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1、电气工程及其自动化专业?电力电子技术?课程设计说明书 班级：电气141学号：1410060444姓名：朱宇恒设计时间：2022年12月19日至30日指导教师：陈荣盐城工学院电气工程系直流开关电源的设计一、设计目的1、了解一般电力电子技术设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法。2、培养独立工作的能力与创造力；综合运用专业及根底知识的能力，解决实际工程技术问题的能力。3、培养查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。二、 设计任务： 设计要求： 1、设计主电路及控制电路，要求主电路为：整流局部是变压器+单相桥式二极管，大电容滤波，DC/
2、DC变换局部是GTR降压变换器； 2、选择主电路所有图列原件，并给出清单，标注型号； 3、设计GTR驱动及控制电路； 4、绘制装置总体电路原理图，绘制电路所有点电压、电流及GTR、DL两端电压波形再图上标注A、B、C、.，然后将所有点波形汇总绘制； 5、课题仿真，编制设计说明书、设计小结。三、 主要技术参数技术参数：装置输入电源为单相工频电源，电压在160V270V之间变化，输入电压5V24V，输出电流5A，输出纹波电压50mV，工作频率f=4KHz。四、 设计内容主电路1、开关电源的根本原理开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比调整输出电压，开关
3、电源的根本构成如下图，DC-DC变换器是进行功率变换的器件，是开关电源的核心部件，此外还有启动电路、过流与过压保护电路、噪声滤波器等组成局部。反应回路检测其输出电压，并与基准电压比拟，其误差通过误差放大器进行放大，控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间，从而调整输出电压。其结构图如下图。2、 整流电路的选择整流是将交流电变成脉动直流电的过程。电源变压器输出的交流电经整流电路得到一个大小变化但方向不变的脉动直流电。整流电路是由具有单向导电性的元件例如二极管、晶间管等整流元件组成的。单相整流电路有两种：电容输入型电路和扼流圈输入型电路两种根本电路的比拟如下：(1)开关电源多采用脉
4、宽调制方式，空载时开关晶体管的导通时间非常短。其导通时间随开关电源的设计方法不同而异，也有采用控制开关晶体管电路的延时进行的间歇开关工作，这时，假设采用扼流圈输入型整流电路，接近空载时，扼流固变为临界值，逆流电路由扼梳阂输入型变为业为电容输入型。为此，从满载到空载变动时，整流输出电压变动较大，空载时有可能进入间歇开关领域。(2)开关电源的特点是效率高而体积小，假设使用扼流圈时，为提高负载调整率需要接入扼流圈以及阻尼电阻。(3) 扼流圈可能与次级侧滤波回路产生谐振。因此，开关电源的输入整流电路采用电容输入型。单相半波整流电路单相半波整流电路是最简单的整流电路如图(a)所示，仅利用一个二极管来实现
5、整流功能,其波形如图b所示。单相半波整流电路的输出电压平均值为：为变压器副边输出电压的有效值（a） 单相半波可控整流电路（b） 单相半波可控整流电路波形单相桥式整流电路单相半波整流电路的缺点是只利用了电源的半个周期，输出电流较小，同时整流电压的脉动较大。全波整流电路可以克服这些缺点，其中最常用的是单相桥式整流电路，它是由四个二极管接成电桥的形式构成的。可以看到，四个二极管分为两组，正负半周轮流导通，但负载上电流方向不变，此即为全波整流。单相半波整流电路如图a所示，其波形如图b所示。a 单相桥式整流电路b 单相桥式整流电路波形单相桥式整流电压的平均值为：为变压器副边输出电压的有效值,比半波整流输
6、出电压高。因此，整流电路选用单相桥式整流电路。当为正半周并且数值大于电容两端电压时，二极管和管导通，和管截止，电流一路流经负载，另一路对电容C充电。当，导致和管反向偏置而截止，电容通过负载放电，按指数规律缓慢下降。 当为负半周幅值变化到恰好大于时，和因加正向电压变为导通状态，再次对C充电，上升到的峰值后又开始下降；下降到一定数值时和变为截止，C对负载放电，按指数规律下降；放电到一定数值时和变为导通，重复上述过程。输出电压平均值：空载时，放电时间常数为无穷大，输出电压最大。整流电压平均值可根据前述波形及有关计算公式推导得出。空载时 重载时，R很小，电容放电很快，几乎失去储能作用。随负载加重，逐渐
7、趋近于，及趋近于电阻负载时的特性。 根据负载情况选择电容C值，使之T为交流电源的周期，此时输出电压为输出电流平均值IR为电容滤波的整流电路交流侧谐波组成规律：1、 谐波次数为基数。2、 谐波次数越高，谐波幅值越小。3、 与带阻感负载的单相全控桥整流电路相比，谐波与基波的关系是不固定的，RC越大，那么谐波越大，而基波越小。这是因为，RC越大，意味着负载越轻，二极管的导通角越小，那么交流侧电流波形的底部就越窄，波形畸变也越严重。4、 LC越大，那么谐波越小，因为串联电感L抑制冲击电流从而抑制了交流电流的畸变。3、 DC-DC变换 当GTR导通时，输入电压DC通过L向负载RL供电，与此同时也向电容C
