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文檔簡介
1、<p><b> 課 程 設(shè) 計(jì)</b></p><p> 學(xué) 號: </p><p><b> 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p> 題 目: AC-DC-DC電源(36V,300W)設(shè)計(jì) </p><p>
2、<b> 初始條件:</b></p><p> 設(shè)計(jì)一個(gè)AC-DC-DC電源,具體參數(shù)如下:單相交流輸入220V/50Hz,輸出直流電壓36V,紋波系數(shù)<5%,功率300W。</p><p> 要求完成的主要任務(wù): </p><p> 對AC-DC-DC 電源進(jìn)行主電路設(shè)計(jì);</p><p><b&g
3、t; 控制方案設(shè)計(jì);</b></p><p> 給出具體濾波參數(shù)的設(shè)計(jì)過程;</p><p> 在MATLAB/Simulink搭建閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型,進(jìn)行系統(tǒng)仿真;</p><p> 分析仿真結(jié)果,驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。</p><p><b> 時(shí)間安排:</b></p><p
4、> 2013年6月8日至2013年6月18日,歷時(shí)一周半,具體進(jìn)度安排見下表</p><p> 指導(dǎo)教師簽名: 年 月 日</p><p> 系主任(或責(zé)任教師)簽名: 年 月 日</p><p><b> 目錄</b></p>
5、<p><b> 摘要1</b></p><p> AC-DC-DC電源(36V,300W)設(shè)計(jì)2</p><p> 1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2</p><p> 1.1.技術(shù)要求2</p><p> 1.2.設(shè)計(jì)內(nèi)容2</p><p> 2電路總體方案及原理2&l
6、t;/p><p> 2.1 開關(guān)電源的簡介2</p><p><b> 2.2設(shè)計(jì)方案2</b></p><p> 3主電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算3</p><p> 3.1整流電路的設(shè)計(jì)3</p><p> 3.2降壓斬波電路設(shè)計(jì)4</p><p> 3.3控制
7、方案的設(shè)計(jì)6</p><p> 3.4主電路參數(shù)的計(jì)算7</p><p> 3.4.1主電路參數(shù)計(jì)算7</p><p> 3.4.2 濾波參數(shù)的計(jì)算8</p><p> 4 系統(tǒng)建模與仿真8</p><p> ?。?1開環(huán)系統(tǒng)的仿真8</p><p> 4.2閉環(huán)系統(tǒng)的仿真
8、11</p><p><b> 5結(jié)果分析12</b></p><p><b> 6總結(jié)與體會(huì)13</b></p><p><b> 參考文獻(xiàn)14</b></p><p><b> 摘要</b></p><p>
9、隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,電力電子設(shè)備與人們的工作、生活關(guān)系日益密切,而任何電子設(shè)備都離不開可靠的電源。而開關(guān)電源以小型,輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備,是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。本此設(shè)計(jì)主要對降壓型AC-DC-DC開關(guān)電源的核心部分——AC-DC整流裝置與DC-DC轉(zhuǎn)換器(降壓斬波電路)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理機(jī)型設(shè)計(jì),描述了DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制方法——
10、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降壓型AC-DC-DC開關(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),并給出設(shè)計(jì)參數(shù)。然后在MATLAB/Simulink搭建系統(tǒng)仿真模型,進(jìn)行系統(tǒng)仿真。通過對仿真結(jié)果的分析,驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。</p><p> 關(guān)鍵詞:開關(guān)電源 整流 降壓斬波 MATLAB</p><p> AC-DC-DC電源(36
11、V,300W)設(shè)計(jì)</p><p><b> 1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求</b></p><p><b> 1.1.技術(shù)要求</b></p><p> 設(shè)計(jì)一個(gè)AC-DC-DC電源,具體參數(shù)如下:單相交流輸入220V/50Hz,輸出直流電壓36V,紋波系數(shù)<5%,功率300W。</p><p>
