电力电子课程设计.docx

1、电力电子课程设计一、 选题背景及意义 2二、 设计方案的确定 21主电路拓扑结构 . 22控制方案 2三、 主电路工作原理及过程分析 . 31电容滤波单相桥式不可控整流电路 32降压斩波电路 4四、 功率器件定额参数的计算 61整流电路部分 62斩波电路部分 7五、 控制系统（电路）设计 7六、 结束语 1 01结论概括 1 02设计体会 1 0七、 附录 1 11 电路原理图 1 12元器件明细表 1 2八、 参考文献 1 2一、 选题背景及意义随着电力电子技术的高速发展， 电力电子设备与人们的工作、 生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入 80年代计算机电源全面实现了开关电

2、源化，率先完成计算机的电源换代，进入 90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了 开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术， 控制开关晶体管开通和关断的时间比率， 维持稳定输出电压的一种电源， 开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM控制IC和IGBT构成。开关电源和线性电源相比，二者的 成本都随着输出功率的增加而增长， 但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新， 使得开关电源技术在不断地创新， 这一成本反转点日益向低输出电

3、力端移动， 这为开关电源提供了广泛的发展空间。本设计用电容滤波单相桥式不可控整流电路、降压斩波电路、 IGBT和SG3525芯片构成斩波电源，可用于科研设备、 LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热等领域，并在节约能源、节约资源及保护环境方 面都具有重要的意义。二、 设计方案的确定1、主电路拓扑结构如图1所示：图1主电路拓扑结构2、控制方案本设计技术要求经过单相桥式不控整流和电容滤波后得到的直流电压作为直流 斩波电路的输入电压，故先由电容滤波的单相桥式不可控整流电路将 220V交流电亚整流成直流电压Ud,再由Ud作为降压斩波电路的输入电压；要求降压斩波器的

4、输出 电压在10200V间连续可调，故可用由SG3525芯片组成PWM波形发生器作为降压斩 波电路中IGBT的触发电路，调节触发角来改变占空比从而使输出电压在 10200V连续可调。对上述占空比可由设计中要求的斩波器（满载时平均）输出直流电流 10A来计算出，同时选择适当的元件，得到符合要求的直流斩波电源。三、主电路工作原理及过程分析1、电容滤波的单相桥式不可控整流电路（1）工作原理及波形分析图2a所示的是单相桥式不可控整流电路， 图2b为电路工作波形。假设该电路已工作与稳态，同时由于实际中作为负载的后级电路稳态时消耗的直流平均电流是一定 的，所以分析中以电阻 R作为负载。该电路的基本工作过程

5、是，在 U2正半周过零点至 7=0期间，因上：Ud，故二极 管均不导通，此阶段电容 C相R放电，提供负载所需电流，同时 Ud下降。至-，t=0之 后，U2将要超过Ud，使得VDi和VD4开通，Ud二比，交流电源向电容充电，同时向负 载R供电。设VDi和VD4导通的时刻与U2过零点相距S角，则U2如下式所示u2 二、2U2sin（ r ：）在VDi和VD4导通期间以下方程成立ud（0） - . 2U2sin、1 t式中,Ud (0) - Jcdt 丸2将U2代入并求解得ic - - 2 CU2 cos( t )而负载电流为u2 pQu 2 . #丄主、iR si nt、R R于是f_id %iR

6、 = ；2 CU2cos( t 、) -Usin( t 、)RUd（0）为VDi、VD4开始导通时刻直流侧电压值。设VD1和VD4的导通角为9，则当时，VD1和VD4关断。将id）=0代入上tan（v 、.）= - RC电容被充电到 4 -时，ud二u2八2U2sinG J , VDi和VD4关断。电容开始以 时间常数RC按指数函数放电，当-t = 7：，即放电经过 角时，ud降至开始充电时的初值.2U 2 sin、：，另一对二极管VD2和VD3导通，此后U2又向C充电，与U2正半周的情况一样2、降压斩波电路降压斩波电路的原理图及工作波形如图 3所示。该电路使用一个全控型器件 V图中IGBT，

7、为在V关断时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管 VD由图3b中的IGBT的栅射电压uge波形可知，在t=0时刻驱动V导通，电源E向 负载供电，负载电压u：=E，负载电流i:.按指数曲线上升。当t=t1时刻，控制V关断，负载电流经二极管 VD续流，负载电压u:近似为零， 负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小， 通常串接L值较大的电感。至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图 3b所示，负载电流的平均值为四、功率器件定额参数的计算:主电路图如下图所示：、2U2 =、2 220 =311V额定电压为:31

