全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽電源培訓(xùn)

電源技術(shù)主講人：袁臣虎

2013年7月26日?基礎(chǔ)題類?通訊類?儀器類?電力電子類?控制類電源類電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目類型電力電子技術(shù)應(yīng)用于電氣領(lǐng)域的電子技術(shù),使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。強(qiáng)電（主電路）與弱電（控制電路）結(jié)合1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)電力電子器件（1）按可控性分類1）不控型器件大功率二極管2）半控型器件SCR3）全控型器件GTR、GTO、MOSFET、IGBT（2）按驅(qū)動(dòng)信號(hào)類型分類1）電流驅(qū)動(dòng)型SCR、GTR2）電壓驅(qū)動(dòng)型MOSFET、IGBT1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)SCRGTOGTRMOSFETIGBT1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)AC-DC1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)DC-DC1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)AC-AC1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)電力電子技術(shù)的應(yīng)用動(dòng)車組1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)直流輸電1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)柔性交流輸電（FACTS）1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)計(jì)算機(jī)電源1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)計(jì)算機(jī)電源1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)相關(guān)學(xué)科1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)電力電子技術(shù)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、交通、IT、通信、國(guó)防以及家電等領(lǐng)域，目前全球600億美元的電力電子產(chǎn)品市場(chǎng)已經(jīng)形成，支撐著5700億美元的電器電子硬件產(chǎn)品。據(jù)美國(guó)國(guó)家電力科學(xué)研究院分析，2010年，大約80％的電能將通過電力電子變流器來處理。應(yīng)用前景1.電力電子基礎(chǔ)知識(shí)2.電源基礎(chǔ)知識(shí)電源電壓源電流源①電壓源特性a.理想電壓源特性輸出電壓恒定，輸出電流由外電路負(fù)載決定，輸出功率可以無窮大。但不允許短路，違背了基爾霍夫電壓定律（KVL)。2.電源基礎(chǔ)知識(shí)b.實(shí)際電壓源特性輸出電壓在一定輸出電流范圍內(nèi)恒定，輸出電流由外電路負(fù)載決定，輸出功率由輸出電壓和輸出電流乘積決定。不允許短路，否則會(huì)燒壞！但是一般電壓源均有限流和短路保護(hù)電路。2.電源基礎(chǔ)知識(shí)2）.電流源a.理想電流源特性輸出電流恒定，輸出電壓由外電路負(fù)載決定，輸出功率可以無窮大。但不允許開路，違背了基爾霍夫電流定律（KCL)。2.電源基礎(chǔ)知識(shí)b.實(shí)際電流源特性輸出電流在一定輸出電壓范圍內(nèi)恒定，輸出電壓由外電路負(fù)載決定，輸出功率由輸出電壓和輸出電流乘積決定。不允許開路，否則會(huì)燒壞！但是一般電流源均有限壓和開路保護(hù)電路。2.電源基礎(chǔ)知識(shí)3）.線性電源優(yōu)點(diǎn)：無任何EMI輻射，輸出電壓紋波小，成本低。缺點(diǎn)：體積大，重量大，效率低。①.線性電源基本原理2.電源基礎(chǔ)知識(shí)②.電源性能指標(biāo)參數(shù)a)穩(wěn)壓系數(shù)

定義為負(fù)載一定時(shí)，穩(wěn)壓電路輸出電壓相對(duì)變化量與其輸入電壓相對(duì)變化量之比Sr表明電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，其值愈小，電網(wǎng)電壓變化時(shí)輸出電壓的變化愈小。2.電源基礎(chǔ)知識(shí)c)電流調(diào)整率（負(fù)載調(diào)整率）b)電壓調(diào)整率

在額定負(fù)載且輸入電壓產(chǎn)生最大變化的條件下，輸出電壓產(chǎn)生的變化量△Uo，稱為電壓調(diào)整率。

在輸入電壓一定且負(fù)載電流產(chǎn)生最大變化的條件下，輸出電壓產(chǎn)生的變化量△Uo，稱為電流調(diào)整率，也稱為負(fù)載調(diào)整率。d)電源效率η2.電源基礎(chǔ)知識(shí)③.穩(wěn)壓電路及其工作原理T為調(diào)整管DZ

