1、附表 2四川师范大学工学院毕业论文开题报告学生姓名 阿加阿木 学生学号论文题目 高效直流电能变换电路设计与控制1、选题背景（含国内外相关研究综述及评价）与意义。电力电子技术的核心是电力电子元器件技术。电力电子元器件的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。20 世纪 80 年代末期和 90 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。今后，电力电子元器件技术将由半控型、全控型器件进入全新的智能型时代。其表现是，一方面原有各新型电力
2、电子器件额定参数不断提高；另一方面电力电子技术与微电子技术进一步结合，使电力电子器件朝着大容量、智能化方向迅速发展。进入 20 世纪 80 年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率 M0SFET 的问世，导致了中小功率电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET 和 IGBT 的相继问世，是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。至今，功率 MOSFET 和 GTR 在功率半导体器件市场上已达
3、到平分秋色的地步，而用 IGBT 代替 GTR 在电力电子领域已成定论。电力电子技术的特征是高效和节能，而其主因是功率电子器件一般工作在较理想的开关状态。电力电子技术的不断突破和发展都是围绕着各种新型功率电子器件的诞生和完善进行的，一代电力电子器件带动一代电力电子技术应用。近年来，英飞凌(Infineon) 公司推出 OptiMOS FD 200 V 和 250V。最新一代的 Power 金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)专为本体二极体硬式整流最佳化所设计，不仅提高产品耐用度、降低电压尖波，还能降低逆向回复电荷(Qrr)损失，进而提高系统可靠度。产品适用于电信系统、工业用电源供应器、D
4、 类音频放大器、 48-110V 马达控制系统及直流对交流(DC-AC)变频器等硬式切换应用方面。随着 OptiMOS FD 系列推出，英飞凌将持续提升切换效能。新一代的 Power MOSFET 协助客户省下工程设计上的成本及时间，尤其是硬式整流等应用方面。最新 OptiMOS FD 提升了硬式整流的耐用度，可用于更严格的需求，dV/dt、dl/dt 和电流密度都优于目前市场上的 200 伏特和250 伏特技术，因此使用更方便，并可简化设计流程；同时，比起其他同类装置减少45%的导通电阻(RDS(on)和 65% 的优值系数(FOM) ，效率及功率密度皆获提升。当前节能减排引起了国际社会广泛
5、的重视。京都议定书即将到期，国际社会正在努力，争取尽早达成新的减排协议。美国新政府一反上届政府的立场，积极斡旋于国际社会，宣传美国限制排放新构思。美国新政府将可持续能源和 Smart Gird 作为本届政府的重要任务，也作为美国走出经济危机的法宝之一。中国作为发展最迅速的新经济体，在引起国际社会赞赏和关注的同时，面临减排的国际压力日益加强。中国政府高瞻远属，先后出台了一系列节能减排、发展可持续能源的政策。我国风力发电发展迅速，2008 年我国风电新装机 630 万 kW，居世界第 2 位；2008 年我国累计风电装机达 1200 万 kW，居世界第 4 位。2009 年初财政部出台的光伏扶助政
6、策，旨在推动我国光伏发电的应用，促进光伏产业链的健康发展。该政策的推动下，我国光伏产业正在经历从单纯的以光伏组件为主产业，向从材料、元件、组件、光伏发电应用产品等整个产业链的过渡。电力电子作为新能源发电装置的重要组成环节，迎来了重大的发展机遇，将成为今后 10-20 年电力电子技术发展的主要的发动机。过去，电力电子的主要服务对象是用电设备，如计算机电源、通讯电源、UPS、工业电源、变频器，而今后，电力电子除在传统领域继续发挥作用外，将广泛服务于新能源发电、输电、配电。因此，发展高效的电力电子技术对未来的新能源系统和智能电网建设带来重要的研究价值和发展机遇。在包括风力发电、光伏发电、燃料电池发电
