電力電子裝置_ac-dc-ac_電源課程設(shè)計(jì)

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(jì)12</p><p>　　2.1 AC-DC環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)12</p><p>　　2.2 DC-DC環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)12</p><p>　　2.2.1 具體參數(shù)計(jì)算12</p><p>　　2.2.2 DC-DC具體設(shè)計(jì)13</p><p>　　3

4、．閉環(huán)反饋設(shè)置15</p><p><b>　　個(gè)人小結(jié)16</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)17</b></p><p>　　AC-DC-DC電源(110V，1200W)設(shè)計(jì) </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(fù)載的稱(chēng)為“整流"，功率流由負(fù)載返回電源的稱(chēng)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(duì)較大的濾波電容器是必不可少的，同時(shí)因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)(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(zhǔn)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(kāi)關(guān)動(dòng)作，使得解決EMC電磁兼容問(wèn)題難度加大。</p><p>　　AC／DC變換按電路的接線(xiàn)方式可分為半波電路、全波電路。按電源相可分為單項(xiàng)、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(qiáng)電弱電隔離\IGBT隔離驅(qū)動(dòng)\浪涌隔離保護(hù)\雷電隔離保護(hù)（如人體接觸的醫(yī)療電子設(shè)備的隔離保護(hù)）　</p><p&g

8、t;　　2、噪聲隔離：（模擬電路與數(shù)字電路隔離、強(qiáng)弱信號(hào)隔離）　</p><p>　　3、接地環(huán)路消除：遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸\分布式電源供電系統(tǒng)　</p><p>　　二、保護(hù)：短路保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、其它保護(hù)　</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(fù)極性轉(zhuǎn)換、單電源與正負(fù)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(yuǎn)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(kāi)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：?jiǎn)味朔醇る娐芬话阌迷谛」β孰娫春烷_(kāi)關(guān)電源的輔助電</p><p>　　源上。其占空比可達(dá)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(kāi)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(shí)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_(kāi)關(guān)電源，使用雙管正激電路，其功率可以做得更高一點(diǎn)。雖然功率變壓器不像反激式電路要開(kāi)氣隙，但是一般要在變壓器中加去磁繞組，在關(guān)斷時(shí)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(gè)開(kāi)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(lì)，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(diǎn)，但是存在開(kāi)關(guān)管“直通”的危險(xiǎn)。工作時(shí)兩個(gè)功率開(kāi)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(shí)，W1和W2有相應(yīng)的電流流過(guò)，這時(shí)變換器次級(jí)將有功率輸出。當(dāng)V1導(dǎo)通，V截止時(shí)，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(shí)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(gè)功率開(kāi)關(guān)管，通過(guò)兩個(gè)串連的電容器來(lái)構(gòu)成工作回路，這兩個(gè)功率管交替導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)高頻變壓器進(jìn)行能量傳遞，變壓器是雙向激勵(lì)的。半橋電路同樣存在變壓器磁偏現(xiàn)象，會(huì)出現(xiàn)“直通”問(wèn)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(shí)現(xiàn)靜態(tài)時(shí)分壓，使Ua=1/2Uin。當(dāng)V1導(dǎo)通，V2截止時(shí)，輸入電流方向?yàn)閳D中虛線(xiàn)方向，向C2充電；當(dāng)V1截止，V2導(dǎo)通時(shí)，輸入電流方向?yàn)閳D中實(shí)線(xiàn)方向，向C1充電。當(dāng)V1導(dǎo)通

15、，V2截止時(shí)，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(kāi)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(gè)開(kāi)關(guān)管組成兩個(gè)橋臂。兩個(gè)橋臂分別導(dǎo)通激勵(lì)高頻功率變壓器，進(jìn)行能量變換，但是存在開(kāi)關(guān)管“直通”的危險(xiǎn)。全橋電路原理圖如下圖所示。由四個(gè)

16、功率開(kāi)關(guān)器件V1~V4組成，變壓器T連接在四橋臂中間，相對(duì)的兩只功率開(kāi)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(jí)有功率輸出。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)器件V1、V4導(dǎo)通時(shí)，另一對(duì)V2、V3則截止，這時(shí)V2和V3兩端承受的電壓為輸入電壓Uin在功率開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷過(guò)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(lèi)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(chēng)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(lèi)</p><p>　　圖1-5 各種變換拓?fù)潆娐芳爸饕ぷ鞑ㄐ?lt;/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(wú)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(dòng)態(tài)響應(yīng),抑制能力強(qiáng)</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(duì)輸出調(diào)整。開(kāi)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(diǎn)，可根據(jù)實(shí)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(kāi)關(guān)管控制信號(hào)，略過(guò)一部分時(shí)鐘周期而得名)。經(jīng)典脈頻調(diào)制是一種最簡(jiǎn)單的控制技術(shù)，在該方式下時(shí)鐘被固定為50％占空比，通過(guò)電壓反饋實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)頻率的控制。當(dāng)

