ACDCDC电源100V方案设计书.docx
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ACDCDC电源100V方案设计书
封面
作者：
PanHongliang
仅供个人学习
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
许湘莲工作单位：
武汉理工大学
题目:
AC-DC-DC电源（100V）设计
初始条件：
设计一个AC-DC-DC电源，具体参数如下：
单相交流输入220V/50Hz，输出直流电压100V,纹波系数<5%，功率1250W。
（根据具体仿真或设计可修改红色参数）
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。
时间安排：
2013年6月8日至2013年6月18日，历时一周半，具体进度安排见下表
具体时间
设计内容
6.8
指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍；学生确定选题，明确设计要求
6.9－6.13
开始查阅资料，完成方案的初步设计
6.14—6.16
由指导老师审核模型，学生修改、完善并对数学模型进行分析
6.17－6.18
撰写课程设计说明书
6.18
上交课程设计说明书，并进行答辩
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要
电力电子技术为电力工业的发展和电力应用的改善提供了先进技术，它的核心是电能形式的变换和控制，并通过电力电子装置实现其应用。
电力电子装置是以满足用电要求为目标，以电力半导体器件为核心，通过合理的拓扑和控制方式，采用相关的应用技术对电能实现变换和控制的装置。
近年来，随着电力电子器件、控制理论的发展和人们对电源性能要求的提高，电力电子技术引起了学者们的广泛关注。
目前一些发达国家正逐渐把电力变换技术广泛应用于民用工业领域，我国在这一领域的研究起步较晚，但随着国民经济的发展，适合于不同要求的各种变换器越来越引起科研人员的关注。
本次课程设计通过对输入220V交流进行整流和直流斩波的电路结构和工作原理进行分析，设计出一种AC-DC-DC变换器，并采用闭环控制方法，转变为100V的直流输出，保证了系统的供电性能。
最后利用Matlab工具对所设计的电路进行仿真,仿真结果验证了所设计系统的有效性。
关键词：
电力电子装置AC-DC-DCMATLAB
目录
1概述1
1.1线性电源与开关电源比较1
1.2开关电源2
1.3开关电源的分类3
1.3.1DC／DC变换3
1.3.2AC／DC变换4
1.4开关电源国内发展现状4
1.5开关电源的发展趋势5
2设计的基本要求6
3电路总体设计及相关原理7
4主电路设计及参数计算8
4.1整流部分设计8
4.2降压斩波电路设计9
4.2.1buck电路的工作原理9
4.2.2控制方式11
4.2.3IGBT简介11
4.2.4buck电路参数设计12
5matlab仿真13
5.1MATLAB/SIMULINK简介13
5.2PWM控制的基本原理14
5.3元件清单及参数设置15
5.4开环仿真电路及波形23
5.4.1开环仿真电路原理图23
5.4.2仿真后的输出电压及电流波形23
5.5闭环仿真电路及波形24
5.5.1闭环仿真电路图24
5.5.2闭环仿真输出电压和电流波形25
5.6开环控制与闭环控制比较26
心得与体会27
参考文献28
AC-DC-DC电源设计
1概述
随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。
电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。
任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。
电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。
20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。
在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代了传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。
1.1线性电源与开关电源比较
目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大类。
线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源，其稳压性能好，输出电压波纹很小，但它必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大，效率低。
开关电源（SPS）被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现己成为稳压电源的主流产品。
开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达90%。
比普通线性稳压电源效率提高近一倍。
开关电源亦称为无工频变压器的电源，它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可采用体积较小的滤波元件和散热器，这就为研究与开发高效率、高密度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础。
近年来，为了实现功率调节和远程控制等功能以及减小体积、减轻重量的需要，用智能高压功率集成电路驱动的开关电源得到了广泛应用和快速发展。
采用这种集成电路来调节和控制开关电源，不但外部电路简单，元件数目少，而且可以和微处理器直接接口或通过局域网（LAN）来实现编程或控制功能。
1.2开关电源
开关电源自从上世纪60年代问世以来，就在各个领域得到广泛的应用。
以计算机领域为例，苹果公司是最早在它的电脑中应用开关电源的公司之一，开关电源的应用也是苹果电脑价格低廉的一个重要原因。
而现在，几乎所有的计算机都采用各种开关电源技术来满足不同的需要。
开关电源中主要的组成部分有：
PWM控制器、功率开关管、变压器和反馈电路。
图1．1所示的就是一个开关电源电路。
它的输入部分由桥堆和输入电容组成，产生的未经调整的直流电压进入到变压器的原边，然后耦合到变压器的副边，通过在副边的反馈电路，把输出电压（或电流）的变化反馈到PWM控制器上，PWM控制电路根据反馈回来电压（或电流）值的大小来决定功率MOSFET开、关时间的长短，从而将输出电压（或电流）维持在一个稳定的值上。