為穩(wěn)壓管A為線性放大器串聯(lián)穩(wěn)壓電路2.電源基礎(chǔ)知識(shí)2.電源基礎(chǔ)知識(shí)2.電源基礎(chǔ)知識(shí)T為大功率調(diào)整管，工作于線性放大狀態(tài)，輸入電壓和輸出電壓相差越大功耗越大，效率很低。調(diào)整管極限參數(shù)的確定必須考慮輸入電壓由于電網(wǎng)波動(dòng)而產(chǎn)生的變化，以及輸出電壓的調(diào)節(jié)和負(fù)載電流的變化所產(chǎn)生的影響。④.線性電壓調(diào)節(jié)器LM317調(diào)壓器IADJ很小可以忽略不記。2.電源基礎(chǔ)知識(shí)

線性穩(wěn)壓輸出模塊(LM78XX)和負(fù)電壓輸出模塊(LM79XX)。

要求輸入電壓和輸出電壓之間由電壓差，且輸出電流需要的電壓差越大，其典型值為1-3V，最大可達(dá)35V。2.電源基礎(chǔ)知識(shí)4）.開關(guān)電源優(yōu)點(diǎn)：效率高、體積小、重量輕缺點(diǎn)：EMI、成本高ACDCACDC2.電源基礎(chǔ)知識(shí)（1）.開關(guān)電源電路分析方法①各功率開關(guān)管（三極管或二極管）換流時(shí)刻作為各開關(guān)模態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)刻。②假設(shè)條件充分合理。a.開關(guān)管均為理想開關(guān)，導(dǎo)通壓降為零，關(guān)斷電阻為無窮大。b.大電容等效為恒壓源，大電感等效為恒流源。

。。。。。。。2.電源基礎(chǔ)知識(shí)（2）.開關(guān)電源基本電路拓?fù)鋋.降壓型BUCK變換器Q、D為理想開關(guān)管C充分大，輸出電壓基本不變。假設(shè)條件：2.電源基礎(chǔ)知識(shí)開關(guān)模態(tài)12.電源基礎(chǔ)知識(shí)開關(guān)模態(tài)2根據(jù)伏秒積平衡原理，可推得D=Ton/T占空比2.電源基礎(chǔ)知識(shí)電壓控制型BUCK變換器電壓控制PWM波形2.電源基礎(chǔ)知識(shí)電流控制型BUCK變換器電流控制PWM波形2.電源基礎(chǔ)知識(shí)b.升壓型BOOST變換器Q、D為理想開關(guān)管C充分大，輸出電壓基本不變。假設(shè)條件：2.電源基礎(chǔ)知識(shí)開關(guān)模態(tài)1開關(guān)模態(tài)2根據(jù)伏秒積平衡原理，可推得2.電源基礎(chǔ)知識(shí)c.推挽型DC/DC變換器推挽型DC/DC變換器

2.電源基礎(chǔ)知識(shí)模態(tài)1

模態(tài)2

模態(tài)3

2.電源基礎(chǔ)知識(shí)驅(qū)動(dòng)脈沖2.電源基礎(chǔ)知識(shí)d.半橋型DC/DC變換器半橋型DC/DC變換器

2.電源基礎(chǔ)知識(shí)模態(tài)1

模態(tài)2

模態(tài)3

2.電源基礎(chǔ)知識(shí)驅(qū)動(dòng)脈沖2.電源基礎(chǔ)知識(shí)e.全橋型DC/DC變換器全橋型DC/DC變換器

2.電源基礎(chǔ)知識(shí)模態(tài)1

模態(tài)2

模態(tài)3

2.電源基礎(chǔ)知識(shí)驅(qū)動(dòng)脈沖2.電源基礎(chǔ)知識(shí)e.反激式DC/DC變換器反激式DC/DC變換器

2.電源基礎(chǔ)知識(shí)模態(tài)1

模態(tài)2

驅(qū)動(dòng)脈沖

2.電源基礎(chǔ)知識(shí)（3）.開關(guān)電源控制芯片電壓控制芯片SG35252.電源基礎(chǔ)知識(shí)2.電源基礎(chǔ)知識(shí)電流控制芯片UC3842/32.電源基礎(chǔ)知識(shí)設(shè)計(jì)出有一定輸出電壓范圍和功能的數(shù)控電源。其原理示意圖如下：1994簡(jiǎn)易數(shù)控直流電源一、設(shè)計(jì)任務(wù)

