電力電子課設(shè)

1、題目:MOSFET單相電壓型逆變電路設(shè)計(jì)一課程設(shè)計(jì)目的：1·掌握單相橋式全控橋整流電路和單相半橋無源逆變電路的工作原理，進(jìn)行結(jié)合完成交-直-交電路的設(shè)計(jì)；2·熟悉兩種電路的拓?fù)?，控制方法?·掌握兩種電路的主電路，驅(qū)動電路，保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法，元器件參數(shù)的計(jì)算方法；4·培養(yǎng)一定的電力電子的實(shí)驗(yàn)和調(diào)試能力；5·培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識解決問題的能力與實(shí)際動手能力；6·加深理解電力電子技術(shù)課程的基本理論；二. 設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)及要求(一)、設(shè)計(jì)的技術(shù)數(shù)據(jù)1、輸入電源：三相交流電380V；2、輸出電壓：AC：220V，50HZ；3、輸出功率：15

2、00W；4、電阻性負(fù)載。(二)、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1、方案論證及選擇；2、主電路設(shè)計(jì)（包括整流電路的設(shè)計(jì)及器件選型；逆變電路開關(guān)器件型號確定等；3、控制電路設(shè)計(jì)（包括根據(jù)PWM調(diào)制原理產(chǎn)生所需要的PWM波形的方法選擇，SPWM集成芯片等）4、驅(qū)動電路設(shè)計(jì)（驅(qū)動芯片選擇，如日本富士EXB系列或三菱579系列及電路設(shè)計(jì)）5、保護(hù)電路設(shè)計(jì)（主要包括過壓和過流等）。6、總結(jié)及心得體會；7、參考文獻(xiàn)；8、完成電路原理圖1份。三設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求方案一. MOSFET的單相半橋無源逆變電路1·主電路的設(shè)計(jì)：（1） 整流部分主電路設(shè)計(jì): 單項(xiàng)橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載電路如圖（1）： 圖（1）在單項(xiàng)橋

3、式全控整流電路中，晶閘管VT1和VT4組成一對橋臂，VT2和VT3 組成另一對橋臂。在u2正半周（即a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位），若4個(gè)晶閘管均不導(dǎo)通，負(fù)載電流id為零，ud也為零，VT1、VT4串聯(lián)承受電壓u2，設(shè)VT1和VT4的漏電阻相等，則各承受u2的一半。若在觸發(fā)角處給VT1和VT4加觸發(fā)脈沖，VT1、VT4即導(dǎo)通，電流從a端經(jīng)VT1、R、VT4流回電源b端。當(dāng)u2為零時(shí)，流經(jīng)晶閘管的電流也降到零，VT1和VT4關(guān)斷。在u2負(fù)半周，仍在觸發(fā)延遲角處觸發(fā)VT2和VT3（VT2和VT3的=0處為t=），VT2和VT3導(dǎo)通，電流從電源的b端流出，經(jīng)VT3、R、VT2流回電源a端。到u2過零時(shí)，電流

4、又降為零，VT2和VT3關(guān)斷。此后又是VT1和VT4導(dǎo)通，如此循環(huán)的工作下去。晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為U2和U2。（2） 逆變部分主電路設(shè)計(jì)：如圖所示，它有兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由一個(gè)全控器件和一個(gè)二極管反并聯(lián)而成。在直流側(cè)有兩個(gè)相互串聯(lián)的大電容，兩個(gè)電容的中點(diǎn)為直流電源中點(diǎn)。負(fù)載接在直流電源中點(diǎn)和兩個(gè)橋臂連接點(diǎn)之間。開關(guān)器件設(shè)為V1和V2，當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，輸出為矩形波，Um=Ud/2.剛開始V1為通態(tài)，V2為斷態(tài)，給V1關(guān)斷信號，V2開通信號后，V1關(guān)斷，但由于感性負(fù)載，電流方向不能立即改變，就沿著VD2續(xù)流，直到電流為零時(shí)VD2截止，V2開通，電流開始反向。依此原理，V1和V2

5、交替導(dǎo)通，VD1和VD2交替續(xù)流。此電路優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單，使用器件少，缺點(diǎn)是輸出交流電壓幅值僅為Ud/2。方案二：MOSFET的單相全橋無源逆變電路圖2電壓型全橋無源逆變電路的電路單相逆變電路主要采用橋式接法。它的電路結(jié)構(gòu)主要由四個(gè)橋臂組成，其中每個(gè)橋臂都有一個(gè)全控器件MOSFET和一個(gè)反向并接的續(xù)流二極管，在直流側(cè)并聯(lián)有大電容而負(fù)載接在橋臂之間。其中橋臂1,4為一對，橋臂2，3為一對。可以看成由兩個(gè)半橋電路組合而成由于采用功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）來設(shè)計(jì),如圖2的單相橋式電壓型無源逆變電路，此課程設(shè)計(jì)為電阻負(fù)載，故應(yīng)將IGBT用MOSFET代替，RLC負(fù)載中電感、電容的值設(shè)為零。此電路

