电力电子课程设计.doc

湖南工程学院课程设计任务书 课程名称： 电力电子技术 题 目：逆变电源设计 专业班级： 自动化 学生姓名： 学号： 指导老师： 审 批： 任务书下达日期 2012 年 12 月 24日设计完成日期 2012 年 1 月 4日 设计内容与设计要求一 设计内容：1 电路功能：1） 电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：功率变换（高频逆变）、高频滤波。控制电路主要环节：脉冲发生电路、脉宽调制PWM、电压电流检测单元、驱动电路。2） 功率变换电路中的高频开关器件采用IGBT或MOSFET。3） 系统具有完善的保护2. 系统总体方案确定3. 主电路设计与分析1）确定主电路方案2）主电路元器件的计算及选型3）主电路保护环节设计4. 控制电路设计与分析1） 检测电路设计2） 功能单元电路设计3） 触发电路设计4） 控制电路参数确定二 设计要求：1 设计思路清晰，给出整体设计框图；2 单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3 分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。4 绘制总电路图5 写出设计报告； 主要设计条件1 设计依据主要参数1） 输入电压 ： DC12V 2） 输出电压： AC 220/ 50(+2)HZ 1A 3） 电压调整率：1%4） 负载调整率：1%5） 效率：0.86） 功率因数：0.8 2. 可提供实验与仿真条件 说明书格式1 课程设计封面；2 任务书；3 说明书目录；4 设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；5 单元电路设计（各单元电路图）；6 故障分析与电路改进、实验及仿真等。7 总结与体会；8 附录（完整的总电路图）；9 参考文献；11、课程设计成绩评分表 进 度 安 排 第一周星期一:课题内容介绍和查找资料； 星期二:总体电路方案确定 星期三:主电路设计星期四: 主电路设计 星期五:控制电路设计；第二周星期一: 控制电路设计星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等星期三四:写设计报告，打印相关图纸； 星期五:答辩及资料整理 参 考 文 献1石玉 栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业出版社，1998 2王兆安 黄俊电力电子技术（第4版）机械工业出版社，20003浣喜明 姚为正电力电子技术高等教育出版社，20004莫正康电力电子技术应用（第3版）机械工业出版社，20005郑琼林耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，19966刘祖润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，19957刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内，19998. 康华光,陈大钦电子技术基础M北京：高等教育出版社，1998：4514599薛永毅，王淑英，何希才，新型电源电路应用实例，电子工业出版社，2001.10目 录1、概述61.1逆变电源的定义与分类61.2逆变电源中脉宽调制技术的应用61.3基本设计思路71.4电路基本原理72、单元电路设计112.1 TL494芯片简介112.2支路设计123、总电路174、总结与体会185、参考文献196、评分表201、概述1.1 逆变电源的定义与分类 逆变电源也称逆变器，是通过半导体功率开关器件的开通与关断作用，把直流电能转变成交流电能的一种变换装置，是整流变换的逆过程。逆变电源主要分为两类，一类是正弦波逆变器，另一类是方波逆变器。正弦波逆变器输出的是正弦波交流电。方波逆变器输出的则是方波交流电，其正向最大值到负向最大值几乎在同时产生，这样对负载和逆变器本身造成剧烈的不稳定影响。1.2 逆变电源中脉宽调制技术的应用基本型方波逆变电源电路简单，但输出电压波形的谐波含量过大，亦既THD（电流谐波畸变率）过大；移相多重叠加逆变电源输出电压波形的谐波含量小，亦即THD小，但电路较复杂。而PWM脉宽调制式逆变电源，既有电脑的电路，又可使输出电压波形，因而得到了广泛的应用。