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1、1设计依据主要参数1）输入电压：三相（AC） 380 （115%）、2）最大输出电流电压：（选下列一组数据进行设计）100A 0 100V3）功率因数：三0.72.可提供实验与仿真条件说明书格式1 课程设计封面;2 任务书；3 说明书目录；4 设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；5 单元电路设计（各单元电路图）；6 故障分析与电路改进、实验及仿真等。7 总结与体会；8 附录（完整的总电路图）；9 参考文献；11、课程设计成绩评分表目录目录第1章 概述11.1 电力电子技术的发展及应用领域11.2 高频开关电源的发展趋势2第2章 总体方案及原理32.1 总体原理32.2 总体方案3第3章
2、主电路设计53.1 主电路总体设计53.2 整流电路63.3 降压斩波电路73.4 控制及驱动电路设计8第4章 控制及驱动电路设计114.1 主控制芯片的详细说明114.2 驱动电路设计13 第5章 保护电路及设计145.1 主回路输出端过电流保护145.2 电源欠压报警145.3 IGBT的保护设计15 第 6 章 设计总结与体会17 附 录18 参考文献 19 评分表 20第1章 概述1.1电力电子技术的发展及应用领域现代电力电子技术的发展方向 ,是从以低频技术处理问题为主的传统电 力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子 技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流
3、器件 ,其发展先后经历了整流器 时代、逆变器时代和变频器时代 ,并促进了电力电子技术在许多新领域的应 用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代 表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电 子技术已经进入现代电力电子时代。1.1.1计算机高效率绿色电源计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害 的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据 美国环境保护署l992年6月17日“能源之星计划规定，桌上型个人电脑或 相关的外围设备,在睡眠状态下的耗电量若小于 30 瓦,就符合绿色电脑的要 求，提高
4、电源效率是降低电源消耗的根本途径。1.1.2通信用高频开关电源通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电 源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。1.1.3 电力有源滤波器电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置 ,能克服 传统 LC 滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。与传统开关电 源的区别是：(1)不仅反馈输出电压，还反馈输入平均电流；1.2 高频开关电源的发展趋势在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地 位。对于大型电解电镀电源,传统
5、的电路非常庞大而笨重,如果采用高频开关 电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节 省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术。 1.2.1 高频化理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与 供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz，提 高 400 倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的 5l0%。1.2.2 模块化模块化有两方面含义,其一指功率器件模块化,其二指电源单元模块化。1.2.3 数字化在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。现在数 字式信号、数字电路显得越来
6、越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示 出越来越多的优点：便于计算机处理控制、便于软件包调试和遥感遥测遥调, 也便于自诊断、容错等技术的植入。1.2.4 绿色化电源系统的绿色化有两层含义 ：首先是显著节电, 这意味着发电容量的 节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染； 其次这些电源不能(或少)对电网产生污染。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术 的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。电力电子技术的不断创新，使 开关电源产业有着广阔的发展前景。第 2 章 总体方案及原理2.1 总体原理直流斩波器(DC Chopper)是一种把恒定
