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1、75.1V/200W半桥DC/DC开关电压源电气工程学院2011级电力电子与电力传动实训报告项目名称： 75.1V/200W半桥DC/DC开关电压源项目负责人： *涛项目成员： 负责老师： 指导老师： 2014年 12月 11日电力电子与电力传动实训报告项目成绩： 评阅人： 指导老师： 年 月 日项目负责人：姓名 学号 项目成员： 姓名 学号 项目成员： 姓名 学号 摘 要电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。由于开关电源本身消耗的能量低，电源效率比普通线性稳压电源提高一倍，被广泛用于电子计算机、通讯、家电等各个行业。它的效率可达85
2、以上，稳压范围宽，除此之外，还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点，是一种较理想的稳压电源。本项目对半桥开关电压源进行了主电路、控制电路设计，进行了开、闭环特性研究。项目根据电力电子技术课程对半桥DC/DC电压源主电路进行了建模，采用控制策略为电压单闭环PI控制。在建模的基础上在PSIM软件中搭建模块进行了开、闭环仿真，开环仿真占空比变化，输出电压平均值变化，通过改变占空比能线性调节输出电压；闭环仿真下，输入电压变化时，半桥开关电源能恒定输出给定电压值，PWM占空比有变化，负载变化时，能输出给定电压值。在PESX-电力电子与电力传动开发平台上构建整个电路，在不同条件下研究了开关电源开、闭环性
3、能，完成了实物实验。在实物实验下，开环系统能输出稳定的直流电压，输出电压线性可调，闭环系统对输入电压变化能稳定输出电压，对负载变化能稳定输出电压，验证了闭环系统的稳定性。75.1V/200W半桥DC/DC开关电压源目 录1、项目技术目标31.1 指标31.1.1 电压31.2 采用的技术32、项目的主电路设计42.1 主电路结构42.2 工作原理42.3 器件参数63、项目控制电路设计73.1 控制电路设计基本原理73.2 控制电路原理图73.3 工作原理83.4 参数选择174、系统仿真174.1 PSIM软件介绍174.2 主电路和控制电路模型184.3 系统仿真184.3.1 开环仿真1
4、84.3.2 闭环仿真214.3.3 开环与闭环对比245、实验分析255.1电力电子与电力传动开发平台介绍255.2 采用模块255.2.1 PESX-02 三相逆变桥255.2.2 PESX-03 单相/三相整流桥265.2.3 PESX-04 电容组件275.2.4 PESX-T 高频变压器275.2.5 PESX-L1 高频滤波电抗器285.2.6 PESX-21 控制电源箱285.2.7 PESX-22 电压传感器箱295.2.8 PESX-23 IGBT驱动箱295.2.9 PESX-25 PWM控制箱305.3 实验过程305.3.1 开环实验305.3.2 闭环实验326、结论
5、、问题和体会356.1 结论356.2 问题366.3 体会361、项目技术目标 本项目半桥开关电压源输入为直流电，经变换电路输出可调直流电。闭环系统下能稳定输出给定电压。1.1 指标 1.1.1 电压 输入电压：DC408V，电压波动15% 输出电压：DC75.1V 恒压精度：优于5% 电压调整率：优于5% 负载调整率：优于5% 输出功率：200W1.2 采用的技术 1）输入直流电由三相交流电经二极管整流桥得到； 2）控制系统为电压单闭环控制； 3）PWM控制板以专用PWM控制芯片SG3525为核心，可用于多种DC/DC电源变换器控制（升压斩波器、降压斩波器、反激开关电源、正激开关电源、半桥
6、开关电源和桥式开关电源）和直流电机调速系统控制，可以实现各种信号的监测、保护和反馈，控制板上有多种跳线，可实现开环、单闭环和双闭环多种控制功能； 4）IGBT驱动电路以2SD315-AI专用IGBT驱动模块为核心，外加工作电源过欠压检测、短路保护设置、上下桥臂信号互锁以及故障信号恒流源变换等功能； 5）电压传感器采集输出电压，使用的传感器是NV25-P，它采用霍尔感应原理，可测量任意波形电压。2、项目的主电路设计2.1 主电路结构图2-1 主电路主电路变压器输入两个桥臂一个是电容桥臂，另一个是IGBT桥臂，变压器二次侧串联。电容两端输出电压。2.2 工作原理当S1关断、S2导通时，电源及电容C
7、2上储能经变压器传递到二次侧，同时电源经变压器、S2向C1充电，C1储能增加；反之，S1开通、S2关断时，电源及C1上储能经变压器传递到二次侧，此时电源经S1、变压器向C2充电，C2储能增加。S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压，变压器二次侧电压经D1、D2整流，L、C滤波后即得到直流输出电压。改变开关的占空比，就可改变二次侧整流电压Ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。S1、S2断态时承受的峰值电压均为Ui。电流连续时工作过程：工作状态1：开关S1导通时，二极管D1处于通态，电感电流流经变压器绕组2、二极管D1和滤波电容C及负载R，电感电流增长。工作状态2：开关S1
