电力电子技术课程设计范例

电力电子技术课程设计题目：直流降压斩波电路的设计专业：电气自动化班级：14电气姓名：周方舟学号：指导教师：喻丽丽目录一设计要求与方案…………………………………………………………………4二设计原理分析……………………………………………………………………42.1总体结构分分析…………………………………………………………42.2直流电源设计…………………………………………………………52．3主电路工作原理······……………………………………………………62.4触发电路设计………………………………………………………102.5过压过流保护原理与设计…………………………………………………15三仿真分析与调试……………………………………………………………173.1Matlab仿真图…………………………………………………………173.2仿真结果…………………………………………………………183.3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TL4943.2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：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2U变换成脉动的直流电压3U。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压3U中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压IU。IU与交流电压2U的有效值的关系为：2)2.1~1.1(UUI；在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：22UURM；流过每只二极管的平均电流为：RUIIRD245.02整流电路设计如下：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U2RLUo＝45V＋－220V～CT＋＋－＋－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：onEtI1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：off1s0t)IVU(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。offoontIEUtEI11EtTEtttUoffoffoffono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。当MOSFET处于导通时，得11MdiLRiEdt设1i的初值为10I，解上式得1101ttMEiIeeR当MOSFET处于关断时，设电动机电枢电流为2i，得22MdiLRiEEdt设2i的初值为20I，解上式得2201ononttttMEEiIeeR当电流连续时，从图2-6的电流波形可看出，t=ont时刻1i=20I，t=T时刻2i=10I，由此可得offtxt1t2tOOiouttTofftont2i1iE10I20I10IOOiouttTont2i1iE20I图2-5电流连续图2-6电流断续20101ononttMEIIeeRffoff10201ottMEEIIeeR故由上两式求得：off101111tMTEeEeEImRReReon2011tTMTEeeEeeEImRReRe把上面两式用泰勒级数线性近似，得1020()EIImR该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值oI，即()MoEEEImRR当电流断续时的波形如图2-6所示。当t=0时刻1i=10I=0，令式（1-10）中10I=0即可求出20I，进而可写出2i的表达式。另外，当t=2t时，2i=0，可求得2i持续的时间xt，即onn1l1txmemt当offxtt时，电路为电流断续工作状态，offxtt是电流断续的条件，即11eme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MOSFET1.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，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。总电路设计图图（2-11）2.5过压过流保护原理与设计（1）过电压保护过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到—定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图2-12所示。图2-12RC阻容过电压保护电路图（2）过电流保护当电力电子电路运行不正常或者发生故障时