現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件第四章

第4章電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)電力電子系統(tǒng)中常用元器件介紹；電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例。4.1概述

電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，是將強(qiáng)電（電力）和弱點(diǎn)（電子）相結(jié)合的一門學(xué)科，就是使用電力電子器件（如晶閘管，門級(jí)可關(guān)斷晶閘管GTO，絕緣柵雙極型晶體管IGBT等）對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)所變換的“電力”功率可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至1W以下，和以信息處理為主的信息電子技術(shù)不同電力電子技術(shù)主要用于電力變換。4.2電力電子器件4.2.1晶閘管（SCR）工作原理：1.同時(shí)承受正向陽(yáng)極電壓和正向門極電壓時(shí)，晶閘管才能導(dǎo)通2.導(dǎo)通后門級(jí)將失去控制作用3.降低陽(yáng)極電壓至接近于零或施加反向陽(yáng)極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)晶閘管關(guān)斷4.2.2大功率晶體管（GTR）與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。4.2.3功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）

特點(diǎn)——用柵極電壓來(lái)控制漏極電流驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。開關(guān)速度快，工作頻率高（高達(dá)100kHz）。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置。4.2.4絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）

工作原理：驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷?！?.5電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例4.5.1三相正弦波變頻電源設(shè)計(jì)（三相SPWM逆變器的應(yīng)用） 4.5.1.1題目（2005年全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽F題）設(shè)計(jì)并制作一個(gè)三相正弦波變頻電源，輸出線電壓有效值為36V，最大負(fù)載電流有效值為1.5A，負(fù)載為三相對(duì)稱阻性負(fù)載(Y接法)。變頻電源框圖如下圖所示：

1．基本要求（1）輸出頻率范圍為20Hz～100Hz的三相對(duì)稱交流電，各相電壓有效值之差小于0.5V；（2）輸出電壓波形應(yīng)盡量接近正弦波，用示波器觀察無(wú)明顯失真；（3）當(dāng)輸入電壓為198V～242V，負(fù)載電流有效值為0.5～3A時(shí)，輸出線電壓有效值應(yīng)保持在36V，誤差的絕對(duì)值小于5%；（4）具有過(guò)流保護(hù)(輸出電流有效值達(dá)3.6A時(shí)動(dòng)作)、負(fù)載缺相保護(hù)，保護(hù)時(shí)自動(dòng)切斷輸入交流電源。2．發(fā)揮部分（1）當(dāng)輸入電壓為198V～242V，負(fù)載電流有效值為0.5～3A時(shí)，輸出線電壓有效值應(yīng)保持在36V，誤差的絕對(duì)值小于1%；（2）設(shè)計(jì)制作具有測(cè)量、顯示該變頻電源輸出電壓、電流、頻率，測(cè)量誤差的絕對(duì)值小于5%；（3）變頻電源輸出頻率在50Hz以上時(shí)，輸出相電壓的失真度小于5%；（4）其它。4.5.1.2設(shè)計(jì)方案（1）控制方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于逆變電路的設(shè)計(jì)，采用SPWM技術(shù)，產(chǎn)生SPWM波的電路方案可以有以下三種：a.使用模擬電路主要使用集成函數(shù)發(fā)生器ICL8038該方案技術(shù)成熟且廣泛應(yīng)用，但電路規(guī)模龐大，調(diào)試不方便。

b.使用SPWM專用芯片由專用芯片產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)開關(guān)管信號(hào)，并可以實(shí)現(xiàn)波形頻率和幅度的精確控制，成本較低，調(diào)試方便，比較使用。但核心部分不能任意修改，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性較差。由于使用SPWM專用芯片，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，本次競(jìng)賽規(guī)定不能使用。

c.使用單片機(jī)等智能芯片波形的產(chǎn)生及控制電路均有單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算工作量較大，控制軟件較復(fù)雜，往往不能滿足控制要求，最好采用單片機(jī)與FPGA結(jié)合的方式，用單片機(jī)完成人機(jī)界面、閉環(huán)控制，用FPGA完成查表比較，SPWM波形調(diào)制輸出和死區(qū)保護(hù)等邏輯功能。（2）主電路和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)采用三片IR2110驅(qū)動(dòng)六個(gè)普通MOSFET管構(gòu)成的三相橋式逆變器（3）電流、電壓的測(cè)量（電壓、電流、頻率的顯示）電流信號(hào)的檢測(cè)可使用電流霍爾傳感器；電壓測(cè)量可采用交流互感器或電壓霍爾傳感器等。（4）保護(hù)電路過(guò)流保護(hù)：利用IR2110的SD引腳（具有關(guān)閉逆變器工作的能力），使用霍爾傳感器檢測(cè)電流，當(dāng)電流過(guò)大（3.6A）時(shí)，給SD引腳低電平，封鎖逆變器，從而實(shí)現(xiàn)電流的過(guò)流保護(hù)。缺相保護(hù)及負(fù)載不對(duì)稱保護(hù)：檢測(cè)三相電流有效值，對(duì)比三相電流中的任意兩相電流之差（大于0.5A），給SD引腳低電平，封鎖逆變器。（5）電壓閉環(huán)控制輸出電壓36V，誤差小于5%（1.8V）各相電壓有效值之差小于0.5V通過(guò)閉環(huán)控制，預(yù)置值與實(shí)際電壓發(fā)生偏差時(shí)，采用PI算法計(jì)算出新的調(diào)制比。

4.5.2開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)（Boost升壓變壓器的應(yīng)用）4.5.2.1題目（2007年全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽E題）設(shè)計(jì)并制作如圖1所示的開關(guān)穩(wěn)壓電源。

1．基本要求輸出電壓UO可調(diào)范圍：30V～36V；最大輸出電流IOmax：2A；U2從15V變到21V時(shí)，電壓調(diào)整率SU≤2%（IO=2A）；IO從0變到2A時(shí)，負(fù)載調(diào)整率SI≤5%（U2=18V）；輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；DC-DC變換器的效率≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；具有過(guò)流保護(hù)功能，動(dòng)作電流IO（th）=2.5±0.2A；2．發(fā)揮部分進(jìn)一步提高電壓調(diào)整率，使SU≤0.2%（IO=2A）；進(jìn)一步提高負(fù)載調(diào)整率，使SI≤0.5%（U2=18V）；進(jìn)一步提高效率，使η≥85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；排除過(guò)流故障后，電源能自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)；能對(duì)輸出電壓進(jìn)行鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整，步進(jìn)值1V，同時(shí)具有輸出電壓、電流的測(cè)量和數(shù)字顯示功能。其他。4.5.2.2設(shè)計(jì)方案輸入交流18V，直流輸出最大36V，因此，應(yīng)采用升壓型DC-DC電路。該電路是一種非隔離式的升壓型DC-DC變換電路，控制簡(jiǎn)單，輸出功率大，具有良好的輸出特性。當(dāng)開關(guān)調(diào)整元件被控制飽和導(dǎo)通時(shí)，電流通過(guò)電感，使其儲(chǔ)存能量。當(dāng)開關(guān)元件VT被控制為截止時(shí)，電感中儲(chǔ)存的能量通過(guò)二極管

VD供給負(fù)載，同時(shí)對(duì)電容C充電。當(dāng)負(fù)載電壓要下降時(shí)，電容再次放電。這時(shí)可獲得高于輸入的穩(wěn)定電壓。因?yàn)殚_關(guān)元件VT與負(fù)載RL是并聯(lián)的，故也被稱為并聯(lián)開關(guān)電源