降压型PWMACDC开关电源设计

学号：07091110012009-2010学年第2学期《电力电子技术》课程设计报告题目：降压型PWMAC-DC开关电源课程设计专业：电气自动化本班级：07自动化本姓名：毕飞飞指导教师：焦俊生成绩：电气工程系2010年6月16日课程设计任务书学生班级：07自动化本学生姓名：毕飞飞学号：0709111001设计名称：降压型PWMAC-DC开关电源课程设计起止日期：2010-6-10至2010-6-17指导教师：焦俊生设计要求：设计一款降压型PWMAC-DC开关电源，设计参数如下：输入参数：1.输入交流电压：单相AC220V2.输入电压变动范围：20%3.输入频率：50Hz2Hz输出参数：1.输出直流电压：24V2.输出功率：约200W设计基本要求:1.设计主电路；2.设计控制电路和保护电路；3.计算主电路电力电子器件参数；4.绘制主电路、控制电路和保护电路电路图；5.绘制完整电路图。目录1.引言................................................31.1开关电源的概念....................................31.1.1PWM技术简介.................................31.1.2降压型DC-DC开关电源原理简介.................41.2开关电源的发展简介................................51.2.1开关电源的发展史.............................61.3开关电源的发展展望................................62.降压型PWMAC-DC开关电源设计的基本要求................73.电路总体方案的设计及相关原理..........................74.主电路设计及参数计算...................................64.1主电路的设计.....................................64.2主电路的参数确定..................................85.控制电路、驱动电路及保护电路的设计....................125.1控制及驱动电路设计...............................125.2保护电路的设计...................................136.课程设计总结.........................................14参考文献...............................................14附录...................................................151.引言1.1开关电源的概念开关电源(SwitchModePowerSupply，SMPS)是以功率半导体器件为开关元件，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，这一点称为成本反转点。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。开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源电路主要由整流滤波电路、DC-DC控制器（内含变压器）、开关占空比控制器以及取样比较电路等模块组成。1.1.1PWM技术简介1脉冲宽度调制（PWM），是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制，脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉冲宽度调制（PWM）基于采样控制理论中的一个重要结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。在控制时对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率.PWM运用于开关电源控制时首先保持主电路开关元件的恒定工作周期（T=ton+toff），再由输出信号与基准信号的差值来控制闭环反馈，以调节导通时间ton，最终控制输出电压（或电流）的稳定。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。1.1.2降压型DC-DC开关电源原理简介2将一种直流电压变换成另一种固定的或可调的直流电压的过程称为DC-DC交换完成这一变幻的电路称为DC-DC转换器。根据输入电路与输出电路的关系，DC-DC转换器可分为非隔离式DC-DC转换器和隔离式DC-DC转换器。降压型DC-DC开关电源属于非隔离式的。降压型DC-DC转换器主电路图如下：其中，功率IGBT为开关调整元件，它的导通与关断由控制电路决定；L和C为滤波元件。驱动VT导通时，负载电压Uo=Uin，负载电流Io按指数上升；控制VT关断时，二极管VD可保持输出电流连续，所以通常称为续流二极管。负载电流经二极管VD续流，负载电压Uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常串联L值较大的电感。至一个周期T结束，在驱动VT导通，重复上一周期过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。