所谓PWM脉宽调制技术,是用一种参考波（通常是正弦波，有时也采用梯形波或注入零序谐波的正弦波或方波等）为调制波,而以N倍于调制波频率的三角波（有时也用锯齿波）为载波进行波形比较，在调制波大于载波的部分产生一组幅值相等，而宽度正比于调制波的矩形脉冲序列用来等效调制波，用开关量取代模拟量，并通过对逆变电源开关管的通/断控制，把直流电变成交流电，这种技术就叫做脉宽控制逆变技术。由于载波三角波（或锯齿波）的上下款度是线性变化的，故这种技术就叫做脉宽控制逆变技术。由于载波三角波（或锯齿波）的上下宽度是线性变化的，故这种调制方式也是线性的，当调制波为正弦波时，输出矩形脉冲序列的脉冲宽度按正弦规律变化，这种调制技术通常又称为正弦脉宽调制技术。 1.3 基本设计思路本电路的设计思路框图如下图1所示。该电路由12V直流输入、输入过压保护电路、过热保护电路、逆变电路、220V/50KHZ整流滤波、输出过压保护电路等组成。逆变电路包括频率产生电路、直流变换电路（DC/AC）将12V直流转换成220V直流。交流变换电路（AC/DC）将12V直流变换为220交流。过压保护直流输入逆变A整流滤波逆变B输出过热保护过压保护图1、设计思路框图1.3 电路基本原理（1）逆变电路原理、逆变电路A原理框图如下图2所示。此电路的主要功能是将12V直流电转换为220V/50KHz的交流电。50KHz脉冲产生电路220V/50KHz交流电变压器推挽电路12V直流电图2、逆变电路A原理框图、逆变电路B如下图3所示。此电路的主要功能是将220V直流电转换为220V/50Hz的交流电。全桥电路以50Hz的频率交替导通，产生50Hz交流电。50Hz脉冲产生电路全桥电路高压直流电220V/50Hz交流电图3、逆变电路B框图（2）电路工作原理此电路输入12V直流电源电压，在经过逆变电路A之后得到一个220V/50KHz的交流电，此交流电在经过整流滤波电路又得到220V高压直流电，然后再经过逆变电路B得到220V/50Hz的交流电。其中接入输入过压保护电路、输出过压保护电路和过热保护电路构成整个电路的保护电路。一旦输入电压出现过大或者过小时，保护电路就会立即启动，然后停止逆变电路A的工作。过热保护电路是当电路工作温度过高时，启动保护使逆变电路A停止工作。输出过压保护电路与逆变电路B构成反馈回路，一旦电路输出异常则停止逆变电路B的工作。在逆变电路A中变压器推挽电路将12V直流转换成220V/50KHz的交流电。在逆变电路B中再使用一块TL494芯片产生50Hz的脉冲波，全桥电路以50Hz的频率交替导通，从而将220V直流和50Hz脉冲电路整合，然后输出220V50Hz的交流电。在该电路中都是利用TL494的输出端作为逆变电路工作状态的控制端。（3）PWM控制的基本原理在采样控制理论中有这样一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。如图a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，其中a为矩形脉冲，图b为三角形脉冲，c为正弦半波脉冲，但他们的面积都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为d的单位脉冲函数（t）时，环节的响应即为该环节的脉冲过度函数。图a的电路是一个具体的例子。图中u(t)为电压窄脉冲，其形状和面积分别如图3-1 a、b、c、d所示，为电路的输入。该输入加在可以看成惯性环节的R-L电路上，设其电流i(t)为电路的输出。图b给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。从波形可以看出，在i(t)的上升段，脉冲形状不同时i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)波形的差异也越小。如果周期性地施加上上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅立叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段特性将非常接近，仅在高频段有所不同。上述原理可以称为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。2、单元电路设计2.1 TL494芯片简介它是典型的固定频率脉宽调制集成电路，它包括了开关电源所需的全部功能，可作为单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源的控制系统。