12、<b> 1.2.設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p> ?。?)對AC-DC-DC 電源進(jìn)行主電路設(shè)計(jì);</p><p> ?。?)控制方案設(shè)計(jì);</p><p> ?。?)給出具體濾波參數(shù)的設(shè)計(jì)過程;</p><p> (4)在MATLAB/Simulink搭建閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型,進(jìn)行系統(tǒng)仿真;</p>
13、<p> ?。?)分析仿真結(jié)果,驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。</p><p> 2電路總體方案及原理</p><p> 2.1 開關(guān)電源的簡介</p><p> 開關(guān)電源(Switch Mode Power Supply,SMPS)是以功率半導(dǎo)體器件為開關(guān)元件,利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關(guān)電源和線性
14、電源相比,二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長,但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上,反而高于開關(guān)電源,這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向,高頻化使開關(guān)電源小型化,并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(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。 開關(guān)電源中應(yīng)用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFE
15、T。一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(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)、開關(guān)占空比控制器以及取樣比較電路等模塊組成。</p><p><b> 2.2設(shè)計(jì)方案</b></p><p> 電源有一種輸入,即單相220V 50Hz交流電壓,有一種輸出:36V直流電壓。交流220V經(jīng)過一個(gè)AC-DC濾波整流電路后得到直
16、流電壓,濾波后送入DC-DC降壓斬波電路,控制電路提供控制信號控制IGBT的關(guān)斷,調(diào)節(jié)控制信號的占空比,最后經(jīng)過LC濾波電路的到所需電壓。通過對輸出電壓的取樣,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。</p><p> 圖1 開關(guān)電源原理圖</p><p> 整流部分是利用具有單向?qū)ㄐ缘亩O管構(gòu)成橋式電路來實(shí)現(xiàn)的;濾波部分是利用電容器件的儲(chǔ)能效應(yīng),來實(shí)現(xiàn)的;降壓部分利
17、用降壓斬波電路來實(shí)現(xiàn),控制方式為脈寬調(diào)制控制(PWM),即在控制時(shí)對半導(dǎo)體開關(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,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。本次設(shè)計(jì)的開關(guān)電源控制時(shí)首先保持主電路開關(guān)元件的恒定工作周期(T=),最終控制輸出電壓(或電流)的。</p><p> 3主電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算</p><p> 3.1整流電路的設(shè)計(jì)</p&
18、gt;<p> 主電路主要完成對交流的整流濾波,對直流電壓降壓和濾波三個(gè)工作。</p><p> 整流電路圖設(shè)計(jì)如圖:</p><p><b> 圖2 整流電路</b></p><p> 橋式整流電路的工作原理如圖2所示。在Uin的正半周,VD1、VD4導(dǎo)通,VD2、VD3截止,電流經(jīng)VD1→ R1 →
19、VD3回到下端,在負(fù)載RL上得到一半波整流電壓。 </p><p> 在Uin的負(fù)半周,D1、D4截止,D2、D3導(dǎo)通,電流經(jīng)D2→ RL →D4 回上端,在負(fù)載RL 上得到另一半波整流電壓。在經(jīng)過電容濾波,其工作原理是整流電壓高于電容電壓時(shí)電容充電,當(dāng)整流電壓低于電容電壓時(shí)電容放電,在充放電的過程中,使輸出電壓基本穩(wěn)定。 </p&g
20、t;<p> 濾波電容容量大,因此一般采用電解電容,在接線時(shí)要注意電解電容的正、負(fù)極。電容濾波電路利用電容的充、放電作用,使輸出電壓趨于平滑。 </p><p> 當(dāng)u2為正半周并且數(shù)值大于電容兩端電壓uC時(shí),二極管D1和D4管導(dǎo)通,D2和D3管截止,電流一路流經(jīng)負(fù)載電阻RL,另一路對電容C充電。當(dāng)UC>U2,導(dǎo)致D1和D4管反向偏置而截止,電容通過負(fù)載電阻RL放電,UC按指數(shù)規(guī)
