电力电子优秀课程设计直流电子开关.docx

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：
姓名：朱宇恒
设计时间：12月19日至30日
指导老师：陈荣

盐城工学院电气工程系

直流开关电源设计
一、设计目标
1、了解通常电力电子技术设计过程、设计要求、应完成工作内容和具体设计方法。
2、培养独立工作能力和发明力；综合利用专业及基础知识能力，处理实际工程技术问题能力。
3、培养查阅图书资料、产品手册和多种工具书能力；工程绘图能力；书写技术汇报和编制技术资料能力。

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变换部分是GTR降压变换器；
2、选择主电路全部图列原件，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，绘制电路全部点电压、电流及GTR、D\L两端电压波形（再图上标注A、B、C、...，然后将全部点波形汇总绘制）；
5、课题仿真，编制设计说明书、设计小结。

三、 关键技术参数
技术参数：装置输入电源为单相工频电源，电压在160V~270V之间改变，输入电压5V~24V，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

1、开关电源基础原理
开关电源就是采取功率半导体器件作为开关元件，经过周期性通断开关，控制开关元件占空比调整输出电压，开关电源基础组成图所表示，DC-DC变换器是进行功率变换器件，是开关电源关键部件，另外还有开启电路、过流和过压保护电路、噪声滤波器等组成部分。反馈回路检测其输出电压，并和基准电压比较，其误差经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通断时间，从而调整输出电压。其结构图图所表示。

2、 整流电路选择
整流是将交流电变成脉动直流电过程。电源变压器输出交流电经整流电路得到一个大小改变但方向不变脉动直流电。整流电路是由含有单向导电性元件比如二极管、晶间管等整流元件组成。
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
两种基础电路比较以下：(1)开关电源多采取脉宽调制方法，空载时开关晶体管导通时间很短。其导通时间随开关电源设计方法不一样而异，也有采取控制开关晶体管电路延时进行间歇开关工作，这时，若采取扼流圈输入型整流电路，靠近空载时，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)开关电源特点是效率高而体积小，若使用扼流圈时，为提升负载调整率需要接入扼流圈和阻尼电阻。(3) 扼流圈可能和次级侧滤波回路产生谐振。
所以，开关电源输入整流电路采取电容输入型。
单相半波整流电路
单相半波整流电路是最简单整流电路图(a)所表示，仅利用一个二极管来实现整流功效,其波形图（b）所表示。
单相半波整流电路输出电压平均值为：（为变压器副边输出电压有效值）

（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
单相半波整流电路缺点是只利用了电源半个周期，输出电流较小，同时整流电压脉动较大。全波整流电路能够克服这些缺点，其中最常见是单相桥式整流电路，它是由四个二极管接成电桥形式组成。能够看到，四个二极管分为两组，正负半周轮番导通，但负载上电流方向不变，此即为全波整流。单相半波整流电路图（a）所表示，其波形图（b）所表示。

（a） 单相桥式整流电路

（b） 单相桥式整流电路波形

单相桥式整流电压平均值为：（为变压器副边输出电压有效值）,比半波整流输出电压高。所以，整流电路选择单相桥式整流电路。

当为正半周而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，造成和管反向偏置而截止，电容经过负载放电，按指数规律缓慢下降。
当为负半周幅值改变到恰好大于时，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，反复上述过程。
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 。 整流电压平均值可依据前述波形及相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，逐步趋近于，及趋近于电阻负载时特征。 
  依据负载情况选择电容C值，使之

T为交流电源周期，此时输出电压为

 输出电流平均值IR为

电容滤波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、 和带阻感负载单相全控桥整流电路相比，谐波和基波关系是不固定，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，二极管导通角越小，则交流侧电流波形底部就越窄，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畸变。

3、 DC-DC变换

当GTR导通时，输入电压DC经过L向负载RL供电，和此同时也向电容C1充电。在这个过程中，电容C1及电感L中储存能量。电感增加磁通为：
。
当GTR截止时，由储存在电感L中能量继续向RL供电，当输出电压要下降时，电容C1中能量也向RL放电，维持输出电压不变。二极管VD1继续流二极管，方便组成电路回路。电感降低磁通为：

当达成平衡时

因为占空比a<1，所以，实现降压功效。

4、 驱动电路设计
GTR是第二代功率半导体器件,它克服了晶闸管不能自关断和开关速度慢缺点,简化了变频传动和其它带逆变步骤交流器换相,降低了体积,且可节能,是电力电子装置关键器件,广泛地应用于载波器、稳压电源和交直流电机调速领域。驱动作用是使GTR可靠开通和关断,设计基极驱动电路时应考虑采取基极优化驱动方案。所谓优化驱动,就是以理想基极驱动电流波形去控制GTR开关过程。

