1、电力电子技术课程设计报告LED 照明台灯的设计指导教师： 学 生：学 号：专 业： 班 级： XX 大学自动化学院2009 年 12 月课程设计指导教师评定成绩表优秀(100x90)良好(90x80)中等(80x7 0)及格(70x60)不及格(x60)项目 分值参考标准 参考标准 参考标准 参考标准 参考标准评分学习态度 15学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务学习马虎，纪律涣散，工作
2、作风不严谨,不能保证设计时间和进度技术水平与实际能力25设计合理、理论分析与计算正确，实验数据准确，有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献引用、调查调研比较合理、可信设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，有一定的实际动手能力，主要文献引用、调查调研比较可信设计基本合理，理论分析与计算无大错，实验数据无大错设计不合理，理论分析与计算有原则错误，实验数据不可靠，实际动手能力差，文献引用、调查调研有较大的问题创新 10有重
3、大改进或独特见解，有一定实用价值有较大改进或新颖的见解，实用性尚可有一定改进或新的见解有一定见解观念陈旧论文(计算书、图纸)撰写质量50结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰结构合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图纸比较工整、清晰结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较工整内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不
4、清晰指导教师评定成绩：指导教师签名： 年 月 日自动化学院 2007级自动化专业电力电子技术课程设计任务书一、课程设计的教学目的和任务电力电子技术是研究利用电力电子器件、电路理论和控制技术，实现对电能的控制、变换和传输的科学，其在电力、工业、交通、通信、航空航天等很多领域具有广泛的应用。电力电子技术不但本身是一项高新技术，而且还是其它多项高新技术发展的基础。因此，提高学生的电力电子领域综合设计和综合应用能力是教学计划中必不可少的重要一环。通过电力电子技术的课程设计达到以下几个目的：1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用 Intel 网检索需要的文献资料。2、培养学生综合分析问题、发现问题和
5、解决问题的能力。3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。4、提高学生的电力电子装置分析和设计能力。5、提高学生课程设计报告撰写水平。二、课程设计的基本要求1. 教师确定方向，在教师的指导下，学生自立题目注意事项： 所立题目必须是某一电力电子装置或电路的设计，题目难度和工作量要适应在一周内完成，题目要结合工程实际。学生也可以选择规定题目方向外的其他电力电子装置设计，如开关电源、调光灯、镇流器、UPS 电源等，但不允许选择其他班题目方向的内容设计（复合变换除外）。 通过图书馆和 Intel 网广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计题目。自立题目后，首先要明确自己课
6、程设计的设计内容。要给出所要设计装置（或电路）的主要技术数据（如输入要求，输出要达到的目标，装置容量的大小以及装置要具有哪些功能）。如：直流电动机调压调速可控整流电源设计主要技术数据输入交流电源：三相 380V 10% f=50Hz直流输出电压：0220V50220V 范围内，直流输出电流额定值 100A直流输出电流连续的最小值为 10A设计内容：整流电路的选择整流变压器额定参数的计算晶闸管电流、电压额定的选择平波电抗器电感值的计算保护电路的设计触发电路的设计画出完整的主电路原理图和控制电路原理图列出主电路和控制电路所用元器件的明细表2. 在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和
