关于电路的报告三篇.docx
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关于电路的报告三篇
关于电路的报告三篇
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单相AC-DC变换电路设计
学生：
指导教师：
1课题来源
本课题为单相AC-DC变换电路设计研究课题，课题来源于大学生电子大赛课题，具有工程背景。
2研究的目的和意义
近几年来，随着电子技术和制造工艺的不断发展和电源技术的日益成熟，人们对电源的转换效率提出了越来越高的要求。
在电气领域中，开关电源占据着举足轻重的位置，高效率是未来电源发展的必然趋势。
传统的AC-DC变换电路由于要通过高频变压器来实现电压变换，很难将效率提高到更高的层次，也很难降低电源的纹波。
本系统所设计的高效率的单相AC-DC变换电路，可以输出恒定的36V直流电压，在额定输出电流为2A时，可实现高达90%以上的电源转换效率。
高效率、低纹波的电源转换不仅可以提供更加可靠的供电系统，同时也可以带来非常可观的经济效益。
3发展趋势
国外整流器的发展
自20世纪50年代，美国宇航局以小型化轻量化为目标而为搭载火箭开发首个开关电源以来，在半个多世纪的发展中，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。
随着集成电路的发展，开关电源逐渐向集成化方向发展，趋于小型化和模块化。
近20年来，集成开关电源沿两个方向发展，第一个方向是对开关电源的控制电路实现集成化。
1977年国外首先研制成调制控制器集成电路，美国Motorla公司、SiliconGeneral公司、Unitrode公司等相继推出一系列PWM芯片。
近年来，国外研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM芯片。
第二个方向是实现中、小功率开关电源单片集成化。
国内整流器的发展
国内在功率换流领域方面的研究起步较晚，与先进的工业国家相比尚有较大的差距
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。
因此，进行高性能的PWM整流器的研究开发工作，并尽快产品化具有重大意义。
4研究的主要内容及设计成果的应用价值
研究的主要内容
本次毕业设计的主要内容是研究单相AC-DC变换电路设计。
要提出一种AC-DC电源控制电路思路，重点设计基准电路、电压控制电路、误差放大电路、振荡器电路等。
然后针对各模块要实现的功能来设计具体的模块电路，并用相应软件对各模块进行仿真验证，使其达到设计要求。
设计要求
设计并制作如图1所示的单相AC-DC变换电路。
输出直流电压稳定在36V，输出电流额定值为
2A
在输入交流电压Us=24V、输出直流电流Io=2A条件下，使输出直流电压Uo=36V±。
当Us=24V，Io在～范围内变化时，负载调整率SI≦%。
当Io=2A，Us在20V～30V范围内变化时，电压调整率SU≦%。
设计并制作功率因数测量电路，实现AC-DC变换电路输入侧功率因数的测量，测量误差绝对值不大于。
具有输出过流保护功能，动作电流为±。
方案论证
1．整流滤波模块
方案一：
半波整流电路。
半波整流电路简单，易于理解，如图所示。
但是半波整流会浪费一半的波形，效率和稳定性不好。
5
3
方案二：
全桥整流电路。
全桥整流电路是通过四个二极管组成桥式整流电路，利用二极管的单向导电性整流。
在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。
单相桥式整流电路的波形图见图（b）。
桥式整流电路效率较半波整流高，稳定性好，实验电路选择方案二作为整流方案。
2．升压模块
方案一：
采用经典boost升压电路。
如图所示。
