功率变换器作业1

《功率变换器》设计报告

设计题目： LED驱动电源设计报告

*名：***

学号： ***********

学院：电气工程学院

成绩：

LED灯开关电源设计

一、设计规格

设计LED开关电源，指标如下：

输入电压：V in=AC220V±20%；

输出电流恒定：I o =3.5A；

最大输出电压：V omax=70V(DC)；

开关频率：100KHz；

输出电流纹波最大值：Δ I

≤0.1A；

o

二、设计要求

1) 选择主电路的类型和相应的功率器件，并对主电路器件取值进行设计。要求设计的功率器件必须是实际存在的，设计效率达到95%以上。

2) 建立系统的平均模型，分析变换器动态性能并设计控制器和补偿器，设计系统应具有高截止频率（不大于10%的开关频率），反馈回路带宽内环路增益大，且相角裕量不小于52o。

a)画出未补偿的环路增益的幅值和相角的波特图，以及设计的补偿传递函数G c(s)的波特

图，并标出图中重要的特征。

b)画出补- 2 -偿后的环路增益T(s)的幅值和相角的波特图，以及T/(1+T)和T/(1+T)的幅频

特性图。

c)在100Hz处的环路增益有多大？可以进一步增大100Hz处的环路增益吗？是什么限制

进一步增加截止频率？

3 ) 给出输出电流在没有补偿器和有补偿器两种情况下的仿真：

a)负载电压从35V跳变到70V及从70V跳变到35V。

b)输入电压V in从180V跳变到260V及从260V跳变到180V。

4) 如果输出电流的仿真结果有以下情况出现，调整设计以改善变换器的动态性能：

a)输出电流超调太大（大于0.35A）；

b)瞬时输出电压超过最大输出值V omax；

c)瞬时响应时间太长（超过1ms）;

d)输出电流纹波大于0.1A；

e)输出电流稳态误差大于3%。

设计过程

1. 主电路拓扑的选择

本设计所要求的LED驱动电源，输入为工频交流电源，输出为直流，输出电压最高为70V，输出电流恒定为3.5A，输出功率最大为245W。要从交流电得到恒定直流，电路中必须包含整流电路和直流斩波电路即AC-DC和DC-DC两部分。

整流电路可以选择半波整流，全桥整流电路以及相控整流和PWM整流电路，但LED驱动电源的功率并不大，以及为了得到纹波较小的直流电源，综合成本因素选择二极管的不可控全桥整流电路。

经过不可控整流电路，并联大电容后输出电压大约为380V左右，若选择非隔离型变换器则占空比较小(小于0.2)，开关管利用率较低，因此选择带有隔离变压器的斩波电路。Flyback 变换器只用到一个开关管，但由于Flyaback变换器一般用在50W~100W功率等级，LED电源最大为200W对于Flyback变换器略大而且Flyback变换器开关管承受的开关应力较大，因此Flyaback变换器不合适。

众所周知LED对驱动电流有较高的要求，作为LED驱动电源应该有较小的电流纹波，而桥式变换器的输出电流纹波为开关频率的两倍，纹波要比单管变换器要小很多，非常适合做LED驱动电源，因此综合考虑选择桥式变换器，而全桥变换器使用四个开关管，且存在变压器偏磁饱和的问题，相比之下虽然半桥电路处理功率为全桥电路的一半，但对于LED驱动电源来说并无的影响，没有变压器偏磁影响，使用开关管数量减少一半，成本较低而且开关管承受开关应力较小，因此选择半桥隔离型Buck变换器。

综上所述，主电路拓扑结构如图1所示，前端采用二极管不可控整流，而后经过大电容滤波，得到直流输入电压作为半桥隔离型Buck变换器的输入电压。

图1 主电路拓扑

2．主电路参数计算

2.1 稳态分析

电路由两部分组成，前级为二极管不可控整流，由于在直流侧并联大电容，故直流侧可以近似认为是恒定直流，因此只对半桥隔离型Buck变换器进行分析。如图1所示，整流输出

电压V g 为半桥隔离型变换器的输入电压，变换器工作在CCM 模式。由设计规格可知开关频率f =100kHz,T=1/f =10μs ，对于半桥电路来说开关管在一个开关周期的上下半周期分别导通，对于半桥隔离型Buck 变换器的变压器副边来说，等效的开关频率f s =2f =200kHz ，T s =1/f s =5μs ，以下分析中开关周期是按照等效开关频率f s 来定义的，每个开关周期的占空比D 也是相对T s 定义的，变换器的稳态工作状态分析如下： 1)Q 1，D 3导通时，等效电路如图2所示(0

V g

C

L

L (t)

g

C (t)

图2 0

由图2可得：

()0.5()0.5()()/s g L g C v t nv v t nv v i t i t V R

=⎧⎪

=−⎨⎪=−⎩

(1)

2)D 5，D 6导通

V g

C

L

L (t)

g

C (t)

图3 DT s

由图3可得：

()0()()()/s L C v t v t v

i t i t V R

=⎧⎪

=−⎨⎪=−⎩

(2)

3)Q2，D6导通，等效电路如图4所示(T s

V g

C

L

L (t)

g

C (t)

图4 T s

()0.5()0.5()()/s g L g C v t nv v t nv v i t i t V R

=⎧

⎪

=−⎨⎪=−⎩ (3)

4)D 5，D 6导通时，等效电路如图5所示(T

+DT s

V g

C

L

L (t)

g

C (t)

图5 T s +DT s

由图5可得：

()0()()()/s L C v t v t v

i t i t V R

=⎧⎪

=−⎨⎪=−⎩ (4)

从上述分析可以看出，图4和图5中变压器副边的工作状态分别于图2和图3类似，因

此可以用图2和图3所示等效电路分析变换器整个稳态工作状态，半桥型Buck 变换器历次电感电流i M (t)，变压器原边电压v T (t)，电感电流i L (t)，变压器副边电压v s (t)和二极管D3上的电流i D3(t)的波形如图6所示。