电力电子核心技术优秀课程设计范例.doc
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1、 电力电子技术课程设计题 目: 直流降压斩波电路设计 专 业: 电气自动化 班 级: 14电气 姓 名: 周方舟 学 号: 指导老师: 喻丽丽 目 录一 设计要求和方案4二 设计原理分析42.1总体结构分分析 4 2.2 直流电源设计5 23主电路工作原理6 2.4触发电路设计10 2.5过压过流保护原理和设计15三仿真分析和调试17 3.1 Matlab仿真图17 3.2 仿真结果18 3.3 仿真试验结论24元器件列表24设计心得25参考文件25致 谢26一设计要求和方案供电方案有两种选择。一,线性直流电源。线性电源(Linear power supply)是先将交流电经过变压器降低电压幅
2、值,再经过整流电路整流后,得到脉冲直流电,后经滤波得到带有微小波纹电压直流电压。要达成高精度直流电压,必需经过稳压电源进行稳压。线性电源体积重量大,极难实现小型化、损耗大、效率低、输出和输入之间有公共端,不易实现隔离,只能降压,不能升压。二,升压斩波电路。由脉宽调制芯片TL494为控制器组成BOOST原理,实现升压型DC-DC变换器,输出电压可调整和稳压控制开关源是借助晶体管开/关实现。所以选择方案二。设计要求:设计要求是输出电压Uo=220V可调DC/DC变换器,这里为升压斩波电路。因为这些电路中全部需要直流电源,所以这部分由以前所学模拟电路知识能够由整流器处理。MOSFET通断用PWM控制
3、,用PWM方法来控制MOSFET通断需要使用脉宽调制器TL494来产生PWM控制信号。设计方案:1、电源电路电源电路采取电容滤波二极管不控整流电路,220V单相交流电经220V/24V变压器,降为24V交流电,再经二极管不控整流电路及滤波电容滤波后,变为平直直流电,其幅值在22V36V之间。2、主电路2.1主电路选择升压斩波电路,开关管选择电力MOSFET。2.2Boost电路负载为110V、25W白炽灯,2.3boost电路中,占空比不要超出65%,不然电压大于100V。3、控制电路选择和确定3.1 脉冲发生器TL494 3.2 驱动电路IR2110二设计原理分析 21总体结构分析电力电子器
4、件在实际应用中,通常是由控制电路,驱动电路,保护电路和以电力电子器件为关键主电路组成一个系统。由信息电子电路组成控制电路根据系统工作要求形成控制信号,经过驱动电路去控制主电路中电力电子器件导通或关断。来完成整个系统功效。所以,一个完整降压斩波电路也应包含主电路,控制电路,驱动电路和保护电路这些步骤。直流斩波电路由电源、变压器、整流电路、滤波电路、主电路、控制和驱动电路及保护电路组成。图21所表示: 电源变压器整流电路升压斩波电路滤波电路控制和驱动电路保护电路图(2-1)2.2直流电源设计小功率直流电源由电源变压器、整流电路、滤波电路三个部分组成,其原理框图图2.1所表示:图 2.1 在直流电源
5、中通常见四个二极管组成桥式整流电路,整流电路作用是将交流电压变换成脉动直流电压。滤波电路通常由电容组成,其作用是把脉动直流电压中大部分纹波加以滤除,以得到较平滑直流电压。和交流电压有效值关系为:;在整流电路中,每只二极管所承受最大反向电压为:;流过每只二极管平均电流为: 整流电路设计以下:图(2-3)2.3主电路工作原理假设L和C值很大。V处于通态时,电源E向电感L充电,电流恒定I1,电容C向负载R供电,输出电压Uo恒定。V处于断态时,电源E和电感L同时向电容C充电,并向负载提供能量。图(2-4)首先假设电路中电感和电容值全部足够大。当可控开关S处于导通状态时,电源E向电感L充电,充电电流基础
6、恒定为I1,同时电容C上电压向负载R供电。因为电容C值很大,基础保持输出电压U0为恒值。设S处于导通时间为ton,此阶段电感L上积蓄能量为:当S处于断态时,E和L共同向电容C充电并向负载R提供能量。设T处于断态时间为toff,则在此期间电感释放能量为:稳态时,一个周期T中L积蓄能量和释放能量相等化简得: 以上为升压斩波电路工作原理。电感选择依据电感最大贮能值0. 5 L I I 确定电感峰值电流Imax = Io + 2 VoToff / L(Toff 为关断时间),匝数N应进行取整,当匝数少电流大时,应尽可能避免取半匝情况。经计算后选择电感量为10 mH,电容为4 700F。OOEOOE图
