开关电源--答辩PPT.ppt 24页

'大功率开关电源的设计与制作物理与电子科学学院电子信息科学与技术周祥兵 第一章绪论1.1前言电力电子学是综合应用电工理论、电子技术及控制理论等，利用电力电子(功率半导体)器件控制或变换电能，以达到合理而高效率地使用能源。它是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。开关电源作为电力电子学中不可或缺的一种电源形式，具有十分重要的地位。 1.2选题背景近年来，在高压大功率的应用场合，开关电源作为一种高效好型、高性能的电源己广泛用于家用电器、电子计算机、变频器等电子设备中。采用开关电源后，可以使相关装置体积小、重量轻、功耗低、稳压范围宽，大大地改善了装置的控制可靠性及保护性能。但其制造和成本受到开关器件和开关变压器的制约。选择本课题期望能利用比较廉价的驱动模块及元器件设计出高效率的大功率开关电源。 1.3本课题要求和设计要求1.分析、掌握该课题总体方案，广泛阅读相关技术资料，并提出自己的见解。对比各种方案针对设计要求提出最佳方案。2.掌握大功率开关电源的工作原理。并对设计模块进行详细的分析说明。3.设计硬件系统并进行仿真，掌握系统调试方法，使系统达到设计要求。 第二章系统的整体方案分析选择2.1开关电源变换器性能比较传统直流稳压电源是电子、电器、自动化设备中的最基础部分。传统的转换方法设计制作的电源，其效率低、损耗大、温升高。当今计算机及自动化设备上大多数控制电源都向低压大电流、高效率、重量轻、体积小的方向发展。在这种要求面前首先得到发展的是晶体管串联式开关稳压电源。随着对开关电源研究的深入，各种实用的开关电源都已经被研发并投入市场。 随着电力电子技术的发展，大功率开关晶体管、快恢复二极管及其他元器件的电压得到很大的提高，为发展高频开关电源创造了条件，下图是无工频变压器的开关电源的方框图。图1.无工频变压器的开关电源方框图 2.2高频变换器的分析电路类型传输功率应用环境单端反激式变换器20～100W小型仪器、仪表，家用电器等电源，自动化设备中的控制电源单端正激式变换器50～200W小型仪器、仪表，家用电器等电源，自动化设备中的控制电源推换式变换器100～500Ｗ控制设备，计算机等电源半桥式变换器100～5000W焊机，超声电源，计算机电源等全桥式变换器500～30kW焊机、高频感应加热，交换机等目前，用高频变压器的变换电路按其工作方式可以分为五类，每类都用自己的特点，传输功率也不相同，应用环境也不相同，如下所示： 第三章大功率开关电源方案选择方案选择：根据第二章中资料分析对五种高频变换器的对比以及本课题高效率大功率开关电源的要求，选择全桥式变换器和驱动模块PM4020A来完成本课题的设计，全桥式变换器的特点是输出功率大、工作效率高，并且非常适合于输入电压很高的情况下：驱动模块PM4020A在性能、体积、价格方面都有十分突出的优点。具体设计原理图如下图6所示： 图2.大功率开关电源设计原理图该电路以输入电压经过整流滤波进行AC-DC转换，然后通过全桥式高频变换器进行低频到高频的转换，然后输出高频整流滤波。其中辅助电路包括保护电路和缓冲电路等。它们对输出的输出信号进行检测，电路工作正常则输出直流电压，系统工作异常则对系统进行保护和反馈。 3.1驱动模块PM4020A资料分析全桥通用开关电源驱动模块PM4020A和PM4060A的引脚排列是一样的，如果没有特殊说明所有不同型号的半桥和半桥脚列相同及不同型号全桥和全桥脚列相同！引脚排列如图7所示：图3.驱动模块引脚分布图论文中对本文选择的驱动模块PM4020A的内部结构以及引脚的功能都做了详细的分析说明。 3.2全桥式变换器工作原理分析全桥式变换器：控制开关K1和K4与控制开关K2和K3正好组成一个电桥的两臂，变压器作为负载被跨接于电桥两臂的中间。因此，我们把图12的电路称为全桥式开关电源电路。图4.