《電力電子應(yīng)用技術(shù)-設(shè)計、仿真與實踐（微課版）》 課件全套 劉藝柱 任務(wù)1-6 普通調(diào)光器的設(shè)計、仿真與實踐-電動汽車充電系統(tǒng)的設(shè)計、仿真與實踐

電力電子技術(shù)·PowerElectronics第1章綠色照明控制系統(tǒng)的應(yīng)用電力電子技術(shù)目錄2.整流電路3.

交流變換電路5.普通調(diào)光器的

實踐調(diào)試1.半控型器件4.普通調(diào)光器的

設(shè)計與仿真1.1.半控型器件晶閘管的發(fā)明源于對電力控制技術(shù)的深入研究，旨在解決傳統(tǒng)電力開關(guān)的局限性。發(fā)明背景20世紀(jì)50年代，科學(xué)家開始研究晶閘管，經(jīng)過多次試驗和改進，最終在60年代成功研制出第一代晶閘管。發(fā)明歷程晶閘管的發(fā)明為電力電子技術(shù)帶來了革命性的突破，極大地推動了工業(yè)自動化和電力控制技術(shù)的發(fā)展。發(fā)明意義晶閘管的發(fā)明1956年，美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管。1957年，美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年完成商業(yè)化，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生。發(fā)展歷程：基本結(jié)構(gòu)工作原理基本特性主要參數(shù)1.1.1晶閘管1.1.1晶閘管簡介:以晶閘管為代表的電力半導(dǎo)體器件的廣泛應(yīng)用，被稱為繼晶體管發(fā)明和應(yīng)用之后的又一次電子技術(shù)革命。晶閘管全稱為晶體閘流管（Thyristor），也稱為晶閘管整流器（SiliconControlledRectifier，SCR）。晶閘管簡介：基本結(jié)構(gòu)工作原理基本特性主要參數(shù)晶閘管的基本結(jié)構(gòu)：晶閘管主要由P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體和門極組成。晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的外形通常為圓柱形或扁平形，具有三個引腳：陽極、陰極和門極。晶閘管的外形1.1.1晶閘管基本結(jié)構(gòu)工作原理基本特性主要參數(shù)1.基本結(jié)構(gòu)2.工作原理

3.基本特性4.主要參數(shù)（a）結(jié)構(gòu)

（b）電氣圖形符號圖1-2晶閘管的結(jié)構(gòu)與電氣圖形符號（1）晶閘管內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，如圖1-2（a）所示，從上到下依次為P1,N1,P2,N2區(qū)，形成J1(P1N1),J2(N1P2)和J3(P2N2)

3個PN結(jié)，P1層、N2層P2層和分別引出陽極（Anode）、陰極（Kathode）和門極（Gate），門極也稱控制極。晶閘管的電氣圖形符號如圖1-2（b）所示。1.基本結(jié)構(gòu)思考：與在模電中學(xué)習(xí)的三極管結(jié)構(gòu)有何區(qū)別？1.1.1晶閘管1.1.1晶閘管圖1-3晶閘管的外形（2）從外形上看：晶閘管也有塑封式、螺栓式和平板式等多種封裝形式。塑封式晶閘管額定電流多在10A以下，器件管腳定義不統(tǒng)一，使用時需查閱器件資料，如圖1-3（a）所示。螺栓式晶閘管額定電流一般為10~200A，器件螺栓一端通常是陽極A，另一側(cè)粗引線是陰極K，細(xì)引線是門極，如圖1-3（b）所示。平板式晶閘管額定電流一般在200A以上，器件的兩面分別是陽極A和陰極K，中間細(xì)長引線是門極G，如圖1-3（c）所示。常見晶閘管：（a）塑封式

（b）螺栓式

（c）平板式1.基本結(jié)構(gòu)2.工作原理

3.基本特性4.主要參數(shù)1.1.1晶閘管1.1.1晶閘管（a）結(jié)構(gòu)示意(

b）等效電路晶閘管的工作原理可用雙晶體管模型來說明，如圖1-4（a）所示，上層為PNP管，下層為NPN管。雙晶體管等效電路如圖1-4（b）所示，PNP管的發(fā)射極電流為晶閘管的陽極電流IA，NPN管的發(fā)射極電流為晶閘管的陰極電流IK。特別的：2.工作原理：圖1-4晶閘管的雙晶體管模型NPN與PNP組成復(fù)合管1.基本結(jié)構(gòu)2.工作原理

3.基本特性4.主要參數(shù)1.1.1晶閘管1.1.1晶閘管3.基本特性：概念：晶閘管是電力電子技術(shù)中最重要的開關(guān)器件之一，深入了解晶閘管的特性和應(yīng)用方法對于電力電子技術(shù)的學(xué)習(xí)和實踐具有重要意義，晶閘管的基本特性包含靜態(tài)特性和動態(tài)特性。特性流程圖：1.基本結(jié)構(gòu)2.工作原理

3.基本特性4.主要參數(shù)1.1.1晶閘管1.1.1晶閘管1）靜態(tài)特性：晶閘管的靜態(tài)特性包括晶閘管的陽極伏安特性和晶閘管的門極伏安特性。（1）晶閘管的陽極伏安特性晶閘管的陽極伏安特性是指晶閘管陽極、陰極之間的電壓UAK和陽極電流IA之間的關(guān)系。（2）晶閘管的門極伏安特性晶閘管的門極伏安特性是指晶閘管門極電壓和門極電流之間的關(guān)系。

伏安特性

曲線1.基本結(jié)構(gòu)2.工作原理

3.基本特性4.主要參數(shù)1.1.1晶閘管1.1.1晶閘管2）靜態(tài)特性：晶閘管的動態(tài)特性包括開通特性和關(guān)斷特性，如圖1-7所示。（1）開通特性晶閘管的門極施加觸發(fā)電壓使其由阻斷變成導(dǎo)通時，陽極電流要經(jīng)過延遲時間和上升時間后，電流才能達到穩(wěn)定狀態(tài)。（2）關(guān)斷特性晶閘管在陽極電流減小為零以后，如果立即施加正向陽極電壓，即使沒有門極脈沖仍會再次導(dǎo)通，故電路必須給晶閘管提供足夠長的時間，保證晶閘管充分恢復(fù)其阻斷能力，才能使它工作可靠。晶閘管開通時間：晶閘管關(guān)斷時間：1.基本結(jié)構(gòu)2.工作原理

3.基本特性4.主要參數(shù)1.1.1晶閘管1.1.1晶閘管（1）電壓參數(shù)：思考：1.為什么正向轉(zhuǎn)折電壓比開啟電壓稍低？2.正向轉(zhuǎn)折電壓與器件的性能參數(shù)有怎樣的關(guān)系？1.基本結(jié)構(gòu)2.工作原理

3.基本特性4.主要參數(shù)1.1.1晶閘管1.1.1晶閘管（2）電流參數(shù)：①與電力二極管一樣，晶閘管也是以平均電流而非有效值電流作為它的額定電流，這是因為晶閘管較多用于可控整流電路，而整流電路往往是按直流平均值來計算的。②維持電流的大小與晶閘管的結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，維持電流越小，晶閘管越難關(guān)斷。同一型號的晶閘管，其維持電流也各不相同，維持電流大的管子容易關(guān)斷。③判定一只晶閘管是否由斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)就是看其陽極電流是否大于其所對應(yīng)的擎住電流。只有IA>IL，才表明晶閘管徹底導(dǎo)通。說明：晶閘管1.基本結(jié)構(gòu)2.工作原理

3.基本特性4.主要參數(shù)引入：具有四層結(jié)構(gòu)，每層由不同材料組成晶體結(jié)構(gòu)特點硅、鋁、鍺等半導(dǎo)體材料構(gòu)成，具有特定導(dǎo)電性能材料組成1.1.2雙向晶閘管雙向晶閘管是由普通晶閘管派生出來的一種新型的大功率半導(dǎo)體器件。1.1.2

雙向晶閘管1.1.1晶閘管1.基本結(jié)構(gòu)2.工作原理

3.基本特性4.主要參數(shù)1.基本結(jié)構(gòu):雙向晶閘管是一種由5層半導(dǎo)體、4個PN結(jié)組成的3端器件，3個電極分別是第一主電極T1、第二主電極T2和門極（控制極)G，如圖1-10（a）所示。圖1-10雙向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路及電氣圖形符號雙向晶閘管是在普通晶閘管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，也有塑封式、螺栓式等多種封裝形式，如圖1-11所示。雙向晶閘管在外形上與普通晶閘管類似，使用時要注意做好兩者的區(qū)分工作。圖1-11雙向晶閘管的外形結(jié)構(gòu)外形1.1.2