方案一电路简单，成本低，但是控制起来困难，控制精度低，实现起来较为复杂，不易调试。
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方案二：
采用集成电路芯片LM2587作为核心芯片，加上适当的外围元件作为主电路，电路如图所示。
方案二成本较高，但是集成芯片LM2587功能强大，频率高，实现起来较为简单，效率高。
通过外围单路能够调节升压电路的输出值，控制起来较为简单，且精度极高。
升压电路最终选择方案二作为主电路。
3.过流保护
方案一：
采用主电路串联保险丝的方法进行过流保护。
此方法看似简单，但是实际操作中发现部分保险丝质量不是很好，动作时间较慢，容易出现误保护，不保护的情况。
且更换保险丝较为麻烦，顾不采用此方案。
方案二：
采用单片机控制继电器的方法实现电路的过流保护。
让单片机的AD口采总路电流，当电流超过时，控制继电器切断电路。
方案二用单片机控制，精度较高，可调性好，断电保护后根据需要可以很快恢复供电，使用方便。
过流保护电路采用方案二作为主电路。
应用价值
在设计的整个过程中，需要查阅大量相关文献和专业书籍，做出的成果还需上交学院老师反复审查与修改，所得结果有一定的参考性；同时会结合现实实际情况做出一些相对应的解决方案，故其中的设计流程及相关的考虑因素也是值得借鉴的。
研究过程中的学习方法和经验也是值得借鉴的。
5工作的主要阶段、进度
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XX年秋季学期第12周前要求及有关规定。
阅读指定的参考文献（包括5-10万个印刷符号与课题或本专业相关的外文资料）。
上交开题报告、外文翻译，指导教师批阅。
XX年春季学期第9周前
提交毕业设计中期报告
XX年春季学期第12周前
完成毕业设计，全部成果交指导教师批阅。
XX年春季学期第14周前
毕业答辩。
XX年秋季学期第20周前
6最终目标及完成时间
通过本次设计能圆满完成毕业设计的各项要求，并且能够顺利通过答辩；较好的储备单相AC-DC变换电路设计的相关理论知识及设计经验；提交完整的毕业论文及相应的实验数据与表格。
完成时间：
第14周
7现有条件及必须采取的措施
现有电力电子仿真软件，可以完成单相AC-DC变换电路设计。
在设计中必须采取波形仿真措施来证明软件的有效性。
8协助单位及要解决的主要问题
本课题的完成应解决模型的搭建以及软件的仿真等技术问题，同时，需要得到电气与新能源学院电力电子系的大力支持和帮助。
一背景
直流变换器是一种将模拟量转变为数字量的半导体元件。
按功能可分为:
升压变换器、降压变换器和升降压变换器。
在燃料电池汽车中主要采用升压变换器。
变换器首先通过电力电子器件将直流电源转变成交流电（AC）,一般称作逆变,然后通过变压器（升压比为1∶n）升压,最后通过整流、滤波电路产生变压后的直流电,以供负载使用.直流转换器与一般的变换器相比，具有抗干扰能力强、可靠性高、输出功率大、品种齐全等特点，用途广泛，输入输出完全隔离，输出多路不限，极性任选。
宽范围输入变换器是专为满足输入电压变化范围较大场合需要而开发的一种直流稳压电源,其输入直流电压可以在DC100V-375V宽范围内变动而保证输出电压的稳定性.此外,这种电源体积小,重量轻、保护功能完善,具有良好的电磁兼容性。
本身具有过流、过热、短路保护。
多档输出的变换器,它不仅提供电源而且有振铃和报警功能。
该变换器分为军用、工业及商业三个品级，在诸如通信机房、舰船等蓄电池供电的场合极为适用。
直流—直流变换器（DC/DCConverter）早在10年前就做成了元器件式样,在系统中损坏时可以卸下更换。
目前,它正从低技术、元器件型转向高技术、插件（Buildingblack）型发展。
系统设计师在开始方案设计阶段就要考虑系统究竟需要什么样的电源输入、输出DC/DC变换器作为子系统的一个部件,应该更仔细地规定它的指标以及要付出多少费用。
