電力電子課程設(shè)計報告

1、Word文檔幺” _- u2nsT3Tn2 - 業(yè)專二化動自其及程工氣電 -級-0X3X1 二院學-二一工-二本科課程設(shè)計專用封面設(shè)計題目：直流變換器的設(shè)計（升壓）所修課程名稱：電力電子技術(shù)課程設(shè)計修課程時間：2015年12月20日至12月30日完成設(shè)計日期：2成5年12月30日評閱成績:評閱意見:幺” _- -_o2UB1ln2 -號學 二一 一瑤陳二名姓 業(yè)專一化動自其及程工氣電 -級 _CT>al 二院學-二 _工-二本科課程設(shè)計專用封面設(shè)計題目：直流變換器的設(shè)計（升壓）所修課程名稱：電力電子技術(shù)課程設(shè)計修課程時間：2015年12月20日至12月30日完成設(shè)計日期：2成5年12月3

2、0日評閱成績:評閱意見:目錄摘要1.設(shè)計目的7設(shè)計任務(wù)7主要技術(shù)參數(shù)8.設(shè)計內(nèi)容10電路仿真及分析15設(shè)計小結(jié)17Word文檔Word文檔摘要在現(xiàn)在我們所使用到能源中，電能占了很大的比重，它具有成本 低廉，輸送方便，綠色環(huán)保，控制方便能很容易轉(zhuǎn)換成其他的信號等 等。我們的日常生活已經(jīng)離不開電了。在如今高能耗社會，合理的利 用電能，提高電能 品質(zhì)和用電效率成為了全球研究的當務(wù)之急。 而電力電子技術(shù)正是與這一主題相關(guān)聯(lián)的。MOSFET升壓斬波電路 設(shè)計是里面的一部分，它開關(guān)電源，與線性電源相比，具有綠色效率 高，控制方便，智能化，易實現(xiàn)計算機控制。直流變換技術(shù)已被廣泛 的應(yīng)用于開關(guān)電源及直流電動機

3、驅(qū)動中，如不間斷電源(UPS)、無軌電車、地鐵列車、蓄電池供電的機動車輛的無級變速及20世紀80年代興起的電動汽車的控制。從而使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響 應(yīng)的性能，并同時收到節(jié)約電能的效果。由于變速器的輸入是電網(wǎng)電 壓經(jīng)不可控整流而來的直流電壓，所以直流斬波不僅能起到調(diào)壓的作 用，同時還能起到有效地抑制網(wǎng)側(cè)諧波電流的作用。直流斬波電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪环N固定的或可調(diào)的直 流電，也稱為直流-直流變換器(DC/DC Converter),直流斬波電路一般是指直接將直流變成直流的情況， 不包括直流-交流-直流的情 況；直流斬波電路的種類很多：降壓斬波電路，升壓斬波電路，這兩 種是最基本電路

4、。另外還有升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波電路，Zeta斬波電路。斬波器的工作方式有：脈寬調(diào)制方式（Ts 不變，改變ton）和頻率調(diào)制方式（ton不變，改變Ts）。MOSFET升壓斬波電路又稱為boost變換器，它對輸入電壓進行 升壓變換。通過控制電路的占空比即通過 MOSFET來控制升壓斬波電 路的輸出電壓。直流斬波電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可 調(diào)電壓的 DC-DC 變換器，在直流傳動系統(tǒng)、充電蓄電電路、開 關(guān)電源、電力電子變換裝置及各種用電設(shè)備中得到普通的應(yīng)用.直流斬波技術(shù)已被廣泛用于開關(guān)電源及直流電動機驅(qū)動中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)、節(jié)約電能的效果。全控型

5、電力電子器件MOSFET 在牽引電傳動電能傳輸與變換、有源濾波等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。MOSFET是金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場效晶體管，簡稱金氧半場效晶 體管，是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管。 MOSFET依照其“通道”的極性不同，可分為N溝道型與P溝道型的 MOSFET,通常又稱為 NMOSFET與PMOSFET,其他簡稱尚包括 NMOS FET PMOSFET nMOSFET pMOSFET等。金屬氧化物 半導(dǎo)體根源極fi溝道場效應(yīng)管圖1它一般有耗盡型和增強型兩種。本文使用的為增強型MOS場效應(yīng)管，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。它可分為NPN型PNP型。NPN型通常稱為 N溝道型，P

