电力电子课程设计

电力电子课程设计说明书全桥型开关稳压电源设计院、部：电气与电子工程信息学院学生姓名：指导教师：肖文英职称副教授专业：电气工程及其自动化班级：完成时间：2014年6月摘要本次课程设计了一台输出电压为48V稳压范围宽、大功率的全桥型开关稳压电源、并给出了设计波形图。该课程设计主要运用了软开关PWM技术。给出了全桥整流电路、逆变电路驱动电路、控制电路的具体设计方法。本全桥型开关稳压电源最大功率达1000W，输出电流约为20A，设计采用了AC／DC／AC／DC变换方案。一次整流后的直流电压，经过有源功率因数校正环节以提高系统的功率因数，再经全桥变换电路逆变后，由高频变压器隔离降压，最后整流输出直流电压。在设计中首先画出主电路图，主电路图由整流电路、逆变电路组成。全桥电路的开关元件使用的是MOSFET。全桥移相电路采用UC3875控制芯片，并作数据处理，MATLAB仿真作出了不同角度的仿真波形图。并说明其工作原理，再通过基本计算，选择触发电路和保护电路的结构以及晶闸管的型号和变压器的变比及容量，完成本设计的任务。关键词：开关电源；全桥；PWM控制电路；整流；逆变；高频变压器ABSTRACTThecurriculumdesignaoutputvoltage48Vvoltagewiderange,highpowerfullbridgeswitchregulatedpowersupplyandgiventhewaveformdiagramisdesigned.ThiscoursedesignmainlyusesthesoftswitchPWMtechnology.Thedesignmethodofthecircuitandthecontrolcircuitofthewholebridgerectifiercircuitandtheinvertercircuitaregiven..Thefullbridgeswitchregulatedpowersupplymaximumpowerupto1000W,outputcurrentisabout20a,designedusingAC/DC/AC/DCconverterscheme.ArectifiedDCvoltage,bymeansofactivepowerfactorcorrectionlinktoimprovethepowerfactorofthesystem,againafterfullbridgeconverterinvertercircuit,bythehighfrequencytransformerisolatedbuck.Finally,theoutputDCvoltage.Inthedesign,themaincircuitdiagramisdrawn,themaincircuitdiagramiscomposedoftherectifiercircuitandtheinvertercircuit..TheswitchingelementofthewholebridgecircuitisMOSFET.ThefullbridgephaseshiftedcircuitusesUC3875controlchip,anddataprocessing,MATLABsimulationtomakeadifferentangleofthesimulationwaveforms.Andexplainitsworkingprinciple,againthroughthebasiccalculation,selecttriggercircuitandprotectioncircuitstructureandthyristormodelandtransformerratioandcapacity,completethedesigntask.Keywordsswitchingpowersupply;fullbridge;PWMcontrolcircuit;rectifier;inverter;HFtransformer目录第一章绪论…………………………………………………………………………11.1开关电源概况………………………………………………………………11.2本文设计内容………………………………………………………………2第二章开关稳压电源电路设计……………………………………………………32.1开关稳压电源总体设计方案……………………………………………32.1.1全桥稳压电路总体结构图及其说明……………………………32.1.2总体方案论证……………………………………………………32.2开关稳压电源具体电路设计…………………………………………32.2.1整流电路设计……………………………………………………32.2.2逆变电路设计……………………………………………………42.2.3驱动电路设计……………………………………………………52.2.4全桥移相开关控制电路…………………………………………52.3高频变压器变比及容量……………………………………………………82.4系统仿真及波形……………………………………………………………92.4.1MATLAB仿真软件介绍……………………………………………92.4.2仿真电路图………………………………………………………102.4.3仿真分析…………………………………………………………11第三章课程设计总结…………………………………………………………14参考文献……………………………………………………………………………15致谢…………………………………………………………………………………171第一章绪论1.1开关电源概况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，进入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、电子检测设备电源、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。