有趣的是,全球声称可供给军用DC/DC变换器的厂家超过300家,但却没有两
种产品是相同的,这给系统设计师选用该产品时造成困难。
设计师们考虑的最重要的事是:
对产品的性能价格比进行综合平衡,决定取舍。
需求和市场决定制造厂的发展战略目前,对制造厂家而言,面临着要求降低噪声、减小尺寸以及提高功率和效率的挑战和市场竞争。
现扼要介绍几家公司的做法。
当今,在任何一个计算机系统中,各种电源都是以插件形式出现的。
供应厂商均按用户的要求作相应改动以适应需求。
DC/DC直流变换器的军品市场占很大比重,但增长缓慢。
分析家们预测:
到1996年,DC/DC变换器最大市场将是计算机和通信领域。
美国InterPoint公司的研究开发战略是:
针对军用及宇航系统应用,提供一种更便宜、功率更大、性能更好的产品,它们比现有DC/DC变换器有全面改进。
预计今后几年的实际问题仍是产品价格。
采用模块化方法可以降低成本,同时提高DC/DC变换器输出功率。
一些应用系统要求功率高达2KW,如果采用200W的产品去构建系统,至少要10～12个产品,既麻烦也影响系统可靠性。
该公司认为必须研制出功率比200W大2～3倍的大功率电源,而且单件成本控制在～倍才合适。
模块化方法,可以通过消除非重复工程成本（NRE）使系统成本降低。
这种模块化的器件也是分布式供电系统的基本构件。
鉴于分布式供电比集中供电系统有更多优点,而绝大多数应用系统要求在母线级上直流电压要分别供给不同逻辑电路各种电压,例如+5V、+12V、+等等。
一些厂家利用板级（on-Card）DC/DC变换器来实现,另一些供应商则把几种输出合在一起,把电源放在靠近需要供电的电路板上。
ArnoldMagnetics公司供应多档输出的直流变换器,它不仅提供电源而且有振铃和报警功能。
为了占领市场,产品随着性能提高,其价格也应最低。
各家公司,在维持性能不变时,尽量设法降低生产、销售成本。
由于经济原因，电力生产、输送和都采用三相系统。
在三相系统允许更高的功率密度,使用更少的器件和更高的效率比等效单相系统好。
此外,由于相位的差异，三相系统目前在时间常数平均功率。
同样的优势鼓励使用的三相整流器和逆变器。
许多工业应用程序需要大功率直流-直流转换。
这些应用程序包括分布式发电、不间断电源、和运输。
传统的孤立的直流-直流转换器使用单相变压器,它通常是大而重,单相整流器。
针对受益于三相系统的优势,一些工作已经完成使用直流-直流转换器,使用三相高频变压器和三相整流器。
这些变化可以减小体积、重量、和整个系统的成本。
三相直流-直流转换器提出了良好的性能，当高频隔离是理想的。
降低滤波器高的组件面临压力近年来,已经完成并应用三相直流-直流转换为燃料电池能源处理
-和电池在汽车设备应用。
它体现了潜在的优势。
二研究现状
姚伟，郑步生，洪峰在《车载双管正激直流变换器的设计》研究了一种适用于电动汽车的高效率双管正激直流变换器，在提出一种设计方案的基础上，重点对其控制电路，反馈回路、启动电路和变压器的关键参数等进行了详细分析设计。
其中控制电路使用SG3525芯片，采用二型补偿对控制电路进行补偿。
实验测试结果表明该变换器输出稳定，有较高的转换效率。
丁小满，张从旺《电力机车直流变换器的设计》从直流变换器的热设计、工艺设计及安全性设计方面对直流变换器产品的设计进行阐述。
目前，按照以上设计思路研制的变换器已经通过试验验证，技术参数完全满足要求。
在电磁兼容试验，振动、冲击试验，高温、低温试验中，技术参数完全满足要求。
项目成果在电力机车、8轴车及国产化列车中得到成功运用。
李云，张小勇，刘福鑫，阮波《机车车辆充电机用移相全桥ZVSPWM变换器的设计》。
文章介绍了一种机车车辆充电机的核心部件——加箝位二极管的零电压开关PWM倍流整流全桥变换器。