雙向晶閘管1.1.1晶閘管1.基本結(jié)構(gòu)2.工作原理

3.基本特性4.主要參數(shù)工作原理：

當(dāng)主電極T2對T1所加的電壓U21>0，門極G對T1所加觸發(fā)信號Uc>0，雙向晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，電流I21>0，這種觸發(fā)稱為“第1象限的正向觸發(fā)”或稱為1+觸發(fā)方式，如圖1-12（a）所示。雙向晶閘管的工作原理同普通晶閘管。雙向晶閘管主電極T1，T2、無論加正向還是反向電壓，門極的觸發(fā)信號無論是正向還是反向，雙向晶閘管都有可能觸發(fā)導(dǎo)通。如果U21>0，UG<0，雙向晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，電流I21>0，這種觸發(fā)稱為“第1象限的負(fù)向觸發(fā)”或稱為1-觸發(fā)方式，如圖1-12（b）所示。（a）（b）1.1.2

雙向晶閘管1.1.1晶閘管1.基本結(jié)構(gòu)2.工作原理

3.基本特性4.主要參數(shù)工作原理：

如果U12>0，Uc>0，雙向晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，I12>0這種觸發(fā)稱為“第Ⅲ象限的正向觸發(fā)”或稱為III+觸發(fā)方式如果U12>0，Uc<0，雙向晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，I12>0這種觸發(fā)稱為“第Ⅲ象限的負(fù)向觸發(fā)”或稱為III-觸發(fā)方式(a)(b)1.1.2

雙向晶閘管1.1.1晶閘管1.基本結(jié)構(gòu)2.工作原理

3.基本特性4.主要參數(shù)如圖1-14所示，雙向晶閘管具有正反對稱的伏安特性曲線，正向部分位于第I象限，反向部分位于第象III限，詳情參見普通晶閘管?；咎匦?正向特性反向特性0201轉(zhuǎn)折電壓03圖1-14雙向晶閘管的伏安特性曲線1.1.2

雙向晶閘管1.1.1晶閘管1.基本結(jié)構(gòu)2.工作原理

3.基本特性4.主要參數(shù)主要參數(shù):雙向晶閘管的很多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同。這里只簡單介紹一些意義不同的參數(shù)，如表1-5所示。引入：“整流電路”（rectifyingcircuit）是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動機的調(diào)速、發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。1.不可控整流電路2.電路組成3.數(shù)量關(guān)系1.2整流電路單相半波不可控整流電路：1.2整流電路單相半波整流電路是電力電子技術(shù)中最基礎(chǔ)的電路之一。單相半波不可控整流電路又是最簡單的整流電路，由電源變壓器Tr、整流二極管VD1和負(fù)載電阻RL串聯(lián)組成，電路圖如圖1-15（a）所示。電熱毯電路由整流二極管VD1、發(fā)光二極管VD2、開關(guān)S1、開關(guān)S2、電阻R1和電阻絲RL等組成，如圖1-16所示。結(jié)構(gòu)應(yīng)用案例（a）(b)圖1-16電熱毯電路圖1.不可控整流電路2.電路組成3.數(shù)量關(guān)系單相半波可控整流電路：1.2整流電路

1.路組成及工作原理:單相半波可控整流電路（電阻性負(fù)載）由電源變壓器Tr、晶閘管VT，和負(fù)載電阻RL串聯(lián)組成，如圖1-17（a）所示。將不可控整流電路中的電力二極管改換為晶閘管，就構(gòu)成了單相半波可控整流電路。圖1-17單相半波可控整流電路（電阻性負(fù)載）及工作波形1.不可控整流電路2.電路組成3.數(shù)量關(guān)系1.2整流電路

2.數(shù)量關(guān)系:設(shè)為表示電壓或電流的函數(shù)，則它在期間的平均值和有效值用下式來定義：平均值為:有效值為:（1）輸出電壓、電流平均值：（2）根據(jù)歐姆定律，輸出電流平均值：（3）輸出電壓、電流有效值：1.不可控整流電路2.電路組成3.數(shù)量關(guān)系單相半波可控整流電路：單相半波可控整流電路：1.2整流電路（4）晶閘管的電流平均值、有效值：（5）晶閘管承受的最高電壓：（6）變壓器副邊電流有效值：（8）波形系數(shù)：（7）功率因數(shù)：1.不可控整流電路2.電路組成3.數(shù)量關(guān)系平均值為:有效值為:1.2整流電路例1-1：在單相半波可控整流電路中，電阻性負(fù)載RL=52，由220V交流18電源直接供電，輸出平均直流電壓50V時，求晶閘管的觸發(fā)角a，導(dǎo)通角0，功率因數(shù)cosφ。例題解析1.不可控整流電路2.電路組成3.數(shù)量關(guān)系引入：1.電路組成2.數(shù)量關(guān)系3.電路組成4.數(shù)量關(guān)系1.3交流變換電路通過改變電路參數(shù)調(diào)節(jié)功率調(diào)功電路原理采用PWM技術(shù)實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)實現(xiàn)方式交流變換（AC-AC）電路，是把一種形式交流電變換成另一種形式交流電的電路。交流變換時可以改變電壓（電流）有效值、頻率或相數(shù)等，改變頻率的電路稱為變頻電路；只改變電壓、電流幅值或?qū)﹄娐返耐〝噙M行控制，而不改變頻率的電路稱為交流電力控制電路。單相交流調(diào)壓電路：1.3.1單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路是交流調(diào)壓中最基本的電路，主要用于小功率電路中。1.電路組成與工作原理：單相交流調(diào)壓電路（電阻性負(fù)載）電路由兩只反并聯(lián)普通晶閘管VT1、VT2和負(fù)載電阻RL組成；也可以由一只雙向晶閘管VT和負(fù)載電阻RL組成，如圖1-19（a）所示。1.電路組成2.數(shù)量關(guān)系3.電路組成4.數(shù)量關(guān)系1.3交流變換電路2.數(shù)量關(guān)系（1）輸出電壓、電流有效值（2）流過晶閘管的電流有效值（3）電路功率因數(shù)觸發(fā)角a=0°時，相當(dāng)于晶閘管一直導(dǎo)通，輸出電壓有效值最大，即U。=U2；觸發(fā)角a=180°時，輸出電壓有效值最小，U。=0；觸發(fā)角a的移相范圍是0°~180°.隨著的a增大，輸入電流滯后于電壓且發(fā)生畸變，功率因數(shù)也逐漸降低。a與U之間的關(guān)系1.電路組成2.數(shù)量關(guān)系3.電路組成4.數(shù)量關(guān)系例題解析：1.3交流變換電路例1-2：一調(diào)光臺燈由單相交流調(diào)壓電路供電，設(shè)該臺燈可看作電阻負(fù)載，在時輸出功率為最大值。試求功率為最大輸出功率的、時的控制角。解：設(shè)電源電壓為（1）輸出功率為最大輸出功率時，有

即

已知（2）同理，輸出功率為最大輸出功率50%時，有

得1.電路組成2.數(shù)量關(guān)系3.電路組成4.數(shù)量關(guān)系單相交流調(diào)功電路：1.3交流變換電路交流調(diào)功電路和交流調(diào)壓電路在主電路結(jié)構(gòu)形式上完全相同，都是把晶閘管作為開關(guān)串接在交流電源與負(fù)載之間，只是控制的方式不同。1.電路組成與工作原理交流調(diào)功電路工作原理如圖1-20所示，在設(shè)定的M個電源周期內(nèi)，晶閘管接通N個周期，關(guān)斷（M-N）個周期，通過改變晶閘管接通周波數(shù)N和斷開周波數(shù)（M-N）的比值即通斷比來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。當(dāng)通斷比過小時會出現(xiàn)低頻干擾，如照明時會出現(xiàn)人眼能察覺的閃爍，電表指針的搖擺等。圖1-20交流調(diào)功電路的工作原理1.電路組成2.數(shù)量關(guān)系3.電路組成4.數(shù)量關(guān)系2.數(shù)量關(guān)系：1.3交流變換電路

輸出電壓有效值：01

輸出功率：02特別的：1.電路組成2.數(shù)量關(guān)系3.電路組成4.數(shù)量關(guān)系式中：P，U2為設(shè)定周期T內(nèi)全部周波導(dǎo)通時，電路輸出的有功功率與電壓有效值。由此可見，改變導(dǎo)通周波數(shù)即可改變輸出電壓和輸出功率。晶閘管在電壓過零的瞬間開通，波形為正弦波，克服了相位控制時會產(chǎn)生諧波干擾的缺點。但交流調(diào)功電路輸出電壓為斷續(xù)波，晶閘管導(dǎo)通時間是以交流電的周期為基本單位，輸出電壓和功率的調(diào)節(jié)不太平滑，適用于較大時間常數(shù)的負(fù)載。在設(shè)定周期T（M個周波）內(nèi)導(dǎo)通的周波數(shù)為N，每個周波的周期為T0例題解析1.3交流變換電路例1-3：某單相交流調(diào)功電路，采用過零觸發(fā)。U2=220V，負(fù)載電阻R=12，設(shè)定周期T內(nèi)，使晶閘管導(dǎo)通0.3s，斷0.2s，試計算送到電阻負(fù)載上的功率與假定晶閘管一直導(dǎo)通時所送出的功率。1.電路組成2.數(shù)量關(guān)系3.電路組成4.數(shù)量關(guān)系1.4普通調(diào)光器的設(shè)計與仿真1.簡介2.

