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单端反激AC-DC-DC电源（20V，10W）设计.docx

发布时间：2022-06-12 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.65M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书 目录 1 设计要求.................................................................................................................... 2 2 设计原理.................................................................................................................... 3 2.1 高频开关电源的基本组成...........................................................................................3 2.1.1 开关电源的输入环节............................................................................ 3 2.1.2 功率变换电路........................................................................................ 4 2.1.3 控制及保护电路................................................................................... 5 2.2 单端反激电源基本原理............................................................................................... 7 2.2.1 共同关系式............................................................................................ 7 2.2.2 连续工作模式........................................................................................ 8 2.2.3 不连续工作模式（含临界工作模式）................................................ 8 3 单端反激 AC-DC-DC 电源的设计...........................................................................9 3.1 整流环节设计.................................................................................................................9 3.2 滤波环节设计................................................................................................................12 3.2.1 滤波原理.............................................................................................. 12 3.2.2 RC 滤波电路........................................................................................12 3.2.3 LC 滤波电路........................................................................................ 13 3.2.4 滤波参数设计..................................................................................... 14 3.3 主电路设计................................................................................................... 16 3.3.1 单端反激式开关电源电路的设计...................................................... 16 3.3.2 反馈环设计.......................................................................................... 16 4 模型仿真................................................................................................................. 18 4.1 AC DC 整流滤波电路仿真........................................................................................18 4.2 开环系统仿真................................................................................................................19 4.3 闭环系统仿真...............................................................................................................22 5 小结......................................................................................................................... 25 参考文献..................................................................................................................... 26 1