该变换器的优点是可以利用输出滤波电感和谐振电感在宽负载范围内实现开关管的零电压开关，利用箝位二极管可以有效消除二次侧整流管上的电压尖峰和振荡，同时采用倍流整流技术可优化变压器和输出滤波电感的设计。
梁喆，欧阳名三在《基于SG3525矿用直流变换器控制电路的设计》对传统模式进行改进使直流变换器具有自启动功能，利用软启动引脚设计了欠电压和过电流保护。
并对电压调节器进行了设计，减小了直流变换器输出电压纹波。
李艳、阮新波、杨东升、刘福鑫在《双输入直流变换器的建模与闭环系统设计》中因为采用两个甚至多个输入源的新能源联合供电系统中，用单个多输入直流变换器代替原有的多个单输入直流变换器，可以简化电路结构，降低系统成本。
将以双输入Buck变换器为例，进行系统建模以及闭环调节器的设计，使得该系统稳态和动态能
指标达到要求。
桂存兵，谢运祥，谢涛，陈江辉《推挽DC-DC变换器平均电流控制研究》中提出怎样提高推挽变换器的电流稳定性和系统可靠性，通过分析了DC/DC推挽变换器的工作原理，在此础上建立了小信号数学模型。
并施以电流型双环控制策略，有效的提高系统的动态响应和保护能力。
给出了推挽变换器的控制系统的设计过程，并进行了仿真和实验研究，结果表明针对推挽变换器，双环控制策略具有良好动态和静态控制性能。
胡晓清，尚修香在《一种适用于电动汽车的ZVS全桥变换器研究》研究了一种适用于电动汽车的集成寄生元件的ZVS变换器，利用变压器的寄生电感和晶体管的输出电容可实现变换器的ZVS功能，使变换器具备经济、紧凑的特点。
通过分析电路的工作原理、寄生量的计算和ZVS参数的优化，对变换器的设计进行系统研究.
姚建红，张艳红，刘继承《一种新型全桥移相PWM零电压零电流变换器》，为了实现全桥软开关变换器能在很宽的负载变化范围内实现零电压零电流变换，提出了一种改进的电路拓扑结构，设计了一种新型的全桥移相脉宽调制零电压零电流变换器，该电路中，超前桥臂前面增加了一个辅助电路，使其超前桥臂能在轻载的情况下很好地实现零电压变换；在高频变压器的副边采用无源钳位电路，使其滞后桥臂能在满载的情况下很容易地实现零电流变换；此外，在辅助电路中的电容与变换器的输出滤波电容之间用一个钳位二极管连接，限制了变压器的二次侧电压。
一、课题的目的及意义
1.选题背景及课题目的和意义
自第三次工业革命以来，电力电子技术飞速发展，广泛应用于电力、电子、通信、计算机等领域。
其中，开关功率变换器作为一种基本的电力电子元件，国内外对于其应用和研究进行了广泛的探讨。
然而随着电力工业发展，用户对电能质量的要求越来越高，各种电子元件特别是微处理器对供电模块的性能提出了极高的要求，传统的控制方法越来越不适用于现代电力工业对负载动态响应速度，稳态精度和传输效率的要求。
经过半个多世纪的不断探索，开关功率变换器的控制技术有了脱胎换骨的变化，实现了从传统的模拟调制向数字调制，从单一电压调制向电压、电流、电荷以及组合调制方式的转变，有效的提高了变换器的动态性能。
本课题的目的在于综合分析比较现有调制方式，选择合理的有现实意义的调制策略，对其进行深入分析和研究，最终实现所选择方式的实验实现，为进一步的研究提供基础，实现相关领域人才和技能的培养。
2.国内外研究现状与选型分析
按照开关变
换器控制方式的发展历程，经历了从模拟控制到数字控制，从单环控制到双环控制，从线性控制到非线性控制，从单一控制量到组合控制的转变，有效的提高了开关变换器的快速响应能力，可以较好的满足现代电力工业对复杂电力环境下调制的要求。
模拟控制技术是最早应用于各个控制领域，不失为一种有效的控制手段，但随着电子信息工业的发展和微型计算机的普及，基于计算机的数字控制技术异军突起，借助于信息工业的优势，称为现代控制技术的主要发展方向。
模拟控制技术是一种连续控制，通过事先计算好的电感电容参数组建电路，实现对输出量的控制。
经过多年的发展，模拟控制技术已经相当成熟，然而其依然存在难以克服的固有缺陷：
①元器件比较多，控制电路复杂，不易于小型化；
