电力电子课程设计直流电子开关

1、电气工程及其自动化专业电力电子技术课程设计说明书班级：电气141学号：1410060444姓名：朱宇恒设计时间：2016年12月19日至30日指导教师：陈荣盐城工学院电气工程系直流开关电源的设计一、设计目的1、了解一般电力电子技术设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法。2、 培养独立工作的能力与创造力；综合运用专业及基础 知识的能力，解决实际工程技术问题的能力。3、培养查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力； 工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。二、设计任务：设计要求：1、设计主电路及控制电路，要求主电路为：整流部分是变压器+单相桥式二极管，大电容滤波，DC/DC变

2、换部分是GTR降压变换器；2、选择主电路所有图列原件， 并给出清单， 标注型号；3、设计GTR驱动及控制电路；4、绘制装置总体电路原理图，绘制电路所有点电压、 电流及 GTR、 DL 两端电压波形（再图上标注 A、 B、 C、 然后将所有点波形汇总绘制）；5、课题仿真，编制设计说明书、设计小结。三、主要技术参数技术参数：装置输入电源为单相工频电源，电压在160V270V之间变化，输入电压 5V24V,输出电流5A，输出纹波电压 50mV，工作频率f=4KHz。四、设计内容 主电路vz1、开关电源的基本原理开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期 性通断开关，控制开关元件的占空比调整

3、输出电压，开关电 源的基本构成如图所示， DC-DC变换器是进行功率变换的器 件，是开关电源的核心部件，此外还有启动电路、过流与过 压保护电路、噪声滤波器等组成部分。反馈回路检测其输出 电压，并与基准电压比较，其误差通过误差放大器进行放大， 控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断 时间，从而调整输出电压。其结构图如图所示。VI2、整流电路的选择整流是将交流电变成脉动直流电的过程。电源变压器输 出的交流电经整流电路得到一个大小变化但方向不变的脉 动直流电。整流电路是由具有单向导电性的元件例如二极 管、晶间管等整流元件组成的。单相整流电路有两种：电容输入型电路和扼流圈输入型 电路两种

4、基本电路的比较如下：（1）开关电源多采用脉宽调制方式，空载时开关晶体管的导通时间非常短。其导通时间 随开关电源的设计方法不同而异，也有采用控制开关晶体管 电路的延时进行的间歇开关工作，这时，若采用扼流圈输入 型整流电路，接近空载时，扼流固变为临界值，逆流电路由 扼梳阂输入型变为业为电容输入型。为此，从满载到空载变 动时，整流输出电压变动较大，空载时有可能进入间歇开关领域。（2）开关电源的特点是效率咼而体积小，若使用扼流 圈时，为提高负载调整率需要接入扼流圈以及阻尼电阻。扼流圈可能与次级侧滤波回路产生谐振。因此，开关电源的输入整流电路采用电容输入型。单相半波整流电路单相半波整流电路是最简单的整流

5、电路如图（a）所示，仅利用一个二极管来实现整流功能，其波形如图（b）所示。单相半波整流电路的输出电压平均值为：（U2为变压器副边输出电压的有效值）1 _ 2U02Usin t（ t） U 0.45U20 2 0 2（a）单相半波可控整流电路（b）单相半波可控整流电路波形单相桥式整流电路其波单相半波整流电路的缺点是只利用了电源的半个周期， 输出电流较小，同时整流电压的脉动较大。全波整流电路可 以克服这些缺点，其中最常用的是单相桥式整流电路，它是 由四个二极管接成电桥的形式构成的。可以看到，四个二极 管分为两组，正负半周轮流导通，但负载上电流方向不变， 此即为全波整流。单相半波整流电路如图（a）所