6、由兩對橋臂組成，V1和V4與V2和V3兩對橋臂各導(dǎo)通180度。再加上采用了移相調(diào)壓法，所以VT3的基極信號落后于VT1的90度，VT4的基極信號落后于VT2的90度。因?yàn)槭请娮柝?fù)載，故晶體管均沒有續(xù)流作用。輸出電壓和電流的波形相同，均為90度正值、90度零、90度負(fù)值、90度零這樣一直循環(huán)下去。相比于半橋逆變電路而言，全橋逆變電路克服了半橋逆變電路輸出交流電壓幅值僅為1/2Ud的缺點(diǎn)，且不需要有兩個(gè)電容串聯(lián)，就不需要控制電容電壓的均衡，因此可用于相對較大功率的逆變電源（3）控制電路的設(shè)計(jì)控制電路需要實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生控制信號，用于逆變電路中功率器件的通斷，通過對逆變角的調(diào)節(jié)而達(dá)到對逆變后的交流電

7、壓的調(diào)節(jié)。我們采用PWM控制方法，進(jìn)行連續(xù)控制，我們采用了SG3525芯片，它是一款專用的PWM控制集成芯片，它采用恒頻調(diào)寬控制方案，內(nèi)部包括精密基準(zhǔn)源，鋸齒波振蕩器，誤差放大器，比較器，分頻器和保護(hù)電路等。SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。 （4）驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)如圖，我們采

8、用了電氣隔離的光耦合方式。光耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸

9、入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來產(chǎn)新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級間耦合、驅(qū)動電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離 、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中

10、。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。我們在末端加一個(gè)推挽式放大結(jié)構(gòu)進(jìn)行電壓電流放大，達(dá)到高輸出電壓，高速，高共模抑制。（5）保護(hù)電路的設(shè)計(jì)a.主電路的過電壓保護(hù)設(shè)計(jì)所謂過壓保護(hù)，即指流過晶閘管兩端的電壓值超過晶閘管在正常工作時(shí)所能承受的最大峰值電壓Um都稱為過電壓，其電路圖見圖3.3圖3.3產(chǎn)生過電壓的原因一般由靜電感應(yīng)、雷擊或突然切斷電感回路電流時(shí)電磁感應(yīng)所引起。其中，對雷擊產(chǎn)生的過電壓，需在變壓器的初級側(cè)接上避雷器，以保護(hù)變壓器本身的安全；而對突然切斷電感回路電流時(shí)電磁感應(yīng)所引起的過電壓，一般發(fā)生在交流側(cè)、直流側(cè)和器件上

11、，因而，下面介紹單相橋式全控整流主電路的電壓保護(hù)方法。交流側(cè)過電壓保護(hù)過電壓產(chǎn)生過程：電源變壓器初級側(cè)突然拉閘，使變壓器的勵(lì)磁電流突然切斷，鐵芯中的磁通在短時(shí)間內(nèi)變化很大，因而在變壓器的次級感應(yīng)出很高的瞬時(shí)電壓。保護(hù)方法：阻容保護(hù)直流側(cè)過電壓保護(hù)過電壓產(chǎn)生過程：當(dāng)某一橋臂的晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)突然因果載使快速熔斷器熔斷時(shí)，由于直流住電路電感中儲存能量的釋放，會在電路的輸出端產(chǎn)生過電壓。保護(hù)方法：阻容保護(hù)b.晶閘管的保護(hù)電路1.晶閘管過電壓保護(hù)過電流保護(hù)第一種是采用電子保護(hù)電路，檢測設(shè)備的輸出電壓或輸入電流，當(dāng)輸出電壓或輸入電流超過允許值時(shí)，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時(shí)內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài)，

12、從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。第二種是在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b保護(hù)器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。我們這次的課程設(shè)計(jì)采用的是第二種保護(hù)電路。（1）晶閘管變流裝置的過電流保護(hù)晶閘管變流裝置運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會發(fā)生過電流，過電流分過載和短路兩種情況，由于晶閘管的熱容量較小，以及從管心到散熱器的傳導(dǎo)途徑中要遭受到一系列熱阻，所以一旦過電流，結(jié)溫上升很快，特別在瞬時(shí)短路電流通過時(shí)，內(nèi)部熱量來不及傳導(dǎo)，結(jié)溫上升更快，晶閘管承受過載或短路電流的能力主要受結(jié)溫的限制?？捎米鬟^電流保護(hù)電路的主要有快速熔斷器，直流快速熔斷器和過電流繼電器等。在此我們采用快速熔斷器措施

13、來進(jìn)行過電流保護(hù)。過電流保護(hù)采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護(hù)措施。在選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮：1）電壓等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來確定。2）電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定?？烊垡话闩c電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串接于閥側(cè)交流母線或直流母線中。3）快熔的值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許值、4）為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間電流特性。因?yàn)榫чl管的額定電流為10A,快速熔斷器的熔斷電流大于1.5倍的晶閘管額定電流，所以快速熔斷器的熔斷電流為15A。晶閘管變流裝置的過電壓保護(hù)電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過