②控制策略受到电路元件和电路结构的局限，控制电路成型后很难修改；
③由于模拟元件参数随工作环境变化，导致系统控制精度下降；
④调试不方便，难以实现复杂控制方案，灵活性较低。
此外，还存在没有内置的限流功能保护电路器件，对输入和输出的瞬变响缓慢等缺点，但在早期应用中不失为一种有效的控制方案。
数字控制技术是一种离散控制，通过A/D转换器将模拟量离散后输入计算机控制系统，不依赖于具体的电路元件。
早期由于数字元件的成本、性能等自身问题，未能大规模应用于控制领域。
近年来，随着微机工业的进步，数字控制技术也迎来了快速发展。
相较于模拟控制技术，数字控制技术具有很多突出的优点：
①设计简便，易于灵活调整控制策略而不需要更改硬件电路；
②易于与其余数字设备对接；
③易于实现更加复杂而精确的控制算法。
缺点在于一是采样精度过高时会对硬件系统带来很大的计算负担，二是当PWM控制频率过高时对计算机性能带来挑战。
总体来说，数字控制技术优势明显，是开关变换器控制技术的发展趋势。
不管是模拟控制技术还是数字控制技术，其基本控制原理都是用采集量控制输出量，所不同的是信号在电路中的表现形式；相对而言，数字控制技术更加直观，程序更易理解、修改，因而成为现代主流的研究方向。
电压型控制方式
电压型控制是一种单环控制方式，多应用于早期的控制环节，至今其应用范围依然很广泛。
电压型控制是利用采样输出电压作为单环控制的输入信号，将该信号与参考电压比较的差值经过误差放大器补偿后生成控制电压。
控制电压与锯齿波进行比较，生成脉冲宽度与控制电压成正比的脉冲信号，该信号再经过驱动电路来驱动开关的导通和关断，实现变换器输出电压的调节。
电压型控制的优点：
独立的一个电压控制环路，属于单环闭环负反馈控制，设计和分析相对比较简单，电路易于实现且由于锯齿波的幅值比较大，抗干扰能力比较强。
电压型控制的缺点：
输入电压或输出电流变化后，因为采样信号为输出电压，只有在输出电压改变时才能检测出变化，并反馈回来进行纠正，因此响应速度比较慢。
此外，由于电压型控制对过电流没有限制，因而需要额外的电路来限制过电流的危害。
经过多年成熟的发展，电压型控制技术应用于广泛的领域，但因其响应的快速性和响应精度越来越难以达到现代电力负载快速变化的要求，速度较慢，越来越不适用于现代电力电子工业场合，现有新投入使用的设备使用较少，因此实验实现意义较小。
电流型控制方式
电流型控制方式是当前研究最广泛，最深入的一种开关变换器控制方式，其能适应现代复杂多变的电力网络对变换器的需求，因而是当代使用较为广泛的一种变换器。
电流控制属于双环控制，其动态响应能力较强，且易于实施过电流保护，从而有效的保护电路元件。
根据不同的调制策略，电流型调制可以细分为：
峰值电流控制、谷值电流控制和平均电流控制。
1978年，国外学者提出了峰值电流控制技术，该技术采用电感电流代替电压型控制的锯齿波作为比较器的一个输入信号。
峰值电流控制同时引入输出电压（电容电压）和电感电流两个状态变量作为反馈控制变量，提高了开关变换器的性能。
峰值电流控制工作原理为：
在每一个开关周期开始时，时钟信号使触发器置位，开关控制信号高电平，使开关导通，电感电流由初始值线性增大，检测电阻上的电压也线性增大，当该电压增大到控制电压时，比较器翻转，使触发器复位，控制信号为低电平，开关关断，直到下一个时钟脉冲到来，开始一个新的开关周期。
控制电压由检测的输出电压与参考电压的差值经误差放大器后生成。
峰值电
流控制除了可以采用电感电流作为内环控制外，还可以采用开关电流。
峰值电流技术与传统电压控制相比，通过控制电流峰值的大小来有效的避免了过电流的危害，同时提高了变换器的响应速度，提高了输出稳态精度，最重要的是其限流功能对变换器实现了过流保护。
与峰值电流控制技术对应，谷值电流控制的控制量是电流谷值，从而能够取得较低的控制电压，容易在CPU允许的工作环境下进行控制。
谷值电流控制的原理为：