    武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书 单端反激 AC-DC-DC 电源（20V，10W） 设计 1 设计要求 初始条件： 设 计 一 个 AC-DC-DC 电 源 ， 具 体 参 数 如 下 ： 三 相 交 流 输 入 220V/50Hz，输出直流电压 20V,纹波系数<5%，功率 10W。 要求完成的主要任务: （1）对 AC-DC-DC 电源进行主电路设计； （2）控制方案设计； （3）给出具体滤波参数的设计过程； （4）在 MATLAB/Simulink 搭建闭环系统仿真模型，进行系统仿真； （5）分析仿真结果，验证设计方案的可行性。 2
    武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书 2 设计原理 2.1 高频开关电源基本组成 高频开关电源主要由输入环节、功率变换电路以及控制驱动保护电路 3 大部 分组成。 2.1.1 开关电源的输入环节 1）输入浪涌电流和瞬态电压的抑制 （1）输入浪涌电流抑制 在合闸的瞬间，由于输入滤波电容的充电，在交流电源端会呈现非常低的阻 抗，产生大的浪涌电流，为了将浪涌电流控制在安全范围内，根据高频开关电源 功率的大小，一般采取以下两种方法：一种是限流电阻加开关，另一种是采用负 温度系数热敏电阻的方法。 限流电阻加开关的方法，是将限流电阻串接于交流线路之中或整流桥之后的 直流母线上，开关与限流电阻并联，当滤波电容充满电荷后，开关导通，短接电 阻，因此可用晶闸管组成无触点开关。 选择具有负温度系数的热敏电阻 NTC 取代上述电阻，就不需要开关。在合闸 的瞬间 NTC 电阻的阻值很大，流过电流之后，温度上升，阻值迅速变小，既可以 限制浪涌电流，又可以保证输入环节在稳态工作时不消耗太大的功率。 对于功率很小的开关电源，可以直接在线路中串接电阻限制浪涌电流。 （2）输入瞬态电压抑制 通常是在交流线路间并联压敏电阻或者瞬态电压抑制二极管来抑制输入瞬态 电压。瞬态电压抑制二极管简称 TVS 器件，当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时， 其工作阻抗能立即降至很低，允许大电流听过，并将电压钳制到预定水平，它的 应用效果相当一个稳压管，但 TVS 能承受的瞬时脉冲功率可达上千瓦，其钳位响 应时间仅为 1ps。在脉冲时间 10ms 条件下，TVS 允许的正向浪涌电流可达 50A~200A。双向 TVS 适用于交流电路，单向 TVS 用于直流电路 3
    武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书 2）线路滤波器 为防止开关电源和电网相互干扰，应该在输入线路上加入滤波器。 3）输入整流滤波 高频开关电源输入不用工频变压器，直接对交流电进行整流滤波。目前国际 上交流电网电压等级有两种：100v~115V 和 230V，频率为 50HZ 或 60HZ。整流滤 波电路要适应交流电网电压的状况，现在很多开关电源都能适应通用电网电压的 范围，即输入电压为 85V~265V。高频开关电源的输入整流电路一般采取桥式整 流、电容滤波电路。 2.1.2 功率变换电路 功率变换电路是开关电源的核心部分，针对整流以后不同的直流电压功率变 换电路有多种拓扑结构，单端反激拓扑电路及主要工作波形如图所示。 图 2-1 反激变换器拓扑及工作波形 4
    武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书 2.1.3 控制及保护电路 开关电源的主要控制方式是 PWM。其中电压控制模式和峰值电流控制模式被 广泛使用。 1）PWM 电压控制模式 电压控制模式的原理如图 2-3 所示，它只有一个电压反馈环，误差放大器的 输出与恒定的三角波相比较，通过脉冲宽度调制，得到要求的输出电压。单一回 馈电压环使设计和调试比较容易；但是，当输入电压或负载突变时，要经过主电 路的输出电容和电感 L 延时，以及电压误差放大器的延时，再传至 PWM 比较器调 制脉宽，使输出电压变化，这几个延时是电压控制模式瞬时响应慢的主要因素。 改善电压控制模式瞬态响应慢的一种有效方法是采用电压前馈模式控制 PWM 技 术，原理图如图 2-5 所示。 图 2-3 电压模式控制原理图 图 2-4 电压前馈模式控制原理图 5
    武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书 2）PWM 峰值电流控制模式 峰值电流控制模式简称为电流控制模式。主要用于能周期出现电流峰值的电 路，电流控制模式原理如图 2-5. 图 2-5 电流控制模式原理图 3）开关电源的保护 开关电源保护一般有过压、欠压、过流、过温及短路保护。根据功率和拓扑 结构的不同，采用不同的传感器和方法，适时采集电压、电流、温度数据，与设 定的给定值进行比较，如有超出，封锁 PWM 的脉冲输出，关断功率开关管，达到 保护开关电源的目的。 6
    武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书 2.2 单端反激电源基本原理 单端反激电源电路如图 2-6 所示。 变压器 PT 既是一个变压器又是一个线性电感，T 饱和导通时其等效阻抗近 似为零，如果外加电压 Ui 恒定，流过绕组 N1 的电流 i1 线性增长，由于绕组 N2 和 N1 是反极性的，二极管 D 截止，副边没有电流，导通器件的能量储存在初级 电感里；当开关管截止时，副边绕组感应电势使二极管导通，通过输出电容和负 载释放能量。根据副边绕组放电时间的不同，单端反激电源分为三种工作模式: 不连续工作模式、临界工作模式和连续工作模式。 图 2-6 单端反激电源 2.2.1 共同关系式 （1）开关管 T 导通期间，流过饶梓 N1 的电流 i1 及磁通 均线性增长，设 N1 的电感量为 L1，则流过 N1 的电流 i1 为 Δi1=UiLiTon=UiLiDT (2−1) 式中 T 为开关周期，D 为占空比。 Δi2=U0L2Δt 设 N2 的电感量为 L2，电流线性减小的时间是△t，则流过 N2 的电流 i2 减量为 （2）在开关管 T 截止期间，流过绕组 N2 的电流 i2 及磁通均线性减小， (2−2) （3）在一个周期内磁通的增量等于磁通的减少量。ΔΦ+=ΔΦ− (2−3) CE 结上，开关管 T 承受的电压为UCE=Ui+U0N1N2 （4）开关管截止期间，N1 上感应电压与电源电压 Ui 一起加载开关管 T 的 7
    2.2.3 不连续工作模式（含临界工作模式） 如果电流连续（含临界工作模式），Δt=Toff= 1−DT ，输出电压的 (2−4) (2−5) U0Ui=N2N1∙ D1−D I1（max）=U0I0UiD+U12L1DT 由于在 T 导通期间储存的能量Wi=L1I1（max） /2 ,因此电源输入功率Pi为 2 Pi=WjT= 12TL1I1(max) (2−6) 2 如果电流不连续（含临界工作模式），T 导通的起始电流为 0，则I1（max）= U1L1Ton ，假设电路没有损耗、转换效率η=1 ，输入功率Pi应与输出功率P0 相等， 设输出负载电阻为RL ，则有 P0=Ui2Ton22L1T=U02RL U0=UiTon RL2L1T (2−7) (2−8) 从而可以得到不连续工作模式和临界工作模式输出电压的表达式为 武汉理工大学《电力电子装置及系统》课程设计说明书 2.2.2 连续工作模式 表达式为 从上式可以看出，在不连续工作模式和临界工作模式工作时，输出电压与输 入电压和导通时间成正比；与负载电阻的平方根成正比，负载电阻越大，输出电 压越高。 8
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