单端反激AC-DC-DC电源设计.docx
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武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书
目录
1设计要求 2
2设计原理 3
2.1高频开关电源的基本组成 3
2.1.1开关电源的输入环节 3
2.1.2功率变换电路 4
2.1.3控制及保护电路 5
2.2单端反激电源基本原理 7
2.2.1共同关系式 7
2.2.2连续工作模式 8
2.2.3不连续工作模式(含临界工作模式) 8
3单端反激AC-DC-DC电源的设计 9
3.1整流环节设计 9
3.2滤波环节设计 12
3.2.1滤波原理 12
3.2.2RC滤波电路 12
3.2.3LC滤波电路 13
3.2.4滤波参数设计 14
3.3主电路设计 16
3.3.1单端反激式开关电源电路的设计 16
3.3.2反馈环设计 16
4模型仿真 18
4.1ACDC整流滤波电路仿真 18
4.2开环系统仿真 19
4.3闭环系统仿真 22
5小结 25
参考文献 26
1
武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书
单端反激AC-DC-DC电源(20V,10W)设计
1设计要求
初始条件:
设计一个AC-DC-DC电源,具体参数如下:
三相交流输入220V/50Hz,输出直流电压20V,纹波系数<5%,功率10W。
要求完成的主要任务:
(1)对AC-DC-DC电源进行主电路设计;
(2)控制方案设计;
(3)给出具体滤波参数的设计过程;
(4)在MATLAB/Simulink搭建闭环系统仿真模型,进行系统仿真;
(5)分析仿真结果,验证设计方案的可行性。
2设计原理
2.1高频开关电源基本组成
高频开关电源主要由输入环节、功率变换电路以及控制驱动保护电路3大部分组成。
2.1.1开关电源的输入环节
1)输入浪涌电流和瞬态电压的抑制
(1)输入浪涌电流抑制
在合闸的瞬间,由于输入滤波电容的充电,在交流电源端会呈现非常低的阻抗,产生大的浪涌电流,为了将浪涌电流控制在安全范围内,根据高频开关电源功率的大小,一般采取以下两种方法:
一种是限流电阻加开关,另一种是采用负温度系数热敏电阻的方法。
n
限流电阻加开关的方法,是将限流电阻串接于交流线路之中或整流桥之后的直流母线上,开关与限流电阻并联,当滤波电容充满电荷后,开关导通,短接电阻,因此可用晶闸管组成无触点开关。
选择具有负温度系数的热敏电阻NTC取代上述电阻,就不需要开关。
在合闸的瞬间NTC电阻的阻值很大,流过电流之后,温度上升,阻值迅速变小,既可以限制浪涌电流,又可以保证输入环节在稳态工作时不消耗太大的功率。
对于功率很小的开关电源,可以直接在线路中串接电阻限制浪涌电流。
(2)输入瞬态电压抑制
通常是在交流线路间并联压敏电阻或者瞬态电压抑制二极管来抑制输入瞬态电压。
瞬态电压抑制二极管简称TVS器件,当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时,其工作阻抗能立即降至很低,允许大电流听过,并将电压钳制到预定水平,它的应用效果相当一个稳压管,但TVS能承受的瞬时脉冲功率可达上千瓦,其钳位响应时间仅为1ps。
在脉冲时间10ms条件下,TVS允许的正向浪涌电流可达50A~200A。
双向TVS适用于交流电路,单向TVS用于直流电路
2)线路滤波器
为防止开关电源和电网相互干扰,应该在输入线路上加入滤波器。
3)输入整流滤波
高频开关电源输入不用工频变压器,直接对交流电进行整流滤波。
目前国际上交流电网电压等级有两种:
100v~115V和230V,频率为50HZ或60HZ。
整流滤波电路要适应交流电网电压的状况,现在很多开关电源都能适应通用电网电压的范围,即输入电压为85V~265V。
高频开关电源的输入整流电路一般采取桥式整流、电容滤波电路。
2.1.2功率变换电路
功率变换电路是开关电源的核心部分,针对整流以后不同的直流电压功率变换电路有多种拓扑结构,单端反激拓扑电路及主要工作波形如图所示。
图2-1反激变换器拓扑及工作波形
2.1.3控制及保护电路
开关电源的主要控制方式是PWM。
其中电压控制模式和峰值电流控制模式被广泛使用。
1)PWM电压控制模式
电压控制模式的原理如图2-3所示,它只有一个电压反馈环,误差放大器的输出与恒定的三角波相比较,通过脉冲宽度调制,得到要求的输出电压。
单一回馈电压环使设计和调试比较容易;但是,当输入电压或负载突变时,要经过主电路的输出电容和电感L延时,以及电压误差放大器的延时,再传至PWM比较器调制脉宽,使输出电压变化,这几个延时是电压控制模式瞬时响应慢的主要因素。
改善电压控制模式瞬态响应慢的一种有效方法是采用电压前馈模式控制PWM技术,原理图如图2-5所示。
图2-3电压模式控制原理图
图2-4电压前馈模式控制原理图
2)PWM峰值电流控制模式
峰值电流控制模式简称为电流控制模式。
主要用于能周期出现电流峰值的电路,电流控制模式原理如图2-5.
