高频开关电源的设计与实现

电力电子技术课程设计报告题目高频开关稳压电源专业电气工程及其自动化班级学号学生姓名指导教师2016年春季学期起止时间：2016年6月25日至2016年6月27日设计任务书11 高频开关稳压电源设计√一、设计任务根据电源参数要求设计一个高频直流开关稳压电源。

二、设计条件与指标1.电源：电压额定值220±10%，频率：50Hz；2. 输出:稳压电源功率Po=1000W,电压Uo=50V；开关频率:100KHz3.电源输出保持时间td=10ms(电压从280V下降到250V)；三、设计要求1.分析题目要求，提出2~3种电路结构，比较并确定主电路结构和控制方案；2.设计主电路原理图、触发电路的原理框图，并设置必要的保护电路；3.参数计算，选择主电路及保护电路元件参数；4.利用PSPICE、PSIM或MATLAB等进行电路仿真优化；5.撰写课程设计报告。

四、参考文献1.王兆安，《电力电子技术》，机械工业出版社；2.林渭勋等，《电力电子设备设计和应用手册》；3.张占松、蔡宣三，《开关电源的原理与设计》，电子工业出版社。

目录一、总体设计 (1)1．主电路的选型（方案设计） (1)2.控制电路设计 (4)3.总体实现框架 (4)二、主要参数及电路设计 (5)1.主电路参数设计 (5)2.控制电路参数设计 (7)3.保护电路的设计以及参数整定 (8)4.过压和欠压保护 (8)三、仿真验证（设计测试方案、存在的问题及解决方法） (9)1、主电路测试 (9)2、驱动电路测试 (10)3、保护电路测试 (10)四、小结 (11)参考文献 (11)一、总体设计1．主电路的选型（方案设计）由于本设计的要求为输入交流电压220±10%V，输出直流电压为50V,因此主电路应分为两级。

前级电路可以选用含电容滤波的单相不可控整流电路把交流电转换成直流电，后级电路可以选用降压变换把较高直流电压转换成低直流电压。

其中：a.前级电路（含电容滤波的单相不可控整流电路）b.后级电路（降压变换）其中：可供选择的有BUCK电路，全桥变换电路和单管正激电路。

如图：（1）Buck变换电路属于非隔离型电路，能实现降压的DC--DC变换，结构简单，控制也简单。

但是它的输入电流脉动大，且没有隔离，输出级和输入级容易相互干扰。

图2（2）全桥变换器属于隔离型变换器，变压器双向励磁，容易做到大功率。

但是它成本高结构比较复杂，特别是控制电路需要多组隔离型驱动电路且有直通和偏磁问题。

（3）正激电路属于隔离型DC--DC变换电路，它电路简单，成本低且可靠性高。

单管正激电路的驱动电路也很简单，它适用于功率在几百瓦到几千瓦的电路。

由于此次设计需要的功率为一千瓦的降压DC--DC变换器，所以综合上面电路的特点，选择单管正激电路。

所以，主电路如下图：2.控制电路设计此次设计采用脉冲宽度调制方式（PWM）频率为100K的电压闭环控制，PWM波由反馈电压和100K的三角波通过运放生成。

3.总体实现框架电路总体设计为：交流220V输入经过不控全桥整流滤波，再通过单管正激电路进行DC--DC降压变换滤波输出。

输出电压采样反馈和基准电压比较后经过PI调节参与PWM波合成，从而形成闭环调节。

（如图6）图6总实现电路图：二、主要参数及电路设计1.主电路参数设计AC 220V 经过不控全桥整流滤波后，1kw 负载的时候输入电压为300V ，要求输出电压是50V ，由D N N U U i o 12取1N =300，2N =100，因此占空比D =0.5。

根据设计要求开关频率为100kHZ,则开关周期T =10us ，当D =0.5的时候，为了方便要求其可靠复位取rst T =2um ，由on rst T N N T 13=，可知3N =120。

