电力电子技术课程设计范例文档格式.doc
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2.2直流电源设计…………………………………………………………5
2．3主电路工作原理·
·
……………………………………………………6
2.4触发电路设计………………………………………………………10
2.5过压过流保护原理与设计…………………………………………………15
三仿真分析与调试……………………………………………………………17
3.1Matlab仿真图…………………………………………………………17
3.2仿真结果…………………………………………………………18
3.3仿真实验结论……………………………………………………………24
元器件列表·
…………………………………………………………………24
设计心得……………………………………………………………………………25
参考文献……………………………………………………………………………25
致谢………………………………………………………………………………26
一．设计要求与方案
供电方案有两种选择。
一，线性直流电源。
线性电源（Linearpowersupply）是先将交流电经过变压器降低电压幅值，再经过整流电路整流后，得到脉冲直流电，后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电压。
要达到高精度的直流电压，必须经过稳压电源进行稳压。
线性电源体积重量大，很难实现小型化、损耗大、效率低、输出与输入之间有公共端，不易实现隔离，只能降压，不能升压。
二，升压斩波电路。
由脉宽调制芯片TL494为控制器构成BOOST原理的，实现升压型DC-DC变换器，输出电压的可调整与稳压控制的开关源是借助晶体管的开/关实现的。
因此选择方案二。
设计要求：
设计要求是输出电压Uo=220V可调的DC/DC变换器，这里为升压斩波电路。
由于这些电路中都需要直流电源，所以这部分由以前所学模拟电路知识可以由整流器解决。
MOSFET的通断用PWM控制，用PWM方式来控制MOSFET的通断需要使用脉宽调制器TL494来产生PWM控制信号。
设计方案：
1、电源电路
电源电路采用电容滤波的二极管不控整流电路，220V单相交流电经220V/24V变压器，降为24V交流电，再经二极管不控整流电路及滤波电容滤波后，变为平直的直流电，其幅值在22V~36V之间。
2、主电路
2.1主电路选用升压斩波电路，开关管选用电力MOSFET。
2.2Boost电路的负载为110V、25W白炽灯，
2.3boost电路中，占空比不要超过65%，否则电压大于100V。
3、控制电路的选择与确定
3.1脉冲发生器TL494
3.2驱动电路IR2110
二．设计原理分析
2．1总体结构分析
电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。
由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断。
来完成整个系统的功能。
因此，一个完整的降压斩波电路也应包括主电路，控制电路，驱动电路和保护电路这些环节。
直流斩波电路由电源、变压器、整流电路、滤波电路、主电路、控制和驱动电路及保护电路组成。
如图2—1所示：
电源
变压器
整流
电路
升压
斩
波
电
路
滤波电路
控制和驱动电路
保护电路
图（2-1）
2.2直流电源设计
小功率直流电源由电源变压器、整流电路、滤波电路三个部分组成，其原理框图如图2.1所示：
图2.1
在直流电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压变换成脉动的直流电压。
滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压。
与交流电压的有效值的关系为：
；
在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：
流过每只二极管的平均电流为：
整流电路设计如下：
图（2-3）
2.3主电路工作原理
假设L和C值很大。
V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。
V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。
图（2-4）
首先假设电路中电感和电容值都足够大。
当可控开关S处于导通状态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1,同时电容C上的电压向负载R供电。
因为电容C的值很大，基本保持输出电压U0为恒值。
设S处于导通的时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为：
当S处于断态时，E和L共同向电容C充电并向负载R提供能量。
设T处于断态的时间为toff，则在此期间电感释放的能量为：
稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等
化简得：
以上为升压斩波电路的工作原理。
电感的选择
根据电感最大贮能值0.5×
L×
I×
I确定电感峰值电流Imax=Io+2×
VoToff/L（Toff为关断时间）,匝数N应进行取整，当匝数少电流大时，应尽量避免取半匝的情况。
经计算后选取电感量为10mH,电容为4700μF。
O
E
图2-5电流连续
图2-6电流断续
当MOSFET处于导通时，得
设的初值为，解上式得
当MOSFET处于关断时，设电动机电枢电流为，得
当电流连续时，从图2-6的电流波形可看出，=时刻=，=时刻=，由此可得
故由上两式求得：
把上面两式用泰勒级数线性近似，得
该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值，即
当电流断续时的波形如图2-6所示。
当=0时刻==0，令式（1-10）中=0即可求出，进而可写出的表达式。
另外，当=时，=0，可求得持续的时间，即
当时，电路为电流断续工作状态，是电流断续的条件，即
根据上式可对电路的工作状态做出判断。
该式也是最优参数选择的依据。
2.4触发电路的设计
TL494CN是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。
TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。
其主要特性如下：
1.集成了全部的脉宽调制电路。
2.片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。
3.内置误差放大器。
4.内止5V参考基准电压源。
5.可调整死区时间。
6.内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。
7.推或拉两种输出方式。
1TL494引脚图
图（2-7）
TL494工作原理简述
TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。
其中1、2脚是误差放大器I的同相和反相输入端；
3脚是相位校正和增益控制；
4脚为死区时间比较器，具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。
当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在0—3.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。
5、6脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容，5脚可以产生锯齿波，所产生的锯齿波稳定，线性度好；
7脚为接地端；
8、9脚和11、10脚分别为TL494内部两个末级输出三极管集电极和发射极；
12脚为电源供电端；
13脚为输出控制端，控制TL494的输出方式，该脚接地时，两路输出晶体管同时导通或截止，形成单端工作状态，可以用于提高输出电流；
接14脚时为推挽输出方式，为5V基准电压输出端，最大输出电流10mA；
15、16脚是误差放大器II的反相和同相输入端。
TL494内置了线性锯齿波振荡器,振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节,其振荡频率为:
输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。
功率输出管Q1和Q2受控于或非门,当13脚控制信号为高电平时,调制脉冲交替输出至两个输出晶体管Q1和Q2,输出频率等于脉冲振荡器的一半。
当13脚控制信号为低电平时,芯片工作于单端状态,功率输出管Q1和Q2均由或非门的前一级与门控制,为得到更高的驱动电流输出,可将Q1和Q2并联使用。
当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。
当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。
控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。
TL494内部电路方框图
图（2-8）基于TL494的脉冲发生器
TL494电路设计
图（2-9）
电力场效应晶体管MOSFET
随着信息电子技术与电力电子技术在发展的基础上相结合，形成了高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，其典型代表就是电力场效应晶体管MOSFET
1.电力场效应晶体管特点
电力场效应晶体管简称电力PowerMosfet。
特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性好。
但是电流容量小，耐压低，一般适用于功率不超过10kW的电源电子装置。
2.MOSFET的结构和工作原理
电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道，图1-6所示为N沟道结构。
电力MOSFET的工作原理是：
在截止状态，漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。
P基区与N漂移区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电流流过。
在导电状态，即当UGS大于开启电压或阈值电压UT时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结消失，漏极和源极导电。
图（2-9）内部结构断面示意图图（2-10）电气图形符号
MOSFET开关时间在10～100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是电力电子器件中最高的。
由于是场控器件，静态时几乎不需输入电流。
但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动
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