8、、S2都处于断态，变压器绕组1中的电流为零，根据变压器的磁动势平衡方程，绕组2和绕组2中的电流大小相等、方向相反，所以D1和D2都处于通态，各分担一半的电流。电感L的电流逐渐下降。工作状态3：开关S2导通时，二极管D2处于通态，电感电流流经变压器绕组2、二极管D2和滤波电容C及负载R，电感电流增长。工作状态4：与工作状态2相同。图2-2 工作原理波形由于电容的隔直作用，半桥型电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧典雅的直流分量有自动平衡的作用，因此，该电路不容易发生变压器偏磁个直流磁饱和的问题。为了避免上下两开关在换相过程中发生短暂的同时导通而造成短路损坏开关，每个开关各自的占空
9、比不能超过50%，并留有裕量。当滤波电感电流连续时Uo=w2*ton/(w1*Ts)*Ui2.3 器件参数快恢复二极管： 由于半桥开关电源电压变化快，所以为了使输出电压恒定，减少纹波，选用快恢复二极管。根据实验室的现有设备，选用的型号如下：型号：DSEI 2101 V_RRM ：1200V I_FAVM ：291A Trr：40ns普通三相整流桥：型号：MDS100-12V_RRM ：1200VI_D ：100A输入桥臂电容：输入电压为650V，桥臂电容对称，每个电容需承受650/2=325V的电压。根据实验室的现有的器件，选用电容为：型号：930C12W3-3K 额定电压：DC1200V 额
10、定容量：3uF 额定纹波电流：5.6A(20kHz，85)IGBT型号： 输入电压为650V，在半桥开关电源中，IGBT工作时所需承受的最大电压为输入电压为Ui，即为650V，所以根据实验室的条件，IGBT选用型号如下：BSM50GB120DN2 最高输入直流电压：700V 门极控制电压：20V高频变压器： 由于半桥开关电源属于高频变换电源，开关电压较高，所以需要高频变压器，根据实验室现有条件，选用型号如下：额定功率：3kW(频率16KHZ) 额定输入电压：265V(方波幅值) 输入电压范围：265V10% 额定输入电流：16A 次边输出电压1：DC110V(次边并联) 次边输出电流1：32A
11、(次边并联) 次边输出电压2：DC220V(次边串联) 次边输出电流2：16A(次边串联)输出滤波电感： 0.9mH输出滤波电容： 560uF3、项目控制电路设计3.1 控制电路设计基本原理给定电压PI控制器限幅器PWM电路驱动电路主电路电压传感器输出电压图3-1 控制电路基本原理 控制系统为电压单闭环控制。给定电压与输出电压比较输入PI控制器，得到占空比信号，与三角波比较后得到PWM信号，PWM信号经驱动电路输出到主电路控制开关。PI能根据输出电压变化自动调节占空比，从而控制输出电压达到给定电压值。3.2 控制电路原理图电路图由电源指示和保护单元、给定单元、给定积分器、电压/速度调节器、PW
12、M 控制器、输出电压检测和保护单元、故障锁定单元、直流电压检测和保护单元、电流检测和保护单元组成。如图3-2所示。图3-2 控制电路原理图3.3 工作原理电源指示和保护单元图3-3 电源指示和保护单元原理图电源指示和保护单元的原理如图3-3所示。 输入VCC（+15V）和VSS（-15V）都经F1和F2可恢复保险后有两个防反二极管D8和D9，电源接反时，电源经防反二极管短路，保险断开，保护了控制板和电源。电源接线正常时，电源指示灯L1和L2亮。控制板出现短路或过载时，保险断开，保护电源。给定单元：图3-4是给定单元的原理图。给定单元的电压是由SG3525内部产生一个稳定性能稳定的5V电压源，有
13、板上给定和面板给定两个，两个给定通过两个二极管取大输出。当调试时，可采用板上给定，调节电位器RP1调节给定的大小，给定由D1输出。采用外部给定时，可将PR1的输出调到0V，外部给定由V-ref通过D2输出为给定。外部给定可以用一个电位器接上JK1上调节。图3-4 给定单元给定积分单元：给定积分器的功能是让给定信号按一定的上升或下降斜率加到调节器的输入作为参考指令Ur，以防止上升指令变化太快对大惯性系统的冲击。上升斜率小，上升时参考指令慢慢增大，下降斜率大，下降指令快速减小。这样既能限制指令上升速度，减小上升时的电流冲击，又能保证减速时的安全。图3-5 给定积分器给定积分器的原理可以由上升和下降
14、两个过程来分析。其中三个运行放大器分别用作比较器（U1A）、积分器（U1C）和反向器（U1A）。给定为0时，三个放大器输出都0V，当给定为某一值U1时运行放大器U1A输出最小值-13.8V，二极管D3导通，电容C1经D3、R8恒流充电，放大器U1C的输出由0线性增大，放大器U1B是反向器，其输出将由0V线性减小。当U1B的输出与给定大小相等方向相反时，U1A的输入为0，输出也为0V，对C1的充电流停止，C1两端电压不变，输出Ur也不变，此时输出Ur与给定相等。只要给定不变，输出一直不变。二极管导通电压按0.7V计算，则上升斜率可计算为：给定减小到0V时，放大器U1A的输出为最大值13.8V，C1由D4和R7反充电，开始下降过程。放大器U1C的输出线性减小，放大器U1B的输出负线性增大，当U1B的输出为0V时，U1A的输出为0V，C1反充电停止，U1C的输出维持为0不变。下降斜率可计算为：可见下降速度上升速度的10倍。图3-5中