方案設(shè)計

3.器件選型4.仿真驗證電路結(jié)構(gòu)采用可控硅電路調(diào)光原理通過改變可控硅導(dǎo)通角調(diào)節(jié)亮度引入：調(diào)光器是一種改變照明裝置中光源的光通量、調(diào)節(jié)照度水平的電氣裝置，通過改變輸入光源的電流有效值達到調(diào)整燈光不同亮度的目的。白熾燈常用調(diào)光器有電阻調(diào)光器、電容調(diào)光器和晶閘管調(diào)光器等。1.4普通調(diào)光器的設(shè)計與仿真1.簡介2.

方案設(shè)計

3.器件選型4.仿真驗證方案設(shè)計：圖1-23簡易調(diào)光電路1調(diào)光方案1如圖1-22所示，晶閘管VT與負(fù)載Ra構(gòu)成主電路，Rp、C、VD1、VD2構(gòu)成阻容移相觸發(fā)電路，它是利用電容C充電延時觸發(fā)來實現(xiàn)移相的。晶閘管調(diào)光器具有重量輕、體積小、效率高、容易遠距離操縱等優(yōu)點，得到廣泛使用。它的缺點是若不采取有效的濾波措施，會產(chǎn)生無線電干擾。1.4普通調(diào)光器的設(shè)計與仿真1.簡介2.

方案設(shè)計

3.器件選型4.仿真驗證方案設(shè)計：調(diào)光方案2雙向觸發(fā)二極管也稱二端交流器件（DIAC），是由NPN三層半導(dǎo)體構(gòu)成的二端半導(dǎo)體器件，可等效于基極開路、發(fā)射極與集電極對稱的NPN晶體管，雙向觸發(fā)二極管的結(jié)構(gòu)、電氣符號及等效電路如圖1-24所示。圖1-25雙向觸發(fā)二極管的伏安特性曲線圖1-26簡易調(diào)光電路21.4普通調(diào)光器的設(shè)計與仿真1.簡介2.

方案設(shè)計

3.器件選型4.仿真驗證方案設(shè)計：調(diào)光方案3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡單，輸出脈沖前沿陡，抗干擾能力強，運行可靠，調(diào)試方便，廣泛應(yīng)用于對中小容量晶閘管的觸發(fā)控制。

（1）單結(jié)晶體管：1.單結(jié)晶體管是在一塊N型硅片一側(cè)的上下兩端各引出一個電極，電極和N29型硅片是歐姆接觸，下邊的稱為第一基極b1，上邊的稱為第二基極b2；發(fā)射極與N型硅片間構(gòu)成一個PN結(jié)，所以稱為“單結(jié)”晶體管。單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)、等效電路、電氣圖形符號1-27所示。（a）結(jié)構(gòu)示意圖

（b）等效電路

（c）電氣圖形符號

1.4普通調(diào)光器的設(shè)計與仿真1.簡介2.

方案設(shè)計

3.器件選型4.仿真驗證

（1）單結(jié)晶體管：2.單結(jié)晶體管用一個PN結(jié)和兩個電阻Rb1、R62組成的電路替代，測試電路改成如圖1-28（b）所示的形式。首先在兩個基極之間加電壓Ubb，Rbi上分得的電壓（a）測試電路

（b）等效電路方案設(shè)計：調(diào)光方案3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡單，輸出脈沖前沿陡，抗干擾能力強，運行可靠，調(diào)試方便，廣泛應(yīng)用于對中小容量晶閘管的觸發(fā)控制。1.4普通調(diào)光器的設(shè)計與仿真1.簡介2.

方案設(shè)計

3.器件選型4.仿真驗證

（1）單結(jié)晶體管：3.單結(jié)晶體管的伏安特性曲線可以分為三個區(qū)：截止區(qū)、負(fù)阻區(qū)、飽和區(qū)。當(dāng)U小于UA時，PN結(jié)承受反向電壓，僅有微小的漏電流通過PN結(jié)，Rbi呈現(xiàn)很大的電阻，這時管子處于截止?fàn)顟B(tài)。（a）伏安特性

（b）特性曲線簇方案設(shè)計：調(diào)光方案3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡單，輸出脈沖前沿陡，抗干擾能力強，運行可靠，調(diào)試方便，廣泛應(yīng)用于對中小容量晶閘管的觸發(fā)控制。1.4普通調(diào)光器的設(shè)計與仿真1.簡介2.

方案設(shè)計

3.器件選型4.仿真驗證

（2）自動調(diào)光電路：簡易自動調(diào)光電路如圖1-30所示。交流電壓經(jīng)整流橋整流后，一路經(jīng)降壓限流電阻器R1后，穩(wěn)壓管VD穩(wěn)壓得到9V脈動直流電壓供控制電路使用改變VS的導(dǎo)通角即可改變HL的亮度。晶體管VT1、電阻器R2與R3等組成誤差放大器，VT，實質(zhì)上起到一個電位器的作用。圖1-30簡易調(diào)光電路3方案設(shè)計：調(diào)光方案3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡單，輸出脈沖前沿陡，抗干擾能力強，運行可靠，調(diào)試方便，廣泛應(yīng)用于對中小容量晶閘管的觸發(fā)控制。1.4普通調(diào)光器的設(shè)計與仿真1.簡介2.

方案設(shè)計

3.器件選型4.仿真驗證方案設(shè)計：

調(diào)光方案4：隨著集成電路制造技術(shù)的不斷提高，集成觸發(fā)電路產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，且應(yīng)用越來越普及，已逐步取代分立式電路。集成電路可靠性高、技術(shù)性能好、體積小、功耗低、使用調(diào)試方便。A為雙向晶閘管，如外加功率擴展可觸發(fā)200A或更大容量的雙向晶閘管。電路工作原理如圖1-31所示。圖1-31KC08的應(yīng)用電路1.4普通調(diào)光器的設(shè)計與仿真1.簡介2.

方案設(shè)計

3.器件選型4.仿真驗證選用高精度電阻和電容，確保電路穩(wěn)定性電阻與電容選用合適的電感與變壓器，優(yōu)化電路性能電感與變壓器選用性能穩(wěn)定的晶體管與二極管，提高電路效率晶體管與二極管思考：器件選型會和什么有關(guān)呢？1.4普通調(diào)光器的設(shè)計與仿真1.簡介2.

方案設(shè)計

3.器件選型4.仿真驗證晶閘管的參數(shù)計算是主電路設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，重點考慮額定電壓和額定電流兩大因素。器件選型

1.晶閘管的額定電壓必須大于器件在電路中實際承受的最大電壓。考慮過電壓因素的影響，一般取2~3倍的安全裕量。2.晶閘管額定電流的有效值（1.571T（AV））必須大于實際流過管子電流的最大有效值1r。3.實際電路中，流過晶閘管的電流可能是任意波形，應(yīng)根據(jù)電流有效值相等即發(fā)熱相同的原則，進行計算。1.4普通調(diào)光器的設(shè)計與仿真1.簡介2.

方案設(shè)計

3.器件選型4.仿真驗證晶閘管的通態(tài)平均電壓分組分為9組，如表1-7所示。對于調(diào)光方案1中圖1-23所示電路，設(shè)負(fù)載為100W以下的燈泡，具體器件選型：選用塑封KP1-7B型晶閘管，耐壓應(yīng)大于700V，維持電流最好在20mA左右，門極觸發(fā)電流應(yīng)小于20mA.VD1~VD4應(yīng)選用耐壓大于400V，整流電流大于500mA的二極管，如2DG554、1N4007等。Rp選用15k2/2W的線性電位器，最好帶開關(guān)。L可以采用200μH電感。工程應(yīng)用時，晶閘管應(yīng)加散熱片。器件選型KP200-15G具體表示為額定電流200A，額定電壓1500V，通態(tài)平均電壓為1V的普通型晶閘管。例1.4普通調(diào)光器的設(shè)計與仿真1.簡介2.

