大容量可调ac-dc直流开关电源主电路设计

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1、石家庄铁道大学四方学院毕业设计大容量可调 AC-DC直流开关电源主电路设计The Main Circuit Design of Large Capacity Adjustable AC-DC Switching Power2013 届 系专 业 学 号 学生姓名 指导教师 完成日期 2012 年 5 月 15 日毕业设计成绩单学生姓名 刘坤 学号 20086477 班级 方 0810-2 班 专业 电气工程及其自动化毕业设计题目 大容量可调 AC-DC 直流开关电源主电路设计指导教师姓名 刘建华指导教师职称 副教授评 定 成 绩指导教师 得分评阅人 得分答辩小组组长 得分成绩：院长(主任) 签

2、字：年 月 日毕业设计任务书题目 大容量可调 AC-DC 直流开关电源主电路设计学生姓名 刘坤 学号 20086477 班级 方 0810-2 专业 电气工程及其自动化承担指导任务单位 电气工程系导师姓名 刘建华导师职称 副教授一、设计内容用单片机和 MOS 管设计一种高性能、大容量可调 AC-DC 直流开关电源。二、设计条件输入电压：380V15% ，三相三线制，频率 50Hz5%输出：DC28V，额定电流 600A，电压可调范围 0-35V。具备输入过电压、欠电压，输入缺相，输出过电压，过流等保护功能。动态性能：超调20V 时测量）三、设计的基本要求1设计该系统原理图，说明其工作原理。2设

3、计 AC-DC 主电路，确定各元器件参数和型号。3DC-DC 电路设计，确定各元器件参数和型号。4设计保护电路，确定元件型号和参数。5. 高频变压器设计。四、参考文献 1黄俊 电力电子变流技术 机械工业出版社 2004 年2莫正康 半导体变流技术 机械工业出版社 1993 年3张延鹏 高频开关电源 人民邮电出版社 1999 年4王水平 开关稳压电源 西安电子科技出版社 1997 年五、进度计划1-3 周 课题调研、收集、学习参考资料，查阅外文资料；4 周 查阅相关的外文资料，并翻译；5-6 周 整理参考资料，设计总体设计方案，作开题报告；7 周 设计 AC-DC 主电路，计算各元器件参数，并选

4、择各元件型号；8-9 周 DC-DC 电路设计，确定各元器件参数和型号；10 周 设计保护电路，并确定各元器件参数和型号；11-12 周 设计高频变压器，计算各参数并确定型号；13 周 实现电路的 MATLAB 软件仿真；14-15 周 整理并撰写毕业设计论文，提交论文给指导老师；16 周 答辩。教研室主任签字 时间 年 月 日毕业设计开题报告题目 大容量可调 AC-DC 直流开关电源主电路设计学生姓名 刘坤 学号 20086477 班级 方 0810-2 专业 电气工程及其自动化一、研究背景随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源

5、。进入二十世纪 80 年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。进入二十世纪 90 年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电力检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开 关 电 源 是 利 用 现 代 电 力 电 子 技 术 ， 控 制 开 关 晶 体 管 开 通 和 关 断 的 时 间 比 率 ， 维 持 稳 定输 出 电 压 的 一 种 电 源 ， 开 关 电 源 一 般 由 脉 冲 宽 度 调 制 （ PWM） 控 制 IC 和 开 关 器 件（ MOSFET、 BJT 等 ） 构 成 。 开 关

6、电 源 的 发 展 方 向 是 高 频 、 高 可 靠 、 低 耗 、 低 噪 声 、 抗 干 扰和 模 块 化 ,而 高 频 化 使 开 关 电 源 小 型 化 ， 并 使 开 关 电 源 进 入 更 广 泛 的 应 用 领 域 ， 特 别 是 在高 新 技 术 领 域 的 应 用 ， 推 动 了 开 关 电 源 的 发 展 前 进 ， 每 年 以 超 过 两 位 数 字 的 增 长 率 向 着 轻 、小 、 薄 、 低 噪 声 、 高 可 靠 、 抗 干 扰 的 方 向 发 展 。开 关 电 源 大 容 量 的 实 现 使 其 在 更 广 的 范 围 内 得 以 应 用 ， 以 广 泛 应

7、 用 于 工 业 自 动 化 控 制 、军 工 设 备 、 科 研 设 备 、 LED 照 明 、 工 控 设 备 、 通 讯 设 备 、 电 力 设 备 、 仪 器 仪 表 、 医 疗 设备 、 半 导 体 制 冷 制 热 、 空 气 净 化 器 ， 电 子 冰 箱 ， 液 晶 显 示 器 ， LED 灯 具 ， 通 讯 设 备 ， 视听 产 品 ， 安 防 ， 电 脑 机 箱 ， 数 码 产 品 和 仪 器 类 等 领 域 。二、国内外研究现状（要求 1.过内现状 2.国外现状）由于开关电源具有功率转换效率高，文雅范围宽，功率密度大，重量轻等特点，已取代先行地那远，相控电源成为新一代电源的

8、主题。在传统开关电源中，由于功率器件工作在开关状态，器件常常在高电压下开通，在大电流下关断，所以，也存在一些问题，如射频干扰和电磁干扰大，开关损耗大，输出纹波大，器件的安全工作区窄，电路对分布系数比较敏感等等缺点。随着技术的进步，特别是功率器件的更新换代，功率变换技术的不断改进，新型电磁材料的不断使用，控制方法的不断进步，以及相关科学的不断融合，开关电源的缺点正逐步得到克服，射频干扰和电磁干扰已经被抑制在一个很低的水平上，输出纹波降低到几毫伏以下已经不成问题。开关电源的技术主要得益于以下三个方面技术的进步：(1)电力电子器件的迅速发展和换代促进了变流技术和变流装置的现代化自上个世纪五十年代末第