21、律緩慢下降這樣就得到一個(gè)直流電壓波形,如圖所示:</p><p> 圖3整流電路工作波形</p><p> 3.2降壓斬波電路設(shè)計(jì)</p><p> 將整流后的得到的直流電壓送入降壓斬波電路,通過脈寬調(diào)制控制調(diào)節(jié)輸出電壓平均值,再經(jīng)過LC濾波電路使電壓穩(wěn)定。脈寬調(diào)制控制信號由IGBT驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出??刂茣r(shí)首先保持主電路開關(guān)元件的恒定工作周期(T=ton+toff
22、),再由輸出信號與基準(zhǔn)信號的差值來控制閉環(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。</p><p> 其中,功率IGBT為開關(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;控制VT關(guān)斷時(shí),二極管VD可保持輸出電流連續(xù),所以通常稱為</p><p> 續(xù)流二極管。負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流,負(fù)載
23、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</p><p> 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為開關(guān)管控制信號的周期,即ton+toff;D為開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間與控制信號周期之比,通常稱為控制信號的占空比。
24、從該式可以看出,,占空比最大為1,若減小占空比,該電路輸出電壓總是低于輸入電壓,因此將其稱為降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。負(fù)載電流的平均值為</p><p> 若負(fù)載中電感值較小,則在VT管斷后,負(fù)載電流會(huì)在一個(gè)周期內(nèi)衰減為零,出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況。因此有降壓DC-DC開關(guān)電源有非連續(xù)電流模式(DCM)和連續(xù)電流模式(CCM)兩種工作模式。其電路圖與波形圖波形圖如圖所示:</p><p>&
25、lt;b> 圖4 降壓斬波電路</b></p><p> 降壓斬波電路的工作波形:</p><p> 3.3控制方案的設(shè)計(jì)</p><p> 由于整流電路采用的是不控整流,所以控制電路主要用于降壓斬波電路中,本處采用直流脈寬調(diào)制。</p><p> 直流脈寬調(diào)制是利用直流調(diào)制信號和三角載波比較,可以得到單脈波控制信
26、號,只要改變直流調(diào)制信號,就可以改變單脈波的脈沖寬度 ,調(diào)節(jié)輸出電壓基波分量的有效值,實(shí)現(xiàn)電壓控制的目的。圖7所示為實(shí)現(xiàn)直流脈寬調(diào)制的一種簡單方法,給定電壓和反饋電壓通過電壓調(diào)節(jié)器得到一個(gè)控制電壓,和鋸齒波電壓比較得到脈沖波形,觸發(fā)器的輸出是互補(bǔ)的方波、,通過兩個(gè)與門電路,獲得互差的脈沖方波、,它們均可作為斬波電路的控制信號。</p><p> 圖7直流脈寬調(diào)制原理</p><p>
27、方波輸出電路簡單,易于閉環(huán)控制,電壓輸出穩(wěn)定度也比較高。特別是它可以借用直流電源控制技術(shù),很多直流控制芯片都可以應(yīng)用,因此方波輸出具有成本低的優(yōu)點(diǎn)。但是,方波輸出含有大量的低次諧波,波形畸變嚴(yán)重,主要應(yīng)用在要求不高的場合。</p><p> 3.4主電路參數(shù)的計(jì)算</p><p> 3.4.1主電路參數(shù)計(jì)算</p><p> 輸入電壓為單相220V交流電,經(jīng)晶
28、閘管不控整流,電容濾波之后,考慮到器件壓降及濾波損失,輸出有效值約為312V的直流電,加到降壓斬波電路的輸入端,濾波電容要選較大值,本設(shè)計(jì)中C1選0.1F,R1選擇100Ω。</p><p> 設(shè)計(jì)輸出電壓為直流36V穩(wěn)壓,占空比D=,通常取0.11~0.12,該電路取D=0.115。,</p><p> 設(shè)計(jì)輸出功率為300W,所以可以確定:</p><p>
29、 因?yàn)檎伎毡葹?.115,這里取最小負(fù)載電流為額定電流的1/10,即=0.833A</p><p> 3.4.2 濾波參數(shù)的計(jì)算</p><p> 要電流連續(xù)必須最小負(fù)載電流大于臨界負(fù)載電流;</p><p><b> ,</b></p><p> 即要求:=0.0191H</p><p&g
30、t;<b> 可取L=0.02H</b></p><p> 要求電壓紋波系數(shù)小于0.05時(shí)</p><p><b> 107Hz</b></p><p><b> 為此要求F</b></p><p> 取C=0.2uF L=0.02H</p><