（1）、其引脚说明如下：TL494的1、2和16、15脚分别为两个误差放大器的同向和反向输入端，两个误差放大器可构成电压反馈调节器和电流反馈调节器，分别控制输出电压的稳定和输出过流的保护；3脚为两个放大器公共输出端，也称补偿端；8、11、12脚为电源端；14脚为参考电平；13脚为输出方式控制端，当该脚为高电平时，形成双路输出方式，若为低电平时，则为同步工作方式。（2）、工作方式输出脉冲的宽度调制，是通过电容器C上的正极性锯齿波电压与其他两个控制信号电压进行比较来实现的。激励输出管Q1和Q2的或非门工作状态，是只有在双稳态触发器的时钟输入为低电平时才选通，这种情形只有在锯齿波电压大于控制信号时出现。因此，控制信号幅度的增大，将相应地使输出脉冲的宽度线性减小。控制信号由IC外部输入，一路送到死区时间比较器控制端，一路送到两误差放大器输入端，又称PWM比较器输入端。死区时间控制比较用具有120mV有效输入补偿电压，它限制最小输出死区时间近似，即是锯齿波周期时间的4%。在输出控制接地时，将使最大占空系数为已知输出的96%；而在输出接参考电平时，占空比则是给定输出的48%。当把死区时间控制端输入端设置在一个固定的电压值时，就能在输出脉冲上产生附加的死区时间。脉宽调制比较器为误差放大器调节输出脉冲宽度提供了一条途径；例如当反馈电压从0.5V变到3.5V时，则输出脉宽从被死区时间控制端稳定的最大导通时间里下降到0.若TL494内的两个误差放大器的反向输入端（2脚或15脚）的参考电位一定，当它们的同向输入端电平升高时，则可使片内的两个驱动三极管输出的脉宽调制控制脉冲的宽度变窄；反之，可使脉冲宽度变宽。另外，当死区控制整个电位高于C上的电压时，片内的两个驱动二极管截止；当死区控制端电位不断下降时，则可使两个驱动三极管输出的脉宽调制脉冲宽度增加。2.2 各部分支路设计 （1）DC/DC变换电路由于变压器原边电压比较低，为了提高变压器的利用率，降低成本，DC/DC变换如下图4所示，原边中心轴头接蓄电池，两端用开关管控制，交替工作，可以提高转换效率。电路用的开关器件少，双端工作的变压器的体积比较小，可以提高占空比，增大输出功率。双端工作的方波逆变变压器的铁心面积乘积公式为： AcAc = Po(1+)/(DKjfKeKcBm) 式中：Ac(m2)为铁心横截面积， Ac(m2)为铁心的窗口面积：Po为变压器的输出功率，为转换效率， &为占空间比， K 是波形系数，J(A/m2)为导线的平均电流密度：F为逆变频率：Ke为铁心截面的有效系数，Ke为铁心的窗口利用系数：Bm为最大磁通量。此变换电路是由DC/AC和整流滤波电路组成。电路结构如下图所示。VT1和VT2的基极分别接TL494的两个内置晶体管发射机。中心器件变压器T1，实现电压由12V脉冲电压转变为220V脉冲电压。此脉冲电压经过整流滤波电路变成220V高压直流电压。变压器T1的工作频率选为50KHz左右，变压器的匝数比为12/220=0.05。电路正常时，TL494的两个内置晶体管交替导通，导致图中晶体管VT1、VT2的基极也应此而交替导通，VT3和VT4交替导通。因为变压器选择为E型，这样使变压器工作在推挽状态，VT3和VT4以频率为50Hz交替导通，使变压器的初级输入端有50Hz的交流电。当VT1导通时，场效应管VT3因为栅极无正偏压而截止，而此时VT2截止，导致场效应管VT4栅极有正偏压而导通。当VT1导通时，VT2截止，场效应管VT3因为栅极无正偏压而截止，而此时VT2截止，导致场效应管VT4栅极有正偏压而导通。且交替导通时其峰值电压为12V，即产生了12V/50KHz的交流电。当电路工作不正常时，TL494输出控制端为低电平时，TL4949的两个内置晶体管的集电极（8脚和9脚）有12V正偏压，基极为高电平，导致两晶体管同时导通。VT1和VT2因为基极都为高电平而饱和导通，而场效应管VT3、VT4将因栅极无正偏压都处于截止状态，逆变电源停止工作。极性电容C1滤去12V直流中的交流成风，降低输入干扰。滤波电容C1可取2200F。R1、R2、R3起限流作用，取值为4.7K。整流滤波电路由四只整流二极管和一个滤波电容组成。四只整流二极管D1-D4接成电桥形式，称单相桥式整流电路。根据电容标称值选择C2为10F。输出220V高压直流电，供后继逆变电路使用。图4、DC/DC变换电路（2）DC/AC变换电路电路结构图如下图5，该变换电路为全桥桥式电路。