方案設(shè)計

3.器件選型4.仿真驗證有一單相橋式全控整流電路，負(fù)載為電阻性，要求a=30°時，Ua=80V，Ia=7A。計算整流變壓器的二次電流I2，并按照上述工作條件選擇晶閘管。例題解析1.4普通調(diào)光器的設(shè)計與仿真1.簡介2.

方案設(shè)計

3.器件選型4.仿真驗證仿真軟件與模型介紹：選擇專業(yè)仿真軟件，如MATLAB/Simulink仿真軟件選擇根據(jù)電路原理，構(gòu)建準(zhǔn)確的仿真模型仿真模型構(gòu)建1.4普通調(diào)光器的設(shè)計與仿真1.簡介2.

方案設(shè)計

3.器件選型4.仿真驗證電力電子技術(shù)涉及到電力、電子、控制等多個領(lǐng)域的知識，因此在電力電子系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)中，仿真驗證可以幫助設(shè)計人員更好地理解電路和系統(tǒng)的性能，降低設(shè)計成本和風(fēng)險，進行系統(tǒng)級別的優(yōu)化和集成。仿真驗證

PSIM簡介PSIM是一款電子電路仿真軟件，它可以幫助工程師和學(xué)生設(shè)計和分析各種電子電路，包括功率電子電路、控制電路等。PSIM提供了直觀的用戶界面和豐富的元件庫，可以方便地繪制電路圖、進行仿真測試和分析結(jié)果。0102①創(chuàng)建新項目。在PSIM中，可以創(chuàng)建新項目并選擇相應(yīng)的仿真類型030405②繪制電路圖。PSIM提供了豐富的元件庫，可以方便地繪制電路圖。③設(shè)置仿真參數(shù)。在進行仿真測試前，需要設(shè)置仿真參數(shù)④進行仿真測試。在設(shè)置好仿真參數(shù)后，可以進行仿真測試。⑤分析仿真結(jié)果。在進行仿真測試后，可以對仿真結(jié)果進行分析1.4普通調(diào)光器的設(shè)計與仿真1.簡介2.

方案設(shè)計

3.器件選型4.仿真驗證

以設(shè)計方案1中的調(diào)光電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例進行仿真設(shè)計，調(diào)光電路是由交流電源、電感、電容、二極管、晶閘管、負(fù)載電阻以及觸發(fā)脈沖控制器等多個部分組成。2.調(diào)光器的仿真設(shè)計打開PSIM軟件，新建一個仿真電路原理圖設(shè)計文件。根據(jù)圖1-23所示的電路拓?fù)鋱D，從PSIM元件庫中選取調(diào)光電路所需的交流電源、晶閘管、等元件放置于電路設(shè)計圖中。利用PSIM中的畫線工具，按照對應(yīng)的拓?fù)鋱D將電路連接起來，組建成仿真電路模型。放置測量探頭，測量需要觀察的電壓、電流等參數(shù)。01020304步驟1.4普通調(diào)光器的設(shè)計與仿真1.簡介2.

方案設(shè)計

3.器件選型4.仿真驗證設(shè)置電阻、電容等元件參數(shù)電路元件參數(shù)設(shè)定仿真起始和終止時間仿真時間設(shè)置0201根據(jù)需求設(shè)定仿真步長大小仿真步長設(shè)置03電路仿真和參數(shù)設(shè)置三個主要參數(shù)：1.4普通調(diào)光器的設(shè)計與仿真1.簡介2.

方案設(shè)計

3.器件選型4.仿真驗證電路仿真和參數(shù)設(shè)置2.電路元件參數(shù)設(shè)置本仿真案例中將調(diào)光電路的交流電源設(shè)置為220V、50Hz，電感設(shè)置為20mH，電容設(shè)置為

0.01μF，負(fù)載電阻設(shè)置為806Ω（60W燈泡）。3.電路仿真完成仿真模型的搭建后，放置仿真控制元件，并設(shè)置仿真控制參數(shù)。在此仿真案例中仿真步長設(shè)置為1us，仿真總時間設(shè)置為0.1s。圖1-33仿真模型1.4普通調(diào)光器的設(shè)計與仿真1.簡介2.

方案設(shè)計

3.器件選型4.仿真驗證圖1-36的仿真波形與仿真數(shù)據(jù)

圖1-35的仿真波形與仿真數(shù)據(jù)圖1-34的仿真波形與仿真數(shù)據(jù)在仿真結(jié)束后，PSIM自動啟動Simview波形顯示窗口。將電路模型中所需要測量參數(shù)分別添加到波形觀察窗口，觀察仿真結(jié)果波形。觸發(fā)角α=30°時，輸出電壓Vo、輸出電流。的仿真波形與仿真數(shù)據(jù)如圖1-34所示。觸發(fā)角a=60°時，輸出電壓Vo。觸發(fā)角a=90°時，輸出電壓Vo仿真波形與仿真數(shù)據(jù)如圖1-36所示。經(jīng)仿真數(shù)據(jù)顯示，通過改變晶閘管的觸發(fā)角能夠改變負(fù)載兩側(cè)的輸出電壓與電流，驗證仿真設(shè)計合理。4.仿真結(jié)果分析1.4普通調(diào)光器的設(shè)計與仿真1.簡介2.

方案設(shè)計

3.器件選型4.仿真驗證01構(gòu)建調(diào)光器仿真模型仿真模型建立02分析仿真數(shù)據(jù)，驗證性能仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果分析1.5普通調(diào)光器的實踐調(diào)試1.簡介2.

實驗準(zhǔn)備

3.實驗布局與接線4.電路上電與調(diào)試實踐調(diào)試要求學(xué)生在消化電路的基礎(chǔ)上，進行工程應(yīng)用操作，以鍛煉識圖和基本操作能力，加深對電路的理解和掌握。根據(jù)圖1-23所示的電路拓?fù)鋱D，進行電路實踐調(diào)試。在練習(xí)前，學(xué)生需要先了解電路的基本組成部分、電氣符號和基本電路元件的功能，以及電路中各個部件之間的連接關(guān)系。具體實驗過程觀看二維碼視頻。1.普通調(diào)光器的實踐要求1.5普通調(diào)光器的實踐調(diào)試1.簡介2.

實驗準(zhǔn)備

3.實驗布局與接線4.電路上電與調(diào)試實驗準(zhǔn)備與布局準(zhǔn)備所需實驗器材，確保器材完好可用實驗器材準(zhǔn)備規(guī)劃實驗布局，提高實驗效率實驗布局規(guī)劃搭建實驗環(huán)境，確保安全穩(wěn)定實驗環(huán)境搭建0102031.5普通調(diào)光器的實踐調(diào)試1.簡介2.

實驗準(zhǔn)備

3.實驗布局與接線4.電路上電與調(diào)試2.實驗準(zhǔn)備

通過原理學(xué)習(xí)，查閱模塊技術(shù)資料，按照電路組成（電源、中間環(huán)節(jié)和負(fù)載）順序，選出實驗所需的設(shè)備和模塊和所需數(shù)量如表1-9所示。1.5普通調(diào)光器的實踐調(diào)試1.簡介2.

實驗準(zhǔn)備

3.實驗布局與接線4.電路上電與調(diào)試接線與調(diào)試步驟調(diào)試步驟按照電路圖正確接線接線步驟逐步測試電路功能1.5普通調(diào)光器的實踐調(diào)試1.簡介2.

實驗準(zhǔn)備

3.實驗布局與接線4.電路上電與調(diào)試3.實驗布局與接線1.實驗布局實驗臺的布局應(yīng)遵循以下原則：2.電路連接與檢查實驗臺布局完成后，接線需注意：1.5普通調(diào)光器的實踐調(diào)試1.簡介2.

