電力電子課程設(shè)計(jì)--直流電子開關(guān)設(shè)計(jì)

1、<p>　　電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書</p><p><b>　　直流開關(guān)電源的設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　1、了解一般電力電子技術(shù)設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)要求、應(yīng)完成的工作內(nèi)容和具體設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　

2、2、培養(yǎng)獨(dú)立工作的能力與創(chuàng)造力；綜合運(yùn)用專業(yè)及基礎(chǔ)知識的能力，解決實(shí)際工程技術(shù)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(shù)報(bào)告和編制技術(shù)資料的能力。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)：</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求：</b></p&g

3、t;<p>　　1、設(shè)計(jì)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(biāo)注型號；</p><p>　　3、設(shè)計(jì)GTR驅(qū)動(dòng)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(diǎn)電壓、電流及GTR、D\L

4、兩端電壓波形（再圖上標(biāo)注A、B、C、...，然后將所有點(diǎn)波形匯總繪制）；</p><p>　　5、課題仿真，編制設(shè)計(jì)說明書、設(shè)計(jì)小結(jié)。</p><p><b>　　主要技術(shù)參數(shù)</b></p><p>　　技術(shù)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(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p><b>　　主電路</b></p><p>　　1、開關(guān)電源的基本原理</p><p>　　開關(guān)電源就是采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件，通過周期性通斷開關(guān)，控制開關(guān)元件的占空比調(diào)整輸出電壓，開關(guān)電源的基本構(gòu)成如圖所示，DC-

6、DC變換器是進(jìn)行功率變換的器件，是開關(guān)電源的核心部件，此外還有啟動(dòng)電路、過流與過壓保護(hù)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(zhǔn)電壓比較，其誤差通過誤差放大器進(jìn)行放大，控制脈寬調(diào)制電路，再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制半導(dǎo)體開關(guān)的通斷時(shí)間，從而調(diào)整輸出電壓。其結(jié)構(gòu)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(dòng)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(gè)大小變化但方向不變的脈動(dòng)直流電。整流電路是由具有單向?qū)щ娦缘脑缍O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(guān)電源多采用脈寬調(diào)制方式，空載時(shí)開關(guān)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間非常短。其導(dǎo)通時(shí)間隨開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法不同而異，也有

8、采用控制開關(guān)晶體管電路的延時(shí)進(jìn)行的間歇開關(guān)工作，這時(shí)，若采用扼流圈輸入型整流電路，接近空載時(shí)，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(dòng)時(shí)，整流輸出電壓變動(dòng)較大，空載時(shí)有可能進(jìn)入間歇開關(guān)領(lǐng)域。(2)開關(guān)電源的特點(diǎn)是效率高而體積小，若使用扼流圈時(shí)，為提高負(fù)載調(diào)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(cè)濾波回路產(chǎn)生諧振。</p><p>　　因此，開關(guān)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(gè)二極管來實(shí)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(diǎn)是只利用了電源的半個(gè)周期，輸出電流較小，同時(shí)整流電壓的脈動(dòng)較大。全波整流電路可以克服這些缺點(diǎn)，其中最常用的是單相橋式整流電路，它是由四個(gè)二極管接成電橋的形式構(gòu)成的?？梢钥吹?，四個(gè)二極管分為

11、兩組，正負(fù)半周輪流導(dǎo)通，但負(fù)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>　?。╝） 單相橋式整流電路</p><p>　　（b） 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(dāng)為正半周并且數(shù)值大于電容兩端電壓時(shí)，二極管和管導(dǎo)通，和管截止，電流一路流經(jīng)負(fù)載，另一路對電容C充電。當(dāng)，導(dǎo)致和管反向偏置而截止，電容通過負(fù)載放電，按指數(shù)規(guī)律緩慢下降。 當(dāng)為負(fù)半周幅值變化到恰好大于時(shí)，和因加正向電壓變?yōu)閷?dǎo)通狀態(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(shí)和變?yōu)榻刂梗珻對負(fù)載放電，按指數(shù)規(guī)律下降；放電到一定數(shù)值時(shí)和變?yōu)閷?dǎo)通，重復(fù)上述過程。</p><

