電力電子課程設(shè)計(jì)直流電子開(kāi)關(guān).docx

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(shuō)明書 班級(jí)：電氣141學(xué)號(hào)：1410060444姓名：朱宇恒設(shè)計(jì)時(shí)間：2016年12月19日至30日指導(dǎo)教師：陳榮鹽城工學(xué)院電氣工程系直流開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)目的1、了解一般電力電子技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)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。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(shí)的能力，解決實(shí)際工程技術(shù)問(wèn)題的能力。3、培養(yǎng)查閱圖書資料、產(chǎn)品手冊(cè)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。2、 設(shè)計(jì)任務(wù)： 設(shè)計(jì)要求： 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； 2、選擇主電路所有圖列原件，并給出清單，標(biāo)注型號(hào)； 3、設(shè)計(jì)GTR驅(qū)動(dòng)及控制電路； 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、DL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）； 5、課題仿真，編制設(shè)計(jì)說(shuō)明書、設(shè)計(jì)小結(jié)。3、 主要技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)：裝置輸入電源為單相工頻電源，電壓在160V270V之間變化，輸入電壓5V24V，輸出電流5A，輸出紋波電壓50mV，工作頻率f=4KHz。4、 設(shè)計(jì)內(nèi)容主電路1、開(kāi)關(guān)電源的基本原理開(kāi)關(guān)電源就是采用功率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)元件，通過(guò)周期性通斷開(kāi)關(guān)，控制開(kāi)關(guān)元件的占空比調(diào)整輸出電壓，開(kāi)關(guān)電源的基本構(gòu)成如圖所示，DC-DC變換器是進(jìn)行功率變換的器件，是開(kāi)關(guān)電源的核心部件，此外還有啟動(dòng)電路、過(guò)流與過(guò)壓保護(hù)電路、噪聲濾波器等組成部分。反饋回路檢測(cè)其輸出電壓，并與基準(zhǔn)電壓比較，其誤差通過(guò)誤差放大器進(jìn)行放大，控制脈寬調(diào)制電路，再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制半導(dǎo)體開(kāi)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。2、 整流電路的選擇整流是將交流電變成脈動(dòng)直流電的過(guò)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。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兩種基本電路的比較如下：(1)開(kāi)關(guān)電源多采用脈寬調(diào)制方式，空載時(shí)開(kāi)關(guān)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間非常短。其導(dǎo)通時(shí)間隨開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法不同而異，也有采用控制開(kāi)關(guān)晶體管電路的延時(shí)進(jìn)行的間歇開(kāi)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(kāi)關(guān)領(lǐng)域。(2)開(kāi)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(jí)側(cè)濾波回路產(chǎn)生諧振。因此，開(kāi)關(guān)電源的輸入整流電路采用電容輸入型。單相半波整流電路單相半波整流電路是最簡(jiǎn)單的整流電路如圖(a)所示，僅利用一個(gè)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)整流功能,其波形如圖（b）所示。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）（a） 單相半波可控整流電路（b） 單相半波可控整流電路波形單相橋式整流電路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?？梢钥吹剑膫€(gè)二極管分為兩組，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。（a） 單相橋式整流電路（b） 單相橋式整流電路波形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。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(duì)電容C充電。當(dāng)，導(dǎo)致和管反向偏置而截止，電容通過(guò)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(duì)C充電，上升到的峰值后又開(kāi)始下降；下降到一定數(shù)值時(shí)和變?yōu)榻刂梗珻對(duì)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(guò)程。輸出電壓平均值：空載時(shí)，放電時(shí)間常數(shù)為無(wú)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) 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。 根據(jù)負(fù)載情況選擇電容C值，使之T為交流電源的周期，此時(shí)輸出電壓為輸出電流平均值IR為電容濾波的整流電路交流側(cè)諧波組成規(guī)律：1、 諧波次數(shù)為基數(shù)。2、 諧波次數(shù)越高，諧波幅值越小。3、 與帶阻感負(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)?，RC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。4、 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。3、 DC-DC變換 當(dāng)GTR導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓DC通過(guò)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(guò)程中，電容C1及電感L中儲(chǔ)存能量。電感增加的磁通為：。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，以便構(gòu)成電路回路。電感減少的磁通為：當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)由于占空比a1，所以，實(shí)現(xiàn)降壓功能。4、 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 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(kāi)關(guān)速度慢的缺點(diǎn),簡(jiǎn)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(kāi)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(kāi)關(guān)過(guò)程。理想的基極電流波形從圖可以看出優(yōu)化驅(qū)動(dòng)特性具有以下幾點(diǎn)品質(zhì):1、 正向驅(qū)動(dòng)電流的上升沿要陡,要有一定時(shí)間的過(guò)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(guò)驅(qū)動(dòng)時(shí)間為幾個(gè)Ls,以使GTR迅速開(kāi)通,減小。2、 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,縮短存儲(chǔ)時(shí)間ts。3、 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23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?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。 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(guò)飽和。有了貝克箝位電路，當(dāng)V過(guò)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。為加速開(kāi)通過(guò)程的電容。開(kāi)通時(shí)，被短路。可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的過(guò)沖，并增加前沿的陡度，加快開(kāi)通。開(kāi)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)。 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。GTR驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)問(wèn)題 GTR 的保護(hù)一般是在驅(qū)動(dòng)電路中實(shí)現(xiàn)對(duì)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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),故障一旦檢出,就迅速關(guān)斷GTR器件。一般認(rèn)為GTR損壞的主要原因有:1、 瞬態(tài)過(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)工作條件。2、 過(guò)流。流過(guò)GTR的電流超過(guò)最大允許電流ICM時(shí),可能會(huì)使電極引線過(guò)熱而燒斷,或使結(jié)溫過(guò)高而損壞。檢測(cè)過(guò)流信號(hào)是技術(shù)難點(diǎn),檢測(cè)到過(guò)流信號(hào)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。3、 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。退飽和與過(guò)流是2種不同現(xiàn)象。我們知道,GTR飽和的條件是IBIC/B。因此,即使IC沒(méi)達(dá)到過(guò)流整定值,若IB減小或B減小,也會(huì)產(chǎn)生退飽和現(xiàn)象。退飽和保護(hù)與過(guò)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(guò)流保護(hù)。條件是退飽和保護(hù)比過(guò)流保護(hù)先動(dòng)作。在橋式電路中,布線電感對(duì)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:1、 加大直流側(cè)濾波電容。2、 減短導(dǎo)線長(zhǎng)度,盡量平和走線,把電流一進(jìn)一出的導(dǎo)線絞在一起。5、 控制電路 脈寬寬度調(diào)制式（PWM）開(kāi)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(guò)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。 脈寬調(diào)制（PWM）基本原理：控制方式就是對(duì)逆變電路開(kāi)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(lái)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(duì)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。 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。5、 電路仿真及其波形1、MATLAB電路仿真圖2、波形圖五、設(shè)計(jì)小結(jié) 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。這次的課程設(shè)計(jì)對(duì)于我來(lái)說(shuō)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(duì)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(duì)于我們的將來(lái)也有很大的幫助。 通過(guò)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。五、參