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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

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电源管理芯片实际上也是指具有自动控制环路和保护电路的DC-DC变换芯片，是开关电源的核心控制芯片。电源管理芯片在90年代中后期问世，由于替换了大部分分立器件，使开关电源的整体性能得到大幅度提高，同时降低了成本，因而显示出强大的生命力。

我国开关电源起源于1970年代末期，到1980年代中期，开关电源产品开始 推广应用。那时的开关电源产品采用的是频率为20 kHz以下的PWM技术，其效率只能达到60%~70%。经过20多年的不断发展，新型功率器件的研发为开关电源的高频化莫定了基础，功率MOSFET和IGBT的应用使中、小功率开关电源工作频率高达到400kHz(AC/DC)和1MHz(DC/DC)。软开关技术的出现，真正实现了开关电源的高频化，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了开关电源的效率。目前，采用软开关技术的国产开关电源，其效率已达到93%。但是，目前我国的开关电源技术与世界上先进的国家相比仍有较大的差距。

1.3 开关电源的发展展望

1.半导体和电路器件是开关电源发展的重要支撑。

2.高频、高效、低压化、标准化是开关电源主要发展趋势： 1）低电压化

半导体工艺等级在未来十年将从0.18微米向50纳米工艺迈进，芯片所需最低电压最终将变为0.6V，但输出电流将朝着大电流方向发展。 2）高效化

应用各种软开关技术，包括无源无损软开关技术、有源软开关技术，如ZVS/ZCS谐振、准谐振；恒频零开关技术；零电压、零电流转换技术及目前同步整流用MOSFET代替整流二极管都能大大地提高模块在低输出电压时的效率，而效率的提高使得敞开式无散热器的电源模块有了实现的可能。 3）大电流、高密度化 4）高频化

为了缩小开关电源的体积，提高电源的功率密度并改善其动态响应，小功率

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DC－DC变换器的开关频率已将现在的200～500kHz提高到1MHz以上，但高频化又会产生新的问题，如开关损耗以及无源元件的损耗增大，高频寄生参数以及高频电磁干扰增大等。

5) 在封装结构上正朝着薄型，甚至超薄型方向发展。

2 主电路图设计

设计任务要求设计一个AC-DC-DC电源，具体参数如下：三相交流输入，相电压220V/50Hz，输出直流电压120V,纹波系数<5%，功率500W。因此，主电路设计分为AC-DC变换和DC-DC变换两个部分，即三相整流部分和直流斩波部分。

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所示：

图2-1 开关电源原理框图

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

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流）的稳定。

2.1 三相整流部分

整流，就是把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导电特性的器件，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。整流电路按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路。本设计采用晶体二极管组成的三相全桥不可控整流电路，如图2-2所示，三相交流电通过整流电路后的波形如图2-3所示。另外，由电容和电感组成的LC电路起滤波作用，最终整流部分如图2-4所示。

图2-2 三相全桥不可控整流电路

图2-3 三相交流电经整流波形

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图2-4 三相整流部分仿真图

其中：L1=1mH，C1=330uF。

2.2 直流斩波电路部分

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2-5所示：

RCD保护电路Io2L2++C2R2Uin2?Uo1脉宽调制控制VDUo_图2-5 降压斩波电路图

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

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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。

2.2.1 参数计算

估算直流母线电压、占空比，并计算L2、C2、R的参数。 直流母线电压：

U1?12?3?3??2uisin?td(?t)?1.35Ui?1.35?380?513V3要求输出电压为120V，因而占空比为：

D?U0120??0.234?23.4%U1513输出电流：

I?P500??4.167AU120电感：（PWM调制波频率为10kHZ）

L2?DTS(U1?U0)DTS(U1?U0)U0TS(1?D)120?(1?23.4%)????1.10E?3H2ILB2I02I02?4.167?10000电容：（根据纹波要求计算）

U0?TS2?(1?D)120?(1?23.4%)C2???8.70E?6F?328?L??U08?1.10?10?(5%?120?2)?10000电阻： U120R?0??28.80?I04.1672.2.2 斩波仿真电路

根据直流斩波原理图和所计算的参数，在MATLAB上仿真的斩波电路图如下图2-6所示：

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