8、1 （2 3） =622 933 V 最大通态平均电流有效值为：丨MAX石=石=5.36A额定电流为:1 5 25.36 =5.12 6.83 A1.57滤波电容：降压斩波电路的等效电阻为:1 MAX鴛”3 Q要求计算时取Ud =1.2U2，故C _ 0.030.05 = .。3 .。5 El 10* 14.36 10* F34.83（2）降压斩波电路部分的参数计算：整流二极管：承受最大反向电压为：Ud =264V额定电压为：Ud （2 3） =264 （2 3） =528 792 V最大通态平均电流有效值为：1 25.76% 2 眉 iMAxd（wt） -75.76%Imax =4.92A额

9、定电流为：4 92（1.5 2） = 4.7 6.27A1.57IGBT:承受最大反向电压为：Ud = 264V额定电压为：Ud (2 3) =264 (2 3) =528 792 V最大通态平均电流有效值为：1 75.76% 2 . iMAxd(wt) =Y75.76%Imax =8.70A ；T 0额定电流为：8.70 (1.5 2) =8.31 11.08 A1.57五、控制电路的设计本设计采用的IGBT触发电路为由SG3525构成的PWM波形发生器。电路结构见图5图5 IGBT 路原理图下面主要介绍SG3525A永宽调制器控制电路。(1)、简介SG3525A系列脉宽调制器控制电路可以改

10、进为各种类型的开关电源的控制性能和使 用较少的外部零件。在芯片上的5.1V基准电压调定在土 1%,误差放大器有一个输入共 模电压范围。它包括基准电压，这样就不需要外接的分压电阻器了。一个到振荡器的同 步输入可以使多个单元成为从电路或一个单元和外部系统时钟同步。在 Ct和放电脚之间用单个电阻器连接即可对死区时间进行大范围的编程。 在这些器件内部还有软起动电路，它只需要一个外部的定时电容器。一只断路脚同时控制软起动电路和输出级。只要 用脉冲关断，通过pwm脉宽调制)锁存器瞬时切断和具有较长关断命令的软起动再循 环。当Vcc低于标称值时欠电压锁定禁止输出和改变软起动电容器。输出级是推挽式的 可以提供

11、超过200mA的源和漏电流。SG3525AS列的NOR(或非)逻辑在断开状态时输 出为低。(2)、SG3525A内部结构和工作特性1 )基准电压调整器基准电压调整器是输出为5.1V , 50mA有短路电流保护的电压调整器。它供电给 所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。若输入电压低于 6V时，可把15、16脚短接，这时5V电压调整器不起作用。2)振荡器3525A的振荡器，除Ct、Rt端外，增加了放电7、同步端3。Rt阻值决定了内部 恒流值对Ct充电，Ct的放电则由5、7端之间外接的电阻值Rd决定。把充电和放电回 路分开，有利于通过Rd来调节死区的时间，因此是重大改进。这时 3525A的振

12、荡频率 可表示为：fS = 1 Ct(0.7Rt +3Rd)在3525A中增加了同步端3专为外同步用，为多个3525A的联用提供了方便。同步 脉冲的频率应比振荡频率f S要低一些。图6 SG3525内部原理图3） 误差放大器误差放大器是差动输入的放大器。它的增益标称值为 80dB,其大小由反馈或输出负载决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容的元件组合。该放大器 共模输入电压范围在1.83.4V，需要将基准电压分压送至误差放大器 1脚（正电压输 出）或2脚（负电阻输出）。3524的误差放大器、电流控制器和关闭控制三个信号共用一个反相输入端， 3525A改为增加一个反相输入端，误差放

13、大器与关闭电路各自送至比较器的反相端。这样避免 了彼此相互影响。有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。4） 闭锁控制端10利用外部电路控制10脚电位，当10脚有高电平时，可关闭误差放大器的输出，因 此，可作为软起动和过电压保护等。5） 有软启动电路比较器的反相端即软起动控制端 8,端8可外接软起动电容。该电容由内部 Vyf的250uA恒流源充电。达到2.5V所经的时间为t二日 Cn。占空比由小到大（50%变化。 50 hA6） 增加PWh锁存器使关闭作用更可靠。比较器（脉冲宽度调制）输出送到PW锁存器。锁存器由关闭电路置位，由振荡器 输出时间脉冲复位。这样，当关闭电路动作，即使过流信号立即

14、消失，锁存器也可维持 一个周期的关闭控制，直到下一周期时钟信号使倘存器复位为止。另外，由于PWh锁存器对比较器来的置位信号锁存， 将误差放大器上的噪音、振铃 及系统所有的跳动和振荡信号消除了。只有在下一个时钟周期才能重新置位，有利于可 靠性提高。7） 增设欠压锁定电路电路主要作用是当IC块输入电压小于8V时，集成块内部电路锁定，停止工作（其 准源及必要电路除外），使之消耗电流降到很小（约 2mA。8）输出级由两个中功率NPNt构成，每管有抗饱和电路和过流保护电路，每组可输出100mA 组间是相互隔离的。电路结构改为确保其输出电平或者是高电平或者是低电平的一个电 平状态中。为了能适应驱动快速的场

