电力电子课程设计报告样本.doc

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____工____学院__ __级__电气工程及其自动化__专业 姓名___陈青清______ 学号__ 180202______________
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本科课程设计专用封面

设计题目: 直流变换器的设计(升压)
所修课程名称: 电力电子技术课程设计
修课程时间: 年 12 月 20 日至 12 月 30 日
完成设计日期: 年 12 月 30 日
评阅成绩:
评阅意见:

评阅教师签名: 年 月 日

____工____学院__ __级__电气工程及其自动化__专业 姓名___陈瑶____ 学号__ 180204______________
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本科课程设计专用封面

设计题目: 直流变换器的设计(升压)
所修课程名称: 电力电子技术课程设计
修课程时间: 年 12 月 20 日至 12 月 30 日
完成设计日期: 年 12 月 30 日
评阅成绩:
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评阅教师签名: 年 月 日

目录
摘要 1

设计目的 7

设计任务 7

主要技术参数 8

设计内容 10

电路仿真及分析 15

设计小结 17

摘要 

在现在我们所使用到能源中, 电能占了很大的比重, 它具有成本低廉, 输送方便, 绿色环保, 控制方便能很容易转换成其它的信号等等。我们的日常生活已经离不开电了。在如今高能耗社会, 合理的利用电能, 提高电能 品质和用电效率成为了全球研究的当务之急。而《电力电子技术》正是与这一主题相关联的。MOSFET升压斩波电路设计是里面的一部分, 它开关电源, 与线性电源相比, 具有绿色效率高, 控制方便, 智能化, 易实现计算机控制。直流变换技术已被广泛的应用于开关电源及直流电动机驱动中, 如不间断电源( UPS) 、 无轨电车、 地铁列车、 蓄电池供电的机动车辆的无级变速及20世纪80年代兴起的电动汽车的控制。从而使上述控制获得加速平稳、 快速响应的性能, 并同时收到节约电能的效果。由于变速器的输入是电网电压经不可控整流而来的直流电压, 因此直流斩波不但能起到调压的作用, 同时还能起到有效地抑制网侧谐波电流的作用。

直流斩波电路的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电, 也称为直流-直流变换器( DC/DC Converter) , 直流斩波电路一般是指直接将直流变成直流的情况, 不包括直流-交流-直流的情况; 直流斩波电路的种类很多: 降压斩波电路, 升压斩波电路, 这两种是最基本电路。另外还有升降压斩波电路, Cuk斩波电路, Sepic斩波电路, Zeta斩波电路。斩波器的工作方式有: 脉宽调制方式( Ts不变, 改变ton) 和频率调制方式( ton不变, 改变Ts) 。

MOSFET升压斩波电路又称为boost变换器, 它对输入电压进行升压变换。经过控制电路的占空比即经过MOSFET来控制升压斩波电路的输出电压。直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的 DC-DC 变换器 ,在直流传动系统、 充电蓄电电路、 开关电源、 电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用.直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中, 使其控制获得加速平稳、 快速响应、 节约电能的效果。全控型电力电子器件MOSFET在牵引电传动电能传输与变换、 有源滤波等领域得到了广泛的应用。

MOSFET是金属-氧化层-半导体-场效晶体管, 简称金氧半场效晶体管, 是一种能够广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。MOSFET依照其”通道”的极性不同, 可分为N沟道型与P沟道型的MOSFET, 一般又称为NMOSFET与PMOSFET, 其它简称尚包括NMOS FET、 PMOSFET、 nMOSFET、 pMOSFET等。

