電力電子課程設(shè)計--逆變電源的設(shè)計

1、<p>　　指導(dǎo)教師評定成績： </p><p>　　審定成績： </p><p><b>　　自 動 化 學(xué) 院</b></p><p>　　電力電子課程設(shè)計報告</p><p>　　單位（二級學(xué)院）： 自動化學(xué)院 </p>&

2、lt;p>　　學(xué) 生 姓 名： </p><p>　　專 業(yè)： 電氣工程與自動化 </p><p>　　班 級： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>

3、;　　指 導(dǎo) 教 師： </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、設(shè)計的基本要求1</p><p>　　1、逆變電源的用途1</p><p>　　2、主要技術(shù)數(shù)據(jù)1</p><p><b>　　3、設(shè)計內(nèi)容1&

4、lt;/b></p><p>　　4、TL494工作原理2</p><p><b>　　5、場效應(yīng)管3</b></p><p>　　二、總體方案的確定4</p><p>　　1、逆變電源的基本工作原理4</p><p>　　2、逆變電源的優(yōu)點5</p><p&g

5、t;　　三、具體電路設(shè)計6</p><p><b>　　1、主電路設(shè)計6</b></p><p>　　2、過電流保護電路設(shè)計8</p><p>　　3、驅(qū)動電路的設(shè)計8</p><p><b>　　四、附錄9</b></p><p>　　五、心得與總結(jié)13<

6、/p><p><b>　　六、參考文獻13</b></p><p>　　摘要：隨著社會的發(fā)展和科技的進步，新型電力電子器件和電力電子技術(shù)的產(chǎn)品逐漸進入我們的日常生活中。依據(jù)逆變技術(shù)的原理設(shè)計出來的一款生活中用到的逆變電源，該逆變電源了應(yīng)用開關(guān)電源電路技術(shù)有關(guān)知識，涉及模擬集成電路、電源集成電路、直流穩(wěn)壓電路、開關(guān)穩(wěn)壓電路等原理，同時運用芯片TL494的固定頻率脈沖寬度調(diào)

7、制電路及場效應(yīng)管N溝道增強型MOSFET的開關(guān)速度快、無二次擊穿、熱穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點而組合設(shè)計的電路。該逆變電源的主要組成部分為：DC/DC電路、過熱保護電路、DC/AC變換電路、振蕩電路、全橋電路。在工作時的持續(xù)輸出功率為200W，具有工作正常指示燈，在無電時報警等功能。逆變電源的制造成本較為低廉，實用性強，可作為多種便攜式電器通用的電能來源，來解決生活中遇到電子產(chǎn)品無電的問題。該逆變電源可將電瓶的12V直流電轉(zhuǎn)換為220V/50

8、Hz的交流電，供數(shù)碼相機、CD機、MD唱機、筆記本電腦、小型錄像機、電動剃須刀、手機等便攜式產(chǎn)品使用。</p><p>　　關(guān)鍵詞：逆變電路 電源 過載保護 經(jīng)濟性</p><p><b>　　逆變電源的設(shè)計</b></p><p><b>　　一、設(shè)計的基本要求</b></p><p>&l

9、t;b>　　1、逆變電源的用途</b></p><p>　　隨著社會的發(fā)展和科技的進步，新型電力電子器件和電力電子技術(shù)的產(chǎn)品逐漸進入我們的日常生活中，采用高頻鏈的方案來實現(xiàn)無工頻變壓器的逆變電路，來解決生活中遇到電子產(chǎn)品無電的問題。該逆變電源可將電瓶的12V直流電轉(zhuǎn)換為220V/50Hz的交流電，供數(shù)碼相機、CD機、MD唱機、筆記本電腦、小型錄像機、電動剃須刀、手機等便攜式產(chǎn)品使用。因此具有相當(dāng)

10、強的通用性。逆變電源是一種攜帶方便的電源轉(zhuǎn)換器，該電源的制作成本低，批量生產(chǎn)成本更低，并且當(dāng)印制板尺寸不受限制時，逆變電源的市場前景十分廣闊。</p><p><b>　　2、主要技術(shù)數(shù)據(jù)</b></p><p>　　輸出交流220 V／50 Hz</p><p>　　輸入電壓：直流12V</p><p>　　輸出功率