13、;p>　　輸出電壓平均值：空載時(shí)，放電時(shí)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(guān)計(jì)算公式推導(dǎo)得出?？蛰d時(shí)</p><p>　　重載時(shí)，R很小，電容放電很快，幾乎失去儲(chǔ)能作用。隨負(fù)載加重，逐漸趨近于，及趨近于電阻負(fù)載時(shí)的特性。 </p><p>　　根據(jù)負(fù)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(shí)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(cè)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(fù)載的單相全控橋整流電路相比，諧波與基波的關(guān)系是不固定的，RC越大，則諧波越大，而基波越小。這是因?yàn)椋琑C越大，意味著負(fù)載越輕，二極管的導(dǎo)通角越小，則交流側(cè)電流波形的底部就越窄，波形畸變也越嚴(yán)重。</p><p>　　LC越大，則諧波越小，因?yàn)榇?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(dāng)GTR導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓DC通過L向負(fù)載RL供電，與此同時(shí)也向電容C1充電。在這個(gè)過程中，電容C1及電感L中儲(chǔ)存能量。電感增加的磁通為：</p><p><b>　　。</b></p><p>　　當(dāng)GTR截止時(shí)，由儲(chǔ)存在電感L中的能量繼續(xù)向RL供電，當(dāng)輸出電壓要下降時(shí)，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(gòu)成電路回路。電感減少的磁通為：</p><p><b>　　當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)</b></p><p>　　由于占空比a<1，所以，實(shí)現(xiàn)降壓功能。</p><p><b>　　驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　GTR是第二代功率半導(dǎo)體器件,它克服了晶閘管不能自關(guān)斷與開關(guān)速度慢的缺點(diǎn)

18、,簡化了變頻傳動(dòng)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(guān)鍵器件,廣泛地應(yīng)用于載波器、穩(wěn)壓電源以及交直流電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域。驅(qū)動(dòng)的作用是使GTR可靠的開通與關(guān)斷,設(shè)計(jì)基極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)應(yīng)考慮采用基極優(yōu)化驅(qū)動(dòng)方案。所謂優(yōu)化驅(qū)動(dòng),就是以理想的基極驅(qū)動(dòng)電流波形去控制GTR的開關(guān)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(qū)動(dòng)特性具有以下幾點(diǎn)品質(zhì):</p><p>　　正向驅(qū)動(dòng)電流的上升沿要陡,要有一定時(shí)間的過驅(qū)動(dòng)電流,的數(shù)值選為準(zhǔn)飽和基極驅(qū)動(dòng)電流值的2倍左右,過驅(qū)動(dòng)時(shí)間為幾個(gè)Ls,以使GTR迅速開通,減小。</p><p>　　GTR被驅(qū)動(dòng)后,其基極驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)能自適應(yīng)負(fù)載參數(shù)的變化,只要GTR處于正常工作狀態(tài)下,基極驅(qū)動(dòng)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(chǔ)時(shí)間ts。</p><p>　　關(guān)斷時(shí),驅(qū)動(dòng)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(chǔ)電荷,減小。關(guān)斷初始電流一般為的2～3倍,太大則會(huì)產(chǎn)生基極電流的尾部效應(yīng),反而增加關(guān)斷損耗,不利于GTR的關(guān)斷,使其反向安全工作區(qū)減小,一般為正向驅(qū)動(dòng)電流的2倍值或相等。由外施偏置形成此反向抽取電流時(shí),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?qū)щ姟?lt;/p><p

21、>　　根據(jù)上述GTR優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)特性，設(shè)計(jì)出GTR驅(qū)動(dòng)電路。</p><p>　　二極管VD2和電位補(bǔ)償二極管VD3構(gòu)成貝克箝位電路，也即一種抗飽和電路，負(fù)載較輕時(shí)，如發(fā)射極電流全注入V，會(huì)使V過飽和。有了貝克箝位電路，當(dāng)V過飽和使得集電極電位低于基極電位時(shí)，會(huì)自動(dòng)導(dǎo)通，使多余的驅(qū)動(dòng)電流流入集電極，維持。</p><p>　　為加速開通過程的電容。開通時(shí)，被短路?？蓪?shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的過沖，

22、并增加前沿的陡度，加快開通。</p><p>　　開通驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)使GTR處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使之不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū)。</p><p>　　關(guān)斷GTR時(shí)，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗，關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負(fù)偏壓。</p><p>　　GTR驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)問題</p><p>　　GTR 的保護(hù)

