降压型PWM AC-DC 开关电源课程设计.doc

1、摘要开关电源(Switch Mode Power Supply，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

2、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。【关键词】功率半导体；小型化；PWM目录1.PWM 技术简介 12.电路总体方案的设计及相关原理 23.主电路设计及参数计算 33.1 主电路的设计 .33.2 主电路的参数确定 .54.控制电路、驱动电路及保护电路的设计 74.1 控制及驱动电路设计 .74.2 保护电路的设计 .75.DC-DC 电路 86.结论 .107.心得体会 .11参考文献 .12附录 .1301.PWM

3、 技术简介脉 冲 宽 度 调 制 （ PWM） ， 是 英 文 “Pulse Width Modulation”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

4、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

5、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

6、 。 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

7、 拟 形 式 。降压型 PWM AC-DC 开关电源课程设计12.电路总体方案的设计及相关原理电源有一种输入，即单相 220V 交流电压，设计输入电压变动范围为 20%。有一种输出：24V 直流电压，输出功率约为 200W。交流 220V 经过一个滤波整流电路后得到直流电压，送入 DC-DC 降压斩波电路，控制电路提供控制信号控制 IGBT 的关断，调节直流电压的占空比，最后经过 LC 滤波电路的到所需电压。通过对输出电压的取样，比较和放大，调节控制脉冲的宽度，以达到稳压输出的目的。开关电源原理框图如下：图 2-1 开关电源原理图整流部分是利用具有单向导通性的二极管构成桥式电路来实现的；滤波部

8、分是利用电容电感器件的储能效应，构成 LC 电路来实现的；降压部分是利用降压斩波电路来实现，控制方式为脉宽调制控制（PWM） ，即在控制时对 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 。 本次设计的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。整 流 滤 波 降 压 斩

9、波 电 路 滤 波保 护 电 路脉 宽 调 制 控 制（ P W M ） 驱 动+ 2 2 0 V A C + 2 4 V D C降压型 PWM AC-DC 开关电源课程设计23.主电路设计及参数计算3.1 主电路的设计主电路主要完成对交流的整流滤波，对直流电压降压和滤波三个工作。整流电路图设计如下：T2 2 0 V A C5 0 H z+V D 1 V D 3V D 2V D 4C 1L 1R 1 +_U o 1I o 1R 0图 3-1 整流电路图工作时的波形图如下：整 流 电 路 工 作 时 波 形inU1oi1oUttto将整流后的得到的直流电压送入降压斩波电路，通过脉宽调制控制调节输

10、出电压平均值，在经过 LC 滤波电路是电压稳定。降压斩波电路设计如下图：降压型 PWM AC-DC 开关电源课程设计3图 3-3 降压斩波电路脉宽调制控制型号有 IGBT 驱动电路发出；RCD 保护电路用以缓冲 IGBT 在高频工作环境下关断时因为正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。工作时的波形图如下：降 压 斩 波 电 路 工 作 时 的 波 形2inUoU2oi tttoooGEtontTof脉 宽 调 制 控 制C 2R C D 保 护 电 路L 2V DR 2+12oinU oU+_I o 2降压型 PWM AC-DC 开关电源课程设计43.2 主电路的参数确定设计输

11、入电流为频率 50Hz 的单相 220V 交流电，其脉冲周期为：经过整流后得到的是只有正半部分的正弦波幅值与输入电压一样，但周期为输入电压一般，即设计输出电压为直流 24V 稳压，电流为 8A 直流。占空比 通常取 0.40.45，该电路取=0.42，考虑 IGBT 和二极管的导通压降取 0.8V，电感压降取 0.2V。于是可以得到：设计输出功率为 200W，所以可以确定：又由于 Uin2=Uo1，确定电阻 R1=100，一次侧与二次侧线圈匝数比 N1/N2=2，可以确定整流滤波电路中的回路电流及分压电阻 R0 为：对于整流滤波电路中的四个二极管 VD1、VD2、VD3、VD4，它们承受的反向

12、最大峰值电压VVUsstTtsoinnofn 52.94.02).8.0(8.14.*2 sHzfTini 2051sTin1028.23.84.22AVIURwPIooo8.159208.1.2.0.*159.0.202AVVIURVIoiniino降压型 PWM AC-DC 开关电源课程设计5为输入电压 Uin 最大值的一半，约为 77.8V；流过的最大平均电流约为 0.5952A。所以我们可以选择正向平均电流 I(AV)大于 0.62A，反向重复峰值电压 Urrm 大于 156V 的电力二极管用来构成全桥。对于斩波电路中的电力二极管 VD，承受的最大反向重复峰值电压约为 84.2V，最大

13、正向平均电流 I(AV)约为 8.33A，所以我们可以选择正向平均电流 I(AV)大于 8.5A，反向重复峰值电压 Urrm 大于 169V 的电力二极管作为续流二极管。对于斩波电路中的 IGBT VT，集射极承受的最大电压 Uce 约为 84.2V，流过的最大电流值约为 8.33A，则最大耗散功率约为 701.2W。所以我们可以选择最大集射极间电压大于 85V，最大集电极电流大于 8.5A，最大集电极功耗大于 723W 的 IGBT。综上所述，主电路的主要参数如下：所用电力二极管和 IGBT 的导通压降约为 0.8V，电感压降约为 0.2V1.整流滤波电路部分：一次侧与二次侧线圈匝数比 N1