實驗準(zhǔn)備

3.實驗布局與接線4.電路上電與調(diào)試

接線完成后可給實驗臺通電進行實驗測試，具體實驗操作請掃描二維碼進行觀看。4.電路上電與調(diào)試電力電子技術(shù)系列課程電力電子綠色同行2024/6/29電力電子技術(shù)系列課程電力電子技術(shù)·PowerElectronics第2章電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計、仿真與實踐電力電子技術(shù)目錄2.逆變電路4.電子鎮(zhèn)流器的實踐調(diào)試1.全控型器件3.電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計與仿真2.1全控型器件2.1.1電力晶體管2.1.2電力場效應(yīng)晶體管2.1.3絕緣柵雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理GTR的基本結(jié)構(gòu)與信息電子電路中的晶體管相似，都是由3層半導(dǎo)體形成兩個PN結(jié)構(gòu)成的器件，也有PNP和NPN兩種類型，其基本結(jié)構(gòu)及電氣圖形符號如圖所示。1GTR的基本結(jié)構(gòu)（a）NPN型（b）PNP型2.1全控型器件2.1.1電力晶體管2.1.2電力場效應(yīng)晶體管2.1.3絕緣柵雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理單管GTR的電流增益低，將給基極驅(qū)動電路造成負(fù)擔(dān)。提高電流增益的一種有效方式是由兩個或多個晶體管復(fù)合而成達林頓結(jié)構(gòu)1達林頓結(jié)構(gòu)（a）結(jié)構(gòu)形式（b）原理圖2.1全控型器件2.1.1電力晶體管2.1.2電力場效應(yīng)晶體管2.1.3絕緣柵雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理為了簡化GTR的驅(qū)動電路，減小控制電路的功率，常將達林頓結(jié)構(gòu)GTR做成GTR模塊1GTR模塊圖1?40GTR模塊的內(nèi)部電路2.1全控型器件2.1.1電力晶體管2.1.2電力場效應(yīng)晶體管2.1.3絕緣柵雙極型晶體管基本結(jié)構(gòu)與工作原理1為從基極注入的越過正向偏置發(fā)射結(jié)的空穴；2為與電子復(fù)合的空穴；3為因熱騷動產(chǎn)生的載流子構(gòu)成的集電結(jié)漏電流；4為越過集電結(jié)形成的集電極電流的電子；5為發(fā)射極電子流在基極中因復(fù)合而失去的電子。1GTR內(nèi)部圖1?41GTR共發(fā)射極接法及內(nèi)部載流子示意圖2.1全控型器件2.1.1電力晶體管2.1.2電力場效應(yīng)晶體管2.1.3絕緣柵雙極型晶體管基本特征GTR的輸入特性如圖1?42（a）所示，表示加在基—射極間的電壓UBE與所產(chǎn)生的基極電流IB的關(guān)系。GTR的輸出特性如圖1?42（b）所示，表示GTR在共發(fā)射極接法時集電極電壓UCE與集電極電流IC的關(guān)系。隨著Ib從小到大的變化，GTR經(jīng)過截止區(qū)、線性放大區(qū)、準(zhǔn)飽和區(qū)和深飽和區(qū)四個區(qū)域。GTR一般工作在開關(guān)狀態(tài)，即對應(yīng)截止區(qū)和深飽和區(qū)，但在開關(guān)切換過程中，要經(jīng)過放大區(qū)和準(zhǔn)飽和區(qū)。2靜態(tài)特性（a）輸入特性（b）輸出特性2.1全控型器件2.1.1電力晶體管2.1.2電力場效應(yīng)晶體管2.1.3絕緣柵雙極型晶體管基本特征開通特性是指GTR在導(dǎo)通過程中基極電流ib、集電極電流ic與時間的關(guān)系，如圖1?43所示。GTR基極注入驅(qū)動電流ib，這時并不立即產(chǎn)生集電極電流ic，ic是逐漸上升達到飽和值ICS的。GTR開通時間ton由延遲時間td和上升時間tr組成。GTR基極加一個負(fù)的電流脈沖，集電極電流ic是逐漸減小到零的。GTR的關(guān)斷時間toff由儲存時間ts和下降時間tf組成.2動態(tài)特性圖1?43GTR動態(tài)特性2.1全控型器件2.1.1電力晶體管2.1.2電力場效應(yīng)晶體管2.1.3絕緣柵雙極型晶體管基本特征

2主要參數(shù)序號名稱符號說明1集-射極擊穿電壓2集-射極飽和壓降3基極正向壓降4集電極電流最大值5基極電流最大值6最高結(jié)溫7最大耗散功率2.1全控型器件2.1.1電力晶體管2.1.2電力場效應(yīng)晶體管2.1.3絕緣柵雙極型晶體管電力MOSFET結(jié)構(gòu)上與信息電子電路中的場效應(yīng)晶體管（簡稱信號MOS管）有較大區(qū)別。電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET)，漏極到源極的電流垂直于芯片表面流過，這種結(jié)構(gòu)大大提高了器件的耐壓和通流能力電力MOSFET結(jié)構(gòu)圖1?44電力MOSFET單元結(jié)構(gòu)（a）N溝道

（b）P溝道基本結(jié)構(gòu)與工作原理12.1全控型器件2.1.1電力晶體管2.1.2電力場效應(yīng)晶體管2.1.3絕緣柵雙極型晶體管電力

MOSFET的電氣圖形符號如圖所示，三個電極分別是源極S、漏極D和柵極G；虛線部分為寄生二極管又稱體二極管。體二極管是電力MOSFET源極S的P區(qū)和漏極D的N區(qū)形成的寄生二極管，是電力MOSFET不可分割的整體。體二極管的存在使電力MOSFET失去反向阻斷能力。電力

MOSFET的電氣圖形符號（a）N溝道

（b）P溝道電力MOSFET的電氣圖形符號基本結(jié)構(gòu)與工作原理12.1全控型器件2.1.1電力晶體管2.1.2電力場效應(yīng)晶體管2.1.3絕緣柵雙極型晶體管

靜態(tài)特性-轉(zhuǎn)移特性電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性基本特征22.1全控型器件2.1.1電力晶體管2.1.2電力場效應(yīng)晶體管2.1.3絕緣柵雙極型晶體管輸出特性是指以柵源電壓UGS為參變量，電力MOSFET的漏極電流ID和漏源極電壓UDS之間的關(guān)系，如圖所示，電力MOSFET的輸出特性分為截止區(qū)、飽和區(qū)、非飽和區(qū)，分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應(yīng)。電力MOSFET主要工作在截止區(qū)和非飽和區(qū)。靜態(tài)特性-輸出特性電力MOSFET的輸出特性基本特征2

2.1全控型器件2.1.1電力晶體管2.1.2電力場效應(yīng)晶體管2.1.3絕緣柵雙極型晶體管

電力MOSFET的動態(tài)特性電力MOSFET的動態(tài)特性基本特征22.1全控型器件2.1.1電力晶體管2.1.2電力場效應(yīng)晶體管2.1.3絕緣柵雙極型晶體管電力MOSFET的三個電極之間分別存在極間電容CGS、CGD和CDS，電容值是非線性的，等效電路如圖所示。電力MOSFET的輸入電容Ci、輸出電容Co和反饋電容Cr之間有如下關(guān)系：電力MOSFET極間等效電容電力MOSFET極間等效電容基本特征2

2.1全控型器件2.1.1電力晶體管2.1.2電力場效應(yīng)晶體管2.1.3絕緣柵雙極型晶體管基本特征電力MOSFET的主要參數(shù)如表所示。2主要參數(shù)序號名稱符號說明1通態(tài)電阻2閾值電壓3跨導(dǎo)4漏源擊穿電壓表征器件的耐壓極限，決定了器件的最高工作電壓。5柵源擊穿電壓6漏極電流2.1全控型器件2.1.1電力晶體管2.1.2電力場效應(yīng)晶體管2.1.3絕緣柵雙極型晶體管

IGBT的基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)與工作原理1（a）結(jié)構(gòu)圖（b）等效電路（c）電氣圖形符號

IGBT的基本結(jié)構(gòu)、等效電路和電氣圖形符號2.1全控型器件2.1.1電力晶體管2.1.2電力場效應(yīng)晶體管2.1.3絕緣柵雙極型晶體管轉(zhuǎn)移特性是指IGBT的集電極電流IC與柵極-發(fā)射極之間電壓UGE的關(guān)系，如圖1?52（a）所示，它與電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同，反映了器件的控制能力。當(dāng)UGE小于閾值（開啟）電壓UGEth時，IGBT關(guān)斷；當(dāng)UGE大于UGEth時，IGBT開始導(dǎo)通；IC與UGE基本成線性關(guān)系。靜態(tài)特性-轉(zhuǎn)移特性

IGBT的轉(zhuǎn)移特性基本特征22.1全控型器件2.1.1電力晶體管2.1.2電力場效應(yīng)晶體管2.1.3絕緣柵雙極型晶體管

靜態(tài)特性-輸出特性

IGBT的輸出特性基本特征22.1全控型器件2.1.1電力晶體管2.1.2電力場效應(yīng)晶體管2.1.3絕緣柵雙極型晶體管60A/1000V的IGBT輸出特性曲線如圖1?53所示，若UGE不變，導(dǎo)通壓降UCE隨電流IC增大而增高，因此通過檢測電壓UCE來判斷器件是否過流。若UGE增加，則UCE降低，器件導(dǎo)通損耗將減小。靜態(tài)特性-伏安特性