21、輸出電壓低于一定值時(shí)，固定時(shí)鐘將控制開(kāi)關(guān)開(kāi)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(shí)，開(kāi)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(guò)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(shí)，CLK將通過(guò)RS觸發(fā)器直接控制開(kāi)關(guān)管，當(dāng)高于VREF時(shí)則屏蔽一部分時(shí)鐘，使開(kāi)關(guān)管關(guān)閉。通過(guò)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(fù)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(yùn)用峰值電感電流限制一個(gè)最小關(guān)閉時(shí)間和最大開(kāi)啟時(shí)間。工作于此模式下，一旦輸出電壓低于調(diào)整值，開(kāi)關(guān)管將開(kāi)啟直到電感電流達(dá)到設(shè)計(jì)值，此時(shí)開(kāi)關(guān)管將關(guān)閉一定時(shí)間(最小關(guān)閉時(shí)間)，電感電流開(kāi)始下降，當(dāng)該段時(shí)間結(jié)束時(shí)，反饋電路通過(guò)對(duì)輸出電壓采樣，比較輸出電壓此時(shí)是否低于調(diào)整值，若低于則開(kāi)啟開(kāi)關(guān)管，否則繼續(xù)關(guān)閉開(kāi)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(shí)紋波相對(duì)于經(jīng)典PFM小，但噪聲頻譜仍然隨負(fù)載變化。圖3為最小關(guān)閉時(shí)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(shí)鐘頻率，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管控制信號(hào)的占空比D實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出壓的調(diào)整。PWM技術(shù)在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)都具有較高效率，此外因?yàn)轭l率恒定，噪聲頻譜相對(duì)窄，利用簡(jiǎn)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(xì)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(kāi)關(guān)電源中的一種模式。下圖所示</p><p>　　如圖輸出電壓通過(guò)電阻分壓與基準(zhǔn)電壓VREF比較，其差值通過(guò)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(shí)鐘產(chǎn)生的斜升電壓。PWM COM輸出VS控制開(kāi)關(guān)管，在一個(gè)周期內(nèi)，VE越大，占空比越大，則開(kāi)關(guān)管開(kāi)啟時(shí)間越長(zhǎng)；VE越小，占空比越小，則開(kāi)關(guān)管開(kāi)啟時(shí)間越短。</p><p>　　電壓模式控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)單環(huán)控制，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；2)較大的斜坡幅</p><p>　　度將；3)低輸出阻抗。</p><p>　　同時(shí)具有以下缺點(diǎn)：1)響應(yīng)慢；

26、2)補(bǔ)償復(fù)雜。</p><p>　　1.3.3 電流模式控制</p><p>　　針對(duì)于電壓模式的缺點(diǎn)，電流模式控制發(fā)展起來(lái)，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(lái)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(duì)開(kāi)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(diǎn)：1)由于輸入前饋，有較好的開(kāi)環(huán)線(xiàn)形調(diào)整：2)單極點(diǎn)系統(tǒng)，具有良好的小信號(hào)穩(wěn)定性能，較好補(bǔ)償；3)優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性。缺點(diǎn)如下：1)當(dāng)占空比高于0．5時(shí)出現(xiàn)次諧波不穩(wěn)定狀況，需要有斜坡補(bǔ)償；2)噪聲抑制差；3)負(fù)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(jì)</p><p>　　2.1 AC-DC環(huán)節(jié)設(shè)計(jì) </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(guò)二極管組成的整流橋后經(jīng)過(guò)濾波加到負(fù)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(jì)</p><p>　　2.2.1 具體參數(shù)計(jì)算</p><p>　　輸出電壓與功率可以算出負(fù)載電阻R=10,IGBT開(kāi)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(duì)電容充電產(chǎn)生的電壓稱(chēng)為紋波電壓。紋波電壓與參數(shù)的關(guān)系表達(dá)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(jì)算的參數(shù)只是理論數(shù)值，在具體仿真過(guò)程中并不一定能達(dá)到要求，所以以上參數(shù)會(huì)有改動(dòng)以符合要求。</p><p>　　2.2.2 DC-DC具體設(shè)計(jì) </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(dòng)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(fù)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(méi)有閉環(huán)控制的斬波電路輸出的波形脈動(dòng)很大，不滿(mǎn)足紋波系數(shù)的要求，因此應(yīng)該使用閉環(huán)反饋控制，來(lái)減小電壓的脈動(dòng)。</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(jiàn)波形都沒(méi)有超調(diào)且脈動(dòng)極小，紋波系數(shù)滿(mǎn)足要求，且在短時(shí)

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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 </p><p><b>　　個(gè)人小結(jié)</b></p><p>　　通過(guò)這次電源的設(shè)計(jì)。學(xué)習(xí)了電源的相關(guān)知識(shí)。同時(shí)也復(fù)習(xí)了以前學(xué)習(xí)過(guò)的模電數(shù)電知識(shí)。在這次設(shè)計(jì)中最難的就是功率的要求。因?yàn)橐恢痹O(shè)計(jì)的過(guò)程中沒(méi)有注意功率是否達(dá)到要求。結(jié)果出來(lái)之后功率太小。達(dá)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(dá)

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(jiǎn)稱(chēng)AC-DC-DC。首先將選擇了全橋不控整流電路，然后經(jīng)過(guò)調(diào)試和計(jì)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(jì)和仿真。最后，發(fā)現(xiàn)輸出波形不是特別理想，又進(jìn)行了半閉環(huán)的設(shè)計(jì)與仿真。</p><p>　　通過(guò)這次對(duì)電源的課程設(shè)計(jì)，讓我對(duì)在書(shū)本上學(xué)習(xí)的電源的知識(shí)有了更為深入和

35、更加形象的了解，對(duì)電源的工作原理，參數(shù)，及它的性能有了比較深入的認(rèn)識(shí)，對(duì)全橋型變換電路有個(gè)了解，而這些知識(shí)我相信對(duì)我以后進(jìn)行設(shè)計(jì)是很有幫助的。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　?。?）《電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真》.洪乃剛 等編著. 機(jī)械工業(yè)出版社</p><p>　?。?）《電力電

36、子技術(shù)》第五版.王兆安、劉進(jìn)軍 主編.機(jī)械工業(yè)出版社</p><p>　?。?）《MATLAB在電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)中的應(yīng)用》.周又玲主編.清華大學(xué)出版社</p><p>　　（4）《電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真》.林飛、杜欣 編著.中國(guó)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>