DC -DC 變換器的開(kāi)關(guān)頻率已將現(xiàn)在的 200500kHz 提高到 1MHz 以上,但高頻 化又會(huì)產(chǎn)生新的問(wèn)題, 如開(kāi)關(guān)損耗以及無(wú)源元件的損耗增大, 高頻寄生參數(shù)以及 高頻電磁干擾增大等。5在封裝結(jié)構(gòu)上正朝著薄型,甚至超薄型方向發(fā)展2. 降壓型 PWM AC-DC開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的基本要求設(shè)計(jì)一款降壓型 PWM AC-

22、DC開(kāi)關(guān)電源,設(shè)計(jì)參數(shù)如下:輸入?yún)?shù):1. 輸入交流電壓:單相 AC220V2. 輸入電壓變動(dòng)范圍:±20%3. 輸入頻率:50Hz ±2Hz輸出參數(shù) :1. 輸出直流電壓:24V2. 輸出功率:約 200W設(shè)計(jì)基本要求 :1. 設(shè)計(jì)主電路;2. 設(shè)計(jì)控制電路和保護(hù)電路;3. 計(jì)算主電路電力電子器件參數(shù);4. 繪制主電路、控制電路和保護(hù)電路電路圖;5. 繪制完整電路圖。3. 電路總體方案的設(shè)計(jì)及相關(guān)原理電源有一種輸入,即單相 220V 交流電壓,設(shè)計(jì)輸入電壓變動(dòng)范圍為 ±20%。有一種輸出:24V 直流電壓,輸出功率約為 200W 。交流 220V 經(jīng)過(guò)一個(gè)濾波整

23、流 電路后得到直流電壓,送入 DC-DC 降壓斬波電路,控制電路提供控制信號(hào)控制 IGBT 的關(guān)斷,調(diào)節(jié)直流電壓的占空比,最后經(jīng)過(guò) LC 濾波電路的到所需電壓。通 過(guò)對(duì)輸出電壓的取樣, 比較和放大, 調(diào)節(jié)控制脈沖的寬度, 以達(dá)到穩(wěn)壓輸出的目 的。開(kāi)關(guān)電源原理框圖如下:整流部分是利用具有單向?qū)ㄐ缘亩O管構(gòu)成橋式電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的; 濾波部分是利 用電容電感器件的儲(chǔ)能效應(yīng),構(gòu)成 LC 電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的;降壓部分是利用降壓斬波 電路來(lái)實(shí)現(xiàn),控制方式為脈寬調(diào)制控制(PWM ,即在控制時(shí)對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件 的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制 , 使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖 , 用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需

24、要的波形。本次設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源控制時(shí) 首先保持主電路開(kāi)關(guān)元件的恒定工作周期(T=ton+toff ,再由輸出信號(hào)與基準(zhǔn) 信號(hào)的差值來(lái)控制閉環(huán)反饋, 以調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間 ton , 最終控制輸出電壓 (或電流 的穩(wěn)定。4. 主電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算4.1主電路的設(shè)計(jì)主電路主要完成對(duì)交流的整流濾波,對(duì)直流電壓降壓和濾波三個(gè)工作。 整流電路圖設(shè)計(jì)如下: 平均值,在經(jīng)過(guò) LC 濾波電路是電壓穩(wěn)定。降壓斬波電路設(shè)計(jì)如下圖:脈寬調(diào)制控制型號(hào)有 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出; RCD 保護(hù)電路用以緩沖 IGBT 在高頻工 作環(huán)境下關(guān)斷時(shí)因?yàn)檎螂娏餮杆俳档投删€路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電 壓。 工作時(shí)的波形圖如下: 4.