也就是说，通过快速的开、关功率管，由MOSFET开、关时间的长短即占空比来调整存在变压器原边的能量，提供一个持续的稳定的输出电压。
根据反馈电路的不同，对输出的控制精度也不同。
早期的开关电源除了需要PWM控制器和功率开关管外，还包括大概40到80个分立元件构成一些辅助电路。
这不但增加了成本和体积，而且还使可靠性受到影响。
从提高开关电源的竞争力来说，提高控制电路和保护电路的可集成性，使电源系统的设计简单化成为一个关键的问题。
多年来，由于技术上的障碍（高压、大功率），开关式集成电源电路在集成化上一直得不到长足的进步，直到最近十年，大规模和超大规模集成电路技术迅猛发展，使集成电路的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，催生出了一批全新的全控型功率器件，首先是功率MOSFET的问世，导致了中小型功率电源向高频化的发展；绝缘栅控双极晶体管（IGBT）的出现，也为大中型功率电源向高频发展带来机遇。
因此目前可以通过集成复杂的功能电路来进一步提高开关电源的性能和安全性，这包括热关断电路、限流电路、过／欠压保护电路等等。
由上述可见，与线性电源相比，开关电源输出精度高、转换效率高，性能可靠。
除此之外，开关电源最大的优势还在于能够大幅度缩小变压器的体积和重量，这是因为开关电源的变压器工作于50KHz到1MHz的高频条件下，而不是像线性电源中的那样工作于50Hz的低频状态，因此缩小了变压器的体积和重量，而这也就缩小了整个电子系统的体积和重量。
理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积和重量与供电频率的平方根成反比。
如果把工作频率从工频50Hz提高到20KHz，提高400倍，用电设备的体积和重量可以下降至工频设计的5％-一10％，其主要材料可节约90％或更高，可节电30％或更多。
因此，开关电源代替线性电源是大势所趋。
电源电路除了进一步向小型化和集成化方向发展以外，电源设计目前正进一步地向着绿色化方向发展，目前各国特别是欧美等发达国家对节能要求越来越高，而发电是造成环境污染的重要原因，因此节电可以减少对环境的污染：
其次这些电源不能对电网产生污染，许多开关电源会对电网造成污染，向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。
各种有源滤波器和有源补偿器的诞生，就产生了许多修正功率因数的方法，这为批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。
图1-1开关电源电路
1.3开关电源的分类
开关电源可分为DC／DC和AC／DC两大类，DC／DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC／DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。
以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。
1.3.1DC／DC变换
DC／DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。
斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式TS不变，改变ToN（通用），二是频率调制方式，ToN不变，改变Ts（易产生干扰）。
其具体的电路由以下几类：
1）Buck电路一降压斩波器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，极性相同。
2）Boos电路一升压斩波器，其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，极性相同。
3）Buck—Boost电路一降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。
4）Cuk电路一降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui极性相反，电容传输。
当今软开关技术使得DC／DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC／DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为（6、2、10、17）W／corn3,效率为80％～90％。
日本NemieLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为200KHz""300KHz，功率密度已达到27W／tom3，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到95％。
1.3.2AC／DC变换
AC／DC变换是将交流电压变换为直流电压，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流"，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。
AC／DC变换器输入为50／60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC／DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求。
由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了AC／DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。
AC／DC变换按电路的接线方式可分为半波电路、全波电路。
按电源相数可分为单项、三相、多相。
按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。
1.4开关电源国内发展现状
近年来，集成开关电源的沿着两个方向不断发展：
1）对开关电源的核心单元——控制电路实现集成化
1977年国外首先研制成功脉冲宽度调制（PwM）控制器集成电路。
美国摩托罗拉公司、硅通用公司（SiliconGeneral）、尤尼特德公司（Unitrode）等相继推出一批PWM芯片，典型产品有MC3
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