6、示，形如图（b）所示。单相桥式整流电压的平均值为：Uo 0.9U2 （ U2为变压器副边输出电压的有效值），比半波整流输出电压高。因此， 整流电路选用单相桥式整流电路。当U 2为正半周并且数值大于电容两端电压U C时，二极管VDi和VD4管导通，VD2和VD3管截止，电流一路流经负载， 另一路对电容 C充电。当Uc U2，导致VDi和VD4管反向偏置而截止，电容通过负载放电，Uc按指数规律缓慢下降当U2为负半周幅值变化到恰好大于 Uc时，VD2和VD3因 加正向电压变为导通状态， U2再次对C充电，Uc上升到U2 的峰值后又开始下降；下降到一定数值时VD2和VD3变为截止，C对负载放电，Uc按

7、指数规律下降；放电到一定数值时 VD1和VD4变为导通，重复上述过程。输出电压平均值：空载时，放电时间常数为无穷大，输出电压最大。整流电压平均值U d可根据前述波形及有关计 算公式推导得出。空载时Ud 2U2重载时，R很小，电容放电很快，几乎失去储能作用。 随负载加重，Ud逐渐趋近于0.9U2，及趋近于电阻负载时的 特性。根据负载情况选择电容 C值，使之RC2T为交流电源的周期，此时输出电压为Ud 1.2U 2输出电流平均值IR为IR电容滤波的整流电路交流侧谐波组成规律:1、谐波次数为基数。2、谐波次数越高，谐波幅值越小。3、与带阻感负载的单相全控桥整流电路相比，谐波与基波 的关系是不固定的，

8、RC越大，则谐波越大，而基波越小。这 是因为，RC越大，意味着负载越轻，二极管的导通角越小， 则交流侧电流波形的底部就越窄，波形畸变也越严重。4、LC越大，则谐波越小，因为串联电感L抑制冲击电流从而 抑制了交流电流的畸变。3、DGDC变换当GTR导通时，输入电压 DC通过L向负载RL供电，与此同时也向电容 C1充电。在这个过程中，电容C1及电 感L中储存能量。电感增加的磁通为:（Vi V。）Ton。当GTR截止时，由储存在电感L中的能量继续向 RL供 电，当输出电压要下降时，电容 C1中的能量也向RL放电， 维持输出电压不变。二极管VD1继续流二极管，以便构成电路回路。电感减少的磁通为：VoT

9、Off当达到平衡时(ViV0)匚Vo Toff由于占空比a1，所以Vi V。，实现降压功能4、驱动电路的设计GTR是第二代功率半导体器件 ，它克服了晶闸管不能自 关断与开关速度慢的缺点，简化了变频传动和其它带逆变环 节的交流器的换相，降低了体积，且可节能，是电力电子装置的 关键器件，广泛地应用于载波器、 稳压电源以及交直流电机调 速领域。驱动的作用是使GTR可靠的开通与关断,设计 基极驱动电路时应考虑采用基极优化驱动方案。所 谓优化驱动，就是以理想的基极驱动电流波形去控制GTR的开关过程。i Jhip b理想的基极电流波形从图可以看出优化驱动特性具有以下几点品质: 1、正向驱动电流的上升沿要陡

10、,要有一定时间的过驱动电流Ibi, Ibi的 数值选为准饱和基极驱动电流值I b2的2倍左右,过驱动时间为几个Ls,以使GTR迅速开通,减小Ton。2、GTF被驱动后，其基极驱动电流应能自适应负载参数的变化，只要 GTR处于正常工作状态下,基极驱动电路提供的基极电流都能保障GTF 处于临界饱和状态,以减小基极损耗,缩短存储时间ts。3、关断时,驱动电路能为GTF基极一射极间提供一反向电流,以迅速抽 取基区存储电荷，减小TOff。关断初始电流Ib3 般为Ibi的23倍,太 大则会产生基极电流的尾部效应,反而增力咲断损耗,不禾吁GTR勺关 断使其反向安全工作区减小，一般为正向驱动电流的2倍值或相等