11、：200W</p><p>　　可作為多種電器的通用電源。</p><p><b>　　轉(zhuǎn)換效率：87% </b></p><p>　　空載損耗: 0.7A </p><p>　　故障顯示：紅燈閃爍并蜂鳴報警 </p><p>　　保護功能：過載、過流、短路、高溫、反接等報警保護</p>

12、;<p><b>　　散熱風(fēng)扇：溫度控制</b></p><p>　　濾波器參數(shù)取L=3mH，C=2.2</p><p><b>　　3、設(shè)計內(nèi)容</b></p><p><b>　　逆變電路的選擇</b></p><p>　　晶閘管電流、電壓額定的選擇</

13、p><p>　　平波電抗器電感值的計算</p><p><b>　　保護電路的設(shè)計</b></p><p><b>　　驅(qū)動電路的設(shè)計</b></p><p>　　畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖</p><p>　　列出主電路所用元器件的明細(xì)表</p>&l

14、t;p>　　4、TL494工作原理</p><p>　　TL494是一種固定頻率脈沖寬度調(diào)制電路，包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛用于單端正激雙管式、半橋式以及全橋式開關(guān)電源。其內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可以通過外部的一個電阻和一個電容進行調(diào)節(jié)。 輸出電容的脈沖其實是通過電容上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進行比較來實現(xiàn)的。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門，當(dāng)雙穩(wěn)觸壓器的時鐘信號為低電平時才

15、會被通過，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當(dāng)控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小?？刂菩盘栍杉呻娐吠獠枯斎?，一路送至?xí)r間死區(qū)時間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時間比較器具有120mV的輸入補償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時間約等于鋸齒波的周期4%，當(dāng)輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時，占空比為48%。當(dāng)把死區(qū)時間輸入端接上固定的電壓，即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時間。脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差

16、放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個手段：當(dāng)反饋電壓從0.5V變化到3.5時，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時間中下降為零。</p><p>　　TL494是一個固定頻率PWM控制電路，其性能如下：</p><p>　　輸入電源電壓為7~40V，可用穩(wěn)壓電源作為輸入電源，從而使輔助電源簡化。TL494末級的兩只三極管在7~40V范圍工作時，最大輸出電流可達250mA。因此，其帶負(fù)載能力

17、較強，即可按推挽方式工作，也可將兩路輸出并聯(lián)工作，小功率時可直接驅(qū)動。</p><p>　　內(nèi)部有5V參考電壓，使用方便，當(dāng)參考電壓短路時，有保護功能，控制很方便。</p><p>　　內(nèi)部有一對誤差放大器，可做反饋放大及保護功能，控制非常方便。</p><p>　　在高頻開關(guān)電源中，輸出方波必須對稱，在其他一些應(yīng)用中又需要方波人為不對稱，即需控制方波的占空比。通過

18、對TL494的4腳控制，即可調(diào)節(jié)占空比，還可用作輸出軟啟動保護。</p><p>　　TL494引腳功能表</p><p>　　TL494的內(nèi)部電路由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩器、死區(qū)時間比較器、誤差放大器、PWM比較器以及輸出電路等組成，各引腳功能見下表：</p><p>　　TL494引腳功能表</p><p><b>　　5、場效

19、應(yīng)管</b></p><p>　　場效應(yīng)管（FET）是利用輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件，由于它是靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱單機型晶體管，場效應(yīng)管不但具備雙極型晶體管體積小、重量輕、壽命長等優(yōu)點，而且輸入回路的內(nèi)阻高達107-1012Ω，噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強，而且比后者耗電省，這些優(yōu)點使之從20世紀(jì)60年代誕生起就廣泛地應(yīng)用于各種電子電路之中。分為結(jié)型和絕緣柵型

20、兩種結(jié)構(gòu)。場效應(yīng)管是一種適應(yīng)開關(guān)電源小型化、高效率化和高可靠性要求的理想器件。是利用電場效應(yīng)來控制其電流大小的半導(dǎo)體器件，這種器件不僅有開關(guān)速度快、無存儲時間、體積小、重量輕、耗電省、壽命長等優(yōu)點，而且還有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強和制造工藝簡單等優(yōu)點。因此大大的擴展了它的應(yīng)用范圍，特別是在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中得到的應(yīng)用更為廣泛。MOSFET開關(guān)較快而無存儲時間，故在較高工作頻率下開關(guān)損耗較小，并且所需的開關(guān)驅(qū)動