25、2 主電路的參數(shù)確定設(shè)計(jì)輸入電流為頻率 50Hz 的單相 220V 交流電,其脈沖周期為:經(jīng)過(guò)整流后得到的是只有正半部分的正弦波幅值與輸入電壓一樣, 但周期為輸入 電壓一般,即sHzf T in in 205011=ss T T in 102202=設(shè)計(jì)輸出電壓為直流 24V 穩(wěn)壓,電流為 8A 直流。占空比 通常取 0.40.45,該 電路取 =0.42,考慮 IGBT 和二極管的導(dǎo)通壓降取 0.8V ,電感壓降取 0.2V 。于 是可以得到:設(shè)計(jì)輸出功率為 200W ,所以可以確定:又由于 Uin2=Uo1,確定電阻 R1=100,一次側(cè)與二次側(cè)線圈匝數(shù)比 N1/N2=2, 可以確定整流濾

26、波電路中的回路電流及分壓電阻 R0為:對(duì)于整流濾波電路中的四個(gè)二極管 VD1、 VD2、 VD3、 VD4,它們承受的反向最 大峰值電壓為輸入電壓 Uin 最大值的一半,約為 77.8V ;流過(guò)的最大平均電流約 為 0.5952A 。 所以我們可以選擇正向平均電流 I(AV 大于 0.62A , 反向重復(fù)峰值電 壓 Urrm 大于 156V 的電力二極管用來(lái)構(gòu)成全橋。對(duì)于斬波電路中的電力二極管 VD ,承受的最大反向重復(fù)峰值電壓約為 84.2V ,最大正向平均電流 I(AV 約為 8.33A ,所以我們可以選擇正向平均電流V V VU U s s t T t s s T t o in on o

27、ff on 52. 5942. 025 2. 08. 0(8. 5 2. 410(2. 442. 0*102=+=-=-=88. 233. 82433. 824200222AV I U R A Vw U P I o o o o o =-=-=8. 815952. 08. 152. 591102. 08. 0*215952. 010052. 59120121AV V V I V V U U R AV R U I o in in in oI(AV 大于 8.5A , 反向重復(fù)峰值電壓 Urrm 大于 169V 的電力二極管作為續(xù)流二極 管。對(duì)于斬波電路中的 IGBT VT, 集射極承受的最大電壓

28、Uce 約為 84.2V , 流過(guò) 的最大電流值約為 8.33A ,則最大耗散功率約為 701.2W 。所以我們可以選擇最 大集射極間電壓大于 85V , 最大集電極電流大于 8.5A , 最大集電極功耗大于 723W 的 IGBT 。綜上所述,主電路的主要參數(shù)如下:所用電力二極管和 IGBT 的導(dǎo)通壓降約為 0.8V ,電感壓降約為 0.2V1. 整流濾波電路部分:一次側(cè)與二次側(cè)線圈匝數(shù)比 N1/N2:2輸入電壓 Uin :單相 220V 交流輸出電壓 Uo1:59.52V 直流回路電流平均值 Io1:0.5952A電阻 R0:81.8電阻 R1:100電力二極管 VD1、 VD2、 VD3

29、、 VD4參數(shù):正向平均電流 I(AV 0.62A ,反向重復(fù)峰值電壓 Urrm 156V 2. 降壓斬波電路部分:輸入電壓 Uin2:59.52V 直流輸出電壓 Uo :24V 穩(wěn)壓直流回路電流平均值(輸出電流 Io2:8.33A輸出功率:200W電阻 R2:2.88占空比 :0.42電力二極管:正向平均電流 I(AV 8.5A ,反向重復(fù)峰值電壓 Urrm 169V IGBT參數(shù):最大集射極間電壓 Uces 85V ,最大集電極電流 Ic 8.5A 最大集電極功耗 Pcm 723W5. 控制電路、驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)5.1 控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 4本文設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源的控制及驅(qū)動(dòng)電路的核心為三菱公司的 M579系列驅(qū)動(dòng) 器。電路圖如下所示:45.1節(jié)參考了王水平 . 編寫(xiě)的 PWM 控制與驅(qū)動(dòng)器使用指南及應(yīng)用電路 和童詩(shī)白、 華成英共同編