7、创造性的思维方式以及创造能力。要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。具体电路元器件的选择应有计算和说明。课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过刨析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。（注意：所确定的主电路方案如果没有论证说明，成绩不能得优；设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于 5 篇，且文中有引注，否则也不能得优）。3. 在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力。要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路和控制电路等详细的
8、设计（包括计算和器件选型），严禁抄袭。4. 课题设计的主要内容是主电路的设计，主电路的分析说明，主电路元器件的计算和选型，以及控制电路设计。5. 课题设计报告要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。三、课程设计的工作计划课程设计时间 6 天。第 1 天上午，指导教师向学生讲授课程设计的目的、任务、设计方法和注意事项。第 1 天下午和第 2 天学生到图书馆和 Intel 网上按照指导教师的要求查找所需要的文献，并在阅读分析中确定自己的研究题目、技术数据和设计内容，交指导教师审阅。第 3 天学生的主要任务是确定方案。第 4 天和第 5 天上午，学生的任务是综合所学知识，进行主电路和控制电路的设计。第 5
9、 天下午和第 6 天学生的主要任务是撰写课程设计报告。四、各班的题目方向4 班题目方向：可控整流技术的工程应用（AC-DC）5 班题目方向：交流调压或交流调功技术的工程应用（AC-AC）或无源逆变技术的工程应用（DC-AC）6 班题目方向：直流斩波技术的工程应用（DC-DC）目 录1 引言.11.1 照明 LED 的优势.11.2 LED 目前的发展现状.22 电源设计的基本要求.23 电路总体方案的设计和相关原理.23.1 整流部分.23.1.1 整流原理.23.1.2 晶闸管的原理及分析.33.2 驱动部分.43.3 保护部分.53.3.1 晶闸管的保护.53.3.2 驱 动 电 路 和
10、晶 闸 管 连 接 的 保 护 .5 4 主电路设计及参数计算.64.1 主电路的设计框架.64.2 整流电路的选择.64.3 主电路的模态析.74.4 主电路的参数计算.84.4.1 基本计算过程.84.4.2 详细参数列表.85 驱动电路设计.96 课程设计总结.9参考文献.91 引言1.1 照明 LED 的优势目前广泛用于家庭、学校和政府照明的为荧光灯和白炽灯。白炽灯其耗电较多，内含汞蒸汽，灯管易碎，安全性差，一旦碎裂，对环境和人体有很大危害；荧光灯发光光谱不集中，含有大量紫外线等不可见光，不但降低了照明效率，而且紫外线加速皮肤、纸张、文物等的老化；荧光灯必需的启辉器和镇流器会产生电磁和
11、噪声污染，降低电网供电质量，增加照明环境污染。LED 是 由 - 族 化 合 物 ， 如 GaAs（ 砷 化 镓 ） 、 GaP（ 磷 化 镓 ） 、GaAsP（ 磷 砷 化 镓 ） 等 半 导 体 制 成 的 ， 其 核 心 是 PN 结 。 因 此 它 具 有 一 般 PN结 的 I-N 特 性 ， 即 正 向 导 通 ， 反 向 截 止 ， 击 穿 特 性 。 此 外 ， 在 一 定 条 件 下 ， 它还 具 有 发 光 特 性 。 在 正 向 电 压 下 ， 电 子 由 N 区 注 入 P 区 ， 空 穴 由 P 区 注 入 N区 。 进 入 对 方 区 域 的 少 数 载 流 子 （
12、 少 子 ） 一 部 分 与 多 数 载 流 子 （ 多 子 ） 复 合 而发 光 。LED 是由超导发光晶体产生超高强度的灯光，采用电场发光，效能极高，发出的热量很少，不像白炽灯那样以热量形式浪费太多电量；LED 的光谱几乎全部集中于可见光频段，发光效率可达8090，不像荧光灯那样因消耗高能量而产生有毒气体；LED 属于全固体冷光源，体积小，结构坚固，工作电压低，不像霓虹灯那样要求高电压而容易损坏，是全球公认的环保节能型光源。与传统的灯泡比起来，用 LED 照明具有很多优势：其点亮无延迟，响应时间更快，传统玻壳灯泡则有0.3秒的延迟；发光纯度高，无需灯罩滤光，光波长误差在10纳米以内；发光热