功率是1000W ，输出电压是50V ，则输出电流o I =20A ，负载取Ω=5.2o R 的阻性负载。

取输出电流纹波I ∆=0.125A ，由)1(2minD fI U L o o-=得输出滤波电感为1mH 。

取输出电压纹波U ∆=125mV ，由)1(82D ULf U C o-∆=得，输出滤波电容C =10mF 。

经过计算，上面取值满足21D RT L -≥，则电路工作正在电感电流连续模式下。

o U ------------------输出电压i U ------------------正激电路输入电压 rst T ------------------3N 电流下降时间 on T ------------------周期内开通时间 T -------------------开关周期1N ------------------变压器初级线圈匝数 2N ------------------变压器次级线圈匝数N------------------变压器复位线圈匝数3D------------------占空比L------------------输出级滤波电感C------------------输出级滤波电容f------------------开关频率I------------------输出电流o∆-----------------输出电压纹波UI∆------------------输出电流纹波2.控制电路参数设计根据设计要求：取基准电压为50V；电压反馈系数为1；三角波峰值为1，频率为100kHz。

PI参数的整定：先设I参数为0，从0开始在增加P参数，当P参数增加到0.0004时候系统出现震荡。

从0.0004开始减小到0.00015时候震荡消失。

取P参数为0.0003时候系统快速性较好且超调不大。

开始增加I参数，增加到0.00013时系统稳定且准确性较好。

控制电路如图：3.保护电路的设计以及参数整定输入电流浪涌抑制：在电源上电瞬间，全桥整流的滤波电容的充电电流很大，之后电流会下降到正常值。

采用串电阻的方式抑制上电瞬间的浪涌电流。

电容充电后输出电压采样触发晶闸管使其导通，使电流不在通过电阻，电路正常工作。

限流电阻取10 时候浪涌不到30A。

电路如图7：图74.过压和欠压保护：设计要求输入交流电压为 220±10%范围正常输出，超出范围，则触发保护电路对电路保护。

对输入电压经过整流滤波之后的电压用大电阻分压采样，采样电压与给定电压进行比较。

若电压超出给定范围，比较结果产生低电平，否则是高电平。

再将结果跟PWM触发信号经过与门驱动开关管，做到输入电压超范围锁定触发信号为零，从而封锁输出。

过压和欠压保护的基准电压都取12V。

图8取R1=40ΩK，调节R1的触头，能调节电压保护下限，在此基K，R4=270Ω础上取R2=165ΩK，R3=35ΩK，正常工作电压为AC220±10%V（即AC200V--240V）。

设置输入为AC200V调节R1触头刚好出现欠压保护时候，就是需要的位置。

然后设置输入为AC240V，调节R2阻值，直到出现过压保护为止。

（此次设计中R1触头为0.36）三、仿真验证（设计测试方案、存在的问题及解决方法）1、主电路测试在PSIM环境下搭建如图4所示电路，触发脉冲由频率为100KHz，占空比为0.5的方波代替。

参数参考上面所计算的值。

存在问题：经测量发现整流输出的电压有很严重的波动。

解决方案：增加整流输出的滤波电容值，使其电压纹波减小。

2、驱动电路测试在PSIM环境下搭建如图5所示控制电路，控制信号端口接电压表，电压采样接DC50V。

存在问题：控制信号端口是高电平。

解决方案：经检查发现三角波模范围是0--2V，设置三角波模块为-1V---1V，频率100KHz。

3、保护电路测试（1）浪涌电流抑制：在主电路中加入如图7所示浪涌电流抑制，限流电阻电流如图。

（2）过压和欠压保护：在主电路中计入如图8所示保护电路。

存在问题：当输入为AC190V时候发生欠压保护，但是输入为AC250V时候不会发生过压保护。

解决方案:设置输入为AC240V，增加R2阻值，直到发生过压保护。

四、小结通过本次课程设计，我对高频开关稳压电源有了更进一步的了解。

不仅如此，为了完成好此次课程设计，我查阅了大量关于开关电源的书籍及相关论文，并与同学互相探讨设计过程中遇到的各种问题。

本次课程设计包括主电路设计、控制电路设计和保护电路设计。

主电路设计根据设计要求选择单管正激电路。

控制电路采用PWM脉宽调制，电压闭环控制。

保护电路包括浪涌抑制以及过压、欠压保护。

经过做课程设计的某些工作，锻炼了我总结知识的能力，增强了我应用电力电子知识解决实际问题的能力，更提高了自己分析问题和解决问题的能力。

通过这次课程设计，我进一步了解了设计工作，加强了对产品安全和保护的了解，提高了我实际操作能力。

参考文献[1] 王兆安，《电力电子技术》，机械工业出版社；[2] 裴云庆杨旭王兆安，《开关稳压电源的设计和应用》，机械工业出版社；。