3.歷年競(jìng)賽題目分析二、設(shè)計(jì)要求1．基本要求

（1）輸出電壓：范圍0～＋9.9V，步進(jìn)0.1V，紋波不大于10mV；

（2）輸出電流：500mA；

（3）輸出電壓值由數(shù)碼管顯示；

（4）由“＋”、“－”兩鍵分別控制輸出電壓步進(jìn)增減；

（5）為實(shí)現(xiàn)上述幾部件工作，自制一穩(wěn)壓直流電源，輸出±15V，＋5V。2．發(fā)揮部分

（1）輸出電壓可預(yù)置在0～9.9V之間的任意一個(gè)值；

（2）用自動(dòng)掃描代替人工按鍵，實(shí)現(xiàn)輸出電壓變化（步進(jìn)0.1V不變）；

（3）擴(kuò)展輸出電壓種類（比如三角波等）。3.歷年競(jìng)賽題目分析3.歷年競(jìng)賽題目分析單片機(jī)AT89C51DAC0832運(yùn)算放大器3.歷年競(jìng)賽題目分析1997直流穩(wěn)定電源一、任務(wù)設(shè)計(jì)并制作交流變換為直流的穩(wěn)定電源。二、要求1．基本要求

（1）穩(wěn)壓電源

在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化范圍＋15%～－20%條件下：

a．輸出電壓可調(diào)范圍為+9V～+12V

b．最大輸出電流為1.5A

c．電壓調(diào)整率≤0.2%（輸入電壓220V變化范圍＋15%～－20%下，空載到滿載）

d．負(fù)載調(diào)整率≤1%（最低輸入電壓下，滿載）

e．紋波電壓（峰-峰值）≤5mV（最低輸入電壓下，滿載）

f．效率≥40%（輸出電壓9V、輸入電壓220V下，滿載）

g．具有過流及短路保護(hù)功能3.歷年競(jìng)賽題目分析（2）穩(wěn)流電源在輸入電壓固定為＋12V的條件下：

a．輸出電流：4～20mA可調(diào)

b．負(fù)載調(diào)整率≤1%（輸入電壓＋12V、負(fù)載電阻由200Ω～300Ω變化時(shí)，輸出電流為20mA時(shí)的相對(duì)變化率）

（3）DC-DC變換器在輸入電壓為+9V～+12V條件下：

a．輸出電壓為+100V，輸出電流為10mA

b．電壓調(diào)整率≤1%（輸入電壓變化范圍+9V～+12V）

c．負(fù)載調(diào)整率≤1%（輸入電壓+12V下，空載到滿載）

d．紋波電壓（峰-峰值）≤100mV（輸入電壓+9V下，滿載）3.歷年競(jìng)賽題目分析2．發(fā)揮部分

（1）擴(kuò)充功能

a．排除短路故障后，自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)

b．過熱保護(hù)

c．防止開、關(guān)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的“過沖”

（2）提高穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)

a．提高電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率

b．?dāng)U大輸出電壓調(diào)節(jié)范圍和提高最大輸出電流值

（3）改善DC-DC變換器

a．提高效率（在100V、100mA下）

b．提高輸出電壓

（4）用數(shù)字顯示輸出電壓和輸出電流3.歷年競(jìng)賽題目分析穩(wěn)壓電源

3.歷年競(jìng)賽題目分析穩(wěn)流電源3.歷年競(jìng)賽題目分析3.歷年競(jìng)賽題目分析一、任務(wù)