60A/1000VIGBT伏安特性基本特征22.1全控型器件2.1.1電力晶體管2.1.2電力場效應(yīng)晶體管2.1.3絕緣柵雙極型晶體管

動態(tài)特性-開關(guān)特性

IGBT的開關(guān)特性基本特征22.1全控型器件2.1.1電力晶體管2.1.2電力場效應(yīng)晶體管2.1.3絕緣柵雙極型晶體管基本特征IGBT的主要參數(shù)如表所示。2主要參數(shù)序號名稱符號說明1最大集射極間電壓2正向?qū)柡蛪航?閾值電壓4漏源擊穿電壓表征器件的耐壓極限，決定了器件的最高工作電壓。5最大集電極電流IGBT最大允許直流電流值，IGBT的電流額定參數(shù)。6最大功耗2.2逆變電路與整流相對應(yīng)，將直流電變成交流電稱為逆變。典型逆變電路由直流電源E、開關(guān)S1~S4和負(fù)載電阻RL組成，如圖1?56（a）所示，S1和S4組成一對橋臂，S2和S3組成另一對橋臂。逆變電路（a）原理圖（b）工作波形逆變電路（電阻性負(fù)載）及工作波形

（a）原理圖（b）工作波形逆變電路（阻感性負(fù)載）及工作波形2.2.1無源逆變概述2.2.2電壓源型逆變電路2.2逆變電路半橋逆變電路（a）電路圖（b）工作波形半橋逆變電路主要由兩個導(dǎo)電橋臂構(gòu)成，每個導(dǎo)電橋臂由一個全控型器件（這里選用IGBT）和反向并聯(lián)的二極管構(gòu)成。半橋逆變電路及工作波形半橋逆變電路12.2.1無源逆變概述2.2.2電壓源型逆變電路2.2逆變電路

在t1~t2期間：VT1為通態(tài)，VT2為斷態(tài)，負(fù)載電流io>0，如圖（a）所示。在t2~t3期間：t2時刻，VT1柵極加關(guān)斷信號，VT2柵極加導(dǎo)通信號。雖VT1關(guān)斷，但感性負(fù)載中的電流io不能立即改變方向，因此VT2尚不能立即導(dǎo)通，于是VD2先導(dǎo)通續(xù)流，如圖（b）所示。半橋逆變電路工作過程半橋逆變電路12.2.1無源逆變概述2.2.2電壓源型逆變電路2.2逆變電路在t3~t4期間：t3時刻，io降為零時，VD2截止，VT2開始導(dǎo)通，io<0，如圖（c）所示。在t4~t5期間：t4時刻，給VT2柵極加關(guān)斷信號，給VT1柵極加開通信號。雖VT2關(guān)斷，但感性負(fù)載中的電流io不能立即改變方向，因此VT1尚不能立即導(dǎo)通，于是VD1先導(dǎo)通續(xù)流，如圖（d）所示。t5時刻，io=0時，VT1才開始導(dǎo)通，一個新的周期開始。半橋逆變電路工作過程半橋逆變電路1

2.2.1無源逆變概述2.2.2電壓源型逆變電路2.2逆變電路全橋逆變電路采用4個IGBT作開關(guān)器件，直流電壓E接有大電容C，使電源電壓穩(wěn)定，如圖（a）所示。電路中VT1、VT4和VT2、VT3各組成一對橋臂，兩對橋臂交替導(dǎo)通180°，輸出電壓波形如圖（b）所示，與半橋電路電壓波形相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，Um=E。阻感性負(fù)載時，輸出電流io的波形如圖（b）所示。全橋逆變電路及工作波形全橋逆變電路2（a）電路圖

（b）工作波形2.2.1無源逆變概述2.2.2電壓源型逆變電路2.2逆變電路推挽式逆變電路如圖所示，輸入的直流電通過兩個電子開關(guān)器件VT1、VT2的輪流導(dǎo)通和具有中心抽頭變壓器的耦合，變成了交流電。對于感性負(fù)載，反并聯(lián)二極管VD1、VD2起到給無功能量提供反饋通道的作用。推挽式逆變電路推挽式逆變電路3推挽式逆變電路（負(fù)載換成RL）2.2.1無源逆變概述2.2.2電壓源型逆變電路2.3電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計與仿真2.3.1概述2.3.2方案設(shè)計2.3.3仿真驗證電子鎮(zhèn)流器原理電子鎮(zhèn)流器本質(zhì)上就是一個將工頻交流電源轉(zhuǎn)換成高頻交流電源的變換器。2.3電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計與仿真2.3.1概述2.3.2方案設(shè)計2.3.3仿真驗證方案設(shè)計1-高頻自激電子鎮(zhèn)流器由電力MOSFET構(gòu)成的高頻自激電子鎮(zhèn)流器如圖所示由于這類高頻振蕩電源擺脫了笨重的變壓器和濾波器，所以十分輕便，制造也簡單。這類電源的缺點是高頻振蕩會干擾電網(wǎng)也會通過空間電磁輻射干擾通信，所以應(yīng)注意屏蔽和交流電源輸入端的濾波。電子鎮(zhèn)流器可由分立元件構(gòu)成，也可利用電子鎮(zhèn)流器專用芯片來實現(xiàn)。2.3電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計與仿真2.3.1概述2.3.2方案設(shè)計2.3.3仿真驗證方案設(shè)計2-日光燈電子鎮(zhèn)流器

電子鎮(zhèn)流器可由分立元件構(gòu)成，也可利用電子鎮(zhèn)流器專用芯片來實現(xiàn)。2.3電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計與仿真2.3.1概述2.3.2方案設(shè)計2.3.3仿真驗證IR2155芯片簡介

（a）引腳配置圖

（b）內(nèi)部原理圖2.3電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計與仿真2.3.1概述2.3.2方案設(shè)計2.3.3仿真驗證方案設(shè)計3-熒光燈電子鎮(zhèn)流器熒光燈電子鎮(zhèn)流器主要由電源噪聲濾波器電路和IR2155芯片構(gòu)成的振蕩驅(qū)動電路兩部分構(gòu)成，如圖所示。

基于IR2155的電子鎮(zhèn)流器2.3電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計與仿真2.3.1概述2.3.2方案設(shè)計2.3.3仿真驗證仿真驗證1：高頻自激電子鎮(zhèn)流器仿真高頻自激電子鎮(zhèn)流器仿真模型搭建仿真模型電路元件參數(shù)設(shè)置電路仿真仿真結(jié)果分析2.3電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計與仿真2.3.1概述2.3.2方案設(shè)計2.3.3仿真驗證(1)搭建仿真模型

仿真驗證1：高頻自激電子鎮(zhèn)流器仿真高頻自激電子鎮(zhèn)流器仿真模型2.3電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計與仿真2.3.1概述2.3.2方案設(shè)計2.3.3仿真驗證（2）電路元件參數(shù)設(shè)置

仿真驗證1：高頻自激電子鎮(zhèn)流器仿真高頻自激電子鎮(zhèn)流器仿真模型2.3電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計與仿真2.3.1概述2.3.2方案設(shè)計2.3.3仿真驗證（3）電路仿真

仿真驗證1：高頻自激電子鎮(zhèn)流器仿真高頻自激電子鎮(zhèn)流器仿真模型2.3電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計與仿真2.3.1概述2.3.2方案設(shè)計2.3.3仿真驗證（4）仿真結(jié)果分析

仿真驗證1：高頻自激電子鎮(zhèn)流器仿真（b）穩(wěn)定時的輸出波形（a）電子鎮(zhèn)流器輸出波形

2.3電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計與仿真2.3.1概述2.3.2方案設(shè)計2.3.3仿真驗證

搭建仿真模型電路元件參數(shù)設(shè)置電路仿真仿真結(jié)果分析2.3電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計與仿真2.3.1概述2.3.2方案設(shè)計2.3.3仿真驗證(1)搭建仿真模型

2.3電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計與仿真2.3.1概述2.3.2方案設(shè)計2.3.3仿真驗證(1)搭建仿真模型③放置測量探頭，測量需要觀察的電壓、電流等參數(shù)。本仿真案例中放置的電壓探頭和電流探頭可用來測量電源電壓，負(fù)載電壓以及負(fù)載電流等多個參數(shù)。

2.3電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計與仿真2.3.1概述2.3.2方案設(shè)計2.3.3仿真驗證（2）電路元件參數(shù)設(shè)置

高頻自激電子鎮(zhèn)流器仿真模型

2.3電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計與仿真2.3.1概述2.3.2方案設(shè)計2.3.3仿真驗證（3）電路仿真

高頻自激電子鎮(zhèn)流器仿真模型

2.3電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計與仿真2.3.1概述2.3.2方案設(shè)計2.3.3仿真驗證（4）仿真結(jié)果分析在仿真結(jié)束后，PSIM自動啟動Simview波形顯示窗口。將電路模型中所需要測量參數(shù)分別添加到波形觀察窗口，觀察仿真結(jié)果波形。采用一個電阻模擬電子鎮(zhèn)流器及燈泡負(fù)載，通過觀察它的仿真波形，判斷是否可以完成對電子鎮(zhèn)流器的仿真模擬，相關(guān)仿真波形如圖所示。（b）穩(wěn)定時的輸出波形（a）電子鎮(zhèn)流器輸出波形

