電力電子裝置及系統

——1kW非隔離降壓型變換器設計1精選2021版課件技術指標輸入電壓：200‐240VDC輸出電壓：40VDC額定功率：1kW輸出電壓紋波：<1%開關頻率：50kHz保護功能：輸出過壓，輸出欠壓，

輸出短路，輸入過壓,輸入欠壓使用拓撲：Buck變換拓撲。2精選2021版課件非隔離降壓型變換器目錄主電路設計1緩沖器設計2采樣、保護電路3驅動器設計45控制器設計6仿真驗證3精選2021版課件1主電路設計SECTION4精選2021版課件主電路設計續流二極管濾波器輸入濾波電容VS=220±20VVO=40VP=1000W負載電流Iomax=25AIomin=10%Iomax=2.5A占空比：Dmax=0.2Dmin=0.167最小負載：Romin=16Ω5精選2021版課件

主電路設計6精選2021版課件

C1=220μFCf=10μFLf=1mH16Ω≥Ro≥1.6ΩT：P-MOSFETD：快速二極管

主電路設計7精選2021版課件2SECTION緩沖器設計8精選2021版課件1kw的變換器功率不大，采用有能耗串聯緩沖和并聯緩沖。

緩沖器設計9精選2021版課件2.關斷緩沖設計設P-MOSFET的電流恢復時間為0.2us,I=25.3A,按照臨界緩沖計算電容Cs=tfi/2VD=0.012uF可選用一只500V/15nF的高頻電容。由Δi=VD/RS不宜過大，電阻RS取15Ω。電阻耗能功率

PR=0.5*Cs*VD^2*f=21.6W取電阻額定功率為40W。二極管選DSE160-06：60A,600V10精選2021版課件3SECTION采樣、保護電路11精選2021版課件過壓、欠壓保護采用自鎖式保護電路

如圖為過壓保護電路基本原理圖，當電路正常工作時Vo小于設定值Vref，此時比較器輸出負電平，二極管不導通；當電路電壓高于設定值時，比較器輸出高電平，此時二極管導通。高電平時由于二極管的鉗位作用，比較器將自鎖定。無論電壓信號如何變化，比較器均輸出高電平信號不變。+12精選2021版課件輸入電路保護

欠壓比較器過壓比較器R110.5k14.7kR211.8k12.0kVref6.35V5.39V13精選2021版課件輸出電路保護輸出電路參考輸入電路設計思路經過計算取得如圖數值36V<Vout<44V4.89V<Vs<5.98V在對Vref取值時應參考上述數值欠壓比較器過壓比較器R116.0k20kR211.0k20kVref4.88V6.0V

14精選2021版課件輸出短路保護霍爾電流模塊設計IN=1KW/40V=25A取保護電流為27A采用電壓輸出型霍爾電流傳感器，輸出電壓超過27A電流對應的輸出電壓時鎖存輸出低電平。15精選2021版課件4SECTION驅動電路16精選2021版課件驅動電路1、采用直接驅動，CMOS電源為12V；2、開機延時約1s左右再使保護信號有效；3、串聯20Ω電阻減小開通振蕩，MUR120為超快速恢復二極管，與晶體管均可加速柵極電荷的釋放；17精選2021版課件5SECTION反饋控制系統18精選2021版課件控制器設計電壓模式控制PWM（單環）

在負反饋電路中，輸出電壓u經采樣后與給定的參考電壓Uref比較，得誤差信號Ue送控制器，控制器輸出信號UC送PWM環節，與PWM環節中的振蕩器鋸齒波時鐘信號比較，使比較器輸出為周期不變、脈沖寬度（即占空比D）受UC調制的一系列脈沖信號。再通過驅動器將脈沖信號放大，控制變換器的功率開關器件的導通與關斷。改變占空比D即可調節開關變換器的輸出電壓U，這里的D稱為控制量。當輸入電壓或負載發生變化，或系統受到其他干擾使輸出電壓發生波動時，通過負反饋電路可調節開關變換器的功率器件在一個開關周期內的導通時間達到穩定輸出電壓的目的。19精選2021版課件控制器設計電壓模式控制PWM（單環）

優點：①振蕩電路的鋸齒波幅值較大，在進行脈沖寬度調制時有很好的抗噪聲能力②控制電路只有電壓閉環反饋，是單環系統，設計簡單，調試方便缺點：對輸入電壓的動態響應較慢20精選2021版課件控制器設計

小信號分析法，是假設擾動信號很小，并且擾動信號的頻率比開關頻率小很多，在直流工作點附近線性化，將非線性方程近似為線性方程，再應用經典控制理論中分析線性系統的基本方法，設計補償網絡，使系統成為穩定系統，如電壓型、電流型控制系統等。經過小信號分析，理想Buck電路的輸出u(s)對控制變量d(s)的傳遞函數Gud(s)為：

21精選2021版課件控制器設計

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其中，假定三角波的峰峰值采用5V，假定Vref=5V，則有如下推導：開環傳遞函數為：GH(s)=Gc(s)Gm(s)Gud(s)H(s)23精選2021版課件控制器設計首先作出的Bode圖如下：24精選2021版課件控制器設計由以上Bode圖來設計Gc(s)，擬定選取相位超前校正器進行補償：由自控理論知識計算得：α=5.06T=1.225*10^(-5)計算得到的傳遞函數如下：25精選2021版課件控制器設計作出的Bode圖如下：26精選2021版課件6SECTION仿真驗證27精選2021版課件MATLAB仿真模型28精選2021版課件開環狀態輸出電壓波形（輸入200V,D=0.2）穩定時間約為2.5ms閉環狀態輸出電壓波形（輸入220