图1
它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的为增强型MOS场效应管, 其内部结构见图1。它可分为NPN型PNP型。NPN型一般称为N沟道型, PNP型也叫P沟道型。由图可看出, 对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上, 同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管, 其输出电流是由输入的电压( 或称电场) 控制, 能够认为输入电流极小或没有输入电流, 这使得该器件有很高的输入阻抗, 同时这也是我们称之为场效应管的原因。
为解释MOS场效应管的工作原理, 我们先了解一下仅含有一个P—N结的二极管的工作过程。如图2所示, 我们知道在二极管加上正向电压( P端接正极, N端接负极) 时, 二极管导通, 其PN结有电流经过。这是因为在P型半导体端为正电压时, N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的P型半导体端, 而P型半导体端内的正电子则朝N型半导体端运动, 从而形成导通电流。同理, 当二极管加上反向电压( P端接负极, N端接正极) 时, 这时在P型半导体端为负电压, 正电子被聚集在P型半导体端, 负电子则聚集在N型半导体端, 电子不移动, 其PN结没有电流经过, 二极管截止。

图2

在栅极没有电压时, 在源极与漏极之间不会有电流流过, 此时场效应管处与截止状态( 图3a) 。当有一个正电压加在N沟道的MOS场效应管栅极上时, 由于电场的作用, 此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极, 但由于氧化膜的阻挡, 使得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体中( 见图3b) , 从而形成电流, 使源极和漏极之间导通。我们也能够想像为两个N型半导体之间为一条沟, 栅极电压的建立相当于为它们之间搭了一座桥梁, 该桥的大小由栅压的大小决。

a b
图3

电力MOSFET的基本特性

a转移特性 b输出特性
图4

a测试电路 b开关过程波形
图5
MOSFET斩波电路是被设计的核心部分, 而其核心器件又是MOSFET。本部分是经过触发电路控制MOSFET的开启与关断, 再利用电感和电容的储能作用实现升压功能的。
场效应管与晶体管的比较 
( 1) 场效应管是电压控制元件, 而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下, 应选用场效应管; 而在信号电压较低, 又允许从信号源取较多电流的条件下, 应选用晶体管。 
( 2) 场效应管是利用多数载流子导电, 因此称之为单极型器件, 而晶体管是即有多数载流子, 也利用少数载流子导电。被称之为双极型器件。 
( 3) 有些场效应管的源极和漏极能够互换使用, 栅压也可正可负, 灵活性比晶体管好。 
( 4) 场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作, 而且它的制造工艺能够很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上, 因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用
关键字: 电能、 MOSFET升压斩波电路、 升压变换、 变换器、 直流斩波技术 

一、 设计目的
1、 把从电力电子技术及其它先修课程( 电工基础、 电子技术、 电机学等) 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、 初步树立起正确的设计思想, 掌握一般电力电子电路设计的基本方法和技能, 培养观察、 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。
3、 培养具有查阅参考文献和技术资料的能力, 能熟悉或较熟悉地应用相关手册、 图表、 国家标准, 为今后成为一名合格的电气工程技术人员进行必须的基本技能和基本素质训练。

二、 设计任务
u 设计主电路, 主电路为: 采用BOOST变换器, 主功率管用MOSFET;
u 选择主电路所有图列元件, 并给出清单;
u 设计MOSFET驱动电路及控制电路;
u 绘制装置总体电路原理图, 绘制: MOSFET驱动电压、 BOOST电路中各元件的电压、 电流以及输出电压波形;
u 编制设计说明书、 设计小结。

输入直流电压24V, 输出电压V0=48V, 输出电流Io=10A, 最大输出纹波电压200mV, 工作频率f=100kHz。
三、 主要技术参数
( 一) 升压斩波电路的原理及典型应用
（1） 升压斩波电路及其工作波形( IGBT)

图6、 升压斩波电路及其工作波形图
（2） 、 工作原理(MOSFET管)

图7、 升压斩波电路工作原理(MOSFET管)
根据电力电子技术的原理, 升压式变换器的输出电压高于输入电源电压, 控制开关与负载并联连接, 与负载并联的滤波电容必须足够大, 以保证输出电压恒定, 储能电感也要很大, 以保证向负载提供足够的能量。在设计中, 采用电力场效应晶体管( N沟道) 作为开关管, 它既具有输入阻抗高, 速度快, 热稳定性好, 驱动电路简单, 又具有通态电压低, 耐压高, 流通大电流等优点。

