電力電子課程設計--直流電子開關設計

1、<p>　　電氣工程及其自動化專業(yè)《電力電子技術》課程設計說明書</p><p><b>　　直流開關電源的設計</b></p><p><b>　　一、設計目的</b></p><p>　　1、了解一般電力電子技術設計過程、設計要求、應完成的工作內容和具體設計方法。</p><p>　　

2、2、培養(yǎng)獨立工作的能力與創(chuàng)造力；綜合運用專業(yè)及基礎知識的能力，解決實際工程技術問題的能力。</p><p>　　3、培養(yǎng)查閱圖書資料、產(chǎn)品手冊和各種工具書的能力；工程繪圖的能力；書寫技術報告和編制技術資料的能力。</p><p><b>　　設計任務：</b></p><p><b>　　設計要求：</b></p&g

3、t;<p>　　1、設計主電路及控制電路，要求主電路為：整流部分是變壓器+單相橋式二極管，大電容濾波，DC/DC變換部分是GTR降壓變換器；</p><p>　　2、選擇主電路所有圖列原件，并給出清單，標注型號；</p><p>　　3、設計GTR驅動及控制電路；</p><p>　　4、繪制裝置總體電路原理圖，繪制電路所有點電壓、電流及GTR、D\L

4、兩端電壓波形（再圖上標注A、B、C、...，然后將所有點波形匯總繪制）；</p><p>　　5、課題仿真，編制設計說明書、設計小結。</p><p><b>　　主要技術參數(shù)</b></p><p>　　技術參數(shù)：裝置輸入電源為單相工頻電源，電壓在160V~270V之間變化，輸入電壓5V~24V，輸出電流5A，輸出紋波電壓50mV，工作頻率f

5、=4KHz。</p><p><b>　　設計內容</b></p><p><b>　　主電路</b></p><p>　　1、開關電源的基本原理</p><p>　　開關電源就是采用功率半導體器件作為開關元件，通過周期性通斷開關，控制開關元件的占空比調整輸出電壓，開關電源的基本構成如圖所示，DC-

6、DC變換器是進行功率變換的器件，是開關電源的核心部件，此外還有啟動電路、過流與過壓保護電路、噪聲濾波器等組成部分。反饋回路檢測其輸出電壓，并與基準電壓比較，其誤差通過誤差放大器進行放大，控制脈寬調制電路，再經(jīng)過驅動電路控制半導體開關的通斷時間，從而調整輸出電壓。其結構圖如圖所示。</p><p><b>　　整流電路的選擇</b></p><p>　　整流是將交流電變

7、成脈動直流電的過程。電源變壓器輸出的交流電經(jīng)整流電路得到一個大小變化但方向不變的脈動直流電。整流電路是由具有單向導電性的元件例如二極管、晶間管等整流元件組成的。</p><p>　　單相整流電路有兩種：電容輸入型電路和扼流圈輸入型電路</p><p>　　兩種基本電路的比較如下：(1)開關電源多采用脈寬調制方式，空載時開關晶體管的導通時間非常短。其導通時間隨開關電源的設計方法不同而異，也有

8、采用控制開關晶體管電路的延時進行的間歇開關工作，這時，若采用扼流圈輸入型整流電路，接近空載時，扼流固變?yōu)榕R界值，逆流電路由扼梳閡輸入型變?yōu)闃I(yè)為電容輸入型。為此，從滿載到空載變動時，整流輸出電壓變動較大，空載時有可能進入間歇開關領域。(2)開關電源的特點是效率高而體積小，若使用扼流圈時，為提高負載調整率需要接入扼流圈以及阻尼電阻。(3) 扼流圈可能與次級側濾波回路產(chǎn)生諧振。</p><p>　　因此，開關電源的輸入

9、整流電路采用電容輸入型。</p><p><b>　　單相半波整流電路</b></p><p>　　單相半波整流電路是最簡單的整流電路如圖(a)所示，僅利用一個二極管來實現(xiàn)整流功能,其波形如圖（b）所示。</p><p>　　單相半波整流電路的輸出電壓平均值為：（為變壓器副邊輸出電壓的有效值）</p><p>　　單相半

10、波可控整流電路</p><p>　　單相半波可控整流電路波形</p><p><b>　　單相橋式整流電路</b></p><p>　　單相半波整流電路的缺點是只利用了電源的半個周期，輸出電流較小，同時整流電壓的脈動較大。全波整流電路可以克服這些缺點，其中最常用的是單相橋式整流電路，它是由四個二極管接成電橋的形式構成的?？梢钥吹剑膫€二極管分為

11、兩組，正負半周輪流導通，但負載上電流方向不變，此即為全波整流。單相半波整流電路如圖（a）所示，其波形如圖（b）所示。</p><p>　　（a） 單相橋式整流電路</p><p>　?。╞） 單相橋式整流電路波形</p><p>　　單相橋式整流電壓的平均值為：（為變壓器副邊輸出電壓的有效值）,比半波整流輸出電壓高。因此，整流電路選用單相橋式整流電路。</p&