7、2-5 电流连续图 2-6 电流断续当MOSFET处于导通时,得 设初值为,解上式得 当MOSFET处于关断时,设电动机电枢电流为,得 设初值为,解上式得 当电流连续时,从图 2-6 电流波形可看出,=时刻=,=时刻=,由此可得 故由上两式求得: 把上面两式用泰勒级数线性近似,得 该式表示了L为无穷大时电枢电流平均值,即 当电流断续时波形图2-6所表示。当=0时刻 =0,令式 (1-10)中=0即可求出,进而可写出表示式。另外,当=时,=0,可求得连续时间,即 当初,电路为电流断续工作状态,是电流断续条件,即 依据上式可对电路工作状态做出判定。该式也是最优参数选择依据。2.4触发电路设计TL4
8、94CN是一个固定频率脉宽调制电路,它包含了开关电源控制所需全部功效,广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式,以适应不一样场所要求。其关键特征以下:1.集成了全部脉宽调制电路。2.片内置线性锯齿波振荡器,外置振荡元件仅两个(一个电阻和一个电容)。3.内置误差放大器。4.内止5V参考基准电压源。5.可调整死区时间。6.内置功率晶体管可提供500mA驱动能力。7.推或拉两种输出方法。1TL494引脚图图(2-7)TL494工作原理简述TL494内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器和输出电路
9、等组成。其中1、2脚是误差放大器I同相和反相输入端;3脚是相位校正和增益控制;4脚为死区时间比较器,含有120mV输入赔偿电压,它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期4%,当输出端接地,最大输出占空比为96%,而输出端接参考电平时,占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定电压(范围在03.3V之间)即能在输出脉冲上产生附加死区时间。5、6脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容,5脚能够产生锯齿波,所产生锯齿波稳定,线性度好;7脚为接地端;8、9脚和11、10脚分别为TL494内部两个末级输出三极管集电极和发射极;12脚为电源供电端;13脚为输出控制端,控制TL494输出方法,该脚接地时,两路
10、输出晶体管同时导通或截止,形成单端工作状态,能够用于提升输出电流;接14脚时为推挽输出方法,为5V基准电压输出端,最大输出电流10mA;15、16脚是误差放大器II反相和同相输入端。 TL494内置了线性锯齿波振荡器,振荡频率可经过外部一个电阻和一个电容进行调整, 其振荡频率为: 输出脉冲宽度是经过电容CT 上正极性锯齿波电压和另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1 和Q2 受控于或非门,当13脚控制信号为高电平时,调制脉冲交替输出至两个输出晶体管Q1 和Q2 ,输出频率等于脉冲振荡器二分之一。当13脚控制信号为低电平时,芯片工作于单端状态,功率输出管Q1和Q2 均由或非门前一级和门控
11、制,为得到更高驱动电流输出,可将Q1 和Q2 并联使用。 当双稳触发器时钟信号为低电平时才会被选通,即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大,输出脉冲宽度将减小。控制信号由集成电路外部输入,一路送至死区时间比较器,一路送往误差放大器输入端。TL494内部电路方框图图(2-8)基于TL494脉冲发生器TL494 电路设计图(2-9)电力场效应晶体管MOSFET伴随信息电子技术和电力电子技术在发展基础上相结合,形成了高频化、全控型、采取集成电路制造工艺电力电子器件,其经典代表就是电力场效应晶体管MOSFET1.电力场效应晶体管特点电力场效应晶体管简称电力Power Mosfet