7、等新能源系统中，直流环节中的直流升降压电路和系统是一个重要的电能转换环节，用于衔接新能源系统与外部的公用电网系统。本课题将从高效直流电能转换的角度出发，设计一个具有高运行效率的直流电能变换电路，并完成电能变换控制方法设计，从而为实际新能源系统中的高效直流电能转换操作提供一定的研究基础和技术参考。2、选题研究的方法与主要内容。设计一个具有高运行效率的直流电能变换电路，并完成电能变换控制方法设计。其主要的研究内容如下：1. 选择低压大电流功率开关器件结合功率二极管的伏安特性，在外加正向电压情况下，二极管在 0.5 V 左右开始导通，有微弱的正向电流 IF 流过。随着正向电流 IF 的增大，功率二极
8、管的正向压降也逐渐增大。由于功率二极管通常工作于大电流状态，在电流值达到额定电流时，其工作压降一般在 1.02.0 V 之间。以工作电流 100 A 为例，则其储能回路自身等效电阻的功率损耗至少为 100200 W，而可控功率开关管的等效通态电阻已经可以达到 1 m级别，其通态功率损耗约为 10 W。因此，在低压大电流工作场合的前提下，采用可控功率开关管代替功率二极管可以在很大程度上减小储能回路的功率损耗，提高系统的放电效率。现以英飞凌（Infineon ）公司的 N 沟道 MOSFET 管IPB009N03L 为例，来说明两者的通态损耗差异。取室温条件下，通态电流为 100 A，MOSFET
9、 门级驱动电压为 10 V，则两者的通态损耗情况是：二极管的功率损耗约为 75 W； MOSFET 的功率损耗约为 7.5 W。- 3 -2. 设计升降压型直流斩波器，包括强电操作硬件电路和弱电监控硬件电路U L C RS 1D 2图 1：传统的升降压型直流斩波器U L C RS 1 S 2D 1 D 2图 2：改进后的升降压型直流斩波器图 3：数字化控制芯片 SG35253. 利用数字化控制方法，对所设计的直流斩波器进行电能变换控制为实现对上述功率电子开关器件进行控制，实现电感线圈的能量吸收、储存与释放，控制电路采用数字化方案定义不同系统工作状态。引入一种把升降压型直流斩波电路“数字化”的概
10、念，用以简化分析主电路的工作流程，可为高效的、高稳定性的控制效果奠定了一定的基础。以“0”和“1”表示 2 个功率开关的逻辑状态，“00 - 11”为 S1-S2 的逻辑状态组合。具体流程如下：(1) 复位状态（00）到充电状态（ 10）：“0010” ，闭合 S1，电源 U、S 1 和 L形成充电回路；(2) 充电状态（10）到放电状态暂态（00）：“1000” ，断开 S1，负载 R、D 2和 L 形成放电回路；(3) 放电状态暂态（00）到放电状态稳态（01）：“0001” ，闭合 S2，负载R、S 2 和 L 形成放电回路；(4) 放电状态稳态（01）到放电状态暂态（00）：“0100
11、” ，断开 S2，负载R、D 2 和 L 形成放电回路；(5) 放电状态暂态（00）到充电状态（ 10）：“00 10” ，闭合 S1，电源 U、S 2和 L 形成放电回路。3、研究条件和可能存在的问题。研究条件：现已有二象限直流斩波器和四象限直流斩波器的设计基础，并具备弱电控制芯片和相关器件的实验测试条件。可能存在的问题：在电路设计过程中，由于缺乏对大电流 MOSFET 的实验测试结果，会对本课题所涉及的运行效率计算产生一定的影响。解决的方案如下：根据产品手册的技术参数，进行一定的数值化仿真获得接近真实值的数据。4、拟解决的主要问题和预期的结果。拟解决的主要问题：大电流应用场合下的高效直流电能变换问题，及直流斩波器数字化控制问题。预期的成果：1) 完成升降压型直流斩波器的硬件电路设计方案；2) 完成升降压型直流斩波器的数字化软件控制方案；3) 完成撰写毕业论文。- 5 -5.指导教师意见。指导教师签名： 20 年 月 日6、教学单位意见。教学单位负责人签名（公章）：20 年 月 日