21、功率小，降低了電路的復(fù)雜性。本設(shè)計采用的是N溝道增強型MOSFET。在正的漏極電源的作用下，在柵源之間加上正向電壓（柵極接正，源極接負(fù)），才能使該場效應(yīng)管導(dǎo)通。當(dāng)>0時才有可能有電流即漏極電</p><p>　　MOSFET代表符號圖</p><p><b>　　二、總體方案的確定</b></p><p>　　1、逆變電源的基本工作原理&

22、lt;/p><p>　　如下圖的以單相橋式逆變電路為例，說明其最基本的工作原理。圖中S1~S4是橋式電路的4個臂，他們由電力電子器件及其輔助電路組成。當(dāng)開關(guān)S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負(fù)載電壓u0為正；帶開關(guān)S1、S4斷開，S2、S3閉合時u0為負(fù)。其波形如圖所示，這樣就把直流電變成交流電，改變兩組開關(guān)的切換頻率，即改變輸出交流電的頻率。這就是逆變電路的最基本得工作原理。</p><p>

23、;　　當(dāng)負(fù)載為電阻時，負(fù)載電流i0和電壓u0的波形形狀相同，相位也相同。當(dāng)負(fù)載為阻感時，i0相位滯后于u0，兩者波形的形狀也不同，圖中給出的就是阻感負(fù)載時的i0波形。設(shè)t1時刻以前S1、S4導(dǎo)通，u0和i0均為正。在t1時刻斷開S1、S4，同時合上S2、S3，則u0的極性立刻變?yōu)樨?fù)，但是，因為負(fù)載中有電感，其電流方向不能立刻改變而仍維持原方向。這時負(fù)載電流從直流電源負(fù)極流出，經(jīng)S2、負(fù)載、S3流回正極，負(fù)載電感中儲存的能量向直流電源反饋

24、，負(fù)載電流逐漸減小，到t2時刻降為零，之后i0才反向并逐漸增大。S2、S3斷開，S1、S4閉合時的情況類似。上面是S1 ~S4均為理想開關(guān)時的分析，實際電路的工作過程要復(fù)雜一些。</p><p><b>　　逆變電路圖</b></p><p><b>　　輸出波形圖</b></p><p><b>　　2、逆變電

25、源的優(yōu)點</b></p><p><b>　　經(jīng)濟性好</b></p><p>　　逆變電源可將12V直流電轉(zhuǎn)換為220V/50Hz的交流電，供數(shù)碼相機、CD機、MD唱機、筆記本電腦、小型錄像機、電動剃須刀、手機等便攜式產(chǎn)品使用，因此具有相當(dāng)強的通用性。這種逆變電源在工作時的持續(xù)輸出功率為200W，并且具有過壓保護、過流保護以及過熱保護等功能。這種電源的制

26、造成本比較低廉，千臺以上數(shù)量的批產(chǎn)成本僅在30元/臺左右，并且當(dāng)印制板的尺寸不受限制時，可以將輸出功率做到200W以上，因此該逆變電源幾乎可以替代目前市場上所售的各種逆變器或者逆變電源產(chǎn)品，其應(yīng)用前景十分廣闊。</p><p><b>　　高性能價格比</b></p><p>　　逆變電源的大批制造成本比較低，再者是我們?nèi)粘Ｉ钪心軌蚓燃钡难b備，以及現(xiàn)運行的綜合自動化

27、變電所中，一般設(shè)后臺監(jiān)控微機，通訊設(shè)備多為微波及光纖機等，此類監(jiān)控和通訊設(shè)備工作電源為交流電源，要做到不間斷供電以滿足四遙要求，不同的設(shè)備須單獨裝設(shè)不間斷電源和蓄電池組。而變電所中裝設(shè)逆變電源可直接利用所用直流電源系統(tǒng)的大容量蓄電池提供交流電源，比UPS供電方案節(jié)約了投資費用，也避免了蓄電池組的重復(fù)投資，減少了維護工作量，降低了運行成本。逆變電源設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)19英寸模塊或可內(nèi)嵌到19英寸機柜內(nèi)，功率密度大、體積小、重量輕，相對其它電源節(jié)約

28、占地空間。該模塊采用自然降溫方式，噪音小，安裝在19英寸機架內(nèi)，與電信機房內(nèi)的其它設(shè)備在物理結(jié)構(gòu)上兼容，便于設(shè)計和擺放安裝。</p><p><b>　　高可靠性</b></p><p>　　變電所中裝設(shè)的直流電源系統(tǒng)，可靠性高、壽命長，采用直流動力加逆變器方案，利用所用直流電源系統(tǒng)的監(jiān)控功能和逆變器的通訊功能可遠(yuǎn)方實時監(jiān)視逆變電源的運行狀態(tài)。由于變電所直流電源系統(tǒng)蓄