23、一般是在驅(qū)動(dòng)電路中實(shí)現(xiàn)對GTR的自保護(hù)。其保護(hù)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(shí)現(xiàn)負(fù)載短路保護(hù),如發(fā)生短路現(xiàn)象時(shí),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(chǔ)在電感中的能量逆變回電網(wǎng);實(shí)現(xiàn)開路保護(hù)則很困難,必須設(shè)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(shí)現(xiàn)開路保護(hù)容易,實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)難度大些,一般是利用GTR可自關(guān)斷的特點(diǎn),故障

24、一旦檢出,就迅速關(guān)斷GTR器件。</p><p>　　一般認(rèn)為GTR損壞的主要原因有:</p><p>　　瞬態(tài)過壓。由于感性負(fù)載或布線電感的影響,GTR關(guān)斷時(shí)會(huì)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(hù)一般是給GTR并一RC或RCD網(wǎng)絡(luò),消除峰值電壓,改善GTR開關(guān)工作條件。</p><p>　　過流。流過GTR的電流超過最大允許電流ICM時(shí),

25、可能會(huì)使電極引線過熱而燒斷,或使結(jié)溫過高而損壞。檢測過流信號是技術(shù)難點(diǎn),檢測到過流信號后,通常是關(guān)閉GTR的基極電流,利用GTR的自關(guān)斷能力切斷電路。</p><p>　　退飽和。GTR的電路中工作在準(zhǔn)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(jìn)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(dá)到過流整定值,若IB減小或B減小,也會(huì)產(chǎn)生退飽和現(xiàn)象。</p><p>　　退飽和保護(hù)與過流保護(hù)相似。即在故障發(fā)生時(shí),利用GTR的自關(guān)斷能力切斷電路。在一定條件下,退飽和保護(hù)可以取代過流保護(hù)。條件是退飽和保護(hù)比過流保護(hù)先動(dòng)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(diǎn)措施:</p><p>　

27、　加大直流側(cè)濾波電容。</p><p>　　減短導(dǎo)線長度,盡量平和走線,把電流一進(jìn)一出的導(dǎo)線絞在一起。</p><p><b>　　控制電路</b></p><p>　　脈寬寬度調(diào)制式（PWM）開關(guān)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(diào)整其占空比，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。</p><p>　　脈寬

28、調(diào)制（PWM）基本原理：控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)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(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)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(jìn)行調(diào)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(shí)，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(cè)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(shè)計(jì)小結(jié)</b></p><p>　　為期兩周的課程設(shè)計(jì)將要結(jié)束了。在這兩周的學(xué)習(xí)中，我學(xué)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(shè)計(jì)對于我來說有著深刻的意義。這種意義不光是自己能夠獨(dú)立完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，更重要的是在這段時(shí)間內(nèi)使自己深刻感受到設(shè)計(jì)工作的那份艱難。這次課程設(shè)計(jì)不僅培養(yǎng)了我們獨(dú)立思考、動(dòng)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(xué)會(huì)了很多學(xué)習(xí)的方法。而這是日后最實(shí)用的，真的是受益匪淺！面對困難我們要不斷的學(xué)習(xí)、實(shí)踐，再學(xué)習(xí)、再實(shí)踐。這對于我們的將來也有很大的幫助。 通過這次課程設(shè)計(jì)，使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合的重要性。在今后的學(xué)習(xí)生活中，我們要更加注重理論與實(shí)踐的結(jié)合。</p><p><b>　　五、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1

32、、《直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)》 阮新波 嚴(yán)仰光編著，科學(xué)出版社； </p><p>　　2、《電力電子技術(shù)》 丁道宏主編，航空工業(yè)出版社；</p><p>　　3、《電力電子技術(shù)》 任國光主編，上?？萍嘉墨I(xiàn)出版社；</p><p>　　4、《電力電子技術(shù)》 王兆安、黃俊主編, 機(jī)械工業(yè)出版社；</p><p>　　5、

33、《晶閘管變流技術(shù)》 莫正康主編，機(jī)械工業(yè)出版社；</p><p>　　6、《晶閘管變流技術(shù)題例及電路設(shè)計(jì)》 栗書賢，石玉編，機(jī)械工業(yè)出版社；</p><p>　　7、《現(xiàn)代電力電子技術(shù)》 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(xué)出版社；</p><p>　　9、《電氣制