升压斩波电路的电路图:
1.电路原理图:

图8、 升压斩波电路原理图

( 二) 、 升压斩波电路典型应用 
1.用于直流电动机传动 
2.用作单相功率因数校正( PFC) 电路 3.用于其它交直流电源中 
四、 设计内容
1、 框图: 波形分析

电路设计

参数选择和计算

2、 工作原理:
（1） 、 电路原理图

升压斩波电路的电路图如上图所示, 在该电路中假设电感L1值、 电容C2值很大, 当可控开关Z2处于通态时, 电源V1向电感L1充电, 充电电流基本恒定为I1, 同时电容C2上的电压向负载R供电。V通时, E向L充电, 充电电流恒为I1, 同时C的电压向负载供电, 因为C值很大, 基本保持输出电压U0为恒值, 记为U0。设V处于通态的时间为Ton,此阶段电感L积蓄能量为EI1Ton。当V处于断态时, V1和L1共同向电容C2充电并向负载R1提供能量。
设V处于断态的时间Toff, 则在此期间电感L1释放的能量为( Uc- V1) I1Toff。当电路工作于稳态时, 一个周期T中电感L1积蓄的能量与释放的能量相等, 即:
V1I1Ton=(Uc-V1)I1Toff
化简为:
Uc=( (Ton+Toff) /Toff)V1=( T/Toff)V1
式中:
(T/Toff)》1, 输出电压高于电源电压, 故称该电路为升压斩波电路。
T/Toff表示升压比, 调节其大小, 即可改变输出电压Uc的大小, 将升压比的倒数记做β,即β=Toff/T。则β和占空比α的关系为: α+β=1。则:
Uc=(1/β)V1=( 1/(1-α))V1
【2】升压斩波电路之因此能使输出电压高于电源电压, 关键有两个原因:
( 1) 电感L1储能之后具有使电压泵升的作用。
( 2) 电容C可将输出电压保持住。
3、 Z2处于通态期间因电容C的作用使得输出电压Uc不变, 但实际上C2值不可能无穷大, 在此阶段其向负载放电, Uc必然会有所下降, 故实际输出电压会略低于Uc的值, 在电容C值足够大时, 误差很小, 基本能够忽略。如果忽略电路中的损耗, 则由电源提供的能量仅由负载R消耗, 即:
V1I1=UcI0
输出电流的平均值I0为:
I0=Uc/R=(1/B)(V1/R)
电源电流I1为:
I1=(Uc/V1)I0=(1/B^2)(V1/R)

( 2) 、 元器件选择和设计
输入电压V1=24V
输出电压V0=48V
电感L2=500uH
电阻R1=4.8Ω
、 输入电感L2的设计
WL>>R
2*pi*f*L>>R
L2取500uH
‚、 输出滤波电容C5的设计
1/(WC)>>R
1/(2*pi*f*C)>>R
C5取220uF
ƒ、 器件选择
24V直流电源, 500uF电感
DIN5823二极管, IRF540 ( MOS管)
驱动电源, 电阻( 1K,4.8欧姆)
电容( 10uF, 220uF)
( 3) 保护电路
( 3.1)过流保护电路
电力电子电路运行不正常或者发生故障时, 可能会发生过电流。过电流分为过载和短路两种情况。一般采用的保护措施有: 快速熔断器、 直流快速断路器和过电流继电器。一般电力电子装置均同时采用集中过流保护措施, 以提高保护的可靠性和合理性。 
综合本次设计电路的特点, 采用快速熔断器, 即给晶闸管串联一个保险丝实施电流保护。如图5电流保护电路所示。对于所选的保险丝, 遵从I^2t值小于晶闸管的允许I^2t值