负载电压的平均值为式中，ton为VT处于导通的时间，toff为VT处于关断的时间；T为开关管控制信号的周期，即ton+toff；α为开关管导通时间与控制信号周期之比，通常称为控制信号的占空比。从该式可以看出，，占空比最大为1，若减小占空比，该电路输出电压总是低于输入电压，因此将其称为降压型DC-DC转换器。负载电流的平均值为若负载中电感值较小，则在VT管断后，负载电流会在一个周期内衰减为零，出现负载电流断续的情况。因此有降压DC-DC开关电源有非连续电流模式（DCM）VDUinVTLCRUoIoinoninoffononinoUTtUtttUURUIoo和连续电流模式（CCM)两种工作模式。波形图如下所示：1.2开关电源的发展简介3负载电流连续时的波形负载电流断续时的波形GEUGEUoioUoUoittttttooooooontTofftTontofft能源在每个国家中的地位都是举足轻重，关乎兴衰的，所以如何开发并合理利用能源是一个重要的课题。特别对于我国这样的能源消耗大国和贫乏国，更是如此。我国、美国和俄罗斯等大国始终把能源技术列为国家关键性的科技领域。能源技术的其中一个重要方面就是电力电子技术，这是一门结合了微电子学、电机学、控制理论等多种学科的交叉性边沿学科，它利用功率半导体器件对电网功率、电流、电压、频率、相位进行精确控制和处理，使得电力电子装置小型化、高频化、智能化，效率和性能得以大幅度提高。开关电源技术属于电力电子技术，它运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，可以满足各种对参数的要求。这些变换包括交流到直流(AC-DC，即整流)，直流到交流(DC-AC，即逆变)，交流到交流(AC-AC，即变压)，直流到直流(DC-DC)。广义地说，利用半导体功率器件作为开关，将一种电源形式转变为另一种电源形式的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源（SwitchingPowerSupply)。由于其高效节能可带来巨大经济效益，因而引起社会各方面的重视而得到迅速推广。电源管理芯片实际上也是指具有自动控制环路和保护电路的DC-DC变换芯片，是开关电源的核心控制芯片。电源管理芯片在90年代中后期问世，由于替换了大部分分立器件，使开关电源的整体性能得到大幅度提高，同时降低了成本，因而显示出强大的生命力。我国开关电源起源于1970年代末期，到1980年代中期，开关电源产品开始推广应用。那时的开关电源产品采用的是频率为20kHz以下的PWM技术，其效率只能达到60%~70%。经过20多年的不断发展，新型功率器件的研发为开关电源的高频化莫定了基础，功率MOSFET和IGBT的应用使中、小功率开关电源工作频率高达到400kHz(AC/DC)和1MHz(DC/DC)。软开关技术的出现，真正实现了开关电源的高频化，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了开关电源的效率。目前，采用软开关技术的国产开关电源，其效率已达到93%。但是，目前我国的开关电源技术与世界上先进的国家相比仍有较大的差距。1.2.1开关电源的发展史开关电源的发展历史可以追溯到几十年前，可分为下列几个时期：1.电子管稳压电源时期(1950年代)。此时期主要为电子管直流电源和磁饱和交流电源，这种电源体积大、耗能多、效率低。2.晶体管稳压电源时期(1960年代-1970年代中期)。随着晶体管技术的发展，晶体管稳压电源得到迅速发展，电子管稳压电源逐渐被淘汰。3.低性能稳压电源时期(1970年代-1980年代末期)。出现了晶体管自激式开关稳压电源，工作频率在20kHz以下，工作效率60%左右。随着压控率器件的出现，促进了电源技术的极大发展，它可使兆瓦级的逆变电源设计简化，可取代需要强迫换流的晶闸管，目前仍在使用。功率MOSFET的出现，构成了高频电力电子技术，其开关频率可达l00kHz以上，并且可并联大电流输出。4.高性能的开关稳压电源时期(1990年代~至今)。随着新型功率器件和脉宽调制(PWM)电路的出现和各种零电压、零电流变换拓扑电路的广泛应用出现了小体积、高效率、高可靠性的混合集成DC-DC电源。1.3开关电源的发展展望1.半导体和电路器件是开关电源发展的重要支撑。2.高频、高效、低压化、标准化是开关电源主要发展趋势：1）低电压化半导体工艺等级在未来十年将从0.18微米向50纳米工艺迈进，芯片所需最低电压最终将变为0.6V，但输出电流将朝着大电流方向发展。2）高效化应用各种软开关技术，包括无源无损软开关技术、有源软开关技术，如ZVS/ZCS谐振、准谐振；恒频零开关技术；零电压、零电流转换技术及目前同步整流用MOSFET代替整流二极管都能大大地提高模块在低输出电压时的效率，而效率的提高使得敞开式无散热器的电源模块有了实现的可能。3）大电流、高密度化4）高频化为了缩小开关电源的体积，提高电源的功率密度并改善其动态响应，小功率DC－DC变换器的开关频率已将现在的200～500kHz提高到1MHz以上，但高频化又会产生新的问题，如开关损耗以及无源元件的损耗增大，高频寄生参数以及高频电磁干扰增大等。5）在封装结构上正朝着薄型，甚至超薄型方向发展2.降压型PWMAC-DC开关电源设计的基本要求设计一款降压型PWMAC-DC开关电源，设计参数如下：输入参数：1.输入交流电压：单相AC220V2.输入电压变动范围：20%3.输入频率：50Hz2Hz输出参数：1.输出直