直流电源开关

1、课 程 设 计专业电气工程及其自动化学生姓名周 成班级 C电气141学号 1415060596指导老师陈 荣电气工程学院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，把从电力电子技术中所学到的理论和实践知识，在课程设计实践中全面综合的加以运用，使这些知识得到巩固，提高，并使理论知识与实践技能密切结合起来。2.在进一步理解电力电子技术过程中，培养我们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.从学习电力电子技术的理论中，树立起我们正确的设计思想，从而掌握一般电力电子电路设计的基本方法和技能，同时

2、培养我们观察，分析和解决问题及独立设计的能力，训练设计构思和创新能力。2、 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。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

3、压50mV，工作频率f=4KHz。3、 直流开关电源的设计内容1、直流开关电源的基本原理直流开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的导通与截止将交流电提供给变压器进行变压转换成高频的直流电，从而产生所需要的一组或多组电压。首先交流电源输入经整流滤波成直流通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上，然后开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载，接着输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的。交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西,过滤掉电网上的干扰,同时也过滤掉电源对电网的干扰。然后在功率相同时,开关频率越高,开关变

4、压器的体积就越小,但对开关管的要求就越高，开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头,以得到需要的输出。直流开关电源一般还应该增加一些保护电路,比如空载、短路等保护,否则可能会烧毁开关电源。它主要用于工业以及一些家用电器上，如电视机，电脑等。2、 整流电路的选择整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器

5、设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含直流电压和交流电压的混合电压。习惯上称单向脉动性直流电压。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基本电路的比较如下：(1)开关电源多采用脉宽调制方式，空

6、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高而体积小，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。(3) 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

7、图（b）所示。单相半波整流电路的输出电压平均值为：（为变压器副边输出电压的有效值）（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。（a） 单相桥式整流电路（b） 单相桥式整流电路波形单相桥式整流电压的平均值为：（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。单相桥式整流器电路的工作原理：电路中采用四个二极管，互相接成桥式结构。利用二极管的电

8、流导向作用，在交流输入电压U2的正半周内，二极管D1、D3导通，D2、D4截止，在负载RL上得到上正下负的输出电压；在负半周内，正好相反，D1、D3截止，D2、D4导通，流过负载RL的电流方向与正半周一致。如图所示：向左转|向右转当为正半周并且数值大于电容两端电压时，二极管和管导通，和管截止，电流一路流经负载，另一路对电容C充电。当，导致和管反向偏置而截止，电容通过负载放电，按指数规律缓慢下降。 当为负半周幅值变化到恰好大于时，和因加正向电压变为导通状态，再次对C充电，上升到的峰值后又开始下降；下降到一定数值时和变为截止，C对负载放电，按指数规律下降；放电到一定数值时和变为导通，重复上述过程。

9、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 。 整流电压平均值可根据前述波形及有关计算公式推导得出。空载时 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，逐渐趋近于，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T为交流电源的周期，此时输出电压为 输出电流平均值IR为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，RC越大，则谐波越大，而基波越小。

10、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、 DC-DC变换 表示的是高压（低压）直流电源变换为低压（高压）直流电源。例如车载直流电源上接的DC/DC变换器是把高压的直流电变换为低压的直流电。具体是指通过自激振荡电路把输入的直流电转变为交流电，再通过变压器改变电压之后再转换为直流电输出，或者通过倍压整流电路将交流电转换为高压直流电输出。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。

11、电感增加的磁通为：。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：当达到平衡时由于占空比a<1，所以，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,

12、就是以理想的基极驱动电流波形去控制GTR的开关过程。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,要有一定时间的过驱动电流,的数值选为准饱和基极驱动电流值的2倍左右,过驱动时间为几个Ls,以使GTR迅速开通,减小。2、 GTR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GTR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GTR基极射极间提供一反向电流,以迅速抽取基区存储电荷,减小。关断初始电流一般为的23倍,太大则会产生基极电流的尾部效应,反而增加

13、关断损耗,不利于GTR的关断,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。由外施偏置形成此反向抽取电流时,其供电电压必须限制在GTR的以下,但要加足以防止GTR的反向导电。 根据上述GTR优良的驱动特性，设计出GTR驱动电路。 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，会自动导通，使多余的驱动电流流入集电极，维持。为加速开通过程的电容。开通时，被短路。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

14、不进入放大区和深饱和区。 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驱动电路保护问题 GTR 的保护一般是在驱动电路中实现对GTR的自保护。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,一般是利用

15、GTR可自关断的特点,故障一旦检出,就迅速关断GTR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,GTR关断时会产生瞬态电压尖峰。瞬态过压是GTR二次击穿手主要原因,它的防护一般是给GTR并一RC或RCD网络,消除峰值电压,改善GTR开关工作条件。2、 过流。流过GTR的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,检测到过流信号后,通常是关闭GTR的基极电流,利用GTR的自关断能力切断电路。3、 退饱和。GTR的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

16、集电极耗散功率增大。退饱和与过流是2种不同现象。我们知道,GTR饱和的条件是IBIC/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的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，

17、从而达到稳定输出电压的目的。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。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

18、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，因此在交直交变频器中，PWM逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。四丶电路仿真及其波形1、 MATLAB电路仿真图2、波形图5、 设计小结及体会 通过这次课程设计使我懂得了理论知识与实践相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的。从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，在设计的过程中难免会遇到各式各样的问题，同时在设计过程中发现了自己的很多不足之处，对之前所学的知识理解得不够深刻。掌握得不够牢固。比如说不懂一些元器件的用法及对单相半波可控整流电路的原理及相关知识理解得不够深刻。但这次设计过让我更加深刻地认识到自己在专业课上的不足，而且要做到温故而知新。同时，这次的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