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1、学 号： 课 程 设 计题 目AC-DC-DC电源设计（64V，1000W） 学 院自动化学院专 业电气工程及其自动化班 级姓 名指导教师 2014年6月20日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: AC-DC-DC电源(64V，1000W)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64V,纹波系数5%，功率1000W。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
2、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：2014年6月11日至2014年6月20日，历时一周半，具体进度安排见下表具体时间设计内容6.11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6.126.16开始查阅资料，完成方案的初步设计6.176.18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6.186.19撰写课程设计说明书6.20上交课程设计说明书，并进行答辩指导教师签名： 2014年 6月11日系主任（或责任教师）签名： 2014 年 月 日武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明书摘要 随着电子
3、技术的不断发展，新器件不断出现，电力电子技术的发展方向是高频、高效、高功率密度和智能化，最终使人们进入电能变换和频率变换更加自由的时代，并充分发挥其节能、降耗和提高装置工作性能的作用。功率半导体器件是现代电力电子技术（Modern Power Electronics）的基础，它的应用范围非常广阔，从毫瓦级的个人无线通信设备，到百万千瓦的高压直流输电（High Voltage DC Transmission）系统。 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，
4、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。 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64V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：AC-DC-DC MATLAB 电力电子装置I目录摘要.1开关电源11.1 开关电源组成11.2开关电源发展趋势11.3开关电源的分类21.3.1 D
5、CDC变换21.3.2 ACDC变换.32 电路总体设计及原理43主电路设计及参数计算53.1 整流部分设计53.2 降压斩波电路设计63.2.1 buck电路的工作原理63.2.2控制方式73.2.3 buck电路参数设计83.3 PWM控制的基本原理94 元件参数设置95仿真实验145.1开环仿真电路及波形145.1.1 开环仿真电路原理图145.1.2 仿真后的输出电压及电流波形155.2闭环仿真电路及波形165.2.1 闭环仿真电路图165.2.2 仿真后的输出电压及电流波形165.3开环控制与闭环控制比较176心得体会187 参考文献19AC-DC-DC电源设计1开关电源 1.1 开
6、关电源组成 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11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。
7、图1 线性稳压电源原理图1.2开关电源发展趋势1） 高频化 采用高频开关调制，容易实现功率等级密集化。理论分析和实践经验表明：变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。开关电源一般采用10kHz 100kHz的高频调制，随着软开关技术的不断发展，工作频率还不断提高。2）模块化、集成化 模块化有两方面的含义：（1）功率器件的模块化（2）电源单元的模块化3）绿色化 （1）节电 （2）减少污染 1.3开关电源的分类 开关电源可分为DCDC和ACDC两大类，DCDC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ACDC的模块化，因其自身的特性使得
8、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。 1.3.1 DCDC变换 1.电路种类 (1)6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、 升降压斩波电路、 Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。 (2)复合斩波电路不同结构基本斩波电路组合。 (3)多相多重斩波电路相同结构基本斩波电路组合。 2.DC-DC变换的基本控制方式 (1)时间占空比控制 开关频率不固定，还可能过高时间占空比控制的几种实现方式：a. 脉宽控制：T不变，改变ton调节a变化，改变Uo 斩波开关频率固定，易于设计输出滤波器b. 频率控制： ton不变，改变
9、T调节a变化，改变Uo 斩波开关频率不固定，难于设计输出滤波器c. 混合控制：既改变斩波频率，又改变导通时间 优点是可较大幅度改变输出电压平均值，但同样难于设计输出滤波器(2)瞬时值控制（滞环控制） 开关频率不固定，还可能过高 图2降压斩波电路图 图3 升压压斩波电路 图4 升降压斩波电路1.3.2 ACDC变换1整流电路：利用半导体电力开关器件的通、断控制，将交流电能变为直流电能称为整流。 2整流电路的分类：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。按电路结构可分为桥式电路和零式电路。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。3整流
10、电路分析 原理：利用了半控开关器件晶闸管的开通可控特性（承受正向电压，且有触发脉冲）和单向导电性。 相控整流：控制晶闸管触发相位角（脉冲施加时刻）就控制了电源电压送至负载的起始时刻，从而控制整流电压。 整流电路结构不同、负载性质不同，工作情况也就不同。 电路分析时要抓住晶闸管的导通时刻（满足导通条件时）和受到反压被强迫关断的时刻。理想化假设： （1）开关元件是理想的开关：通态压降=0；断态电阻无穷大；漏电流=0；开关过程瞬间完成； （2）变压器是理想的：漏抗、绕组电阻、励磁电流=0； （3）电网电压是理想的正弦波。2 电路总体设计及原理电源有一种输入，即单相220V交流电压，设频率为50HZ。
11、有一种输出：64V直流电压，输出功率约为1000W。交流220V经过一个滤波整流电路后得到直流电压，送入DC-DC降压斩波电路，控制电路提供控制信号控制IGBT的关断，调节直流电压的占空比，最后经过LC滤波电路的到所需电压。通过对输出电压的取样，比较和放大，调节控制脉冲的宽度，以达到稳压输出的目的。开关电源原理框图如下： 图5 开关电源原理框图3主电路设计及参数计算 3.1 整流部分设计整流电路图设计如下 图6 整流电路图工作时的波形图如下： 图7 工作波形3.2 降压斩波电路设计 3.2.1 buck电路的工作原理 图8 降压斩波电路压斩波电路（Buck Chopper）的原理图如图8所示。
12、该电路使用一个全控器件V，图中为IGBT，也可使用其他器件，若采用晶闸管，需要设置使晶闸管关断的辅助电路。在图8中，为在V关断时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势Em。若反电动势为零，则可以不画，图中Em=0,电路的工作波形如图9所示 图9 工作波形图t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。 t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降，通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。基本的数量关系如下:1. 电流连续时,负载电压的平均值为: （式3.1） 式中，ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，a为导通占空比，简称占空比或导通比。 负载电流平均值为: （式3.2） 2. 电流断续时,负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。3.2.2控制方式根据对输出电压平均值进行调制的方式不同,斩波电路有三种控制方式(时间比控制方式):1 脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton。（定频调宽控制模式）2 频率调制：ton