6、NP型也叫P溝道型。由圖可看出，對于 N溝道的場效 應(yīng)管其源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上，同樣對于P溝道的場效應(yīng)管 其源極和漏極則接在P型半導(dǎo)體上。我們知道一般三極管是由輸入的 電流控制輸出的電流。但對于場效應(yīng)管，其輸出電流是由輸入的電壓 （或稱電場）控制，可以認為輸入電流極小或沒有輸入電流，這使得 該器件有很高的輸入阻抗，同時這也是我們稱之為場效應(yīng)管的原因。為解釋MOS場效應(yīng)管的工作原理，我們先了解一下僅含有一個 P N結(jié)的二極管的工作過程。如圖2所示，我們知道在二極管加上 正向電壓（P端接正極，N端接負極）時，二極管導(dǎo)通，其 PN結(jié)有 電流通過。這是因為在P型半導(dǎo)體端為正電壓時，N型半導(dǎo)體內(nèi)的

7、負 電子被吸引而涌向加有正電壓的 P型半導(dǎo)體端，而P型半導(dǎo)體端內(nèi)的 正電子則朝N型半導(dǎo)體端運動，從而形成導(dǎo)通電流。同理，當二極管加上反向電壓（P端接負極，N端接正極）時，這時在P型半導(dǎo)體 端為負電壓，正電子被聚集在 P型半導(dǎo)體端，負電子則聚集在 N型 半導(dǎo)體端，電子不移動，其 PN結(jié)沒有電流通過，二極管截止。圖2在柵極沒有電壓時，在源極與漏極之間不會有電流流過， 此時場 效應(yīng)管處與截止狀態(tài)（圖3a）。當有一個正電壓加在N溝道的MOS 場效應(yīng)管柵極上時，由于電場的作用，此時 N型半導(dǎo)體的源極和漏 極的負電子被吸引出來而涌向柵極， 但由于氧化膜的阻擋，使得電子 聚集在兩個N溝道之間的P型半導(dǎo)體中（

8、見圖3b）,從而形成電流， 使源極和漏極之間導(dǎo)通。我們也可以想像為兩個N型半導(dǎo)體之間為一條溝，柵極電壓的建立相當于為它們之間搭了一座橋梁，該橋的大小由柵壓的大小決。Word文檔ab圖3電力MOSFET的基本特性a轉(zhuǎn)移特性b輸出特性a測試電路b開關(guān)過程波形MOSFET斬波電路是被設(shè)計的核心部分，而其核心器件又是MOSFET本部分是通過觸發(fā)電路控制 MOSFET的開啟與關(guān)斷，再利 用電感和電容的儲能作用實現(xiàn)升壓功能的。場效應(yīng)管與晶體管的比較(1)場效應(yīng)管是電壓控制元件，而晶體管是電流控制元件。在只 允許從信號源取較少電流的情況下， 應(yīng)選用場效應(yīng)管；而在信號電壓 較低，又允許從信號源取較多電流的條件

9、下，應(yīng)選用晶體管。(2)場效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，所以稱之為單極型器件， 而晶體管是即有多數(shù)載流子，也利用少數(shù)載流子導(dǎo)電。被稱之為雙極 型器件。(3)有些場效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使用， 柵壓也可正可負， 靈活性比晶體管好。(4)場效應(yīng)管能在很小電流和很低電壓的條件下工作，而且它的制造工藝可以很方便地把很多場效應(yīng)管集成在一塊硅片上，因此場效應(yīng)管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用關(guān)鍵字：電能、MOSFET升壓斬波電路、 升壓變換、變換器、直 流斬波技術(shù)一、設(shè)計目的1、把從電力電子技術(shù)及其它先修課程(電工基礎(chǔ)、電子技術(shù)、電 機學等)中所學到的理論和實踐知識，在課程設(shè)計實踐中全面綜合的 加以運