15、效应功率管的需要，末级采用推拉式电路，使关断 速度更快11端（或14端）的拉电流和灌电流，达100mA在状态转换中，由于存在开 闭滞后，使流出和吸收间出现重迭导通。在重迭处有一个电流尖脉冲，其持续时间约 使 用时约100ns。使用时Vc接一个0.1uF电容可以滤去尖峰。另一个不足处是吸电流时，如负载电流达到50mA上时，管饱和压降较高（约1V）。（3）、IC芯片的工作直流电源Vs从15号脚引入分两路：一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器 的输入端，产生稳定的+ 5.1V基准电压，+ 5.1V再送到内部（或外部）电路的其他元 件作为电源。振荡器5号脚需外接电容Cr,6号脚需外接电阻Rr，即可

16、调节振荡器的频 率。振荡器的输出分为两路：一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及二个或非门；另 一路以锯齿波形式送至比较器的同相端。比较器的反相端连向误差放大器。误差放大器 实际上是个差分放大器，它有两个输入端：1号脚为反相输入端；2号脚为同相输入端， 这两个输入端可根据应用需要连接。例如，一端可连到开关电源输出电压 Vc的取样电路上（取样信号电压约2.5V），另一端连到16号脚的分压电路上（应取得2.5V的电压）， 误差放大器输出9号脚与地之间可接上电阻与电容，以进行频率补偿。误差放大器的输 出与锯齿波电压在比较器中进行比较， 从而在比较器的输出端出现一个随误差放大器输 出电压的高低而改变宽度

17、的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。或非 门另二输入端分别为触发器、振荡锯齿波。最后，在晶体管 A和B上分别出现脉冲宽度随Vc变化而变化的脉冲波，但两者相位相差 180。六、结束语1、 结论概括该斩波电源实现了如下技术要求：（1） 单相交流220V输入，经过单相桥式不控整流和电容滤波后得到的直流电压 Ud, Ud作为直流斩波电路的输入电压。（2） 要求降压斩波器的输出电压在10200V间连续可调。（3） 斩波器（满载时平均）输出直流电流 10A。该斩波电源设计较完整，可用于科研设备、 LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热等领域，并能节约能源

18、、节约资源及 保护环境等。2、 设计体会电力电子技术课程设计是一个重要的实践性环节，它包括课题选择、方案确定、主 电路工作原理及过程分析、功率器件定额参数计算、控制电路设计及绘制电路原理图等 实践内容。本次课程设计，让我对课本上的知识有了更加深刻的认识和理解，并能够加 以扩展，从而应用于实践当中，去设计一个实际的斩波电源。通过课程设计，我熟悉和 掌握了电容滤波单相桥式不可控整流电路和降压斩波电路的组成、工作原理和特点，并 能够对它们的工作过程和波形进行分析，了解了 PWM专用集成电路SG3525的工作原理和使用方法，学会了如何使用SG3525芯片作为触发电路触发IGBT产生需要的PW波形。 这

19、次课程设计增强了我动手、思考和解决问题的能力，让我学会了根据设计要求和性能 参数查阅文献资料，收集、分析类似电路的性能并进行设计。此次课程设计，为我将来 从事相关工作打下了良好的基础，让我获益匪浅。七、附录1、电路原理图2、元器件明细表序号元件名称单位数量备注1SG3525芯片个1用于控制电路2+15V电源个1用于控制电路3+5.1V电源个1用于控制电路4电阻个6用于控制电路5电位器个1用于控制电路6电容个3用于控制电路7整流二极管个4用于不控整流电路8滤波电容个1用于不控整流电路9绝缘栅双极晶体管IGBT个1用于降压斩波电路10续流二极管个1用于降压斩波电路11电感个1用于降压斩波电路八、参

20、考文献1黄俊，王兆安电力电子技术（第四版）北京：机械工业出版社，20072汤建新，马皓. 电力电子技术实验教程北京：机械工业出版社，20073陈国呈.新型电力电子变换技术北京：中国电力出版社，20044曲永印.电力电子变流技术北京：冶金工业出版社，20025叶斌.电力电子应用技术.北京：清华大学出版社，20066李先允.电力电子技术.北京：中国电力出版社，20067高玉奎.电力电子技术问答北京：中国电力出版社，20048洪乃刚.电力电子技术基础.北京：清华大学出版社，20089曲学基,曲敬铠,于明扬. 电力电子滤波技术及其应用（电源系列）北京：电子工业出版社，200810曲学基，曲敬铠，于明扬电力电子整流技术及应用北京：电子工业出版社，200811栗书贤电力电子技术实验北京：机械工业出版社，200412华伟,周文定.现代电力电子器件及其应用.北京：清华大学出版社，2002