電力電子課程設計報告

《電力電子技術》

課程設計報告

題目：降壓型pwm ac-dc開關電源課程設計

專業電氣自動化

班級姓名

指導教師

成績電氣工程系

課程設計任務書

學生班級學生姓名：學號： 0709111001

設計名稱：降壓型pwm ac-dc 開關電源課程設計

起止日期指導教師

目錄1.引言 3

1.1開關電源的概念 3

1.1.1 pwm技術簡介 3

1.1.2 降壓型dc-dc開關電源原理簡介 4

1.2 開關電源的發展簡介 5

1.2.1 開關電源的發展史 6

1.3 開關電源的發展展望 6

2. 降壓型pwm ac-dc開關電源設計的基本要求 7

3. 電路總體方案的設計及相關原理 7

4.主電路設計及引數計算 6

4.1 主電路的設計 6

4.2 主電路的引數確定 8

5.控制電路、驅動電路及保護電路的設計 12

5.1 控制及驅動電路設計 12

5.2 保護電路的設計 13

6.課程設計總結 14

參考文獻 14

附錄 15

1.引言

1.1開關電源的概念

開關電源(switch mode power supply，**ps)是以功率半導體器件為開關元件，利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高於開關電源，這一點稱為成本反轉點。

開關電源高頻化是其發展的方向，高頻化使開關電源小型化，並使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產品的小型化、輕便化。另外開關電源的發展與應用在節約能源、節約資源及保護環境方面都具有重要的意義。

開關電源中應用的電力電子器件主要為二極體、igbt和mosfet。一般由脈衝寬度調製（pwm）控制ic和mosfet構成。開關電源電路主要由整流濾波電路、dc-dc控制器（內含變壓器）、開關占空比控制器以及取樣比較電路等模組組成。

1.1.1 pwm技術簡介

脈衝寬度調製（pwm），是英文「pulse width modulation」的縮寫，簡稱脈寬調變，脈衝寬度調製是一種模擬控制方式，其根據相應載荷的變化來調製電晶體柵極或基極的偏置，來實現開關穩壓電源輸出電晶體或電晶體導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恆定，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。廣泛應用在從測量、通訊到功率控制與變換的許多領域中。

脈衝寬度調製（pwm）基於取樣控制理論中的乙個重要結論，即衝量相等而形狀不同的窄脈衝加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。在控制時對半導體開關器件的導通和關斷進行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈衝,用這些脈衝來代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的規則對各脈衝的寬度進行調製,既可改變逆變電路輸出電壓的大小,也可改變輸出頻率.

pwm運用於開關電源控制時首先保持主電路開關元件的恆定工作週期（t=ton+toff），再由輸出訊號與基準訊號的差值來控制閉環反饋，以調節導通時間ton，最終控制輸出電壓（或電流）的穩定。

pwm的乙個優點是從處理器到被控系統訊號都是數字形式的，無需進行數模轉換。讓訊號保持為數字形式可將雜訊影響降到最小。雜訊只有在強到足以將邏輯1改變為邏輯0或將邏輯0改變為邏輯1時，也才能對數碼訊號產生影響。

對雜訊抵抗能力的增強是pwm相對於模擬控制的另外乙個優點，而且這也是在某些時候將pwm用於通訊的主要原因。從模擬訊號轉向pwm可以極大地延長通訊距離。在接收端，通過適當的rc或lc網路可以濾除調製高頻方波並將訊號還原為模擬形式。

1.1.2 降壓型dc-dc開關電源原理簡介

將一種直流電壓變換成另一種固定的或可調的直流電壓的過程稱為dc-dc交換完成這一變幻的電路稱為dc-dc轉換器。根據輸入電路與輸出電路的關係，dc-dc 轉換器可分為非隔離式dc-dc轉換器和隔離式dc-dc轉換器。降壓型dc-dc 開關電源屬於非隔離式的。

降壓型dc-dc轉換器主電路圖如下：

其中，功率igbt為開關調整元件，它的導通與關斷由控制電路決定；l和c為濾波元件。驅動vt導通時，負載電壓uo=uin，負載電流io按指數上公升；控制vt關斷時，二極體vd可保持輸出電流連續，所以通常稱為

續流二極體。負載電流經二極體vd續流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數曲線下降。為了使負載電流連續且脈動小，通常串聯l值較大的電感。

至乙個週期t結束，在驅動vt導通，重複上一週期過程。當電路工作於穩態時，負載電流在乙個週期的初值和終值相等。負載電壓的平均值為

式中，ton為vt處於導通的時間，toff為vt處於關斷的時間；t為開關管控制訊號的週期，即ton+toff；α為開關管導通時間與控制訊號週期之比，通常稱為控制訊號的占空比。從該式可以看出，，占空比最大為1，若減小占空比，該電路輸出電壓總是低於輸入電壓，因此將其稱為降壓型dc-dc轉換器。負載電流的平均值為