图2-5电流控制模式原理图
3)开关电源的保护
开关电源保护一般有过压、欠压、过流、过温及短路保护。
根据功率和拓扑结构的不同,采用不同的传感器和方法,适时采集电压、电流、温度数据,与设定的给定值进行比较,如有超出,封锁PWM的脉冲输出,关断功率开关管,达到保护开关电源的目的。
2.2单端反激电源基本原理
单端反激电源电路如图2-6所示。
变压器PT既是一个变压器又是一个线性电感,T饱和导通时其等效阻抗近似为零,如果外加电压Ui恒定,流过绕组N1的电流i1线性增长,由于绕组N2和N1是反极性的,二极管D截止,副边没有电流,导通器件的能量储存在初级电感里;当开关管截止时,副边绕组感应电势使二极管导通,通过输出电容和负载释放能量。
根据副边绕组放电时间的不同,单端反激电源分为三种工作模式:
不连续工作模式、临界工作模式和连续工作模式。
图2-6单端反激电源
2.2.1共同关系式
(1)开关管T导通期间,流过饶梓N1的电流i1及磁通ϕ均线性增长,设N1的电感量为L1,则流过N1的电流i1为
Δi1=UiLiTon=UiLiDT(2-1)
式中T为开关周期,D为占空比。
(2)在开关管T截止期间,流过绕组N2的电流i2及磁通ϕ均线性减小,设N2的电感量为L2,电流线性减小的时间是△t,则流过N2的电流i2减量为
Δi2=U0L2Δt(2-2)
(3)在一个周期内磁通的增量等于磁通的减少量。
ΔΦ+=ΔΦ-
(4)开关管截止期间,N1上感应电压与电源电压Ui一起加载开关管T的CE结上,开关管T承受的电压为
UCE=Ui+U0N1N2(2-3)
2.2.2连续工作模式
如果电流连续(含临界工作模式),Δt=Toff=1-DT,输出电压的表达式为
U0Ui=N2N1∙D1-D(2-4)
I1(max)=U0I0UiD+U12L1DT(2-5)
2.2.3不连续工作模式(含临界工作模式)
由于在T导通期间储存的能量Wi=L1I1(max)2/2,因此电源输入功率Pi为
Pi=WjT=12TL1I1(max)2(2-6)
如果电流不连续(含临界工作模式),T导通的起始电流为0,则I1(max)=U1L1Ton,假设电路没有损耗、转换效率η=1,输入功率Pi应与输出功率P0相等,设输出负载电阻为RL,则有
P0=Ui2Ton22L1T=U02RL(2-7)
从而可以得到不连续工作模式和临界工作模式输出电压的表达式为
U0=UiTonRL2L1T(2-8)
从上式可以看出,在不连续工作模式和临界工作模式工作时,输出电压与输入电压和导通时间成正比;与负载电阻的平方根成正比,负载电阻越大,输出电压越高。
3单端反激ACDCDC电源的设计
3.1整流环节设计
在电容滤波的三相不可控整流电路中,最常用的是三相桥式结构,电路及其理想波形如图3-1(a)和3-1(b)所示。
图3-1三相桥式整流电路结构及波形
该电路中,当某一对二极管导通时,输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个,该线电压既向电容供电,也向负载供电。
当没有二极管导通时,由电容向负载放电,ud按指数规律下降。
设二极管在距线电压过零点δ角处开始导通,并以二极管VD6和VD1开始导通的时刻为时间零点,则线电压为
Uab=U2sin(ωt+δ)(3-1)
而相电压为
Ua=U2sin(ωt+δ-π2)(3-2)
在ωt=0时,二极管VD6和VD1开始同时导通,直流侧电压等于Uab;下一次同时导通的一对管子是VD1和VD2,直流侧电压等于Uac。
这两段导通过程之间的交替有两种情况,一种是在VD1和VD2同时导通之前VD6和VD1是关断的,交流侧向直流侧的充电电流id是断续的,如图1所示,另一种是VD1一直导通,交替时由VD6导通换相至VD2导通,id是连续的。
介于二者之间的临界情况是,VD6和VD1同时导通的阶段与VD1和VD2在ωt=π/3恰好衔接了起来,id恰好连续。
由前面所述“电压下降速度相等”的原则,可以确定临界条件。
假设在ωt+δ=2π/3恰的时刻“速度相等”恰好发生 ,可得
ωRC>3
这就是临界条件。
ωRC > 和ωRC≤ 分别是电流id 断续和连续的条件。
图中给出了ωRC等于和小于 时的电流波形。
对一个确定的装置来讲,通常只有R是可变的,它的大小反映了负载的轻重。
因此可以说,在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的,重载时是连续的,分界点就是R= /(ωC)。
ωRC > 时,交流侧电流和电压波形如图1所示,其中δ和θ的求取可仿照单相电路的方法。
δ和θ确定之后,即可推导出交流侧线电流 ia 的表达式,在此基础上可对交流侧电流进行谐波分析。
。
以上分析的是理想的情况,未考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感。
当考虑上述电感时,电路的工作情况发生变化,将电流波形与不考虑电感时的波形
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