电力电子报告

《电力电子报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力电子报告（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、一、引言1二、设计任务1三、设计方案选择及论证2四、总体电路设计2五、功能电路设计4六、电路制作与焊接8七、调试与总结11八、参考文献14九、总体原理图附图15单相单极性DC-AC逆变电源的设计一、引言现代逆变技术是一门实用技术，随着电力电子技术的高速发展，大量高功率开关 器件相继出现，可以满足各行各业对逆变技术的需求，逆变技术的应用领域越来 越广泛，逆变电源的应用深入到各个领域。在已有的各种电源中，蓄电池、干电 池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆 变电路。另外，交流电动机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电 子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都

2、是逆变电路。DC-AC逆变器是应用功率半导体器件，将直流电能转换成恒压恒频交流电能的一 种静止交流装置，供交流负载用电与交流电网并联发电。传统的逆变器开关频率 较低，波形改善以多重叠为主，体积重量较大，逆变效率低。逆变器发展到现在 为高频化新技术阶段，脉宽调制(PWM)波形改善技术更为纯熟，使其体积重量 小、逆变效率高。今后，随着工业和科学技术的发展，对电能质量的要求越来越高，包括市电在内 的原始能量的质量可能满足不了设备的要求，必须经过电力电子装置的变换后才 能使用，而DC-AC逆变技术在这种变换中将起着非常重要的作用。另外，这种能 量的变换对节能、减小环境污染、改善工作条件、节省原材料、降

3、低成本和提高 产量等方面均有着很大的贡献。二、设计任务设计任务：采用单极性控制方式，设计一单相DC-AC逆变电源。设计指标：(1)输入直流电源：DC18-24V；(2 )输出交流：频率为50Hz，THD (总体谐波失真)不大 于5%， 输出额定电流为1A。设计内容及应完成的工作：(1) 完成主电路的设计，输出滤波器的设计，器件的选型；(2) 完成驱动电路、检测电路和保护电路的设计；(3 )完成辅助电源的设计，要求提供DC15V驱动电源和5V控 制电源；(4)完成控制电路的设计，包括单极性SPWM脉冲的实现；(5)制作驱动和主电路；(6 )利用提供的控制信号，完成单相单极性DC-AC逆变的驱动

4、和主电路和调试。三、设计方案选择及论证本系统整机电路采用单片机PIC16F876作为主控芯片，其他部分包括主电 路模块、驱动电路模块、检测电路模块、保护电路模块、辅助电源模块等。以下 为关键模块的方案选择及论证。1、主电路模块方案一：采用电力MOSFET搭建。电力MOSFET用栅极电压来控制漏极电流， 是单极型晶体管。它的显著特点是驱动电路简单、驱动功率小。另外，电力MOSFET 开关速度快、工作频率高，且其热稳定性较好。方案二：采用IGBT (绝缘栅双极晶体管)搭建。IGBT是双极型电流驱动器 件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较慢，所需驱动功率 大，驱动电路复杂。本课程设

5、计为了简化驱动电路，主电路选择采用电力MOSFET搭建即可很好 地满足要求。2、驱动电路模块驱动电路可以采用单电源的自举式供电芯片，如IR2103、IR2117等，但芯 片IR2107无死区时间，且一个芯片只能驱动一个电力MOSFET管，无法很好地实 现本电路的功能，故驱动电路选择采用芯片IR2103。3、辅助电源模块可以实现辅助电源的方案有多种，例如反激变换器、正激变换器 BUCK-BOOST 电路等。正激变换器一般用在功耗较大的辅助电源中，反激电路工作的电路则功 耗较小，一般为几十瓦。四、总体电路设计电路的总体硬件框图如下：辅助电源57辅助电源帖V检测电路FWM1PWM2主控芯片PIC16

6、F87616V8PWM3PWIV4驱动电路主电路PWM滤波电路输 岀 接 口保护电路总体电路框图说明：总体电路框图主要由控制电路、电压检测电路、滤波电路、保护电路、驱动 电路、主电路等组成。在本课题的电力电子系统中，需要检测主电路中或者应用现场的的信号，再 根据这些信号并按照系统的工作要求来形成控制信号。主电路中电压和电流一 般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控 制电路连接的路径上，如驱动电路和主电路的连接处，或者驱动电路和控制信号 的连接处以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离。另外，在 主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件（如电力MO

7、SFET） 般比 普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电 路和保护电路中要附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统 可靠运行。系统采用低功耗、高性能的芯片PIC芯片16F876作为核心处理器；主电路 采用MOSFET搭建；驱动电路考虑到高边驱动和低边驱动的情况，采用单电源的 自举式供电芯片IR2103。系统采用PWM （脉冲宽度调制）技术，即通过对一系列 脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。五、功能电路设计1、辅助电源设计辅助电源U1U2GNDGND辅助电源的电路原理图本课题辅助电源分别设计为15V、5V,其中15V给驱动电路供电，5V给