2.4電子鎮(zhèn)流器的實踐調(diào)試2.4.1實踐目標(biāo)2.4.2器材清單2.4.3實驗裝配與調(diào)試

能讀懂日光燈電子鎮(zhèn)流器的電路圖

能對照電路原理圖看懂接線電路圖

認(rèn)識電路圖上所有元器件的符號，并與實物相對照。

會測試元器件的主要參數(shù)。

熟練進行元器件的裝配和焊接。

能按照技術(shù)要求進行電路調(diào)試目標(biāo)1目標(biāo)2目標(biāo)3目標(biāo)4目標(biāo)5目標(biāo)62.4電子鎮(zhèn)流器的實踐調(diào)試2.4.1實踐目標(biāo)2.4.2器材清單2.4.3實驗裝配與調(diào)試元件名稱電路圖中的代號參考型號主要參數(shù)二極管1N4007DB31N4007大功率晶體管BUT11A壓敏電阻10K471熱敏電阻MZ開關(guān)型電阻器

1/4W電阻電容器

電容器和電解電容器（注意電容器的耐壓）振蕩線圈B

鎮(zhèn)流線圈L

320匝2.4電子鎮(zhèn)流器的實踐調(diào)試2.4.1實踐目標(biāo)2.4.2器材清單2.4.3實驗裝配與調(diào)試（1）日光燈電子鎮(zhèn)流器的裝配

2.4電子鎮(zhèn)流器的實踐調(diào)試2.4.1實踐目標(biāo)2.4.2器材清單2.4.3實驗裝配與調(diào)試（2）日光燈電子鎮(zhèn)流器的調(diào)試步驟①電路板上的全部元器件焊裝完畢②在電子鎮(zhèn)流器的輸出端接好40W直管光燈管，輸入端接500mA的交流電流表，給鎮(zhèn)流器接入220V的交流電源，打開電源開關(guān)，觀察電流表。在電路正常情況下，剛接通電源的瞬間電流指示值為380mA左右，約1s的預(yù)熱后，兩只日光燈管先后起輝點亮。此時電流表指示值應(yīng)在340mA左右，如果電流太高，可同時增大L的電感量。增大電感量的方法是把副線圈的頭接到主線圈的尾，而將副線圈的尾接到電路中，這樣等于增加了整個線圈的匝數(shù)，加大了電感量。如果整機電流太小，可同時減小L的電感量。2.4電子鎮(zhèn)流器的實踐調(diào)試2.4.1實踐目標(biāo)2.4.2器材清單2.4.3實驗裝配與調(diào)試（2）日光燈電子鎮(zhèn)流器的調(diào)試步驟

線路板電子鎮(zhèn)流器電力電子技術(shù)系列課程電力電子綠色同行2024/6/29電力電子技術(shù)系列課程電力電子技術(shù)·PowerElectronics第3章太陽能LED路燈的設(shè)計、仿真與實踐電力電子技術(shù)目錄2.太陽電池和MPPT控制3.

LED照明5.太陽能LED路燈調(diào)光電路的實踐調(diào)試1.直流-直流變換電路4.太陽能LED路燈的設(shè)計與仿真3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路基本直流變換電路及工作波形最基本的直流變換電路由直流電源E、理想開關(guān)S和負(fù)載電阻RL組成，如圖（a）所示。ton期間，開關(guān)S閉合，負(fù)載RL兩端電壓uo=E，電流Io流過負(fù)載RL；toff期間，開關(guān)S斷開，電路中電流Io=0，電壓uo=0；工作波形如圖（b）所示。（a）電路圖

（b）工作波形（D換成k）

3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路直流變換電路的控制三種方式

3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路降壓變換電路降壓變換電路由直流電源E、開關(guān)管VT、二極管VD、電感L、電容C、負(fù)載電阻R_L等組成，如圖25所示。開關(guān)管VT可以是全控型器件GTR、電力MOSFET、IGBT中的任一種，這里以GTR為例進行介紹，由PWM信號驅(qū)動。二極管VD的開關(guān)速度應(yīng)和VT同等級，常用快恢復(fù)二極管。降壓變換電路3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路降壓變換電路降壓變換電路由直流電源E、開關(guān)管VT、二極管VD、電感L、電容C、負(fù)載電阻R_L等組成，如圖25所示。開關(guān)管VT可以是全控型器件GTR、電力MOSFET、IGBT中的任一種，這里以GTR為例進行介紹，由PWM信號驅(qū)動。二極管VD的開關(guān)速度應(yīng)和VT同等級，常用快恢復(fù)二極管。降壓變換電路3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路降壓變換電路工作過程t0~t1（ton）期間：t0時刻，開關(guān)管VT導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，二極管VD1承受反向電壓截止，如圖2?7（a）所示，圖中虛線表示相關(guān)回路斷開，以后相同不贅述。電感L中有電流流過，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢eL左正右負(fù)，電感儲能；負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升，電壓uo=E；電容C充電。在t1~t2（toff）期間：t1時刻，開關(guān)管VT關(guān)斷，電感L阻礙電流的變化，感應(yīng)電勢eL左負(fù)右正，二極管VD導(dǎo)通，如圖2?7（b）所示。負(fù)載電流io經(jīng)二極管VD續(xù)流按指數(shù)曲線下降，電壓uo=0。降壓變換電路工作波形

3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路

例題解析3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路升壓變換電路升壓變換電路也是由直流電源E、開關(guān)管VT、二極管VD、電感L、電容C、負(fù)載電阻RL等組成，電路如圖2?8所示。升壓斬波電路與降壓斬波電路的不同點是，開關(guān)管VT與負(fù)載RL呈并聯(lián)形式連接，電感L與負(fù)載RL呈串聯(lián)形式連接。升壓變換電路3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路升壓變換電路工作過程

升壓變換電路工作波形

3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路

例題解析3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路升降壓變換電路

升降壓變換電路3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路升降壓變換電路工作波形

升降壓變換電路工作波形3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路升降壓變換電路工作過程

3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路

例題解析

3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路Cuk電路

Cuk電路3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路Cuk電路工作過程

（a）VT導(dǎo)通

Cuk電路工作波形3.2.1太陽電池結(jié)構(gòu)與工作原理太陽電池的特性太陽電池分類1.太陽電池的工作原理是基于P-N結(jié)的光伏效應(yīng)，即在光照條件下，P-N結(jié)兩端出現(xiàn)光生電動勢的現(xiàn)象，如圖2-17所示。2.太陽電池的等效電路可用P-N結(jié)二極管VD、恒流源、太陽能電池的電極等引起的串聯(lián)電阻和相當(dāng)于P-N結(jié)泄漏電流的并聯(lián)電阻組成的電路來表示，如圖2-18所示。3.將太陽電池單體進行串并聯(lián)封裝后就組成了太陽能光伏組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨作為電源使用的最小單元。如圖2-19所示。圖2-17圖2-18圖2-193.2.1太陽電池結(jié)構(gòu)與工作原理太陽電池的特性太陽電池分類太陽電池的特性一般包括太陽電池的輸入輸出特性、分光特性、照度特性以及溫度特性。（1）輸入輸出特性:太陽電池將太陽的光能轉(zhuǎn)換成電能的能力稱為太陽電池的輸入輸出特性。當(dāng)光照射在太陽電池上時，太陽電池的電壓與電流的關(guān)系用U表示電壓、用i表示電流也可稱為I-V曲線或伏安特性，如圖2-20所示。（2）分光特性:對于太陽電池來說，不同的光照所產(chǎn)生的電量是不同的。一般用分光感度（Spectral

Sensitivity）特性來表示光的顏色（波長）與所轉(zhuǎn)換電能的關(guān)系，如圖2-21所示。圖2-20圖2-213.2.1太陽電池結(jié)構(gòu)與工作原理太陽電池的特性太陽電池分類（3）照度特性:太陽電池的功率隨照度（光的強度）的變化而變化，稱為照度特性。熒光燈照度時，單晶硅太陽電池以及非晶硅太陽電池的伏安特性如圖2-22所示。（4）溫度特性:太陽電池的功率隨溫度變化而變化稱為溫度特性，如圖2-23所示。圖2-22圖2-233.2.1太陽電池結(jié)構(gòu)與工作原理太陽電池的特性太陽電池分類太陽電池根據(jù)材質(zhì)分類如下圖所示單晶硅太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率:15%-24%

