1、電氣工程及其自動化專業電力電子技術課程設計說明書 班級：電氣141學號：1410060444姓名：朱宇恒設計時間：2016年12月19日至30日指導教師：陳榮鹽城工學院電氣工程系直流開關電源的設計一、設計目的1、了解一般電力電子技術設計過程、設計要求、應完成的工作內容和具體設計方法。2、培養獨立工作的能力與創造力；綜合運用專業及基礎知識的能力，解決實際工程技術問題的能力。3、培養查閱圖書資料、產品手冊和各種工具書的能力；工程繪圖的能力；書寫技術報告和編制技術資料的能力。2、 設計任務： 設計要求： 1、設計主電路及控制電路，要求主電路為：整流部分是變壓器+單相橋式二極管，大電容濾波，DC/DC

2、變換部分是GTR降壓變換器； 2、選擇主電路所有圖列原件，并給出清單，標注型號； 3、設計GTR驅動及控制電路； 4、繪制裝置總體電路原理圖，繪制電路所有點電壓、電流及GTR、DL兩端電壓波形（再圖上標注A、B、C、.，然后將所有點波形匯總繪制）； 5、課題仿真，編制設計說明書、設計小結。3、 主要技術參數技術參數：裝置輸入電源為單相工頻電源，電壓在160V270V之間變化，輸入電壓5V24V，輸出電流5A，輸出紋波電壓50mV，工作頻率f=4KHz。4、 設計內容主電路1、開關電源的基本原理開關電源就是采用功率半導體器件作為開關元件，通過周期性通斷開關，控制開關元件的占空比調整輸出電壓，開關

3、電源的基本構成如圖所示，DC-DC變換器是進行功率變換的器件，是開關電源的核心部件，此外還有啟動電路、過流與過壓保護電路、噪聲濾波器等組成部分。反饋回路檢測其輸出電壓，并與基準電壓比較，其誤差通過誤差放大器進行放大，控制脈寬調制電路，再經過驅動電路控制半導體開關的通斷時間，從而調整輸出電壓。其結構圖如圖所示。2、 整流電路的選擇整流是將交流電變成脈動直流電的過程。電源變壓器輸出的交流電經整流電路得到一個大小變化但方向不變的脈動直流電。整流電路是由具有單向導電性的元件例如二極管、晶間管等整流元件組成的。單相整流電路有兩種：電容輸入型電路和扼流圈輸入型電路兩種基本電路的比較如下：(1)開關電源多采

4、用脈寬調制方式，空載時開關晶體管的導通時間非常短。其導通時間隨開關電源的設計方法不同而異，也有采用控制開關晶體管電路的延時進行的間歇開關工作，這時，若采用扼流圈輸入型整流電路，接近空載時，扼流固變為臨界值，逆流電路由扼梳閡輸入型變為業為電容輸入型。為此，從滿載到空載變動時，整流輸出電壓變動較大，空載時有可能進入間歇開關領域。(2)開關電源的特點是效率高而體積小，若使用扼流圈時，為提高負載調整率需要接入扼流圈以及阻尼電阻。(3) 扼流圈可能與次級側濾波回路產生諧振。因此，開關電源的輸入整流電路采用電容輸入型。單相半波整流電路單相半波整流電路是最簡單的整流電路如圖(a)所示，僅利用一個二極管來實現

5、整流功能,其波形如圖（b）所示。單相半波整流電路的輸出電壓平均值為：（為變壓器副邊輸出電壓的有效值）（a） 單相半波可控整流電路（b） 單相半波可控整流電路波形單相橋式整流電路單相半波整流電路的缺點是只利用了電源的半個周期，輸出電流較小，同時整流電壓的脈動較大。全波整流電路可以克服這些缺點，其中最常用的是單相橋式整流電路，它是由四個二極管接成電橋的形式構成的。可以看到，四個二極管分為兩組，正負半周輪流導通，但負載上電流方向不變，此即為全波整流。單相半波整流電路如圖（a）所示，其波形如圖（b）所示。（a） 單相橋式整流電路（b） 單相橋式整流電路波形單相橋式整流電壓的平均值為：（為變壓器副邊輸出