13、量很小，对灯具材料的耐热性要求不是很高；光束集中，更易于控制，且不需要用反射器聚光，有利于减小灯具的深度，耗电量低，达到传统灯泡同等的发光亮度时，耗电量仅为传统灯泡的6%；超长寿命，无灯丝结构不发热，正常使用在6年以上.1.2 LED 目前的发展现状当 前 全 球 能 源 短 缺 的 忧 虑 再 度 升 高 的 背 景 下 ， 节 约 能 源 是 我 们 未 来 面 临 的重 要 的 问 题 ， 在 照 明 领 域 ， LED 发 光 产 品 的 应 用 正 吸 引 着 世 人 的 目 光 ， LED作 为 一 种 新 型 的 绿 色 光 源 产 品 ， 必 然 是 未 来 发 展 的 趋 势
14、 ， 二 十 一 世 纪 将 进 入 以LED 为 代 表 的 新 型 照 明 光 源 时 代 。中 国 LED 产 业 起 步 于 20世 纪 70年 代 。 经 过 30多 年 的 发 展 ， 中 国 LED 产 业已 初 步 形 成 了 包 括 LED 外 延 片 的 生 产 、 LED 芯 片 的 制 备 、 LED 芯 片 的 封 装 以及 LED 产 品 应 用 在 内 的 较 为 完 整 的 产 业 链 。 在 “国 家 半 导 体 照 明 工 程 ”的 推动 下 ， 形 成 了 上 海 、 大 连 、 南 昌 、 厦 门 、 深 圳 、 扬 州 和 石 家 庄 七 个 国 家
15、半 导 体照 明 工 程 产 业 化 基 地 。 长 三 角 、 珠 三 角 、 闽 三 角 以 及 北 方 地 区 则 成 为 中 国LED 产 业 发 展 的 聚 集 地 。目 前 ， 中 国 半 导 体 照 明 产 业 发 展 向 好 ， 外 延 芯 片 企 业 的 发 展 尤 其 迅 速 、 封装 企 业 规 模 继 续 保 持 较 快 增 长 、 照 明 应 用 取 得 较 大 进 展 。 2007年 中 国 LED 应用 产 品 产 值 已 超 过 300亿 元 ， 已 成 为 LED 全 彩 显 示 屏 、 太 阳 能 LED、 景 观 照 明等 应 用 产 品 世 界 最 大
16、的 生 产 和 出 口 国 ， 新 兴 的 半 导 体 照 明 产 业 正 在 形 成 。 国 内在 照 明 领 域 已 经 形 成 一 定 特 色 ， 其 中 户 外 照 明 发 展 最 快 ， 已 有 上 百 家 LED 路灯 企 业 并 建 设 了 几 十 条 示 范 道 路 ， 但 在 室 内 通 用 照 明 市 场 方 面 仍 显 落 后 。但 随 着 国 际 能 源 短 缺 的 进 一 步 加 剧 ， 以 照 明 LED 为 代 表 的 节 能 环 保 产 品 已 进入 了 千 家 万 户 ， 为 我 们 一 个 个 夜 晚 点 亮 光 明 。2 电源设计的基本要求输入参数：交流输
17、入电压：AC220V；输入电压变动范围： 10%；输入频率：50Hz输出参数：输出直流电压：3.6V；输出直流电流最大值：3.2A3 电路总体方案的设计和相关原理3.1 整流部分3.1.1 整流原理在电力电子方面：将交流电变换为直流电称为 AC/DC 变换，这种变换的功率流向是由电源传向负载，因此称之为整流。整流电路是利用二极管或晶闸管的单向导电性将正负变化的交流电压变为单向脉动电压的电路。在交流电源的作用下，整流器件周期性地导通和截止，使负载得到脉动直流电。在电源的正半周，器件导通；在电源电压的负半周，器件处于反向截止状态，承受电源负半周电压，负载电压几乎为零。因此整流电路一般需多个二极管或
18、晶闸管相互配合使用以得到所需的稳定直流。常用的整流电路有：单相桥式全控整流电路，单相桥式半控整流电路以及三相桥式全控整流电路。本文采用的是单相桥式半控整流电路。其电路及工作曲线如下图1，2所示：idOEudwtIdO wta q da)T ab RLOb)u2i2 ud idVT1 VT2VDVD4 VDRu2Oudid IdOOOOOi2 IdIdId Id Id ttttttt iVT1iD4iVT2iD3iVDR图1 图2假设负载中电感很大，且电路已工作于稳态。在 u2 正半周，触发角 处给晶闸管 VT1加触发脉冲，u2经 VT1 和 VD4 向负载供电。u2过零变负时，因电感作用使电流