29、電池容量大，電網(wǎng)斷電后不間斷供電時間大大延長，真正起到了保安電源的作用，提高了其供電可靠性。電力逆變器是新一代的DC/AC電源產(chǎn)品，輸入為220V直流電，輸出為220V、50Hz正弦波交流電，輸入輸出端完全與市電隔離，避免了市電波動對負(fù)載的影響，而完全與市電隔離，還可避免雷電等過電壓造成的電源板燒毀事故，提高了負(fù)載的安全性。</p><p><b>　　維護維修方便</b></p>

30、;<p>　　模塊化真冗余可并聯(lián)逆變電源系統(tǒng)中如果個別模塊發(fā)生故障，在不停電的情況下用戶可以自行熱插拔模塊，進行更換。</p><p><b>　　三、具體電路設(shè)計</b></p><p><b>　　1、主電路設(shè)計</b></p><p>　　12V直流電壓經(jīng)過高頻逆變和高頻整流，得到一個符合要求的350V

31、直流電壓，該部分的控制信號由TL494芯片產(chǎn)生。再經(jīng)過全橋DC/AC逆變電路，得到220V/50Hz交流電壓輸出。為保證系統(tǒng)可靠運行，防止主電路對控制電路的干擾，采用主、控電路完全隔離的方法，即驅(qū)動信號用光耦隔離，反饋信號用變壓器隔離，輔助電源用變壓器隔離等。對于整個系統(tǒng)而言，逆變電路能否正常工作決定了整個系統(tǒng)能否正常運行。設(shè)計的重點在逆變器的控制和檢測上。輸入12V直流電源電壓，經(jīng)過逆變電路得到220V/50KHz的交流電，此交流電再

32、經(jīng)過整流濾波電路得到220V高壓直流電，然后再經(jīng)過逆變得到220V/50Hz交流電。其中過流保護電路、過熱保護電路構(gòu)成整個電路的保護電路。當(dāng)輸入電壓出現(xiàn)過大或者過小時，保護電路就會啟動，停止逆變電路的工作，過熱保護電路是當(dāng)電路工作溫度過高時，啟動保護使逆變電路停止工作。</p><p>　　輸出過壓保護電路與逆變電路構(gòu)成反饋回路，當(dāng)電路輸出異常則停止逆變電路的工作。在逆變電路中是用一塊TL494芯片產(chǎn)生50KHz

33、的脈沖頻率，經(jīng)過變壓器電路將12V直流轉(zhuǎn)換成220V/50KHz的交流電。在第二個逆變電路中也用一塊TL494芯片產(chǎn)生50Hz的脈沖波，全橋電路以50Hz的頻率交替導(dǎo)通，從而將220V直流和50Hz脈沖電路整合，然后輸出220V/50Hz的交流電。</p><p><b>　　車載電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　2、過電流保護電路設(shè)計</p>

34、<p>　　過電流保護采用電流互感器作為電流檢測元件，其具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠在IGBT允許的過流時間內(nèi)將其關(guān)斷，起到保護作用。</p><p>　　如圖所示，過流保護信號取自CT2，經(jīng)分壓、濾波后加至電壓比較器的同相輸入端，當(dāng)同相輸入端過電流檢測信號比反相輸入端參考電平高時，比較器輸出高電平，使D2從原來的反向偏置狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎驅(qū)?，并把同相端電位提升為高電平，使電壓比較器一直穩(wěn)定輸出高電平。同時

35、，該過電流信號還送到SG3525的腳10。當(dāng)SG3525的腳10為高電平時，其腳11及腳14上輸出的脈寬調(diào)制脈沖就會立即消失而成為零。</p><p><b>　　過電流保護</b></p><p><b>　　3、驅(qū)動電路的設(shè)計</b></p><p>　　驅(qū)動電路在主電路和控制電路之間，用來對控制電路的信號進行放大的中

36、間電路，即放大控制電路的信號使其能夠驅(qū)動功率晶體管，稱為驅(qū)動電路。驅(qū)動電路的基本任務(wù)是將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號。驅(qū)動電路的設(shè)計既要考慮在功率管需要導(dǎo)通時，能迅速地建立起驅(qū)動電壓，又要考慮在需要關(guān)斷時，能迅速地泄放功率管柵極電容上的電荷，拉低驅(qū)動電壓。具體驅(qū)動電路如圖：</p><p><b>　　驅(qū)動電路</b