9、一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台，以此为基础开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的一次革命，使电能的变换和控制从旋转变流机和静止变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子学的诞生。进入七十年代，晶闸管开始形成有低电压，小电流到高电压、大电流的系列产品，普通晶闸管不能自关断的半控制器件，被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，是电力电子技术的又一次飞跃，先后研制出 GTR GTQ 功率 MOSFET 等自关断全控型第二代电力电子器件。而以绝缘栅双极晶体管为代表的第三代电力

10、电子器件，开始超大功率，高频率，影响快，响应快，低损耗方向发展。进入九十年代，电力电子器件正朝着复合化，标准模块化，智能化，功率集成的方向发展，在国际上电力电子技术是竞争最激烈的高新技术领域之一。(2)变换器主电路拓扑结构的研究一般来说，正激、反激、推挽、半桥、全桥这几种拓扑是最常用的，不同的拓扑适用于不同的场合。正激变换电路简单，元件数量少，保护用以实现。缺点是开关器件电压感应高，输出电压纹波比较大，变压器磁芯工作在第一象限，磁芯利用率低，而且需要附加磁复位电路，适用于小功率成和。反激变换器元件数量少，输出电压纹波小。缺点是磁芯利用率低，适用于小功率场合。推挽变换器磁芯工作在一、三象限，利用

11、率高，但是开关器件电压应力是输入电压的两倍，因此适合低压输入场合。半桥变换器开关器件电压应低于输入电压，但是电流是相同条件下推挽变换器的两倍因此只适用于中小功率场合。半桥变换器最大的优点在于其对电路不平衡有自动的抑制作用，因此使用非常广泛。全桥变换器开关器件电压等于输入电压，输入电流是相同条件下半桥变换器的一半，适用于高压大功率场合。缺点是开关器件数量多，控制复杂。(3)微型计算机控制技术与专用控制芯片的迅速发展和广泛应用为开关电源的成功应用提供了技术手段和保证。随着微电子技术和超大规模集成电路技术迅速发展，使得微型计算机计算速度更快、体积更小、性价比更高，同时功率损耗大大降低，可靠性比以前更

12、高，使得对电源系统的监控的实时性更高、更方便。另一方面，随着开关电源的广泛应用，全球一些知名厂家都竞相开发出各种电力电子电路控制用的集成电路，专门集成电路相对于分立器件控制电路来说，集成电路性能更优越，可靠性更高，成本更低。这为开关电源的成功应用提供了技术手段和保证。三、论文的主要工作和所采的方法手段：（给出结构原理框图）本文的主要工作是设计大容量可调 AC-DC 直流开关电源主电路，根据其设计具有的技术要求，分析得出，市电经过输入滤波以后，首先经过整流滤波电路变成含有一定脉动成分的直流电压，然后进人高频变换部分，此部分主要设计整流桥。高频变换部分的核心是 DC-DC 变换器，它主要由高频功率

13、开关和高频变压器组成。高频功率开关将直流高压斩波，并有高频变换器转换成所需的电压范围内的方波，此部分主要确定逆变电路和高频变压器。最后将这个方波电压整流滤波，得到所需的电压，此部分主要确定整流输出电路。其中要考虑各个部分需要的保护电路，确保电路的可靠性与稳定性。主要采用的方法是，根据不同电路应用的条件，器件的应用条件选择，外加不断试验比较选择最合适的电路与器件，确定开关电源主电路系统。四、预期达到的结果：通过循序渐进的原则，设计出各个模块，并对每个电源模块进行调试，然后对整个电源系统进行调试，设计出整个实验装置，满足设计要求，符合设计开关电源应具有的输入输出特性，具有一定的调节范围，具有输入过

14、电压、欠电压，输入缺相，输出过电压，过流等保护功能等等，并可先在 MATLAB 中仿真模拟，做到准确可行或做出相应的改变。教研室主任签字 时间 年 月 日1摘 要开关电源在效率、体积和重量等方面都远远优于线性电源因此已经基本取代了线性电源，成为电子设备供电的主要电源形式。目前世界各国都有广泛的应用，特别是对大容量高频开关电源的研究和开发已成为当今电力电子学的主要研究领域，并派生了很多新的研究方向。本文研究的主要内容就是大容量可调 AC-DC 直流开关电源主电路的设计。本文详细的分析了大容量可调 AC-DC 直流开关电源的工作原理，并详细的讨论了主电路各个环节的可选设计方案。在此基础上，完成了整

15、个系统的主电路设计，及器件的选择。根据分析的原理，交流市电经过输入滤波以后，首先经过整流、滤波电路变成含有一定脉动电压成分的直流电压，然后进入 DC-DC 变换器部分。高频变换部分产生高频（20kHz 以上）高压方波，所得到的高压方波送给高频隔离降压变压器的初级。在变压器的次级感应出电压，电压再经过整流、滤波后就产生了低压直流。本文同时探讨了该电源系统实现大容量的解决方案，即采用多个电源模块并联运行。本文研制的直流开关电源具有输出电压可调、输出电流大等显著特点，使之具有广阔的应用前景。关键词:开关电源 主电路 DC-DC 变换器 高频变压器 2AbstractSwitching power is far superior to the linear power supply in such aspects as the efficiency, volume and weight, therefore it has replaced the linear power supply basically and become the main po