19、连续，VT1继续导通。但因 a 点电位三低于 b 点电位，使得电流从 VD4转移至 VD2，VD4关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是由 VT1 和 VD2 续流。此阶段，忽略器件的通态压降，则 ud=0,不像全控桥电路那样出现 ud为负的情况。在 u2负半周触发角 时刻触发 VT3，VT3 导通，则向 VT1 加反压使之关断，u2经 VT3 和 VD2 向负载供电。u2过零变正时，VD4 导通， VD2 关断。VT3 和 VD4续流，ud 又为零。此后重复以上过程。交流电在经过整流电路后就变为直流。3.1.2 晶闸管的原理及分析晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅
20、整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电器公司开发出世界上第一晶闸管产品，并于1958年使其商业化；晶闸管是 PNPN 四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极；晶闸管工作条件为：加正向电压且门极有触发电流；其派生器件有：快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示（旧标准中用字母“SCR”表示）。晶闸管是一种开关元件，顾名思义他的名字里面有一个闸字也就是门，开关的意思，他广泛的应用在各种电路，以及电子设备中。晶闸管是典型的小电流控制大电流的设备，他通过一个电流很小的脉冲触发晶闸管处于导通状态此时他的电阻
21、变得很小相当于一跟导线。晶 闸 管 具 有 硅 整 流 器 件 的 特 性 ， 能 在 高 电 压 、 大 电 流 条 件 下 工 作 ， 且 其 工作 过 程 可 以 控 制 、 被 广 泛 应 用 于 可 控 整 流 、 交 流 调 压 、 无 触 点 电 子 开 关 、 逆 变及 变 频 等 电 子 电 路 中 。 晶 闸 管 T 在 工 作 过 程 中 ， 它 的 阳 极 A 和 阴 极 K 与 电 源和 负 载 连 接 ， 组 成 晶 闸 管 的 主 电 路 ， 晶 闸 管 的 门 极 G 和 阴 极 K 与 控 制 晶 闸 管的 装 置 连 接 ， 组 成 晶 闸 管 的 控 制
22、电 路 。晶 闸 管 的 工 作 条 件 ：1. 晶 闸 管 承 受 反 向 阳 极 电 压 时 ， 不 管 门 极 承 受 何 种 电 压 ， 晶 闸 管 都 处 于关 断 状 态 。2. 晶 闸 管 承 受 正 向 阳 极 电 压 时 ， 仅 在 门 极 承 受 正 向 电 压 的 情 况 下 晶 闸 管才 导 通 。3. 晶 闸 管 在 导 通 情 况 下 ， 只 要 有 一 定 的 正 向 阳 极 电 压 ， 不 论 门 极 电 压 如何 ， 晶 闸 管 保 持 导 通 ， 即 晶 闸 管 导 通 后 ， 门 极 失 去 作 用 。4. 晶 闸 管 在 导 通 情 况 下 ， 当 主
23、回 路 电 压 （ 或 电 流 ） 减 小 到 接 近 于 零 时 ，晶 闸 管 关 断 。3.2 驱 动 部 分要 使 得 晶 闸 管 导 通 ， 除 了 加 正 向 阳 极 电 压 外 ， 还 必 须 在 控 制 极 和 阴 极 之 间加 触 发 信 号 。 提 供 触 发 信 号 的 电 路 称 为 触 发 电 路 。 其 必 须 满 足 以 下 条 件 ：（ 1） 触 发 脉 冲 信 号 发 出 的 时 刻 ， 必 须 与 主 回 路 电 源 电 压 相 位 具 有 一 定的 控 制 角 关 系 ， 并 有 足 够 的 移 相 范 围 。（ 2） 触 发 脉 冲 又 足 够 大 的 电
24、 压 和 电 流 ， 一 般 触 发 电 压 为 4-10V。（ 3） 触 发 脉 冲 应 有 足 够 的 脉 宽 ， 以 保 证 晶 闸 管 的 触 发 可 靠 性 。 脉 冲 最好 在 20-50us 之 间 ， 一 般 不 小 于 10us。（ 4） 触 发 脉 冲 应 具 有 陡 峭 的 上 升 沿 ， 以 保 证 触 发 事 件 的 准 确 性 ， 最 好在 10us 以 下 。（ 5） 没 有 触 发 时 ， 触 发 电 量 应 尽 量 小 ， 以 避 免 误 触 发 ， 一 般 应 小 于0.15V。3.3 保 护 部 分3.3.1 晶 闸 管 的 保 护在 实 际 应 用 中 ， 一 般 应 对 晶 闸 管 采 取 保 护 ， 如 电 压电 流 过 大 ， 电 压 电 流 增 长 过 快 等 问 题 ， 会 严 重 影 响 晶闸 管 的 工 作 状 态 的 使 用 寿 命 ， 因 此 设 计 电 路 时 应 考 虑好 这 方 面 的 因 素 。如 右 图 3.3.1所 示 ， 用 一 个 大 电 感 L 防 止 电 压 上 升