12、gt;<p>　　當為正半周并且數(shù)值大于電容兩端電壓時，二極管和管導通，和管截止，電流一路流經(jīng)負載，另一路對電容C充電。當，導致和管反向偏置而截止，電容通過負載放電，按指數(shù)規(guī)律緩慢下降。 當為負半周幅值變化到恰好大于時，和因加正向電壓變?yōu)閷顟B(tài)，再次對C充電，上升到的峰值后又開始下降；下降到一定數(shù)值時和變?yōu)榻刂梗珻對負載放電，按指數(shù)規(guī)律下降；放電到一定數(shù)值時和變?yōu)閷ǎ貜蜕鲜鲞^程。</p><

13、;p>　　輸出電壓平均值：空載時，放電時間常數(shù)為無窮大，輸出電壓最大 。 整流電壓平均值可根據(jù)前述波形及有關計算公式推導得出?？蛰d時</p><p>　　重載時，R很小，電容放電很快，幾乎失去儲能作用。隨負載加重，逐漸趨近于，及趨近于電阻負載時的特性。 </p><p>　　根據(jù)負載情況選擇電容C值，使之</p><p>　　T為

14、交流電源的周期，此時輸出電壓為</p><p>　　輸出電流平均值IR為</p><p>　　電容濾波的整流電路交流側諧波組成規(guī)律： </p><p><b>　　諧波次數(shù)為基數(shù)。 </b></p><p>　　諧波次數(shù)越高，諧波幅值越小。 </p><p>　　與帶

15、阻感負載的單相全控橋整流電路相比，諧波與基波的關系是不固定的，RC越大，則諧波越大，而基波越小。這是因為，RC越大，意味著負載越輕，二極管的導通角越小，則交流側電流波形的底部就越窄，波形畸變也越嚴重。</p><p>　　LC越大，則諧波越小，因為串聯(lián)電感L抑制沖擊電流從而抑制了交流電流的畸變。</p><p><b>　　DC-DC變換 </b></p>

16、<p>　　當GTR導通時，輸入電壓DC通過L向負載RL供電，與此同時也向電容C1充電。在這個過程中，電容C1及電感L中儲存能量。電感增加的磁通為：</p><p><b>　　。</b></p><p>　　當GTR截止時，由儲存在電感L中的能量繼續(xù)向RL供電，當輸出電壓要下降時，電容C1中的能量也向RL放電，維持輸出電壓不變。二極管VD1繼續(xù)流二極管

17、，以便構成電路回路。電感減少的磁通為：</p><p><b>　　當達到平衡時</b></p><p>　　由于占空比a<1，所以，實現(xiàn)降壓功能。</p><p><b>　　驅動電路的設計</b></p><p>　　GTR是第二代功率半導體器件,它克服了晶閘管不能自關斷與開關速度慢的缺點

18、,簡化了變頻傳動和其它帶逆變環(huán)節(jié)的交流器的換相,降低了體積,且可節(jié)能,是電力電子裝置的關鍵器件,廣泛地應用于載波器、穩(wěn)壓電源以及交直流電機調速領域。驅動的作用是使GTR可靠的開通與關斷,設計基極驅動電路時應考慮采用基極優(yōu)化驅動方案。所謂優(yōu)化驅動,就是以理想的基極驅動電流波形去控制GTR的開關過程。</p><p><b>　　理想的基極電流波形</b></p><p>

19、;　　從圖可以看出優(yōu)化驅動特性具有以下幾點品質:</p><p>　　正向驅動電流的上升沿要陡,要有一定時間的過驅動電流,的數(shù)值選為準飽和基極驅動電流值的2倍左右,過驅動時間為幾個Ls,以使GTR迅速開通,減小。</p><p>　　GTR被驅動后,其基極驅動電流應能自適應負載參數(shù)的變化,只要GTR處于正常工作狀態(tài)下,基極驅動電路提供的基極電流都能保障GTR處于臨界飽和狀態(tài),以減小基極損耗

20、,縮短存儲時間ts。</p><p>　　關斷時,驅動電路能為GTR基極—射極間提供一反向電流,以迅速抽取基區(qū)存儲電荷,減小。關斷初始電流一般為的2～3倍,太大則會產(chǎn)生基極電流的尾部效應,反而增加關斷損耗,不利于GTR的關斷,使其反向安全工作區(qū)減小,一般為正向驅動電流的2倍值或相等。由外施偏置形成此反向抽取電流時,其供電電壓必須限制在GTR的以下,但要加足以防止GTR的反向導電。</p><p

21、>　　根據(jù)上述GTR優(yōu)良的驅動特性，設計出GTR驅動電路。</p><p>　　二極管VD2和電位補償二極管VD3構成貝克箝位電路，也即一種抗飽和電路，負載較輕時，如發(fā)射極電流全注入V，會使V過飽和。有了貝克箝位電路，當V過飽和使得集電極電位低于基極電位時，會自動導通，使多余的驅動電流流入集電極，維持。</p><p>　　為加速開通過程的電容。開通時，被短路?？蓪崿F(xiàn)驅動電流的過沖，