在每一个开关周期开始时，时钟信号使触发器复位，开关控制信号低电平，使开关关断，电感电流由初始值线性减小，检测电阻上的电压也线性下降，当该电压减小到控制电压时，比较器翻转，使触发器置位，控制信号为高电平，开关导通，直到下一个时钟脉冲到来，开始一个新的开关周期。
控制电压由检测的输出电压与参考电压的差值经误差放大器后生成。
峰值电流控制除了可以采用电感电流作为内环控制外，还可以采用二极管电流。
通过上文的叙述可知，峰值电流控制和谷值电流控制存在对称性，均为利用电感电流的最值进行控制，对控制侧电流值拥有良好的控制能力。
进一步分析可知，峰值电流控制和谷值电流控制存在对偶关系，两者可以相互类比，更加容易理解二者的控制方式。
峰值电流技术和谷值电流技术均对一侧电流拥有较好的控制能力，但对全过程控制能力有限，有其在特定占空比下易产生次谐波振荡。
峰值电流控制的原理为：
检测电阻上的电压与误差电压相减后，经积分器得到信号，再与锯齿波比较得到控制信号控制开关导通或关断。
平均电流控制的优点在于：
通过积分器减小控制信号波动，使电感电流峰值值能够有效跟踪设定值；利用积分器获得优越的噪声抑制能力。
缺点在于：
电流积分器的增益有限制，双环控制系统设计复杂，积分作用使得动态响应能力变慢。
在峰值电流控制中，如何计算第n个周期的峰值电流关键，如果选择的计算点太少，会影响计算精度，产生较大的误差；如果选择的计算的过多，则又会严重影响计算速度。
功率变换器还存在其余更加复杂的控制方式，利如利用每个周期输入电荷总量的电荷型控制，控制二极管电压的磁通型控制，利用电压双环反馈的V控制，以及双电压环加电流环的VC控制等。
经过分析与比较，本次毕业设计拟采用基于四点均值法的数字控制平均电流调制策略，并进行仿真分析，最后争取在实际电路模型中实现。
22
二、课题任务、重点研究内容、实现途径
1.课题任务
课题任务主要包括如下三方面：
综合运用《自动控制理论》《电力电子技术》《计算机控制技术》《数字控制技术》等主干课程知识，理解峰值电流调制策略的原理与实现路径，在仿真平台上搭建仿真电路，实现电流调制的仿真实现；学习DSP编程方法，学会利用DSP实现相应的程序；搭建实验电路，在实际电路中实现峰值电流控制方法。
2.重点研究内容
重点研究内容如下：
峰值电流控制的基本原理、控制过程；仿真平台软件的使
用与调制，仿真模型的搭建；DSP编程学习，数字化实现峰值电流控制；物理电路的搭建与实验仿真，实验实现峰值电流控制方法。
3、进度计划
学生签名：
20xx年4月1日
4、指导教师意见
指导教师签名：
20xx年4月1日
参考文献：
王凤岩.快速瞬态响应电压调节器控制方法的研究.成都：
西南交通大学，
WangFengyan.Studyonthecontroltechniqueofvoltageregulatorwithfasttransientresponse.Chengdu:
SouthwestJiaotongUniversity,XX.
MammanoR．Switchingpowersupplytopology:
voltagemodevs.currentmode.UnitrodeDesignNoteDN-62,1994.
Dixon currentmodecontrolofswitchingpowersupplies.UnitrodeApplicationNoteU140，1990.
RedlR，SokalNO.Current-modecontrol,fivedifferenttypes,usedwiththethreebasicclassesofpowerconverters:
small-signalACandlarge-signalDCcharacterization,stabilityrequirements,andimplement
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