14、電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，過電壓保護(hù)有避雷器保護(hù)，利用非線性過電壓保護(hù)元件保護(hù)，利用儲能元件保護(hù)，利用引入電壓檢測的電子保護(hù)電路作過電壓保護(hù)。在此我們采用儲能元件保護(hù)即阻容保護(hù)。（6）元器件及電路參數(shù)的計(jì)算1）整流輸出電壓的平均值可按下式計(jì)算= （2-1）當(dāng)=0時(shí)，取得最大值100V即= 0.9 =100V從而得出=111V，=90o時(shí)，=0。角的移相范圍為90o。2）整流輸出電壓的有效值為= =111V （2-2）3）整流電流的平均值和有效值分別為 （2-3） （2-4）4)在一個(gè)周期內(nèi)每組晶閘管各導(dǎo)通18

15、0°，兩組輪流導(dǎo)通，變壓器二次電流是正、負(fù)對稱的方波，電流的平均值和有效值相等，其波形系數(shù)為1。流過每個(gè)晶閘管的電流平均值和有效值分別為： （2-5） （2-6）5)晶閘管在導(dǎo)通時(shí)管壓降=0,故其波形為與橫軸重合的直線段；VT1和VT2加正向電壓但觸發(fā)脈沖沒到時(shí)，VT3、VT4已導(dǎo)通，把整個(gè)電壓加到VT1或VT2上，則每個(gè)元件承受的最大可能的正向電壓等于;VT1和VT2反向截止時(shí)漏電流為零，只要另一組晶閘管導(dǎo)通，也就把整 個(gè)電壓加到VT1或VT2上，故兩個(gè)晶閘管承受的最大反向電壓也為。元器件的選取由于單相橋式全控整流帶電感性負(fù)載主電路主要元件是晶閘管，所以選取元件時(shí)主要考慮晶閘管的參

16、數(shù)及其選取原則。1).晶閘管的主要參數(shù)如下：額定電壓UTn通常取UDRM和URRM中較小的，再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時(shí)，額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的23倍，以保證電路的工作安全。晶閘管的額定電壓 UTn（23）UTM （2-7）UTM ：工作電路中加在管子上的最大瞬時(shí)電壓 額定電流IT(AV)IT(AV)又稱為額定通態(tài)平均電流。其定義是在室溫40°和規(guī)定的冷卻條件下，元件在電阻性負(fù)載流過正弦半波、導(dǎo)通角不小于170°的電路中，結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)，所允許的最大通態(tài)平均電流值。將此電流按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流取相近的電流等級即為晶閘管的額定電流。要注

17、意的是若晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間遠(yuǎn)小于正弦波的半個(gè)周期，即使正向電流值沒超過額定值，但峰值電流將非常大，可能會超過管子所能提供的極限，使管子由于過熱而損壞。在實(shí)際使用時(shí)不論流過管子的電流波形如何、導(dǎo)通角多大，只要其最大電流有效值ITMITn ,散熱冷卻符合規(guī)定，則晶閘管的發(fā)熱、溫升就能限制在允許的范圍。ITn ：額定電流有效值，根據(jù)管子的IT(AV) 換算出，IT(AV) 、ITMITn 三者之間的關(guān)系： （2-8） （2-9）波形系數(shù)：有直流分量的電流波形，其有效值與平均值之比稱為該波形的波形系數(shù)，用Kf表示。 （2-10）額定狀態(tài)下， 晶閘管的電流波形系數(shù)（2-11）=（2-12）當(dāng)=0時(shí)，取得最

18、大值100V即= 0.9 =100V從而得出=111V，=90o時(shí)，=0。角的移相范圍為90o。晶閘管承受最大電壓為考慮到2倍裕量，取400V.晶閘管的選擇原則：所選晶閘管電流有效值ITn大于元件 在電路中可能流過的最大電流有效值。、 選擇時(shí)考慮（1.52）倍的安全余量。即ITn 0.707IT(AV) （1.52）ITM （2-13） 因?yàn)?則晶閘管的額定電流為=10A(輸出電流的有效值為最小值，所以該額定電流也為最小值)考慮到2倍裕量,取20A.即晶閘管的額定電流至應(yīng)大于20A.在本次設(shè)計(jì)中我選用4個(gè)KP20-4的晶閘管.、 若散熱條件不符合規(guī)定要求時(shí)，則元件的額定電流應(yīng)降低使用。 通態(tài)平均管壓降 UT(AV) 。指在規(guī)定的工作溫度條件下，使晶閘管導(dǎo)通的正弦波半個(gè)周期內(nèi)陽極與陰極電壓的平均值，一般在0.41.2V。 維持電流IH。指在常溫門極開路時(shí)，晶閘管從較大的通態(tài)電流降到剛好能保持通態(tài)所需要的最小通態(tài)電流。一般IH值從幾十到幾百毫安，由晶閘管電流容量大小而定。 門極觸發(fā)電流Ig。在常溫下，陽極電壓為6V時(shí)，使晶閘管能完全導(dǎo)通所需的門極電流，一般為毫安級。 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不會導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的