11、。由 夕卜施偏置形成此反向抽取电流时，其供电电压必须限制在GTR勺U ebo 以下，但要加足以防止GTR勺反向导电。根据上述GTF优良的驱动特性，设计出GTF区动电路。二极管VD2和电位补偿二极管 VD3构成贝克箝位电路， 也即一种抗饱和电路， 负载较轻时，如V5发射极电流全注入 V,会使V过饱和。有了贝克箝位电路，当V过饱和使得集电极电位低于基极电位时，VD2会自动导通，使多余的驱动电流流入集电极，维持 U be 0。C2为加速开通过程的电容。开通时，R5被C2短路。可实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。开通驱动电流应使 GTR处于准饱和导通状态， 使之不进 入放大区和深饱和区。

12、关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断 时间和关断损耗，关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。GTR区动电路保护问题GTR的保护一般是在驱动电路中实现对GTR勺自保护。其保护电 路的形式依赖于逆变器是电压源供电还是电流源供电。电流源逆变器易 于实现负载短路保护，如发生短路现象时，可将所有晶体管开通,以最大 限度地发挥电流承受能力，并且把可控整流桥拉入逆变,使存储在电感 中的能量逆变回电网;实现开路保护则很困难，必须设置电压钳位电路 以限制dv/dt,并使尖峰电压值小于晶体管的击穿电压。电压型逆变器 实现开路保护容易，实现短路保护难度大些,一殳是利用GTR可自关断

13、的特点，故障一旦检出,就迅速关断GTF器件。一般认为GTR损坏的主要原因有：1、瞬态过压。由于感性负载或布线电感的影响,GTF关断时会产生瞬态 电压尖峰。瞬态过压是GT二次击穿手主要原因,它的防护一般是给GTR 并一 RC或 RC测络,消除峰值电压，改善GTRf关工作条件。2、过流。流过GTR勺电流超过最大允许电流ICM时,可能会使电极引线 过热而烧断或使结温过高而损坏。检测过流信号是技术难点,检测倒过 流信号后，通常是关闭GTR勺基极电流,利用GTR勺自关断能力切断电 路。3、退饱和。GT啲电路中工作在准饱和状态，但也可因外部电路条件的 变化，使它退出了饱和区，进入了放大区,使得集电极耗散功

14、率增大。退饱和与过流是2种不同现象。我们知道,GTR饱和的条件是IBAIC/B。 因此，即使IC没达到过流整定值，若IB减小或B减小也会产生退饱和 现象。退饱和保护与过流保护相似。即在故障发生时，利用GTR勺自关断能力 切断电路。在一定条件下，退饱和保护可以取代过流保护。条件是退饱 和保护比过流保护先动作。在桥式电路中，布线电感对逆变器的干扰很大,常常使逆变器不能工作, 可采取以下两点措施：1、加大直流侧滤波电容。2、减短导线长度,尽量平和走线，把电流一进一出的导线绞在一起。5、控制电路脉宽宽度调制式（PWM ）开关型稳压电路是在控制电路 输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而

15、达到稳定输出电压的目的。脉宽调制（PWM）基本原理：控制方式就是对逆变电路 开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的 脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在 输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压 为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规 则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的 大小，也可改变输出频率。在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效 输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交一直一交变频器中，PWM逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。五、电路仿真及其波形1、MATLABfe路仿

16、真图2、波形图IOD11r1 时和n曲的ihhowf伽 1IIT五、设计小结为期两周的课程设计将要结束了。在这两周的学习中， 我学到了很多，也找到了自己身上的不足。感受良多，获益 匪浅。这次的课程设计对于我来说有着深刻的意义。这种意义 不光是自己能够独立完成了设计任务，更重要的是在这段时 间内使自己深刻感受到设计工作的那份艰难。这次课程设计 不仅培养了我们独立思考、动手操作的能力，而且在各种其 它能力上也都有了提高。更重要的是，我们学会了很多学习 的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅！面对困难 我们要不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的 将来也有很大的帮助。通过这次课程设计，使我懂得