开关电源高频化是其发展的方向，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，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在安防监控，节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。开关电源产品广泛应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，安防监控，LED灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。直流开关电源的核心是DC/DC转换器。直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类：一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器；另一类是没有隔离的称为非隔离式DC/DC转换器。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中，变压器式开关电源还可以进一步分成：推挽2式、半桥式、全桥式等多种；根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、单激式和双激式等多种；如果从用途上来分，还可以分成更多种类。1.2本文设计内容开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关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MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。开关型稳压电源是由全波整流器，开关管，激励信号，续流二极管，储能电感和滤波电容组成。实际上，开关稳压电源的核心部分是一个直流变压器。“开关型稳压电源”与“串联调整型稳压电源”相比，以其高效节能；适应市电变化能力强；输出电压可调范围宽；一只开关管可方便地获得多组电压等级不同的电源；体积小，重量轻等诸多优点，而被广泛地得到采用。本实验由主电路、整流电路、逆变电路、控制电路、驱动电路组成。再设计中运用了电压驱动全控器件MOSFET来设计主电路，它具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快、开关频率高等优点。并配以整流电路和逆变电路。改变开关的占空比，就可以输出电压的平均值，我们知道当S1导通时，输出整流二极管D1导通；反之，S2导通时，二极管D2导通。当SI、S2都关断且电感电流连续时，D1、D2同时导通续流，开关元件断态时承受的峰值电压是Ure全桥电路不容易发生变压器的偏磁和直流饱和现象。03第二章开关稳压电源电路设计2.1开关稳压电源总体设计方案2.1.1全桥稳压电路总体结构图及其说明图2.1全桥型开关稳压电源的基本结构电流经过整流后变为直流，再经过高频逆变变为交流，再经过高频整流到直流，最后经过滤波得到所需的直流。2.1.2总体方案论证由于开关稳压电源的调整工作于开关状态，导通时管压降很小截止电流几乎为零，因此工作时管耗很小使开关电源的效率很高，通常在8O%左右，而线性电源一般效率低于50%。由于开关电源的开关元件的工作频率很高，通常在几十KHz至几百KHz范围，因此电路中所使用的都是高频变压器其体积重量都很小，而且大多数开关电源都省去工频变压器由电网工频直接整流滤波，所以开关电源比同功率的线性电源其体积重量都小得多。由丁开关电源的输出电压是由脉冲波形的占空比调节的，受输入电压幅度的影响较小，所以它的稳定范围很宽，对电网电压要求较低一般电网电压从140V--260V开关电源均可工作而线性电源一般允许电网电压波动正负10%，另电网电压频率变化4%时开关电源仍可工作。2.2开关稳压电源具体电路设计2.2.1整流电路设计整流电路高频逆变变压器高频整流滤波器4图2.2输入整流滤波电路图整流滤波电路，主要有两部分组成：整流桥和滤波电路。2.2.2逆变电路设计图2.3逆变电路设计图如图2-2，采用电压型逆变电路，它有四个桥，可以看成由两个半桥电路组合而成，把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，组成的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180度，其特点为：直流侧为电压源或并联有大电容，交流侧输出波形为方波，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。52.2.3驱动电路设计图2.4驱动电路图电流经过整流后变为直流，再经过高频逆变变为交流，再经过高频整流变为直流，最后经过滤波得到想要的直流，再传给负载。2.2.4全桥移相开关控制电路图2.5全桥移相开关控制电路图在DC/DC变换器中，则多采用以全桥移相控制软开关PWM变换器，它是直流电源实现高频化的理想拓扑之一，尤其是在中、大功率变换器应用场合。用软开关技术实现的DC/DC变换器其效率可达90%以上。6UC3875控制芯片：UC3875是用于移相全桥型软开关电源控制的集成PWM控制器，可对全桥型开关的相位进行相位移动，实现定频脉宽调制控制。UC3875其外形有20引脚封装和28引脚封装，UC3875内部结构方框图如下：图2.6UC3875内部结构方框图UC3875外接控制电路：图2.7UC3875外部控制电路图UC3875软开关电源移项PWM控制集成电路，对两个半桥开关电路的相位进7行移动控制，实现半桥功率级的恒频PWM控制，借助开关器件的输出电容充放电，在输出电容放电结束的状态下完成零电压开通。相位控制的特点体现在UC3875的4个输出端分别驱动A/B、C/D两个半桥，都能单独进行导通延时的调节控制，在该死区时间内确保下一个