其中TL494芯片的8脚和11脚为内置的两个三极管的集电极，且两个内置三极管是交替导通的，频率为50Hz。图中8脚和11脚分别介入了上下两部分完全堆成的桥式电路，因为两个三极管交替工作，频率为50Hz，所以选用桥式电路，目的在于得到50Hz的交流电。 图5、DC/AC变换电路由于上下两部分电路工作过程完全相同。选其中一部分为说明。这里将其简化成图6。图中VT0为TL494芯片II的一个内置三极管设为VT00，另一个设为VT01。当VT00导通时，VT01截止，VT1的基极没有正偏压，从而使VT1截止，然后VT3的栅极有12V正偏电压，是VT3导通。而VT4因为栅极无正偏压截止，输出220V电压。当VT00截止时，VT01导通，VT1基极有12V正偏压，集电极有12V反向电压，从而导通。VT3的栅极无正偏电压，从而使VT3截止。而VT4因为栅极有12V正偏压导通。因为此时TL494芯片II的另一个内置三极管VT01导通，它的集电极即11脚使逆变电路I有220V电压输出。原理同上。上下两部分以频率50Hz交替导通，从而使电路有220V/50Hz的交流电输出。由于TL494芯片为脉冲调制器，其产生的波形为脉冲波而不是正弦波。VT1、VT2、VT3、VT4、VT5和VT6为场效应管可选择为IRF740型。限流电阻可选择10K、1K、4.6K、3.3K的经典取值。C1、C2和C3均为平滑输出的吸收电容。C1和C2可取为10F，C3取为0.01F。图6、DC/AC变换简化图 （3）输入过压保护电路结构如下图7所示，由DZ1电阻R1和电阻R2、电容C1、二极管VD1组成。输出端口接TL494芯片I的同相输入端，通过该芯片的误差比较器对其输出进行控制，当输入过大电压时，停止逆变电路工作从而使电路得到保护。因为输入电压直接决定了输出电压的值，对输入端电压的保护也是对输出端子间过大电压进行负载保护。VD1、C1、R1组成了保护状态维持电路，只要输入电压在一瞬间有过大现象，就导致稳压管击穿，电路将沿C1和R1支路充电，继续维持同相端的低电平状态，保护电路就会启动并维持一段时间。当C1和R1充电完成，C1和R2支路开始处于放电状态，当C1放电完成时，TL494芯片I的同相输入端由低电平翻转为高电平，导致TL494芯片I的反馈输入端为高电平状态，进而导致TL494芯片内部的PWM比较器为截止状态。此时将导致直流变换电路的场效应管处于截止状态，直流变换电路停止工作。同时TL494的4脚为高电平状态，4脚为高电平时，将抬高芯片内部死区时间比较器同相输入端的电位，使该比较器输出为恒定的高电平，由TL494芯片内部结构可知芯片内置三极管截止，从而停止后继电路的工作。稳压管DZ1的稳压值决定了该保护电路的启动门限电压值，这里取15V，稳压管的功率为0.15W。R1取为100K，R2、R3均取为4.7K，C1、C2均取为47F。图7、输入过压保护（4）输出过压保护电路结构如图8，当输入电压过高时将导致稳压管DZ1击穿，使TL494芯片II的4脚对地的电压升高，启动TL494芯片II的保护电路，切断输出。VD1、C1、R2组成了保护状态维持电路，用以增大输出阻抗。稳压管的稳压值一般规定为输出电压的130%-150%。后级电路为220V/50Hz输出，其中负载电阻为100K，TL494芯片II的输出脚电压最大为12V，R1为限流电阻，取值为100K，R2为保护电阻可取值为16K，根据电路分压知识，则R2上的电压为30V，即稳压管的电压取值最大为30V。图8、输出过压保护3、总电路4、总结与体会电力电子课程设计这两周过的很快，因为中间有一个不短的元旦假期。这两周过的也很纠结，因为课程设计不好弄。这次课程设计来的很突然，因为我们刚刚完成了电子实习，还没有在电子实习中转变回来。在上周一拿到课题之时，还在纠结是选择逆变电源设计还是选择直流斩波电路设计，最后还是选择了逆变电源这个课题。说真的，刚拿到课题时感觉很迷茫，什么都不懂，老师也没有具体跟我们说什么，只是让我们自己查资料。但是网上的资料虽然很多，却大同小异，也不懂应该结合什么内容比较好，虽然查阅了很多内容，还是不是很了解。但是不管怎么说，设计总要完成，也只能硬着头皮往下弄了。在这之间看了电力电子技术里逆变电路和PWM控制技术的内容，这算是为期末考试做了复习了，对这部分知识有了更加深入的了解。因为此次设计需要用到TL494芯片，因此也多次查阅了解TL494的具体功能。最后说说此次课程设计碰到的主要问题吧。在找到自己想要的资料之后就是需要绘电路图的时候了，这是问题来了。赵老师建议我们用的visio软件缺少很