6、電壓的有效值）,比半波整流輸出電壓高。因此，整流電路選用單相橋式整流電路。當為正半周并且數值大于電容兩端電壓時，二極管和管導通，和管截止，電流一路流經負載，另一路對電容C充電。當，導致和管反向偏置而截止，電容通過負載放電，按指數規律緩慢下降。 當為負半周幅值變化到恰好大于時，和因加正向電壓變為導通狀態，再次對C充電，上升到的峰值后又開始下降；下降到一定數值時和變為截止，C對負載放電，按指數規律下降；放電到一定數值時和變為導通，重復上述過程。輸出電壓平均值：空載時，放電時間常數為無窮大，輸出電壓最大 。 整流電壓平均值可根據前述波形及有關計算公式推導得出。空載時 重載時，R很

7、小，電容放電很快，幾乎失去儲能作用。隨負載加重，逐漸趨近于，及趨近于電阻負載時的特性。   根據負載情況選擇電容C值，使之T為交流電源的周期，此時輸出電壓為 輸出電流平均值IR為電容濾波的整流電路交流側諧波組成規律： 1、 諧波次數為基數。 2、 諧波次數越高，諧波幅值越小。 3、 與帶阻感負載的單相全控橋整流電路相比，諧波與基波的關系是不固定的，RC越大，則諧波越大，而基波越小。這是因為，RC越大，意味著負載越輕，二極管的導通角越小，則交流側電流波形的底部就越窄，波形畸變也越嚴重。4、 LC越大，則諧波越小，因為串聯電感L抑制沖擊電

8、流從而抑制了交流電流的畸變。3、 DC-DC變換 當GTR導通時，輸入電壓DC通過L向負載RL供電，與此同時也向電容C1充電。在這個過程中，電容C1及電感L中儲存能量。電感增加的磁通為：。當GTR截止時，由儲存在電感L中的能量繼續向RL供電，當輸出電壓要下降時，電容C1中的能量也向RL放電，維持輸出電壓不變。二極管VD1繼續流二極管，以便構成電路回路。電感減少的磁通為：當達到平衡時由于占空比a<1，所以，實現降壓功能。4、 驅動電路的設計 GTR是第二代功率半導體器件,它克服了晶閘管不能自關斷與開關速度慢的缺點,簡化了變頻傳動和其它帶逆變環節的交流器的換相,降低了體積,且可節能,是電力電

9、子裝置的關鍵器件,廣泛地應用于載波器、穩壓電源以及交直流電機調速領域。驅動的作用是使GTR可靠的開通與關斷,設計基極驅動電路時應考慮采用基極優化驅動方案。所謂優化驅動,就是以理想的基極驅動電流波形去控制GTR的開關過程。理想的基極電流波形從圖可以看出優化驅動特性具有以下幾點品質:1、 正向驅動電流的上升沿要陡,要有一定時間的過驅動電流,的數值選為準飽和基極驅動電流值的2倍左右,過驅動時間為幾個Ls,以使GTR迅速開通,減小。2、 GTR被驅動后,其基極驅動電流應能自適應負載參數的變化,只要GTR處于正常工作狀態下,基極驅動電路提供的基極電流都能保障GTR處于臨界飽和狀態,以減小基極損耗,縮短存

10、儲時間ts。3、 關斷時,驅動電路能為GTR基極射極間提供一反向電流,以迅速抽取基區存儲電荷,減小。關斷初始電流一般為的23倍,太大則會產生基極電流的尾部效應,反而增加關斷損耗,不利于GTR的關斷,使其反向安全工作區減小,一般為正向驅動電流的2倍值或相等。由外施偏置形成此反向抽取電流時,其供電電壓必須限制在GTR的以下,但要加足以防止GTR的反向導電。 根據上述GTR優良的驅動特性，設計出GTR驅動電路。 二極管VD2和電位補償二極管VD3構成貝克箝位電路，也即一種抗飽和電路，負載較輕時，如發射極電流全注入V，會使V過飽和。有了貝克箝位電路，當V過飽和使得集電極電位低于基極電位時，會自動導通，