8、控制 电路的主控芯片供电。15V的辅助电源以三端稳压器LM7815CT为核心，将输出 电压稳定在15V。5V的辅助电源以LM7805CT为核心，将输出的电压稳定在5V。2、控制电路设计系统控制电路以芯片PIC16F876为核心处理器。PIC16F876是一种低功耗、 高性能的微控制器。其内部采用RISC精简指令集、哈佛总线结构及流水线执行方式，抗干扰 能力强；除程序分支指令为2个周期外，其余均为单周期指令；8K x14个FLASH程序存储器，368 x 8个数据存储器字节；中断能力强，达到14个中断源；外围功能模块丰富，具有PWM功能；-内部含有3个定时器；等。VCC系统上电后单片机利用内部的

9、CCP模块在RC2 口输出正弦信号频率从 25Hz、调制度从0.26开始向上增加的SPWM波，经过一段时间系统初始化结束， SPWM信号通过保护电路等控制驱动信号，进而控制逆变电路H桥的工作，可以 根据调节频率和幅值变换，也可通过闭环的控制使电路工作于高效率的状态。控制电路K0_L*C1410uFDJ414(I1OK10GND-IonXTAL1已X丄819 RC0/T1.OSO/T1.CKIRBO/INTRC1/T1OSL;CCP2RBIRCZ-CCPlRB2 RC3/SCK/SCLRB3.-TGMRC4/SDL;SDAKB斗RC5/SD0RB5 RC6xTX-CKRB 6/PGC 0SC1/

10、CLKINRAO/ANOOSC2CLKOUTRAHANLRA2fAN2,VREFMCLRWPRA3/AN3AREF+vssRA4.-T0CKI K5/AN4/SSvssVDDU3PIC16F876-WSP20 5VSPWXI23 EPWM34 SPE4GNDGND控制电路原理图3、检测电路设计检测电路主要利用分压原理，电路原理设计图中R1为固定电阻，R2为可调 电阻，通过调制电阻R2的阻值即可改变输出端的电压值。例如，若输入端加上 30V的电压，R1为lk,若获要得5V的输出电压，则需将R2调为5k。电路中电 容C9为O.luF,起稳压的作用。电压检测电路VCCR115K检测电路原理图R24、

11、驱动电路设计岐动的情况,对于单相仝桥电路,应该保证上下 电源的自举式供电芯片IR2103。力MOSFET的栅源极之间有数千皮法左右的极驱动电路考虑到高边驱动和低边驱 管不出现直通，因此本设计采用单电力MOSFET是电压型驱动器件，电*间电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻。使电力MOSFET开通的栅源极极间驱动电压一般取10-15V。同样，关断时施加一定幅值 的负驱动电压，有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻可以 减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。下图驱动 电路的原理图中R5、R6、R12、R13即为栅极电阻，本设计中经过论证调试

12、最终设计为三十几欧姆，即满足设计要求。驱动电路SPWNI3驱动电路原理图5、主电路设计主电路用电力MOSFET QI、Q2、Q3、Q4搭建，采用单相桥式电压型逆变电路实 现单相单极性控制。工作时QI、Q2的通断状态互补，Q3、Q4的通断状态也互补。在输出电压的正半 周，让Q1保持通态，Q2保持断态，Q3、Q4交替通断。输出负载电压可以得到正 直流电压及零两种电平。在输出电压的负半周，让Q2保持通态，Q1保持断态， Q3、Q4交替通断。负载电压可以得到负直流电压及零两种电平。调配信号波为 正弦波，载波在正半周为正极性的三角波，在负半周为负极性的三角波，所得到 的PWM波形在半个周期内只有一种极性

13、，该控制方式称为单极性PWM控制技术。主电路11i1.132-T-A1即CI斗1dI过流保护U HZ!Daw=oa4LA 口孩心1HZ 0 CUiwiSiMC ofrrr主电路原理图六、电路制作与焊接PCB图的制作：在本次课程设计中，我主要负责PCB图的绘制。绘制PCB图其实需要考虑的因素有很多。各个元器件导入PCB时并不是独立存在 的,它们之间有着各种各样的联系，不可能把它们按自己的想法随处乱放。因此 之前就要了解各个元器件的功能，如电容、二极管、电阻的作用。另外，绘制 PCB时还要结合老师所发的板子，合理放置元器件。元器件的封装也是一个难题, 一定要综合导线宽度及功能等多种因素合理选取封装

14、，才可使板子更漂亮。当然，在绘制过程中出现了很多问题，例如修改原理图放置网络标签时没有放置 准确，直接导致PCB图有一部分引线没有导入进去。还有电路必须实现有效接地。 本设计中要求导线宽度为80T00mil,相对较粗，因此器件布局更应谨慎。电路的PCB图：C7katC-1 -41：- K1 .：e：L：7Lcz-验 。頁丘IP 0 1 口i I电路的焊接：设计工作及电路原理图、PCB图的绘制完成之后经指导老师审查即可进行焊接工作。正式焊接之前应根据PCB的器件布局和布线规划，保证控制电 路的制作质量，并兼顾美观和调试的便利。焊接时注意：焊接时集成芯片都只是将IC官做呢焊在板子上，调试时，将芯片插在管座上即 可进行调试。对于要测试的管脚可以用单独的引线连起来，以便示波器调试。焊接时管脚留长 一些，便于拆卸和移动。电路制作实物展示：（正面）（背面）七、调试与总结1、调试过程：板子焊接好后即可进行调试。调试时向老师领取驱动芯片IR2103插在所焊接的管座上；通过老