电力电子装置及系统课程设计说明书单端反激AC-DC-DC电源设计

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)

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 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

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

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

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。

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 ϕ 均线性增长，设N1的电感量为L1，则流过N1的电流i1为

Δi1=U i

L i T on=U i

L i

DT(2−1)

式中T为开关周期，D为占空比。

（2）在开关管T截止期间，流过绕组N2的电流i2及磁通ϕ均线性减小，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

Δi2=U0

L2

Δt(2−2)（3）在一个周期内磁通的增量等于磁通的减少量。ΔΦ+=ΔΦ−

（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CE结上，开关管T承受的电压为

U CE=U i+U0N1

N2

(2−3)