特點:光電轉(zhuǎn)換效率高、

制作成本大使用壽命一般可達15年，最高可達25年。多晶硅太陽電池

光電轉(zhuǎn)換效率:約12%特點:制作工藝與單晶硅相似生產(chǎn)成本較低使用壽命比單晶硅太陽能電池短。非晶硅太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率:10%

特點:制作工藝比較簡單硅材料消耗少,電耗低在弱光條件下也能發(fā)電。多元化合物太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率:18%特點:光譜響應(yīng)廣泛調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)耐輻照性能強制備成本較高3.2.2MPPT控制電源輸出功率與輸出效率MPPT控制定義：最大功率點跟蹤（MaximumPowerPointTracking，簡稱MPPT）技術(shù)是光伏發(fā)電中的通用綜合性技術(shù)，以求高效應(yīng)用太陽能，涉及光伏陣列建模、優(yōu)化技術(shù)、電力電子變換技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)等。太陽電池的伏安特性曲線具有非線性的特性，在太陽電池輸出端接上不同的負(fù)載，其輸出電流不同，輸出的功率也會發(fā)生變化。將太陽電池伏安特性曲線上每一點的電流與電壓相乘，可以得到太陽電池功率-電壓特性曲線，如圖2-24所示圖

2-24太陽電池功率-電壓特性曲線3.2.2MPPT控制電源輸出功率與輸出效率MPPT控制例題：設(shè)電動勢為、內(nèi)電阻為的電源，給總電阻為R的外電路供電，如圖2-25所示。外電路的電阻R為何值時電源的輸出功率最大？電源的效率最高?圖

2-25全歐姆定律電路圖根據(jù)全歐姆定律，設(shè)回路電流為電阻R上得到的電壓降稱為端電壓，則電源的輸出功率電源輸出的總功率電源的效率3.2.2MPPT控制電源輸出功率與輸出效率MPPT控制例題：設(shè)電動勢為、內(nèi)電阻為的電源，給總電阻為R的外電路供電，如圖2-25所示。外電路的電阻R為何值時電源的輸出功率最大？電源的效率最高?圖

2-25全歐姆定律電路圖對于一個確定的電源，電動勢及內(nèi)電阻是一定的。當(dāng)R=r時，電源的輸出功率此時，電源的輸出功率最大。電源的輸出總功率為電源的效率3.2.2MPPT控制電源輸出功率與輸出效率MPPT控制例題：設(shè)電動勢為、內(nèi)電阻為的電源，給總電阻為R的外電路供電，如圖2-25所示。外電路的電阻R為何值時電源的輸出功率最大？電源的效率最高?圖

2-25全歐姆定律電路圖因此不能斷言，電源輸出功率最大的時候就是電源效率最高的時候。當(dāng)E、r確定以后，影響電源效率的主要因素就是外電路的電阻R。當(dāng)R>>r時這就說明，外電阻與內(nèi)電阻的比值越大，電源的效率就越高。3.2.2MPPT控制電源輸出功率與輸出效率MPPT控制MPPT控制的定義：最大功率點跟蹤（MPPT）是指實時測試太陽電池的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓值，使系統(tǒng)以最高的效率對蓄電池充電；MPPT控制系統(tǒng)的DC/DC變換的主電路采用Boost升壓電路。Boost變換器主電路如圖2-26所示，由開關(guān)管VT、二極管VD、電感L、電容C等組成。圖

2-26MPPT控制系統(tǒng)的DC/DC變換主電路3.3LED照明LED驅(qū)動電路圖2-27LED伏安特性曲線圖2-28LED光特性曲線LED是一種固體光源，在電氣特性上與普通二極管基本相似；發(fā)光原理是在PN結(jié)處有發(fā)光層，當(dāng)有電流流入時，電子和空穴結(jié)合釋放出光輻射。LED伏安特性曲線類似指數(shù)形式，如圖2-27所示。定義當(dāng)正向電壓超過閾值后，其微小波動就會引起正向電流的急劇波動。LED的光特性曲線被描述為電流的函數(shù)，如圖2-28所示。正向電流越大，LED的光通量越大，但卻不完全成正比。正向電流過弱會影響LED的發(fā)光強度，電流過強會影響LED的可靠性和壽命。3.3LED照明LED驅(qū)動電路LED驅(qū)動電路定義：LED驅(qū)動電路輸出參數(shù)（電流、電壓等）應(yīng)與被驅(qū)動的LED的技術(shù)參數(shù)相適應(yīng)，并具有恒流控制和限制電壓功能。在短路、斷路等故障狀態(tài)時，可以對驅(qū)動電路、LED有保護作用；同時，驅(qū)動電路工作時不會干擾其他元件的正常工作。（1）電阻限流驅(qū)動。（2）線性控制驅(qū)動。（3）開關(guān)恒流源驅(qū)動。種類3.4.1光伏控制器工作原理分類方案設(shè)計定義：光伏控制器是太陽能LED路燈系統(tǒng)中的核心部件之一。1.光伏控制器的基本原理如圖2-32所示，開關(guān)1和開關(guān)2分別為充電控制開關(guān)和放電控制開關(guān)。開關(guān)1閉合時，由光伏組件通過控制器給蓄電池充電；當(dāng)蓄電池出現(xiàn)過充電時，開關(guān)1能及時切斷充電回路，使光伏組件停止向蓄電池供電；開關(guān)1還能按預(yù)先設(shè)定的保護模式自動恢復(fù)對蓄電池的充電。2.當(dāng)蓄電池出現(xiàn)過放電時，開關(guān)2能及時切斷放電回路，蓄電池停止向負(fù)載供電，當(dāng)蓄電池再次充電并達到預(yù)先設(shè)定的恢復(fù)充電點時，開關(guān)2又能自動恢復(fù)供電。開關(guān)1和開關(guān)2可以由各種開關(guān)元件構(gòu)成，常見開關(guān)元件為固態(tài)繼電器等功率開關(guān)器件和普通的繼電器。圖2-32光伏控制器原理圖3.4.1光伏控制器工作原理分類方案設(shè)計（1）并聯(lián)型控制器（2）串聯(lián)型控制器分類：光伏控制器基本上可分為并聯(lián)型、串聯(lián)型、脈寬調(diào)制型和最大功率跟蹤型等?；诓⒙?lián)型控制器的系統(tǒng)組成基于串聯(lián)型控制器的系統(tǒng)組成3.4.1光伏控制器工作原理分類方案設(shè)計串、并聯(lián)控制器的檢測控制電路實際上就是蓄電池過、欠電壓的檢測控制電路，主要是對蓄電池的電壓隨時進行取樣檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果向過充電、過放電開關(guān)器件發(fā)出接通或關(guān)斷的控制信號。檢測控制電路原理如下圖所示。串、并聯(lián)控制器的檢測控制電路原理檢測控制電路原理3.4.1光伏控制器工作原理分類方案設(shè)計（3）脈寬調(diào)制型控制器（4）最大功率跟蹤型控制器最大功率跟蹤型控制器將太陽能的電池電壓U和電流I檢測后相乘得到功率P，然后進行尋優(yōu)，通過這樣尋優(yōu)過程可保證太陽能電池始終運行在最大功率點，以充分利用太陽能電池方陣的輸出能量。同時采用PWM調(diào)制方式使充電電流成為脈沖電流，以減少蓄電池的極化提高充電效率。分類：光伏控制器基本上可分為并聯(lián)型、串聯(lián)型、脈寬調(diào)制型和最大功率跟蹤型等。脈寬調(diào)制型（PWM）控制器電路原理3.4.1光伏控制器工作原理分類方案設(shè)計基于BQ24650的光伏控制器系統(tǒng)組成如圖2-37所示，太陽電池板輸出的直流電壓經(jīng)過輸入濾波進入降壓轉(zhuǎn)換電路，再經(jīng)過電流檢測及輸出濾波后，得到滿足負(fù)載需求的直流輸出電壓給蓄電池充電，完成能量的傳遞。輸入電壓，輸出電壓。控制器的核心器件是BQ24650，具體資料查閱器件手冊?？刂破鞯碾娐吩砣鐖D所示。太陽電池作為控制器的輸入，通過BQ24650對開關(guān)器件VT1和VT2進行控制，實現(xiàn)降壓變換其輸出經(jīng)過濾波后，對蓄電池進行充電。圖中R5、C1和R6構(gòu)成了輸入側(cè)的濾波電路，VD2和C5成了VT1的自舉電路；開關(guān)器件VT1和VT2及L構(gòu)成了典型的降壓變換電路。方案設(shè)計光伏控制器的系統(tǒng)組成基于BQ24650的光伏控制器電路3.4.1光伏控制器工作原理分類方案設(shè)計方案設(shè)計基于BQ24650的光伏控制器電路恒電壓法是最簡單的最大功率點跟蹤方法，BQ24650即是采取該方法實