14、/N2：2输入电压 Uin：单相 220V 交流输出电压 Uo1：59.52V 直流回路电流平均值 Io1：0.5952A电阻 R0：81.8电阻 R1：100电力二极管 VD1、VD2、VD3、VD4 参数：正向平均电流 I(AV)0.62A，反向重复峰值电压 Urrm156V2.降压斩波电路部分：输入电压 Uin2：59.52V 直流输出电压 Uo：24V 稳压直流回路电流平均值（输出电流）Io2：8.33A输出功率：200W电阻 R2：2.88占空比 ：0.42电力二极管：正向平均电流 I(AV)8.5A，反向重复峰值电压 Urrm169VIGBT 参数：最大集射极间电压 Uces85V

15、，最大集电极电流 Ic8.5A最大集电极功耗 Pcm723W降压型 PWM AC-DC 开关电源课程设计64.控制电路、驱动电路及保护电路的设计4.1 控制及驱动电路设计本文设计的开关电源的控制及驱动电路的核心为三菱公司的 M579 系列驱动器。电路图如下所示：图 4-1 控制驱动电路该集成驱动器的内部包含有检测电路、定时及复位电路和电气隔离环节，可在发生过电流时能快速响应但慢速关断 IGBT。输出的正驱动电压为+15V，负驱动电压为-10V。4.2 保护电路的设计本文设计的电源电路主要需要对 IGBT 在开通时采取 di/dt 保护和在关断时采取过电压保护，可选择复合缓冲电路作为 IGBT

16、的保护电路，电路图如下：图 4-2 保护电路M 5 7 9 6 2 L146314快 恢 复T r r 0 . 2 s3 0 V- 1 0 V1 5 V3 . 1 + 5 V1 0 0 F1 0 0 FR C D 保 护 电 路d i / d t 抑 制降压型 PWM AC-DC 开关电源课程设计75.DC-DC 电路将 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

17、 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 ：图 5-1 降 压 型 DC-DC 主 电 路 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

18、 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

19、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； 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

20、，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）和连续电流模式（CCM)两种工作模式。波形图如下所示：V DU i nV TLCRU oI oinoniofnio UttRUIo降压型 PWM AC-DC 开关电源课程设计8负 载 电 流 连 续 时 的 波 形负 载 电 流 断 续 时 的 波 形GEUGEUoioUoUoittttttoooooontTofTntoft降压型 PWM AC-DC 开关电源课程设计96.结论本设计的内容包括主电路的设计、控制及驱动电路的设计和保护电路的设计，完成了一个降压型 PWM AC-DC 开关电源的设计。降压型 PWM

21、 AC-DC 开关电源课程设计107.心得体会通过本次课程设计，使我更加深刻地理解了直流斩波电路以及开关电源，了解了开关电源的基本结构、设计过程和实现的功能。使我了解到开关电源在电子设备、电力设备和通信系统的直流供电中得到广泛应用，在高频开关电源中，DC-DC 变换是其核心。随着半导体技术的发展，高集成度，功能强大的大规模集成电路不断出现，使电子设备不断缩小，重量不断减轻，相应地要求系统供电电源的体积和重量相应减小，如何减小开关电源的体积，提高其效率，是将在在设计开关电源的过程需要着重考虑的一个方面。本文首先对开关电源的发展历史、当下发展状况以及将来的发展趋势作了简要的介绍，随后阐述了降压型

22、AC-DC 开关电源的核心部分DC-DC 转换器（降压斩波电路）的拓扑结构及其工作原理，描述了 DC-DC 转换器的控制方法脉宽调制控制（PWM） ，并详细介绍了该控制方法的基本原理。在此基础上设计了一款基于电压控制模式的 PWM 降压型 AC-DC 开关电源，设计的内容包括主电路的设计、控制及驱动电路的设计和保护电路的设计，每个部分均给出设计电路图，重点分析了主电路的工作原理，并给出设计参数。降压型 PWM AC-DC 开关电源课程设计11参考文献1. 王兆安、黄俊. 电力电子技术. 机械工业出版社.20002. 赵同贺.开关电源设计技术与应用实例 . 人民邮电出版社.20073. (美)

23、Raymond A. Mack Jr. 开关电源入门.人民邮电出版社.20074. 童诗白、华成英.模拟电子技术（第四版）.高等教育出版社.20065. 王水平. PWM 控制与驱动器使用指南及应用电路. 西安电子科技大学出 办社.20056. 王兆安.电力电子交流技术(第 4 版).机械工业出版杜.20077.脱立芳.降压型 PWMDC_DC 开关电源技术研究.西安电子科技大学硕士学位论文.2008降压型 PWM AC-DC 开关电源课程设计12附录本文所设计的降压型 PWM AC-DC 开关电源完整电路图如下：T+V D 1 V D 3V D 2V D 4C 1L 1R 1 I o 1R 0C 2L 2V DR 2+_I o 2M 5 7 9 6 2 L1431快 恢 复T r r 0 . 2 s3 0 V- 1 0 V1 5 V3 . 1 + 5 V1 0 0 FU o