電力電子課程設(shè)計

電力電子課程設(shè)計第1頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一1、把從電力電子技術(shù)及其它先修課程（電工基礎(chǔ)、電子技術(shù)、電機學等）中所學到的理論和實踐知識，在課程設(shè)計實踐中全面綜合的加以運用，使這些知識得到鞏固、提高，并使理論知識與實踐技能密切結(jié)合起來。

2、初步樹立起正確的設(shè)計思想，掌握一般電力電子電路設(shè)計的基本方法和技能，培養(yǎng)觀察、分析和解決問題及獨立設(shè)計的能力，訓練設(shè)計構(gòu)思和創(chuàng)新能力。

3、培養(yǎng)具有查閱參考文獻和技術(shù)資料的能力，能熟悉或較熟悉地應(yīng)用相關(guān)手冊、圖表、國家標準，為今后成為一名合格的電氣工程技術(shù)人員進行必須的基本技能和基本素質(zhì)訓練。課程設(shè)計目的第2頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一1、根據(jù)設(shè)計題目要求正確選擇控制方案，查閱參考資料（注：具體的題目設(shè)計要求見各設(shè)計題）；2、繪制電氣控制原理圖，包括主電路圖及觸發(fā)電路圖(或驅(qū)動電路圖)，正確選擇或設(shè)計元器件，訂列元器件目錄清單；3、設(shè)計部分工藝圖紙（電氣控制圖，電器元件布置圖，安裝接線圖）；4、編制完整的設(shè)計說明書。課程設(shè)計任務(wù)及要求第3頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一封面目錄1、設(shè)計目的2、設(shè)計任務(wù)3、主要技術(shù)參數(shù)；4、設(shè)計內(nèi)容（包括電路的框圖、工作原理、元器件選擇和設(shè)計，繪制相關(guān)圖紙）5、設(shè)計小結(jié)6、參考文獻附錄（電路圖、波形圖、元器件清單）設(shè)計說明書要求第4頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一系統(tǒng)說明設(shè)計過程中所考慮的問題及一切計算，包括與計算有關(guān)的必要簡圖。計算正確完整，文字簡潔流暢，書寫整齊清晰。設(shè)計說明書用16開報告紙，按規(guī)范的順序與格式書寫，注明頁次并編寫目錄，最后加封面裝訂成冊。設(shè)計說明書中的圖用鉛筆繪制，電氣符號符合國家標準，波形圖注意對應(yīng)關(guān)系。元器件清單包括名稱、型號。設(shè)計說明書不少于35頁，總字數(shù)為6000～8000字。設(shè)計說明書裝訂，材料袋裝。第5頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一一、直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計

1.技術(shù)參數(shù)：裝置輸入電源為三相UL=380V工頻交流電源，輸出直流電壓0～200V，輸出電流100A，當電流降為5A時電流開始斷續(xù)，LB=1mH。2.設(shè)計要求：設(shè)計主電路及電氣控制電路，建議主電路為三相橋式全控整流電路；選擇主電路所有圖列元件，并給出清單；選擇觸發(fā)電路及其同步信號；繪制裝置總體電路原理圖，繪制電路所有點電壓、電流及元器件(晶閘管等)兩端電壓波形（匯總繪制，注意對應(yīng)關(guān)系）；編制設(shè)計說明書。第6頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一已知條件：輸入電源：三相UL=380V工頻交流電源，主電路結(jié)構(gòu)：三相橋式全控整流電路負載性質(zhì)：電動機負載輸出：直流電壓0～200V，電流100A當電流降為5A時電流開始斷續(xù)，LB=1mH。第7頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一電路結(jié)構(gòu)、工作原理和波形主電路的設(shè)計第8頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一整流變壓器額定參數(shù)計算整流元件的計算和選擇晶閘管保護電路的計算電抗器的參數(shù)計算主電路計算第9頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一計算變壓器二次側(cè)電壓和電流U2和I2

計算變壓器變比晶閘管的選擇（額定電壓、額定電流）考慮裕量晶閘管保護環(huán)節(jié)，包括交流側(cè)過電壓保護和晶閘管兩端的過電壓保護、過電流保護等。過電壓保護：阻容保護；過電流保護：熔斷器保護電抗器的參數(shù)計算第10頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一觸發(fā)電路的設(shè)計對觸發(fā)電路的要求KC04集成移相觸發(fā)器可分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成，脈沖輸出等幾部分電路