全桥式变换器工作原理图 3.3降压变换器工作原理分析降压式变换器：降压变换器又称BUCK变换器，它是一种对输入输出电压进行降压变换直流斩波器，即输出电压低于输入电压。其基本结构如图13所示。图5.降压变换器工作原理图 3.4功率变压器主要参数设计在设计制作模块需要对变压器绕制的参数进行设定，具体项目如下所示：1变压器磁芯选择功率铁氧体材料，E-E型。2工作磁感应强度确定为0.2T。3变压器的计算功率式中：Pt为变压器的计算功率，单位为W，Po为变压器的输出功率，单位为W，制作方案设定UO为60V，IO为20A，所以Pt为2700W 4磁芯设计输出能力的确定5绕组匝数的计算，计算公式为：6导线线经的计算7线圈的绕制方法因为变压器用的是中间抽头变压器，功率较大，宜采用三明治绕法。三明治绕法是中间初级绕组，两边次级绕组，或中间次，两边初。这种绕法会对变压器的温度有很大的帮助，且磁力线在变压器中分布较均匀，所以绕组耦合较均匀，漏感少，对外界干扰小，对纹波影响较小。 3.5输出整流滤波电路设计全波整流电路：如图17所示,变压器中心抽头构成了全波整流电路，U2=U2a+U2b，正半周时：U2瞬时极性a(+),b(-)，VD1正偏导通，VD2反偏截止。负半周时：U2瞬时极性a(-),b(+)，VD1反偏截止，VD2正偏导通。整流电路VD1和VD2轮流导通，整个周期内都有电压输出。图6.全波整流电路 第四章保护电路和缓冲电路的设计4.1保护电路的设计保护电路包括（1）输入过压保护电路（2）输入过流保护电路（3）输入欠压保护电路4.2缓冲电路的设计充放电型RCD缓冲电路如图7所示，这种缓冲电路既能够起到电压钳位的作用，又能够控制电压的上升率。该缓冲电路对浪涌电压有抑制效果。图7.RCD电路 第五章系统的建模与仿真5.1MATLAB简介MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和两Simulink大部分。本课题仿真使用的是Simulink部分。5.2系统的建模1.PWM环节：开关电源控制系统中，调节器的输出u为直流电平，与锯齿波Us相比较，得到占空比随u变化得PWM信号，因此PWM环节将控制量u由电压信号转换为时间信号D。 1.PWM模块的设计脉宽调制(PWM)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技术。根据PWM工作的原理可以得到以下仿真模块，用以产生可调的PWM信号。图8.PWM模块的设计 先输入一个工频脉冲信号，通过比较器，经积分器产生三角锯齿波，通过示波器1显示。仿真的三角波形如下：图9.PWM产生的三角波形 再通过比较取符号可产生一路脉冲信号，由分频器产生两路互补驱动脉冲，Out1和Out2。通过In1输入可以调节PWM信号的占空比。仿真产生驱动波形如下：图10.两路输出驱动波形 2.系统的建模将生成的PWM子系统封装并添加到我的库。通过设计方案分析可知系统的开环系统是稳定的，在MATlAB里搭建系统的模块采用双闭环，PID初设为1。系统的模型为：图11.系统建模的模型 在调试过程中，Step设50，K取0.125，限幅0.005，频率100K，令KP=1，Ki=0.01kd=0.1可以优化输出曲线。得输出曲线如下图。图12.输入为50V系统响应曲线 由图可知加补偿的系统输出曲线无超调，无稳态误差满足要求。图13.加补偿的系统输出曲线将系统加补偿后系统输出曲线为： 第六章小结通过本次毕业设计，掌握了大功率开关电源的设计思路和方法，通过对各个模块的分析设计，对开关电源有了更深刻的理解。其各模块主电路、控制电路、驱动电路、保护电路设计方案比较多，针对本设计的要求和各个模块实现方法的优点与缺点的比较，最终选择了比较合适的电路。本电路使用全桥式变换器，更加方便快捷的实现了大功率的要求，并且驱动模块PM4020A也具有十分显著的优点。最后通过对电路的建模仿真，验证了设计思路的可行性。'