10、用，使這些知識得到鞏固、提高，并使理論知識與實踐技能密 切結(jié)合起來。2、初步樹立起正確的設(shè)計思想，掌握一般電力電子電路設(shè)計的 基本方法和技能，培養(yǎng)觀察、分析和解決問題及獨立設(shè)計的能力，訓(xùn) 練設(shè)計構(gòu)思和創(chuàng)新能力。3、培養(yǎng)具有查閱參考文獻和技術(shù)資料的能力，能熟悉或較熟悉 地應(yīng)用相關(guān)手冊、圖表、國家標準，為今后成為一名合格的電氣工程 技術(shù)人員進行必須的基本技能和基本素質(zhì)訓(xùn)練。二、設(shè)計任務(wù)設(shè)計主電路，主電路為：采用BOOST變換器，主功率管用MOSFET;選擇主電路所有圖列元件，并給出清單；設(shè)計MOSFET驅(qū)動電路及控制電路；繪制裝置總體電路原理圖，繪制： MOSFET驅(qū)動電壓、BOOST 電路中各元

11、件的電壓、電流以及輸出電壓波形；編制設(shè)計說明書、設(shè)計小結(jié)。輸入直流電壓24V,輸出電壓V0=48V,輸出電流Io=10A,最大 輸出紋波電壓200mV,工作頻率f=100kHz。三、主要技術(shù)參數(shù)（一）升壓斬波電路的原理及典型應(yīng)用（1）升壓斬波電路及其工作波形（IGBT）目）電路冏 流形圖6、升壓斬波電路及其工作波形圖（2）、工作原理（MOSFET管）L圖7、升壓斬波電路工作原理（MOSFET管）MOSFET根據(jù)電力電子技術(shù)的原理，升壓式變換器的輸出電壓高于輸入電 源電壓，控制開關(guān)與負載并聯(lián)連接，與負載并聯(lián)的濾波電容必須足夠 大，以保證輸出電壓恒定，儲能電感也要很大，以保證向負載提供足 夠的能量

12、。在設(shè)計中，采用電力場效應(yīng)晶體管（N溝道）作為開關(guān)管, 它既具有輸入阻抗高，速度快，熱穩(wěn)定性好，驅(qū)動電路簡單，又具有 通態(tài)電壓低，耐壓高，流通大電流等優(yōu)點升壓斬波電路的電路圖：1 .電路原理圖：圖8、升壓斬波電路原理圖（二）、升壓斬波電路典型應(yīng)用1用于直流電動機傳動2.用作單相功率因數(shù)校正PFC）電路 3.用于其他交直流電源中四、設(shè)計內(nèi)容1、框圖：波形分析2、工作原理：（1）、電路原理圖小hifkmoior =EOOfT升壓斬波電路的電路圖如上圖所示，在該電路中假設(shè)電感L1值、 電容C2值很大，當可控開關(guān)Z2處于通態(tài)時，電源V1向電感L1充 電，充電電流基本恒定為I1,同時電容C2上的電壓向負

13、載R供電。 V通時，E向L充電，充電電流恒為I1,同時C的電壓向負載供電， 因為C值很大，基本保持輸出電壓 5為恒值，記為 5。設(shè)V處于通 態(tài)的時間為Ton,此階段電感L積蓄能量為EIITon。當V處于斷態(tài)時， V1和L1共同向電容C2充電并向負載R1提供能量。設(shè)V處于斷態(tài)的時間Toff,則在此期間電感L1釋放的能量為(Uc-V1) I1Toff0當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期 T中電感L1積蓄的 能量與釋放的能量相等，即：V1I1Ton=(Uc-V1)I1Toff化簡為：Uc= (Ton+Toff) /Toff)V1= (T/Toff)V1式中：(T/Toff)» 1,輸出電壓高于電

14、源電壓，故稱該電路為升壓斬波電 路。T/Toff表示升壓比，調(diào)節(jié)其大小，即可改變輸出電壓 Uc的大小， 將升壓比的倒數(shù)記做(3，即除Toff/T。則B和占空比丁的關(guān)系為：十斤1。 則：Uc=(1/ B)V1= (1/(1- %)V1【2】升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個 原因：(1)電感L1儲能之后具有使電壓泵開的作用。(2)電容C可將輸出電壓保持住。3、Z2處于通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓Uc不變，但實際 上C2值不可能無窮大，在此階段其向負載放電，Uc必然會有所下降， 故實際輸出電壓會略低于 Uc的值，在電容C值足夠大時，誤差很小, 基本可以忽略。如果忽略電路中