第11頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一KC04組成的移相式觸發(fā)電路第12頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一KC41C原理圖及其外部接線圖六路雙脈沖發(fā)生器KC41C①～⑥腳是六路脈沖輸入端(如三片KC04的六個輸出脈沖)，每路脈沖由輸入二極管送給本相和前相，再由T1～T6組成的六路電流放大器，分六路輸出。T7組成電子開關(guān)，當控制端⑦腳接低電平時，T7截止，⑾～⒃腳有脈沖輸出。當⑦腳接高電平時，T7導通，各路輸出脈沖被封鎖。

第13頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路第14頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一三相同步變壓器的接法與鐘點數(shù)（12種）同步變壓器選擇第15頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一輔助電源設(shè)計（+15V，-15V）第16頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一反饋控制電路電壓負反饋U*(-)Uf(+)-++R0R0R0R1C1控制電壓,接KC04的UCO端第17頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一技術(shù)參數(shù)：裝置輸入電源為單相工頻交流電源（220V+20％），輸出電壓Vo=24V，輸出電流Io=5A，最大輸出紋波電壓100mV，工作頻率f=100kHz。二、直流開關(guān)電源的設(shè)計

第18頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一2、設(shè)計要求：設(shè)計主電路，建議主電路為：整流部分是橋式二極管整流，大電容濾波，DC/DC部分采用半橋變換器，主功率管用MOSFET；選擇主電路所有圖列元件，并給出清單；設(shè)計MOSFET驅(qū)動電路及控制電路；繪制裝置總體電路原理圖，繪制：①單相橋式整流電路各點電壓波形；②MOSFET驅(qū)動電壓、全橋電路中各元件的電壓、電流以及輸出電壓波形（將①②波形分別匯總繪制，注意對應(yīng)關(guān)系）；編制設(shè)計說明書、設(shè)計小結(jié)。第19頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一第20頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一第21頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一1、確定變比KVo是輸出電壓，VD是輸出整流二極管的通態(tài)壓降，VLf是輸出濾波電感上的直流壓降。VLf=0.5V第22頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一2、濾波電感的計算經(jīng)驗算法一般選擇輸出濾波電感電流的脈動為最大輸出電流的20%，這樣本模塊電源的輸出濾波電感電流的脈動可選為Io*20%=

A，也就是當輸出電流在IOmin=Io*10%=

A時應(yīng)保證輸出濾波電感電流連續(xù)，輸出濾波電感可按下式計算：第23頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一規(guī)定輸出電壓的最大紋波值為ΔV=

mV，則可由下式確定輸出濾波電容的大?。?、濾波電容的計算第24頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一三、直流變換器的設(shè)計(1)：技術(shù)參數(shù)：輸入直流電壓Vin=42V，輸出電壓Vo=12V，輸出電流Io=3A，最大輸出紋波電壓50mV，工作頻率f=100kHz。第25頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一2、設(shè)計要求：設(shè)計主電路，建議主電路為：采用BUCK變換器，主功率管用MOSFET；選擇主電路所有圖列元件，并給出清單；設(shè)計MOSFET驅(qū)動電路及控制電路；繪制裝置總體電路原理圖，繪制：MOSFET驅(qū)動電壓、BUCK電路中各元件的電壓、電流以及輸出電壓波形（波形匯總繪制，注意對應(yīng)關(guān)系）；編制設(shè)計說明書、設(shè)計小結(jié)。第26頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一第27頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一濾波電容的計算濾波電感的計算第28頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一四、直流變換器的設(shè)計(2)