11、使多余的驅動電流流入集電極，維持。為加速開通過程的電容。開通時，被短路。可實現驅動電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通。開通驅動電流應使GTR處于準飽和導通狀態，使之不進入放大區和深飽和區。 關斷GTR時，施加一定的負基極電流有利于減小關斷時間和關斷損耗，關斷后同樣應在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負偏壓。GTR驅動電路保護問題 GTR 的保護一般是在驅動電路中實現對GTR的自保護。其保護電路的形式依賴于逆變器是電壓源供電還是電流源供電。電流源逆變器易于實現負載短路保護,如發生短路現象時,可將所有晶體管開通,以最大限度地發揮電流承受能力,并且把可控整流橋拉入逆變,使存儲在電感中的能量逆

12、變回電網;實現開路保護則很困難,必須設置電壓鉗位電路以限制dv/dt,并使尖峰電壓值小于晶體管的擊穿電壓。電壓型逆變器實現開路保護容易,實現短路保護難度大些,一般是利用GTR可自關斷的特點,故障一旦檢出,就迅速關斷GTR器件。一般認為GTR損壞的主要原因有:1、 瞬態過壓。由于感性負載或布線電感的影響,GTR關斷時會產生瞬態電壓尖峰。瞬態過壓是GTR二次擊穿手主要原因,它的防護一般是給GTR并一RC或RCD網絡,消除峰值電壓,改善GTR開關工作條件。2、 過流。流過GTR的電流超過最大允許電流ICM時,可能會使電極引線過熱而燒斷,或使結溫過高而損壞。檢測過流信號是技術難點,檢測到過流信號后,通

13、常是關閉GTR的基極電流,利用GTR的自關斷能力切斷電路。3、 退飽和。GTR的電路中工作在準飽和狀態,但也可因外部電路條件的變化,使它退出了飽和區,進入了放大區,使得集電極耗散功率增大。退飽和與過流是2種不同現象。我們知道,GTR飽和的條件是IBIC/B。因此,即使IC沒達到過流整定值,若IB減小或B減小,也會產生退飽和現象。退飽和保護與過流保護相似。即在故障發生時,利用GTR的自關斷能力切斷電路。在一定條件下,退飽和保護可以取代過流保護。條件是退飽和保護比過流保護先動作。在橋式電路中,布線電感對逆變器的干擾很大,常常使逆變器不能工作,可采取以下兩點措施:1、 加大直流側濾波電容。2、 減短

14、導線長度,盡量平和走線,把電流一進一出的導線絞在一起。5、 控制電路 脈寬寬度調制式（PWM）開關型穩壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調整其占空比，從而達到穩定輸出電壓的目的。 脈寬調制（PWM）基本原理：控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規則對各脈沖的寬度進行調制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時

15、，只要按同一比例系數改變各脈沖的寬度即可，因此在交直交變頻器中，PWM逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側電壓的幅值。5、 電路仿真及其波形1、MATLAB電路仿真圖2、波形圖五、設計小結 為期兩周的課程設計將要結束了。在這兩周的學習中，我學到了很多，也找到了自己身上的不足。感受良多，獲益匪淺。這次的課程設計對于我來說有著深刻的意義。這種意義不光是自己能夠獨立完成了設計任務，更重要的是在這段時間內使自己深刻感受到設計工作的那份艱難。這次課程設計不僅培養了我們獨立思考、動手操作的能力，而且在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，我們學會了很多學習的方法。而這是日后最實用的，真的是受益匪淺！面對困難我們要不斷的學習、實踐，再學習、再實踐。這對于我們的將來也有很大的幫助。 通過這次課程設計，使我懂得了理論與實際相結合的重要性。在今后的學習生活中，我們要更加注重理論與實踐的結