1、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： 2016 年 12 月 19 日至 30 日2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；综合运用专业及基础知识的能力，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。2、 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：整流部分是变压器+单相桥式二极管，大电容
2、滤波，DC/DC 变换部分是 GTR 降压变换器；32、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。3、 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。4、 设计内容主电路41、开关电源的基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
3、，控制开关元件的占空比调整输出电压，开关电源的基本构成如图所示，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、噪声滤波器等组成部分。反馈回路检测其输出电压，并与基准电压比较，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。其结构图如图所示。52、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
4、两种基本电路的比较如下：(1)开关电源多采用脉宽调制方式，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，若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6进入间歇开关领域。(2)开关电源的特点是效率高而体积小，若使用扼流圈时，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
5、流电路如图(a)所示，仅利用一个二极管来实现整流功能,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2U器副边输出电压的有效值） 200 45.02)(sin21tUU（a）单相半波可控整流电路7（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。8（a）
6、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209.U副边输出电压的有效值）,比半波整流输出电压高。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，二2U CU极管 和 管导通， 和 管截止，电流一路流经1VD42VD3负载，另一路对电容 C 充电。当 ，导致 和cU21VD9管反向偏置而截止，电容通过负载放电， 按指数规4VD cU律缓慢下降。当 为负半周幅值变化到恰好大于 时， 和2Uc2VD因加正向电压变为导通状态， 再次对 C 充电， 上3VD2UcU升到 的峰值后又开始下降；下降到一定数值时 和2 2变为截止，C
7、 对负载放电， 按指数规律下降；放电3 c到一定数值时 和 变为导通，重复上述过程。1VD4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dU计算公式推导得出。空载时 2d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， 逐渐趋近于 ，及趋近于电阻负载时dU20.9U的特性。 根据负载情况选择电容 C 值，使之 2)53(TRT 为交流电源的周期，此时输出电压为 2.1Ud输出电流平均值 IR 为10RUId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
8、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，则谐波越大，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，则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，则谐波越小，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 11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 C1 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：。oniTV)(0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
9、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： ofTV0当达到平衡时 ofoni TVTV00)(12由于占空比 a1，所以 ，实现降压功能。0iV4、 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 应 考 虑 采 用 基 极 优 化 驱 动 方 案
10、。 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 ,1bI13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1bI bI几 个 Ls,以 使 GTR迅 速 开 通 ,减 小 。onT2、 GTR被 驱 动 后 ,其 基 极 驱 动 电 流 应 能 自 适 应 负 载 参
11、 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 2 3倍 ,太of 3bI1bI大 则 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 安
12、 全 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 。EBOU根 据 上 述 GTR优 良 的 驱 动 特 性 ， 设 计 出 GTR驱 动 电 路 。14二极管 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5V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2D动电
13、流流入集电极，维持 。0bcU为加速开通过程的电容。开通时， 被 短路。可2C 5R2C实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。开通驱动电流应使 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15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
14、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 则 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 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
15、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
16、 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 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IB IC/B。 因 此 ,即 使 IC没 达 到 过 流 整 定
17、值 ,若 IB减 小 或 B减 小 ,也16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
18、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不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。脉宽调制（PWM）基本原理：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。按一定的规则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。17在 PWM 波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变
19、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。5、电路仿真及其波形1、MATLAB 电路仿真图2、波形图18五、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不足。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
20、，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。19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，航空工业出版社；3、电力电子技术 任国光主编，上海科技文献出版社；4、电力电子技术 王兆安、黄俊主编, 机械工业出版社；5、晶闸管变流技术 莫正康主编，机械工业出版社；6、晶闸管变流技术题例及电路设计 栗书贤，石玉编，机械工业出版社；7、现代电力电子技术 何希才主编，国防工业出版社；208、电气制图用新旧图形符号对照 科学出版社；9、电气制图及图形符号国家标准 计量出版社；