設(shè)計(jì)并制作數(shù)控直流電流源。輸入交流200～240V，50Hz；輸出直流電壓≤10V。其原理示意圖如下所示。鍵盤控制器電流源負(fù)載顯示器電源2005年數(shù)控直流電流源二、要求1、基本要求（1）輸出電流范圍：200mA～2000mA；（2）可設(shè)置并顯示輸出電流給定值，要求輸出電流與給定值偏差的絕對(duì)值≤給定值的1％+10mA；3.歷年競(jìng)賽題目分析2、發(fā)揮部分（1）輸出電流范圍為20mA～2000mA，步進(jìn)1mA；（2）設(shè)計(jì)、制作測(cè)量并顯示輸出電流的裝置(可同時(shí)或交替顯示電流的給定值和實(shí)測(cè)值)，測(cè)量誤差的絕對(duì)值≤測(cè)量值的0.1％+3個(gè)字；（3）改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí)，要求輸出電流變化的絕對(duì)值≤輸出電流值的0.1％+1mA；（4）紋波電流≤0.2mA；（5）其他。（3）具有“+”、“-”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)≤10mA；（4）改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí)，要求輸出電流變化的絕對(duì)值≤輸出電流值的1％+10mA；（5）紋波電流≤2mA；（6）自制電源。3.歷年競(jìng)賽題目分析3.歷年競(jìng)賽題目分析3.歷年競(jìng)賽題目分析運(yùn)放工作于線性放大狀態(tài)3.歷年競(jìng)賽題目分析3.歷年競(jìng)賽題目分析一、任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)三相正弦波變頻電源，輸出線電壓有效值為36V，最大負(fù)載電流有效值為3A，負(fù)載為三相對(duì)稱阻性負(fù)載(Y接法)。變頻電源框圖如下圖所示。2005年三相正弦波變頻電源3.歷年競(jìng)賽題目分析二、要求1、基本要求（1）輸出頻率范圍為20Hz～100Hz的三相對(duì)稱交流電，各相電壓有效值之差小于0.5V；（2）輸出電壓波形應(yīng)盡量接近正弦波，用示波器觀察無明顯失真；（3）當(dāng)輸入電壓為198V～242V，負(fù)載電流有效值為0.5～3A時(shí)，輸出線電壓有效值應(yīng)保持在36V，誤差的絕對(duì)值小于5%；（4）具有過流保護(hù)(輸出電流有效值達(dá)3.6A時(shí)動(dòng)作)、負(fù)載缺相保護(hù)及負(fù)載不對(duì)稱保護(hù)(三相電流中任意兩相電流之差大于0.5A時(shí)動(dòng)作)功能，保護(hù)時(shí)自動(dòng)切斷輸入交流電源2、發(fā)揮部分（1）當(dāng)輸入電壓為198V～242V，負(fù)載電流有效值為0.5～3A時(shí)，輸出線電壓有效值應(yīng)保持在36V，誤差的絕對(duì)值小于1%；（2）設(shè)計(jì)制作具有測(cè)量、顯示該變頻電源輸出電壓、電流、頻率和功率的電路，測(cè)量誤差的絕對(duì)值小于5%；（3）變頻電源輸出頻率在50Hz以上時(shí)，輸出相電壓的失真度小于5%；（4）其他。3.歷年競(jìng)賽題目分析3.歷年競(jìng)賽題目分析3.歷年競(jìng)賽題目分析3.歷年競(jìng)賽題目分析/view/b885edb369dc5022aaea0087.html3.歷年競(jìng)賽題目分析一、任務(wù)設(shè)計(jì)并制作如圖1所示的開關(guān)穩(wěn)壓電源。圖1電源框圖2007開關(guān)穩(wěn)壓電源3.歷年競(jìng)賽題目分析二、要求在電阻負(fù)載條件下，使電源滿足下述要求：1．基本要求輸出電壓UO可調(diào)范圍：30V～36V；最大輸出電流IOmax：2A；U2從15V變到21V時(shí)，電壓調(diào)整率SU≤2%（IO=2A）；IO從0變到2A時(shí)，負(fù)載調(diào)整率SI≤5%（U2=18V）；輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；DC-DC變換器的效率≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；具有過流保護(hù)功能，動(dòng)作電流IO（th）=2.5±0.2A；3.歷年競(jìng)賽題目分析2．發(fā)揮部分進(jìn)一步提高電壓調(diào)整率，使SU≤0.2%（IO=2A）；進(jìn)一步提高負(fù)載調(diào)整率，使SI≤0.5%（U2=18V）；進(jìn)一步提高效率，使≥85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；排除過流故障后，電源能自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)；能對(duì)輸出電壓進(jìn)行鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整，步進(jìn)值1V，同時(shí)具有輸出電壓、電流的測(cè)量和數(shù)字顯示功能。其他。3.歷年競(jìng)賽題目分析3.歷年競(jìng)賽題目分析一、任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。用直流穩(wěn)壓電源US和電阻RS模擬光伏電池，US=60V，RS=30Ω~36Ω；uREF為模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考信號(hào)，其峰峰值為2V，頻率fREF為45Hz~55Hz；T為工頻隔離變壓器，變比為n2:n1=2:1、n3:n1=1:10，將uF作為輸出電流的反饋信號(hào)；負(fù)載電阻RL=30Ω~36Ω。2009年光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置3.歷年競(jìng)賽題目分析3.歷年競(jìng)賽題目分析3.歷年競(jìng)賽題目分析3.歷年競(jìng)賽題目分析/view/47cd702de2bd960590c67724.html2011開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)

一、任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)由兩個(gè)額定輸出功率均為

16W的8VDC/DC模塊構(gòu)成的并聯(lián)供電系統(tǒng)（見圖1）。3.歷年競(jìng)賽題目分析二、 要求1.基本要求（1）調(diào)整負(fù)載電阻至額定輸出功率工作