若負載中電感值較小，則在vt管斷後，負載電流會在乙個週期內衰減為零，出現負載電流斷續的情況。因此有降壓dc-dc開關電源有非連續電流模式（dcm）和連續電流模式（ccm)兩種工作模式。波形圖如下所示：

1.2 開關電源的發展簡介

能源在每個國家中的地位都是舉足輕重，關乎興衰的，所以如何開發並合理

利用能源是乙個重要的課題。特別對於我國這樣的能源消耗大國和貧乏國，更是

如此。我國、美國和俄羅斯等大國始終把能源技術列為國家關鍵性的科技領域。

能源技術的其中乙個重要方面就是電力電子技術，這是一門結合了微電子學、

電機學、控制理論等多種學科的交叉性邊沿學科，它利用功率半導體器件對電網

功率、電流、電壓、頻率、相位進行精確控制和處理，使得電力電子裝置小型化、

高頻化、智慧型化，效率和效能得以大幅度提高。

開關電源技術屬於電力電子技術，它運用功率變換器進行電能變換，經過變

換電能，可以滿足各種對引數的要求。這些變換包括交流到直流(ac-dc，即整流)，直流到交流(dc-ac，即逆變)，交流到交流(ac-ac，即變壓)，直流到直流(dc-dc)。廣義地說，利用半導體功率器件作為開關，將一種電源形式轉變為另一種電源形式的主電路都叫做開關變換器電路；轉變時用自動控制閉環穩定輸出並有保護環節則稱為開關電源（switchingpower supply)。

由於其高效節能可帶來巨大經濟效益，因而引起社會各方面的重視而得到迅速推廣。

電源管理晶元實際上也是指具有自動控制環路和保護電路的dc-dc變換晶元，是開關電源的核心控制晶元。電源管理晶元在90年代中後期問世，由於替換了大部分分立器件，使開關電源的整體效能得到大幅度提高，同時降低了成本，因而顯示出強大的生命力。

我國開關電源起源於2023年代末期，到2023年代中期，開關電源產品開始

推廣應用。那時的開關電源產品採用的是頻率為20 khz以下的pwm技術，其效

率只能達到60%~70%。經過20多年的不斷發展，新型功率器件的研發為開關電

源的高頻化莫定了基礎，功率mosfet和igbt的應用使中、小功率開關電源工

作頻率高達到400khz(ac/dc)和1mhz(dc/dc)。軟開關技術的出現，真正實現了

開關電源的高頻化，它不僅可以減少電源的體積和重量，而且提高了開關電源的

效率。目前，採用軟開關技術的國產開關電源，其效率已達到93%。但是，目前

我國的開關電源技術與世界上先進的國家相比仍有較大的差距。

1.2.1 開關電源的發展史

開關電源的發展歷史可以追溯到幾十年前，可分為下列幾個時期：

1.電子管穩壓電源時期(2023年代)。此時期主要為電子管直流電源和磁飽

和交流電源，這種電源體積大、耗能多、效率低。

2.電晶體穩壓電源時期(2023年代-2023年代中期)。隨著電晶體技術的發

展，電晶體穩壓電源得到迅速發展，電子管穩壓電源逐漸被淘汰。

3.低效能穩壓電源時期(2023年代-2023年代末期)。出現了電晶體自激式

開關穩壓電源，工作頻率在20khz以下，工作效率60%左右。隨著壓控率

器件的出現，促進了電源技術的極大發展，它可使兆瓦級的逆變電源設計

簡化，可取代需要強迫換流的閘流體，目前仍在使用。功率mosfet的出現，

構成了高頻電力電子技術，其開關頻率可達l00khz以上，並且可併聯大電

流輸出。

4.高效能的開關穩壓電源時期(2023年代~至今)。隨著新型功率器件和脈

寬調製(pwm)電路的出現和各種零電壓、零電流變換拓撲電路的廣泛應用

出現了小體積、高效率、高可靠性的混合整合dc-dc電源。

1.3 開關電源的發展展望

1.半導體和電路器件是開關電源發展的重要支撐。

2.高頻、高效、低壓化、標準化是開關電源主要發展趨勢：

1）低電壓化

半導體工藝等級在未來十年將從0.18微公尺向50奈米工藝邁進，晶元所需最低電壓最終將變為0.6v，但輸出電流將朝著大電流方向發展。

2）高效化

應用各種軟開關技術，包括無源無損軟開關技術、有源軟開關技術，如zvs/zcs諧振、準諧振；恆頻零開關技術；零電壓、零電流轉換技術及目前同步整流用mosfet代替整流二極體都能大大地提高模組在低輸出電壓時的效率，而效率的提高使得敞開式無散熱器的電源模組有了實現的可能。

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