技術(shù)參數(shù)：輸入直流電壓24V，輸出電壓Vo=54V，輸出電流Io=10A，最大輸出紋波電壓200mV，工作頻率f=100kHz。第29頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一2、設(shè)計要求：設(shè)計主電路，建議主電路為：采用BOOST變換器，主功率管用MOSFET；選擇主電路所有圖列元件，并給出清單；設(shè)計MOSFET驅(qū)動電路及控制電路；繪制裝置總體電路原理圖，繪制：MOSFET驅(qū)動電壓、BOOST電路中各元件的電壓、電流以及輸出電壓波形（波形匯總繪制，注意對應(yīng)關(guān)系）；編制設(shè)計說明書、設(shè)計小結(jié)。第30頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一第31頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一五、直流變換器的設(shè)計(3)：技術(shù)參數(shù)：脈寬調(diào)制型橋式直流變換器中，輸入直流電壓Vin=300V，副邊電路為全波整流方式，輸出電壓Vo=54V，額定輸出電流Io=5A，主功率管為MOSFET，工作頻率f=50kHz。第32頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一設(shè)計要求：設(shè)計主電路，主功率管用MOSFET，選擇主電路所有圖列元件，并給出清單；設(shè)計輸出濾波電感（或設(shè)計高頻變壓器）采用鐵氧體材料的EE型磁芯；確定磁芯型號、尺寸；計算繞組匝數(shù)，選定導線線徑，校核窗口系數(shù)；繪制主電路圖、磁芯結(jié)構(gòu)圖，繪制橋式直流變換器所有點電壓、電流波形及元件的電壓、電流波形；編制設(shè)計說明書、設(shè)計小結(jié)。第33頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一第34頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一濾波電感的計算經(jīng)驗算法一般選擇輸出濾波電感電流的脈動為最大輸出電流的20%，這樣本模塊電源的輸出濾波電感電流的脈動可選為Io*20%=

A，也就是當輸出電流在IOmin=Io*10%=

A時應(yīng)保證輸出濾波電感電流連續(xù)，輸出濾波電感可按下式計算：第35頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一規(guī)定輸出電壓的最大紋波值為ΔV=

mV，則可由下式確定輸出濾波電容的大小：2、濾波電容的計算第36頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一磁芯型號和尺寸選擇繞組計算校驗窗口第37頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一注意：原副邊的匝數(shù)應(yīng)取整。變壓器設(shè)計1、確定變比K2、初選磁芯尺寸鐵氧體材料Ae為磁芯的有效導磁面積（m2）Vo是輸出電壓，VD是輸出整流二極管的通態(tài)壓降，VLf是輸出濾波電感上的直流壓降。VLf=0.5V第38頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一電感的設(shè)計3、確定繞組線徑

考慮高頻時導線的集膚效應(yīng)，導線的穿透深度將銅導線的電導率=58106/·m，磁導率=0=410-7H/m，工作頻率fs=50kHz代入上式，得：繞組線徑應(yīng)小于2△=0.591mm。第39頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一原副邊電流的有效值原副邊導線的截面積導線電流密度J=(3-5)A/mm2

計算導線直徑d第40頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一4、窗口校核

第41頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一電感設(shè)計1、初選磁芯尺寸

2.初選氣隙

初選氣隙δ=1mm，計算繞組匝數(shù)。根據(jù)下列公式計算電感量：匝數(shù)應(yīng)取整實際氣隙第42頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一3、核算磁芯最高工作磁通密度Bm

4、計算繞組的線徑和股數(shù)

5、窗口校核

同變壓器設(shè)計第43頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一（六）、損耗分析1、技術(shù)參數(shù)：脈寬調(diào)制型橋式直流變換器，輸入直流電壓Vin=310Ｖ，副邊電路為全波整流方式，輸出電壓Vo=54V，額定輸出電流Io=10A，主功率管為MOSFET，工作頻率f=50kHz。第44頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一2、設(shè)計要求：分析變換器的工作原理計算各元器件的電壓、電流應(yīng)力，選擇合適的元器件，列出清單；給出主功率管、整流二極管的損耗計算公式；計算各元器件的損耗及變換器的效率；繪制橋式直流變換器所有點電壓、電流波形及元件的電壓、電流波形；編制設(shè)計說明書、設(shè)計小結(jié)。第45頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一MOSFET的損耗計算第46頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一Krr—二極管電流反向恢復系數(shù)，Krr=0.4trr—二極管電流反向恢復時間。二極管損耗計算第47頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一開關(guān)電源組成框圖第48頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一控制芯片SG3525TL494TL1451MC34060UCC3842UCC3895等第49頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一SG3525內(nèi)部框圖第50頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一SG3525工作波形圖第51頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一SG3525及外圍電路第52頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一驅(qū)動電路第53頁，共57頁，2023年，2月20日，星期一推薦參考書及相關(guān)網(wǎng)站1．《直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)》阮新波嚴仰光編著，科學出版社；2．《電力電子技術(shù)》丁道宏主編，航空工業(yè)出版社；3．《電力電子技術(shù)》任國光主編，上海科技文獻出版社；4．《現(xiàn)代電力電子技術(shù)》