理想基极电流波形
从图能够看出优化驱动特征含有以下几点品质:
1、 正向驱动电流上升沿要陡,要有一定时间过驱动电流,数值选为准饱和基极驱动电流值2倍左右,过驱动时间为多个Ls,以使GTR快速开通,减小。
2、 GTR被驱动后,其基极驱动电流应能自适应负载参数改变,只要GTR处于正常工作状态下,基极驱动电路提供基极电流全部能保障GTR处于临界饱和状态,以减小基极损耗,缩短存放时间ts。
3、 关断时,驱动电路能为GTR基极—射极间提供一反向电流,以快速抽取基区存放电荷,减小。关断初始电流通常为2～3倍,太大则会产生基极电流尾部效应,反而增加关断损耗,不利于GTR关断,使其反向安全工作区减小,通常为正向驱动电流2倍值或相等。由外施偏置形成此反向抽取电流时,其供电电压必需限制在GTR以下,但要加足以预防GTR反向导电。
依据上述GTR优良驱动特征，设计出GTR驱动电路。

二极管VD2和电位赔偿二极管VD3组成贝克箝位电路，也即一个抗饱和电路，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，使多出驱动电流流入集电极，维持。
为加速开经过程电容。开通时，被短路。可实现驱动电流过冲，并增加前沿陡度，加紧开通。
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。
关断GTR时，施加一定负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗，关断后一样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）负偏压。

GTR驱动电路保护问题
GTR 保护通常是在驱动电路中实现对GTR自保护。其保护电路形式依靠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,可将全部晶体管开通,以最大程度地发挥电流承受能力,而且把可控整流桥拉入逆变,使存放在电感中能量逆变回电网;实现开路保护则很困难,必需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击穿电压。电压型逆变器实现开路保护轻易,实现短路保护难度大些,通常是利用GTR可自关断特点,故障一旦检出,就快速关断GTR器件。
通常认为GTR损坏关键原因有:
1、 瞬态过压。因为感性负载或布线电感影响,GTR关断时会产生瞬态电压尖峰。瞬态过压是GTR二次击穿手关键原因,它防护通常是给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电流超出最大许可电流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基极电流,利用GTR自关断能力切断电路。
3、 退饱和。GTR电路中工作在准饱和状态,但也可因外部电路条件改变,使它退出了饱和区,进入了放大区,使得集电极耗散功率增大。
退饱和和过流是2种不一样现象。我们知道,GTR饱和条件是IB≥IC/B。所以,即使IC没达成过流整定值,若IB减小或B减小,也会产生退饱和现象。
退饱和保护和过流保护相同。即在故障发生时,利用GTR自关断能力切断电路。在一定条件下,退饱和保护能够替换过流保护。条件是退饱和保护比过流保护先动作。
在桥式电路中,布线电感对逆变器干扰很大,常常使逆变器不能工作,可采取以下两点方法:
1、 加大直流侧滤波电容。
2、 减短导线长度,尽可能平和走线,把电流一进一出导线绞在一起。

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情况下，经过电压反馈调整其占空比，从而达成稳定输出电压目标。
脉宽调制（PWM）基础原理：控制方法就是对逆变电路开关器件通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等脉冲，用这些脉冲来替换正弦波或所需要波形。也就是在输出波形半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲等值电压为正弦波形，所取得输出平滑且低次谐波少。按一定规则对各脉冲宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压大小，也可改变输出频率。
在PWM波形中，各脉冲幅值是相等，要改变等效输出正弦波幅值时，只要按同一百分比系数改变各脉冲宽度即可，所以在交－直－交变频器中，PWM逆变电路输出脉冲电压就是直流侧电压幅值。

五、 电路仿真及其波形
1、MATLAB电路仿真图
2、波形图

五、设计小结
为期两周课程设计将要结束了。在这两周学习中，我学到了很多，也找到了自己身上不足。感受良多，获益匪浅。
这次课程设计对于我来说有着深刻意义。这种意义不光是自己能够独立完成了设计任务，更关键是在这段时间内使自己深刻感受到设计工作那份艰苦。这次课程设计不仅培养了我们独立思索、动手操作能力，而且在多种其它能力上也全部有了提升。更关键是，我们学会了很多学习方法。而这是以后最实用，真是受益匪浅！面对困难我们要不停学习、实践，再学习、再实践。这对于我们未来也有很大帮助。
经过这次课程设计，使我知道了理论和实际相结合关键性。在以后学习生活中，我们要愈加重视理论和实践结合。

五、参考文件
1、《直流开关电源软开关技术》 阮新波 严仰光编著，科学出版社；
2、《电力电子技术》 丁道宏主编，航空工业出版社；
3、《电力电子技术》 任国光主编，上海科技文件出版社；
4、《电力电子技术》 王兆安、黄俊主编, 机械工业出版社；
5、《晶闸管变流技术》 莫正康主编，机械工业出版社；
6、《晶闸管变流技术题例及电路设计》 栗书贤，石玉编，机械工业出版社；
7、《现代电力电子技术》 何希才主编，国防工业出版社；
8、《电气制图用新旧图形符号对照》 科学出版社；
9、《电气制图及图形符号国家标准》 计量出版社；