7、直流电压变换成为另一固定电 压或可调电压的直流电压，从而满足负载所需的直流电压的变流装置。也称 为直接直流-直流变换器(DC/DC Converter)。它通过周期性地快速通、断， 把恒定直流电压斩成一系列的脉冲电压，而改变这一脉冲列的脉冲宽度或频 率就可实现输出电压平均值的调节。直流斩波器除可调节直流电压的大小外， 还可以用来调节电阻的大小和磁场的大小。直流传动、开关电源是斩波电路 应用的两个重要领域，前者是斩波电路应用的传统领域后者则是斩波电路应 用的新领域。直流斩波器的种类较多，包括6种基本斩波器：降压斩波器(Buck Chopper )、升压斩波器(Boost Chopper )、升降
8、压斩波器(Boost-Buck Chopper)、Cuk斩波器、Sepic斩波器和Ze ta斩波器，前两种是最基本的类 型。设计中采用降压斩波器(Buck Chopper)来改变直流电压大小。2.2 总体方案本设计中，输入三相( AC) 380 电压，最大输出最大电流电压分别为 100A , 100V,功率因数：三0.7。而直流斩波器可调节直流电压的大小，同 时斩控方式实现直流调压，功率因数高，谐波小，输出波形好。要求中输入 高电压输出低电压，故采用降压斩波器。斩控式直流调压电路设计中，首先将三相交流电转换成直流电(ACDC)， 再采用直流斩波方式，用占空比控制低压侧的电压. 其中用控制电路来
9、实现 IGBT管的通断，调节PWM波的输出来改变控制角a,从而调节占空比的大小, 进而来调节输出电压的大小。初步设想将总电路分为 3部分：主电路、控制电路、保护电路。 其中主电路又分为整流电路和斩波电路，整流电路采用三相不可控整流 形式，斩波电路采用IGBT进行控制的脉宽调制方式的降压斩波方式。控制电 路采用UC3842芯片来对IGBT的通断进行控制。图 2.1 总电路结构框图保护电路包括主电路中的过电压和过电流保护、IGBT的保护、电源欠电压保护。总电路的结构框图如图 2.1所示。第 3 章主电路设计3.1 主电路总体设计主电路的总电路图如图3.1所示，其中S1为总开关，为了方便电路的维 护
10、和检修，KM是继电器开关，当电压或电流过大时使电路有自保的功能。变 压器S选择“-Y”，这样连接可以避免3此谐波流入电网。经过3对二极 管整流后，三相交流电变为带有波头的直流电，使用电容 C 来滤波和稳压， 得到完美的直流电 。为了防止开关动作起始，电流过大对电网造成破坏，在整流电路后加一 个限流电阻R1，但考虑到此电阻在电路运行的过程中会消耗电路的电能，为图3.1主电路电路图3.2整流电路整流电路米用三相不可控整流电路，其功能是将三相交流电转变成直流 电作为直流斩波的输入电压。电路图如图3.2所示。整流电路的工作原理是:当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流 侧线电压中最大的一个，该线电
11、压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规律下降。图中电 容C起滤波的作用。图3.2整流电路图3.3 降压斩波电路降压斩波电路(Buck chopper)的原理图及工作形如图3.3所示。图中V 为全控型器件，选用IGBTD为续流二极管。当V处于通态时，电源Ui向负 载供电,U =U。当V处于断态时，负载电流经二极管D续流，电压U近似为D iD零，至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。负载电压的 平均值为：号给定WM朋逬信号放控制信疋口圧出J H77R二4 权ill信号给号调制并驱动输出1.1)式中：t为V处于通态的时间,ont为V处于断态的时
12、间,offT为开关周期，a为导通占空比，简称占空比或导通比(a=t /T)。on0+ L1UDP+厂R+(a)电路图(b)波形图门ULD图 3.3 降压斩波电路原理图及波形由此可知，输出到负载的电压平均值U最大为U,若减小占空比a,则OiU 随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。O本直流斩波电路作用是将直流电压转换为0至12V可调的直流电压，其工作原理是：当控制脉冲使V导通后，电容C开始充电，输出电压U加到负 0载 R 的两端，在电容 C 充电的过程中，电感 L1 内的电流逐渐增加，储存的磁场能量也逐渐增加，此时，续流二极管D因反向而截止，经过时间t后，当on控制信号使
13、V截止时，L1中电流减小，在L1两端的感应电动势使D导通，L1中储存的磁场能量通过续流二极管D传送给负载，当负载中电压低于电容C两端的电压时，C便向负载放电，经过时间t后，控制脉冲又使V导通。off 上述过程重复发生。3.4 主电路参数计算和元器件的选择3.4.1开关管 IGBT 的选择开关管 IGBT 的耐压值，当开关管截止时，续流二极管导通，稳压电源的 全部输入电压都加在开关管的集射极间，因此，开关管的耐压值 V 必须大CBO于前级整流电路的输出电压U，考虑到其他因素的影响，开关管集射级间电wi压U按下式选取：U 2.5U(1.2)wi当开关管导通时，负载电流及电容充电电流都通过开关管，因此开关管的集 电极电流必须大于负载电流，开关管的最大集电极I可由下式求得：BI = I + Jt(1.3)B 0 2 L off式中I为负载的电流，U为整流输出电压，t为开关管的截止时间。0 wi off3.4.2 续流二极管的选择当开关管截止时，续流二极管导通，滤波电感内存储的能量通过续流二 极管传输到负载由此可知，续流二极管的正向额定电流必须大于开关管的 最大集电极电流当开关管饱和时，集电极间的电压可以忽略不记，续流二 极管的耐压值必须大于前级整流电路的输出电压Uwi。电感的选取电感可以由下式求得：U -L =0 12f