12、。 特点是用栅极电压来控制漏极电流,驱动电路简单,需要驱动功率小,开关速度快,工作频率高, 热稳定性好。不过电流容量小,耐压低,通常适适用于功率不超出10kW电源电子装置。2.MOSFET结构和工作原理电力MOSFET种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道,图1-6所表示为N沟道结构。电力MOSFET工作原理是:在截止状态,漏源极间加正电源,栅源极间电压为零。P基区和N漂移区之间形成PN结反偏,漏源极之间无电流流过。在导电状态,即当UGS大于开启电压或阈值电压UT时,栅极下P区表面电子浓度将超出空穴浓度,使P型半导体反型成N型而成为反型层,该反型层形成N沟道而使PN结消失,漏极和源极导电。图(2-
13、9) 内部结构断面示意图 图(2-10)电气图形符号MOSFET开关时间在10100ns之间,工作频率可达100kHz以上,是电力电子器件中最高。因为是场控器件,静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电,仍需一定驱动功率。开关频率越高,所需要驱动功率越大。总电路设计图图(2-11)2.5过压过流保护原理和设计(1)过电压保护过压保护要依据电路中过压产生不一样部位,加入不一样保护电路,当达成定电压值时,自动开通保护电路,使过压经过保护电路形成通路,消耗过压储存电磁能量,从而使过压能量不会加到主开关器件上,保护了电力电子器件。为了达成保护效果,能够使用阻容保护电路来实现。将电容并联
14、在回路中,当电路中出现电压尖峰电压时,电容两端电压不能突变特征,能够有效地抑制电路中过压。和电容串联电阻能消耗掉部分过压能量,同时抑制电路中电感和电容产生振荡,过电压保护电路图2-12所表示。图2-12 RC阻容过电压保护电路图(2)过电流保护 当电力电子电路运行不正常或发生故障时,可能会发生过电流。当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败,和交流电源电压过高或过低、缺相等,均可引发过流。因为电力电子器件电流过载能力相对较差,必需对变换器进行合适过流保护。采取快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广一个过流保护方法。过电流保护电路图2
15、-13所表示,其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用。器件直接串接快速熔断器才对元件保护作用最好,因为它们流过同个电流所以被广泛使用。电子电路作为第一保护方法,快熔仅作为短路时部分区段保护,直流快速断路器整定在电子电路动作以后实现保护,过电流继电器整定在过载时动作。图2-13过电流保护电过压过流保护原理和设计图2-14依据主电路所表示把输出电压,电流反馈回来经过集成运放LM393比较输出,LM393输出接4944脚控制其死区电压(高电平不工作、低电平工作),经过调整R12可调整反馈电压大小,当LM393 3脚反馈电压增大超出2脚电压时,1脚输出高电平。TL494停止工作
16、,即可起到过压保护作用。过流保护工作原理同过压保护一样三仿真分析和调试图3-13.1Matlab仿真图设计由前面所述原理可知 因为上式中,输出电压高于电源电压,故称该电路为升压斩波电路。其中,表示升压比,调整其大小,即可改变输出电压大小,调整方法和改变占空比方法类似。将升压比倒数记作,即 ,则和关系为 ,所以说明:当所选C能达成所需输出滤波要求时L能够选足够大,方便使开关变换器保持在连续工作状态,但电容器本身没有完美电器性能所以其内部等效串联电阻将消耗部分功率。另外,等效串联电阻上压降会产生输出纹波电压,要减小这些纹波电压只能靠降低等效串联电阻值和动态电流值。类似电容C选择,常常由纹波电流大小
17、决定。截止频率f高低,LC大小,全部将影响输出纹波电压。在实际设计过程中,选择L和C时,要综合考虑重量、尺寸和成本等原因。从改善动态特征看,可考虑小电感量、大电容值。升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压,关键有两个原因:一是储能以后含有使电压泵升作用,二是电容可将输出电压保持住。在以上分析中,认为T处于通态期间因电容作用使得输出电压U0不变,但实际上C值不可能为无穷大,在此阶段其向负载放电,输出电压肯定会有所下降,故实际输出电压会略低,不过在电容足够大时,误差很小,基础能够忽略。3.2仿真结果周期设为1KHz ,占空比为50%,电感为10mH,电容为2200uF,负载为100时进行仿真,
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