31、p> %<5%,滿足要求。</p><p><b> 4 系統(tǒng)建模與仿真</b></p><p> 4.1開環(huán)系統(tǒng)的仿真</p><p> 根據(jù)上述計(jì)算所得參數(shù),在MATLAB/Simulink中搭建閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型,進(jìn)行系統(tǒng)仿真,開環(huán)系統(tǒng)仿真電路圖如圖所示:</p><p> 圖8 開環(huán)系統(tǒng)仿真模
32、型</p><p> 整流輸出電壓波形如圖:</p><p> 圖9 開環(huán)系統(tǒng)整流波形</p><p> 降壓斬波電路輸出電壓與負(fù)載電流波形:</p><p> 圖10 開環(huán)系統(tǒng)輸出波形</p><p> 4.2閉環(huán)系統(tǒng)的仿真</p><p> 在開環(huán)系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上增加電壓反饋通道
33、,構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。此處用到直流脈寬調(diào)制技術(shù),三角載波電壓幅值設(shè)為6V,則根據(jù)理論計(jì)算的占空比為11.5%,則直流調(diào)制信號的電壓幅值設(shè)為6×0.115=0.69V。給定電壓為36V,反饋電壓為斬波輸出負(fù)載上的電壓值,通過比較兩個(gè)電壓的大小,將電壓差反饋到與直流調(diào)制信號疊加,以此來控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間來穩(wěn)定輸出電壓的大小。</p><p> 圖11 閉環(huán)系統(tǒng)電路圖</p><p>
34、; 閉環(huán)系統(tǒng)輸出電壓與負(fù)載電流波形:</p><p> 圖12 閉環(huán)系統(tǒng)輸出波形</p><p><b> 5結(jié)果分析</b></p><p> 通過比較上述仿真結(jié)果可知,開環(huán)仿真輸出電壓基本穩(wěn)定在36V,負(fù)載電流基本穩(wěn)定在8.3A左右,所以滿足設(shè)計(jì)要求的輸出功率300W,從仿真波形中可以看出,紋波系數(shù)明顯小于5%,存在微小擾動(dòng)?;緷M
35、足要求。</p><p> 閉環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)果也符合設(shè)計(jì)要求,相比開環(huán)系統(tǒng)而言,輸出電壓與負(fù)載電流更加平穩(wěn),系統(tǒng)的抗擾性能增強(qiáng),更好地滿足了設(shè)計(jì)要求。</p><p><b> 6總結(jié)與體會(huì)</b></p><p> 本次電力電子裝置課程設(shè)計(jì),使我更深入了解了開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。加深了我對理論知識的掌握,并把所學(xué)的知識系統(tǒng)、高效的貫穿到實(shí)踐中來
36、,避免了理論與實(shí)踐的脫離。同時(shí)我對matlab的操作更為熟悉,有了更深刻的了解,這是一個(gè)款功能強(qiáng)大的軟件,它廣泛應(yīng)用于各個(gè)方面。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異,不斷學(xué)習(xí)一些輔助設(shè)計(jì)軟件是必要的,能在一定程度上提高我們設(shè)計(jì)的效率和可行性。并在實(shí)踐中不斷完善理論基礎(chǔ),培養(yǎng)綜合能力。</p><p> 在設(shè)計(jì)過程中,我發(fā)現(xiàn)了自己有很多問題雖然感覺理論上已經(jīng)掌握,但想要用所學(xué)的只是系統(tǒng)的解決一個(gè)問題還是比較困難的。比如說,
37、雖然知道直流電源的組成部分,但是想要按照要求既定的設(shè)計(jì)一個(gè)符合要求的直流電源,必須綜合實(shí)現(xiàn)的難易程度等方面綜合選擇器件,并完成器件參數(shù)的計(jì)算。由于對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻,掌握得不夠牢固,在比較系統(tǒng)地運(yùn)用的過程中,仍會(huì)存在很多盲點(diǎn)。這次課程設(shè)計(jì)之,雖然遇到一些難題,但經(jīng)過一番努力,都得以解決,并使自己取得了一定的進(jìn)步,這也激發(fā)了我今后努力學(xué)習(xí)的決心。學(xué)習(xí)不能一知半解,需要堅(jiān)持、耐心和努力,我一定要時(shí)時(shí)刻刻重新溫故。</p&
38、gt;<p><b> 參考文獻(xiàn)</b></p><p> [1] 王兆安,劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社,2009</p><p> [2] 楊蔭福,段善旭,朝澤云.電力電子裝置及系統(tǒng).清華大學(xué)出版社,2006</p><p> [3] 陳堅(jiān),電力電子學(xué).高等教育出版社,2002</p><p&
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