15、的損耗，則由電源提供的能量僅由負 載R消耗，即：V1I1=UcI0輸出電流的平均值I0為：I0=Uc/R=(1/B)(V1/R)電源電流I1為：I1=(Uc/V1)I0=(1/BA2)(V1/R)(2)、元器件選擇和設(shè)計輸入電壓V1=24V輸出電壓Vo=48V電感 L2=500uH電阻 R1=4.8Q、輸入電感L2的設(shè)計WL>>R2*pi*f*L>>RL2 取 500uH、輸出濾波電容C5的設(shè)計1/(WC)>>R1/(2*pi*f*C)>>RC5 取 220uF、器件選擇24V直流電源，500uF電感DIN5823 二極管，IRF540 (MOS

16、 管)驅(qū)動電源，電阻(1K,4.8歐姆)電容(10uF, 220uF)(3)保護電路(3.(1) 保護電路電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。過電流分為過載和短路兩種情況。通常采用的保護措施有：快速熔斷器、 直流快速斷路器和過電流繼電器。一般電力電子裝置均同時采用集中 過流保護措施，以提高保護的可靠性和合理性。綜合本次設(shè)計電路的特點，采用快速熔斷器，即給晶閘管串聯(lián)一個保 險絲實施電流保護。如圖5電流保護電路所示。對于所選的保險絲， 遵從I八2t值小于晶閘管的允許I八2t值(3.(2) 保護電路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)因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷

17、擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因。本設(shè)計主要用于室內(nèi)，為了使用方便不考慮來自雷擊的威脅。操作過電壓是由分閘、合閘的開關(guān)操作引起的過電壓，電網(wǎng)側(cè)的操 作過電壓會由供電變壓器磁感應(yīng)耦合，或由變壓器繞組之間存在的分 布電容靜感應(yīng)耦合過來。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，包括：換相過電壓，關(guān)斷過電壓。根據(jù)以上產(chǎn)生過電壓的的各種原因，設(shè)計相應(yīng)的保護電路。如圖 6 過壓保護電路所示。其中：圖中是利用一個電阻加電容進行電壓抑制， 當電壓過高時，保護電路中的電容會阻礙其電壓的上升， 從而使得電 力電子器件IGBT管因電壓過高厄爾損壞。圖3中的電阻可以是1KQ 左右的電阻，而電容的值可以為10

18、0 F左右，這樣形成一個保護電路6五、電路仿真分析圖9、驅(qū)動電壓V1（幅值4v）圖10、V2 （沒有驅(qū)動MOSFET管）圖11、V1設(shè)為15V圖13、輸出紋波六、設(shè)計小結(jié)回顧起此次的電力電子課程之 MOSFET升壓斬波電路設(shè)計，感 慨頗多，它使我有了很多的心得體會，可以說這次MOSFET升壓斬波 電路設(shè)計是在自己用心努力和在老師的精心指導(dǎo)下共同完成的。在兩個星期的日子里，可以說自己每天都充滿著壓力與忙碌， 自 己也的確從此次安排的課程設(shè)計中學到了很多東西。 設(shè)計過程中，因 為是第一次做，難免會遇到各種各樣的問題。在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了 自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻， 掌握得不

19、夠 牢固。通過查閱大量有關(guān)資料，并與同課題同學互相討論，交流經(jīng)驗 和自學，若遇到實在搞不明白的問題就會及時請教老師，使自己經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大，學到了不少知識。通過本次課程設(shè)計讓我更加的深刻的理解了斬波器的原理，從而由斬波器這個小小的器 件體會到了電力電子這門學科的重要性。 課程設(shè)計不僅需要靈活的運 用書本上以及課堂上的知識，還需要自己運用電腦上網(wǎng)搜索相關(guān)信心 和操作相關(guān)的軟件來更好的達到設(shè)計的目的。 這讓我不僅鞏固了老師 所傳授的書本上的知識，而且鍛煉了自己解決實際問題的能力。通過課程設(shè)計還拓寬了知識面，學到了很多課本上沒有的知識， 報告只有自己去做能加深對知識的理解， 任何困難只有自己