电力电子技术课设--带隔离的直交值变换器

课程设计说明书I目录1绪论...................................................................................................................21.1电力电子技术的发展..........................................................................21.2电力电子技术的应用..........................................................................21.3电力电子技术课程中的直流-直流变流电路.....................................32系统方案及主电路设计.................................................................................42.1单端正激变换器设计.............................................................................42.2单端反激变换器设计.............................................................................53器件选择与计算.............................................................................................63.1单端正激变换器器件选择与计算....................................................63.2单端反激变换器器件选择与计算....................................................74MATLAB系统建模与仿真.............................................................................84.1正激仿真电路设计.................................................................................84.2正激仿真电路参数设置.........................................................................84.3正激仿真结果.......................................................................................104.4反激仿真电路设计...............................................................................134.5反激仿真电路参数设置.......................................................................134.6反激仿真结果.......................................................................................14总结......................................................................................................................17设计体会..............................................................................................................17附录......................................................................................................................19课程设计说明书第2页共20页1绪论1.1电力电子技术的发展晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明时期。晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组。并且，其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制式，简称相控方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为表的复合型器件异军突起。它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。1.2电力电子技术的应用电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联系的不可缺少的专业基础课。本课程体现了弱电对强电的控制，又具有很强的实践性。能够理论联系实际，在培养自动化专业人才中占有重要地位。它包括了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理。在电力电子技术中，可控整流电路是非常重要的内容，整流电路是将交流电变为直流电的电路，其应用非常广泛。工业中大量应用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置；电气化铁道（电气机车、磁悬浮列车等）、电动汽车、飞机、船舶、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术；各种电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成的直流电源供电，可以说有电源的课程设计说明书第3页共20页地方就有电力电子技术的设备。1.3电力电子技术课程中的直流-直流变流电路直流-直流变流电路的功能是将直流电变为另一个固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路也称斩波电路，它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电路是指在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。带隔离的直流-直流变流电路的结构如图1.1所示，同直流斩波电路相比，直流变流电路中增加了交流环节，因此也称为直-交-直电路。图1.1带隔离的直流-直流变流电路的结构图采用这种结构较为复杂的电路来完成直流-直流的变换有以下原因：1）输出端与输入端需要隔离。2）某些应用中需要相互隔离的多路输出。3）输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1。4）交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电路、滤波电容的体积和重量。带隔离的直流-直流变流电路分为单端和双端两大类。在单端电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，在双端电路中，变压器的电流为正负对称的交流电流。下文中将要介绍和分析的正激电路和反激电路正是属于单端电路。将通过MATLAB软件对正激电路和反激电路进行相关参数下的仿真和分析。逆变电路变压器整流电路滤波器直流交流脉动直流交流直流课程设计说明书第4页共20页2系统方案及主电路设计2.1单端正激变换器设计图2.1所示为单端正激变换器的主电路，它是在Buck变换器中插入隔离变压器而构成的。开关管按PWM方式工作，的D1是输出整流二极管，D2是续流二极管，L1是输出滤波电感，C1是输出滤波电容。变压器有三个绕组，初级绕组N1,次级绕组N2，复位绕组N3.图中带*号的一端表示绕组同名端。D3是复位绕组N3的串联二极管。其主要工作波形如图2.2所示（见附录）。图2.1单端正激主电路图当功率开关导通时，由变压器同名端的连接关系可知，整流二极管D1同时导通，输入电能通过变压器及整流二极管D2传递给负载，同时将部分能量储存在输出滤波电感Lf中。当开关管截止时，变压器原、副边电压均反向，整流二极管反偏截止，滤波电感Lf中的电流经续流二极管D2流通，由电感中的储能向负载供电。由于这种电路在开关导通期间向负载传递能量，故称为正激式变换器。复位绕组N3的作用是实现变压器的磁通复位。磁通复位的基本思路是，变压器，原边绕组（或副边绕组）上的正向电压伏秒面积应该等于负向电压伏秒面积。当开关管导通时，变压器初级有一定的励磁电流，存储有一部分能量，在开关截止时，变压器初级存储的能量传递给复位绕组，再通过D2传递给输入电源V,从而将变压器初级产生的尖峰电压限制在允许范围内，同时实现了磁通复位。单端正激变换器中，高频变压器的主要作用是电压变换、功率传递以及实现输入、输出之间的间隔。由于这种变换器中变压器工作在磁化曲线的单侧，故称为单端变换器。课程设计说明书第5页共20页输出电压与输入电压的关系ioVNNDV12（2-1）可见改变占空比D就可以改变输出电压2.2单端反激变换器设计单端反激变换器的主电路如图2.3所示，在开关管导通时，整流二极管截止，这时电源输入的能量以磁能的形式储存在变压器中，在开关截止期间，变压器中储存的能量传递给负载。当开关管导通时，输入电压加到变压器的初级绕组N1上，由变压器同名端的接法可知，次级绕线N2上的电压使二极管D截止，次级绕组N2没有电流流过，负载电流由输出滤波电容的放电电流提供;当开关导截止时，次级绕组Nz上的电压使二极管D导通，此时，在开关导通期间储存在变压器中的能量便通过二极管向负载及滤波电容释放，可见在工作过程中，变压器起了储能用的电感作用。若在开关管的截止时间结束时，变压器储存的能量没有释放完，次级绕组N2上的电流大于0，则称这种工作状态为磁化电流连续状态，反之称为磁化电流断续状态。两种工作状态时电路的工作波形如图2.4所示（见附录）。图2.3单端反激变换器主电路在磁化电流连续状态，输出电压与输入电压的关系为iiVDDVDDNNV1n1112o（2-2）式中，n=N1/N2,变压器的初、次级匝比。课程设计说明书第6页共20页3器件选择与计算3.1单端正激变换器器件选择与计算1.占空比由于要满足磁通复位关系，开关管关断时磁通的减小量必须等于开关管导通时磁通的增加量，因此，最大占空比有一个限制：311maxNNND（3-1）2.开关管和二极管的选择在开关管截止时，变压器初级绕组的能量通过复位绕组回馈给输入电源，复位绕组上的电压被钳位在输入电压，变压器初级绕组上的电压等于ViN1/N2,因此开关管承受的电压为iiiTVNNVNNVV3131max1（3-2）在开关管导通时，续流二极管D2承受的电压为iDVNNV122（3-3）在开关管截止时，整流二极管上的电压为iDVNNV321（3-4）在开关管导通时，二极管D2承受的电压为iDVNNV1331（3-5）流过滤波电感的电流最大值为DfLVNNIDTLVIIsfiofDoL221122max（3-6）流过D1