(3.2)过压保护电路
电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因。本设计主要用于室内, 为了使用方便不考虑来自雷击的威胁。 
操作过电压是由分闸、 合闸的开关操作引起的过电压, 电网侧的操作过电压会由供电变压器磁感应耦合, 或由变压器绕组之间存在的分布电容静感应耦合过来。内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程, 包括: 换相过电压, 关断过电压。 
根据以上产生过电压的的各种原因, 设计相应的保护电路。如图6过压保护电路所示。其中: 图中是利用一个电阻加电容进行电压抑制, 当电压过高时, 保护电路中的电容会阻碍其电压的上升, 从而使得电力电子器件IGBT管因电压过高厄尔损坏。图3中的电阻能够是1KΩ左右的电阻, 而电容的值能够为100µF左右, 这样形成一个保护电路

五、 电路仿真分析

图9、 驱动电压V1(幅值4v)

图10、 V2 ( 没有驱动MOSFET管)
图11、 V1设为15V

图12、 输出电压

图13、 输出纹波
六、 设计小结
  回顾起此次的电力电子课程之MOSFET升压斩波电路设计, 感慨颇多, 它使我有了很多的心得体会, 能够说这次MOSFET升压斩波电路设计是在自己用心努力和在老师的精心指导下共同完成的。
在两个星期的日子里, 能够说自己每天都充满着压力与忙碌, 自己也的确从此次安排的课程设计中学到了很多东西。设计过程中, 因为是第一次做, 难免会遇到各种各样的问题。在设计的过程中发现了自己的不足之处, 对以前所学过的知识理解得不够深刻, 掌握得不够牢固。经过查阅大量有关资料, 并与同课题同学互相讨论, 交流经验和自学, 若遇到实在搞不明白的问题就会及时请教老师, 使自己经历了不少艰辛, 但收获同样巨大, 学到了不少知识。经过本次课程设计让我更加的深刻的理解了斩波器的原理, 从而由斩波器这个小小的器件体会到了电力电子这门学科的重要性。课程设计不但需要灵活的运用书本上以及课堂上的知识, 还需要自己运用电脑上网搜索相关信心和操作相关的软件来更好的达到设计的目的。这让我不但巩固了老师所传授的书本上的知识, 而且锻炼了自己解决实际问题的能力。 
经过课程设计还拓宽了知识面, 学到了很多课本上没有的知识, 报告只有自己去做能加深对知识的理解, 任何困难只有自己经过努力去克服才能收获成功的喜悦。 
在此次电力电力课程设计, 我自学了ORCAD和Multisim软件。经过对电路图的研究, 也增强了自己的思考能力。另外, 在使用ORCAD软件绘制电路图的过程中, 我学到了很多实用的技巧, 这也为以后的工作打下了很好的基础。从开始任务到查找资料, 到设计电路图, 我学到了课堂上学习不到的知识。上课时总觉得所学的知识太抽象, 没什么用途, 现在终于认识到它的重要性。 
此次老师要求我们选择电子版的论文, 自己分别运用了运用了AUTO CAD , Multisim与OFFICE WORD  等常见工具软件, 也练习了使用的熟练程度。另外对论文的的格式要求等有了比较清晰的认识, 也为了以后毕业论文的设计奠定了基础。 
总的来说, 自己的这次课程设计还算比较成功, 非常感谢位杨老师的耐心指导。我相信今后不论做什么课程设计, 只要认真思考认真去做, 相信都将会有所收获, 都会取得成功!
参考文献
1.《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
2．王兆安,黄俊.《电力电子技术( 第4版) 》.机械工业出版社,
3．刘胜利.《现代高频开关电源实用技术》, 电子工业出版社,
4．《直流开关电源的软开关技术》 阮新波 严仰光编著, 科学出版社

实物制作成绩( 50分)
课程设计报告成绩( 40分)
答辩成绩
( 10分)
总成绩
备注
方案
实物制作
实物效果
方案论证
设计计算、 绘图、 元器件选型
报告
格式
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问题
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