22、并增加前沿的陡度，加快開通。</p><p>　　開通驅動電流應使GTR處于準飽和導通狀態(tài)，使之不進入放大區(qū)和深飽和區(qū)。</p><p>　　關斷GTR時，施加一定的負基極電流有利于減小關斷時間和關斷損耗，關斷后同樣應在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負偏壓。</p><p>　　GTR驅動電路保護問題</p><p>　　GTR 的保護

23、一般是在驅動電路中實現(xiàn)對GTR的自保護。其保護電路的形式依賴于逆變器是電壓源供電還是電流源供電。電流源逆變器易于實現(xiàn)負載短路保護,如發(fā)生短路現(xiàn)象時,可將所有晶體管開通,以最大限度地發(fā)揮電流承受能力,并且把可控整流橋拉入逆變,使存儲在電感中的能量逆變回電網(wǎng);實現(xiàn)開路保護則很困難,必須設置電壓鉗位電路以限制dv/dt,并使尖峰電壓值小于晶體管的擊穿電壓。電壓型逆變器實現(xiàn)開路保護容易,實現(xiàn)短路保護難度大些,一般是利用GTR可自關斷的特點,故障

24、一旦檢出,就迅速關斷GTR器件。</p><p>　　一般認為GTR損壞的主要原因有:</p><p>　　瞬態(tài)過壓。由于感性負載或布線電感的影響,GTR關斷時會產(chǎn)生瞬態(tài)電壓尖峰。瞬態(tài)過壓是GTR二次擊穿手主要原因,它的防護一般是給GTR并一RC或RCD網(wǎng)絡,消除峰值電壓,改善GTR開關工作條件。</p><p>　　過流。流過GTR的電流超過最大允許電流ICM時,

25、可能會使電極引線過熱而燒斷,或使結溫過高而損壞。檢測過流信號是技術難點,檢測到過流信號后,通常是關閉GTR的基極電流,利用GTR的自關斷能力切斷電路。</p><p>　　退飽和。GTR的電路中工作在準飽和狀態(tài),但也可因外部電路條件的變化,使它退出了飽和區(qū),進入了放大區(qū),使得集電極耗散功率增大。</p><p>　　退飽和與過流是2種不同現(xiàn)象。我們知道,GTR飽和的條件是IB≥IC/B。因

26、此,即使IC沒達到過流整定值,若IB減小或B減小,也會產(chǎn)生退飽和現(xiàn)象。</p><p>　　退飽和保護與過流保護相似。即在故障發(fā)生時,利用GTR的自關斷能力切斷電路。在一定條件下,退飽和保護可以取代過流保護。條件是退飽和保護比過流保護先動作。</p><p>　　在橋式電路中,布線電感對逆變器的干擾很大,常常使逆變器不能工作,可采取以下兩點措施:</p><p>　

27、　加大直流側濾波電容。</p><p>　　減短導線長度,盡量平和走線,把電流一進一出的導線絞在一起。</p><p><b>　　控制電路</b></p><p>　　脈寬寬度調制式（PWM）開關型穩(wěn)壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調整其占空比，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。</p><p>　　脈寬

28、調制（PWM）基本原理：控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。</p><p>　　在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值

29、時，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，因此在交－直－交變頻器中，PWM逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側電壓的幅值。</p><p><b>　　電路仿真及其波形</b></p><p>　　1、MATLAB電路仿真圖</p><p><b>　　2、波形圖</b></p><p><b&

30、gt;　　五、設計小結</b></p><p>　　為期兩周的課程設計將要結束了。在這兩周的學習中，我學到了很多，也找到了自己身上的不足。感受良多，獲益匪淺。</p><p>　　這次的課程設計對于我來說有著深刻的意義。這種意義不光是自己能夠獨立完成了設計任務，更重要的是在這段時間內使自己深刻感受到設計工作的那份艱難。這次課程設計不僅培養(yǎng)了我們獨立思考、動手操作的能力，而且在各

31、種其它能力上也都有了提高。更重要的是，我們學會了很多學習的方法。而這是日后最實用的，真的是受益匪淺！面對困難我們要不斷的學習、實踐，再學習、再實踐。這對于我們的將來也有很大的幫助。 通過這次課程設計，使我懂得了理論與實際相結合的重要性。在今后的學習生活中，我們要更加注重理論與實踐的結合。</p><p><b>　　五、參考文獻</b></p><p>　　1

32、、《直流開關電源的軟開關技術》 阮新波 嚴仰光編著，科學出版社； </p><p>　　2、《電力電子技術》 丁道宏主編，航空工業(yè)出版社；</p><p>　　3、《電力電子技術》 任國光主編，上海科技文獻出版社；</p><p>　　4、《電力電子技術》 王兆安、黃俊主編, 機械工業(yè)出版社；</p><p>　　5、

33、《晶閘管變流技術》 莫正康主編，機械工業(yè)出版社；</p><p>　　6、《晶閘管變流技術題例及電路設計》 栗書賢，石玉編，機械工業(yè)出版社；</p><p>　　7、《現(xiàn)代電力電子技術》 何希才主編，國防工業(yè)出版社；</p><p>　　8、《電氣制圖用新舊圖形符號對照》 科學出版社；</p><p>　　9、《電氣制