8、1充电。在这个过程中，电容C1及电感L中储存能量。电感增加的磁通为：。当GTR截止时，由储存在电感L中的能量继续向RL供电，当输出电压要下降时，电容C1中的能量也向RL放电，维持输出电压不变。二极管VD1继续流二极管，以便构成电路回路。电感减少的磁通为：当到达平衡时由于占空比a1，所以，实现降压功能。4、 驱动电路的设计 GTR是第二代功率半导体器件,它克服了晶闸管不能自关断与开关速度慢的缺点,简化了变频传动和其它带逆变环节的交流器的换相,降低了体积,且可节能,是电力电子装置的关键器件,广泛地应用于载波器、稳压电源以及交直流电机调速领域。驱动的作用是使GTR可靠的开通与关断,设计基极驱动电路时
9、应考虑采用基极优化驱动方案。所谓优化驱动,就是以理想的基极驱动电流波形去控制GTR的开关过程。理想的基极电流波形从图可以看出优化驱动特性具有以下几点品质:1、 正向驱动电流的上升沿要陡,要有一定时间的过驱动电流,的数值选为准饱和基极驱动电流值的2倍左右,过驱动时间为几个Ls,以使GTR迅速开通,减小。2、 GTR被驱动后,其基极驱动电流应能自适应负载参数的变化,只要GTR处于正常工作状态下,基极驱动电路提供的基极电流都能保障GTR处于临界饱和状态,以减小基极损耗,缩短存储时间ts。3、 关断时,驱动电路能为GTR基极射极间提供一反向电流,以迅速抽取基区存储电荷,减小。关断初始电流一般为的23倍
10、,太大那么会产生基极电流的尾部效应,反而增加关断损耗,不利于GTR的关断,使其反向平安工作区减小,一般为正向驱动电流的2倍值或相等。由外施偏置形成此反向抽取电流时,其供电电压必须限制在GTR的以下,但要加足以防止GTR的反向导电。 根据上述GTR优良的驱动特性，设计出GTR驱动电路。 二极管VD2和电位补偿二极管VD3构成贝克箝位电路，也即一种抗饱和电路，负载较轻时，如发射极电流全注入V，会使V过饱和。有了贝克箝位电路，当V过饱和使得集电极电位低于基极电位时，会自动导通，使多余的驱动电流流入集电极，维持。为加速开通过程的电容。开通时，被短路。可实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。开
11、通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。 关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗，关断后同样应在基射极之间施加一定幅值6V左右的负偏压。GTR驱动电路保护问题 GTR 的保护一般是在驱动电路中实现对GTR的自保护。其保护电路的形式依赖于逆变器是电压源供电还是电流源供电。电流源逆变器易于实现负载短路保护,如发生短路现象时,可将所有晶体管开通,以最大限度地发挥电流承受能力,并且把可控整流桥拉入逆变,使存储在电感中的能量逆变回电网;实现开路保护那么很困难,必须设置电压钳位电路以限制dv/dt,并使尖峰电压值小于晶体管的击穿电压。电压型逆变器实现开路
12、保护容易,实现短路保护难度大些,一般是利用GTR可自关断的特点,故障一旦检出,就迅速关断GTR器件。一般认为GTR损坏的主要原因有:1、 瞬态过压。由于感性负载或布线电感的影响,GTR关断时会产生瞬态电压尖峰。瞬态过压是GTR二次击穿手主要原因,它的防护一般是给GTR并一RC或RCD网络,消除峰值电压,改善GTR开关工作条件。2、 过流。流过GTR的电流超过最大允许电流ICM时,可能会使电极引线过热而烧断,或使结温过高而损坏。检测过流信号是技术难点,检测到过流信号后,通常是关闭GTR的基极电流,利用GTR的自关断能力切断电路。3、 退饱和。GTR的电路中工作在准饱和状态,但也可因外部电路条件的
13、变化,使它退出了饱和区,进入了放大区,使得集电极耗散功率增大。退饱和与过流是2种不同现象。我们知道,GTR饱和的条件是IBIC/B。因此,即使IC没到达过流整定值,假设IB减小或B减小,也会产生退饱和现象。退饱和保护与过流保护相似。即在故障发生时,利用GTR的自关断能力切断电路。在一定条件下,退饱和保护可以取代过流保护。条件是退饱和保护比过流保护先动作。在桥式电路中,布线电感对逆变器的干扰很大,常常使逆变器不能工作,可采取以下两点措施:1、 加大直流侧滤波电容。2、 减短导线长度,尽量平和走线,把电流一进一出的导线绞在一起。5、 控制电路 脉宽宽度调制式PWM开关型稳压电路是在控制电路输出频率
14、不变的情况下，通过电压反应调整其占空比，从而到达稳定输出电压的目的。 脉宽调制PWM根本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规那么对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交直交变频器中，PWM逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。五、 电路仿真及
15、其波形1、MATLAB电路仿真图2、波形图五、设计小结 为期两周的课程设计将要结束了。在这两周的学习中，我学到了很多，也找到了自己身上的缺乏。感受良多，获益匪浅。这次的课程设计对于我来说有着深刻的意义。这种意义不光是自己能够独立完成了设计任务，更重要的是在这段时间内使自己深刻感受到设计工作的那份艰难。这次课程设计不仅培养了我们独立思考、动手操作的能力，而且在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅！面对困难我们要不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。 通过这次课程设计，使我懂得了理论与实际相结合的重要性。在今后的学习生活中，我们要更加注重理论与实践的结合。五、参考文献1、?直流开关电源的软开关技术? 阮新波 严仰光编著，科学出版社； 2、?电力电子技术? 丁道宏主编，航空工业出版