37、></p><p>　　其工作原理是：當(dāng)光耦原邊有控制電路的驅(qū)動脈沖電流流過時，光耦導(dǎo)通，使Q1的基極電位迅速上升，導(dǎo)致D2導(dǎo)通，功率管的柵極電壓上升，使功率管導(dǎo)通；當(dāng)光耦原邊無控制電路的驅(qū)動脈沖電流流過時，光耦不導(dǎo)通，使Q1的基極電位拉低，而功率管柵極上的電壓還為高，所以導(dǎo)致Q1導(dǎo)通，功率管的柵極電荷通過Q1及電阻R3迅速泄放，使功率管迅速可靠地關(guān)斷。</p><p>　　對于功率

38、管的保護同樣重要，所以在功率管源極和漏極之間要加一個緩沖電路避免功率管被過高的正、反向電壓所損壞。</p><p><b>　　四、附錄</b></p><p><b>　　實驗原理圖</b></p><p><b>　　PCB圖</b></p><p><b>　　

39、元件參數(shù)表</b></p><p><b>　　元件參數(shù)表</b></p><p><b>　　五、心得與總結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過了一周半的的電力電子課程設(shè)計，這次我的課題方向是：有源、無源逆變技術(shù)的工程應(yīng)用（含逆變的組合電路也可），主要是探討設(shè)計電路并做仿真。本次電力電子課程設(shè)計中，以單相全控橋

40、式有源逆變電路為研究對象，對其原理做了很深入的理解。通過本次電力電子課程設(shè)計，暴露出了我在平時學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)這門課程中存在的問題，在學(xué)習(xí)中只局限于課本知識，沒有去深入探索新知識，至使在本次課程設(shè)計中出現(xiàn)當(dāng)拿到課題后毫無頭緒、無從下手的感覺；在學(xué)習(xí)了電力電子這門學(xué)科后，沒能很好的將本學(xué)科中的知識互相聯(lián)系，也沒能將本學(xué)科和模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等學(xué)科相互聯(lián)系，造成了在設(shè)計觸發(fā)電路時遇到很大的困難，最終在老師的指導(dǎo)和同學(xué)的幫助下才完成；

41、缺少實際操作能力，忽視了電力電子技術(shù)主要在于應(yīng)用這一點，在設(shè)計時由于缺少實踐經(jīng)驗，對參數(shù)的估算以及各元件參數(shù)的設(shè)定都走了很多彎路。</p><p>　　本次的課程設(shè)計需要查詢大量的資料閱讀大量的期刊，提高了文獻檢索的能力，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻資料。通過本次設(shè)計明白了不是任何信息都能在網(wǎng)絡(luò)中輕易得到，還是需要自己的耐心尋找和仔細(xì)的篩選，找出真正對自己有用的信息。同時，通過本次課程設(shè)計使我明白

42、了當(dāng)面對實際的電力電子技術(shù)方面問題時，要能夠?qū)⒆约旱睦碚撝R與其結(jié)合起來，對以后的學(xué)習(xí)和工作有了更好的指導(dǎo)。</p><p><b>　　六、參考文獻</b></p><p>　　王兆安等，電力電子技術(shù)，北京：機械工業(yè)出版社，2009</p><p>　　薛定宇，基于Matlab/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用，北京：清華大學(xué)出版社，20

43、06</p><p>　　陳國呈，PWM逆變技術(shù)及應(yīng)用，北京：中國電力出版社，2007</p><p>　　王丹力等，Matlab控制系統(tǒng)設(shè)計、仿真、應(yīng)用，北京：中國電力出版社，2008</p><p>　　康華光，陳大欽，電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M]，北京：高等教育出版社，1999</p><p>　　曾興雯，劉乃安，陳?。哳l電子線路［Ｍ

44、］，北京：高等教育出版社，2004</p><p>　　都永超，朱漢林，無線電（期刊）[J]，北京：人民郵電出版社，2005年11月總第518期</p><p>　　黃燕，常用電子設(shè)備開關(guān)電源檢修方法[M]，北京：科學(xué)出版社，2002</p><p>　　李瀚蓀，電路分析基礎(chǔ)（第3版）[M]，北京：高等教育出版社，1993 </p><p>