目录摘要 (I)1.设计任务 (1)2开关电源 (1)2.1 背景综述 (1)2.2 开关电源 (1)2.3 开关电源的发展 (2)2.4 开关电源的分类 (3)2.4.1 直流-直流变换电路 (3)2.4.2交流-直流变换电路 (3)2.5 开关电源的组成 (3)3 开关电源原理及设计 (4)3.1开关电源工作原理 (4)3.2电源设计原理 (5)4主电路原理与设计 (5)4.1 整流电路设计 (5)4.1.1整流电路工作原理 (5)4.1.2 整流电路设计 (6)4.2 降压斩波电路设计 (7)4.2.1 buck电路的设计 (7)4.2.2控制方案选择 (9)4.3 PWM控制的基本原理 (9)4.3.1 IGBT基本简介 (9)4.3.2面积等效原理 (10)4.3.3 PWM控制的基本原理 (10)4.4电路设计参数的计算 (11)4.4.1整流滤波电路 (11)4.4.2直流降压斩波电路 (11)5 SIMULINK仿真模型 (13)5.1 Matlab简介 (13)5.2 SIMULINK简介 (13)5.3 开环仿真电路及波形 (13)5.3.1 开环仿真电路原理图 (13)5.3.2 开环仿真电路仿真结果 (15)5.4.3结果分析 (17)5.4闭环仿真电路及波形 (18)5.4.1 闭环仿真电路图 (18)5.4.2 闭环仿真电路仿真 (19)5.4.3结果分析 (20)5.5控制方案比较 (21)6心得与体会 (22)参考文献 (24)摘要开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，以其小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

按照设计要求，结合开关电源和电力电子技术相关知识，本文设计出了一个AC-DC-DC电路，结合了整流滤波电路，和降压斩波电路，构成了能实现将单相交流输入220V/50Hz，转化为输出直流电压100V,纹波系数<5%，功率1000W的直流电。

并采用闭环控制方法，转变为100V的直流输出，保证了系统的供电性能。

最后利用SIMULINK搭建仿真模型，对所设计的电路进行仿真,并考虑了电路开环和闭环所构成的影响以及对纹波系数的影响。

最后，对仿真结果进行了简要的对比分析。

关键字：开关电源AC-DC-DC电路闭环控制AC-DC-DC电源(100V，1000W)设计1.设计任务设计一个AC-DC-DC电源，具体参数如下：单相交流输入220V/50Hz，输出直流电压100V,纹波系数<5%，功率1000W。

并要求完成的如下任务：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开关电源2.1 背景综述随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

2.2 开关电源开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成开关电源中主要的组成部分有：PWM控制器、功率开关管、变压器和反馈电路。

根据反馈电路的不同，对输出的控制精度也不同。

这不但增加了成本和体积，而且还使可靠性受到影响。

从提高开关电源的竞争力来说，提高控制电路和保护电路的可集成性，使电源系统的设计简单化成为一个关键的问题。

与线性电源相比，开关电源输出精度高、转换效率高，性能可靠。

开关电源代替线性电源是大势所趋。

开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。

另外开关电源的发展与应用在安防监控，节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

2.3 开关电源的发展1)高频化开关电源采用高频开关调制，容易实习功率等级的稠密化，理论分析和实践表明，电器产品的变压器、电感线圈和电容的体积重量与供电频率的平方成正比，由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使原本传统的设备高频化。

开关电源一般采用10kHz~100kHz的高频调制，随着软开关技术的发展，工作频率还要提高。

2）电源电路的模块化、集成化。

其一是他的功率器件模块化，其二是电源单元模块化。

常见的模块集成化含有一单元、二单元、六单元甚至更多单元，电源单元的模块化使单个有限功率等级的电源可以使用均流技术，既扩大了功率容量也满足了大电流输出的要求。

3）绿色化。

首先是节电，其次是这些电源减少了对电网及其他电器产生的污染。

4)低电压、大电流、高功率。

开关电源已经逐步采用低电压、大电流、高功率变换技术。

同时，电源的输出指标，如纹波、精度、效率、启动时间、启动过冲以及动态特性等，也得到进一步提高。

它的研究内容非常广泛，包括电路拓扑结构、动态问题(尤其是负载的大信号动态问题)、同步整流技术、控制技术以及其它相关技术的研究。

诸如布线、磁集成、新兴电容、封装和高频大功率器件等技术。

从目前至今后一段时间内。

它都是电力电子界的热点。

2.4 开关电源的分类开关电源可分为DC ／DC 和AC ／DC 两大类，DC ／DC 变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC ／DC 的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。

以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。

2.4.1 直流-直流变换电路直流-直流变换电路（DC-DC ）是将直流电变为另一种固定电压或者可调电压的直流电，包括直接直流和间接直流变流电路，斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式、，二是频率调制方式、其具体的电路由以下几类1) Buck 电路，降压斩波器，其输出平均电压0U 小于输入电压i U ，极性相同。

2) Boost 电路，升压斩波器，其输出平均电压0U 大于输入电压i U ，极性相同。

3) Buck-Boost 电路，降压或升压斩波器，其输出平均电压0U 大于或小于输入电压i U ，极性相反。

4) Cuk 电路，降压或升压斩波器，其输出平均电压0U 大于或小于输入电压i U 极性相反，电容传输。

2.4.2交流-直流变换电路交流-直流变换电路变换（AC ／DC ）是将交流电压变换为直流电压，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流"，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。

交流-直流变换电路变换变换按电路的接线方式可分为半波电路、全波电路。

按电源相数可分为单项、三相、多相。

2.5 开关电源的组成开关电源大致由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。

1）主电路冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。

输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。

整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。

逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。

输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

2）控制电路一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。

3）检测电路提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。

4）辅助电源实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。

3 开关电源原理及设计3.1开关电源工作原理开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。

与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。

脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。

一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。

通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。

最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。

控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。

也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。

他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。

开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。

尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。

3.2电源设计原理按照设计要求，单相220V，50Hz的交流电输入，经过AC-DC-DC变换电路，得到交流输入220V/50Hz，输出直流电压20V,纹波系数<5%，功率500W，开关电源原理控制框图如图。

所示。

图3-1 开关电源设计原理框图由原理图可得，单相交流电输入，经过整流环节，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；随后经过滤波电容，滤除高频谐波，得到直流电压，随后利用以PWM为控制方式的直流斩波电路进行降压，最后经过LC滤波电路的到所需电压，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t，最终控制输出稳定的电压（或电流）。

on4主电路原理与设计4.1 整流电路设计4.1.1整流电路工作原理整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。

经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压。

习惯上称单向脉动性直流电压。

4.1.2 整流电路设计单相220V，50Hz的交流电输入，为了得到直流输出电压，我们首先设置一个整流电路，整流部分由四个二极管反向并联组成，为了滤除谐波分量，同时加入了两个滤波电容。