电力电子课程设计报告39685

1、-0XU2U81OAUZ _ -号学 二二二清青陈一二名姓 业专二化动自其及程工气电二级 -C33N 二院学二二工 二二本科课程设计专用封面设计题目：直流变换器的设计（升压）所修课程名称:电力电子技术课程设计修课程时间：2015 年月_20_日至月30日完成设计日期：2015年月_30_日评阅成绩:评阅意见:年月日评阅教师签名：二二二二二二-.42833N 二号学 二二瑶陈二名姓 业专一化动自其及程工气电二级 _3AU2 二院学二二工 二二本科课程设计专用封面设计题目：直流变换器的设计（升压）所修课程名称:电力电子技术课程设计修课程时间：2015 年月_20_日至月30日完成设计日期：2015

2、年月_30_日评阅成绩:评阅意见:年月日评阅教师签名：目录摘要 1设计目的 7设计任务 7主要技术参数 8设计容 10电路仿真及分析 15设计小结 17摘要在现在我们所使用到能源中， 电能占了很大的比重， 它具有成本 低廉，输送方便， 绿色环保，控制方便能很容易转换成其他的信号等 等。我们的日常生活已经离不开电了。在如今高能耗社会，合理的利 用电能， 提高电能 品质和用电效率成为了全球研究的当务之急。 而电力电子技术正是与这一主题相关联的。MOSFET升压斩波电路设计是里面的一部分，它开关电源，与线性电源相比，具有绿色效率 高，控制方便，智能化，易实现计算机控制。直流变换技术已被广泛 的应用于

3、开关电源及直流电动机驱动中，如不间断电源(UPS、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及 20 世纪 80 年代兴起的电动汽车的控制。 从而使上述控制获得加速平稳、 快速响 应的性能， 并同时收到节约电能的效果。 由于变速器的输入是电网电 压经不可控整流而来的直流电压， 所以直流斩波不仅能起到调压的作 用，同时还能起到有效地抑制网侧谐波电流的作用。直流斩波电路的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直 流电，也称为直流 - 直流变换器( DC/DC Converter )，直流斩波电 路一般是指直接将直流变成直流的情况， 不包括直流 -交流- 直流的情 况；直流斩波电路的种类很多

4、：降压斩波电路，升压斩波电路，这两 种是最基本电路。另外还有升降压斩波电路， Cuk 斩波电路， Sepic 斩波电路，Zeta斩波电路。斩波器的工作方式有：脉宽调制方式（Ts 不变，改变 ton ）和频率调制方式（ ton 不变，改变 Ts）。MOSFE升压斩波电路又称为boost变换器，它对输入电压进行升 压变换。通过控制电路的占空比即通过 MOSFE来控制升压斩波电路 的输出电压。直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调 电压的 DC-DC 变换器 ,在直流传动系统、 充电蓄电电路、 开关电 源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用 . 直流斩波 技术已被广泛用于开关电

5、源及直流电动机驱动中， 使其控制获得加速 平稳、快速响应、节约电能的效果。全控型电力电子器件MOSFE在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用。MOSFE是金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体 管，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。MOSFE依照其“通道”的极性不同，可分为 N沟道型与P沟道型的 MOSFE通常又称为NMOSFEf PMOSFE其他简称尚包括NMOS FET PMOSFET nM OSFETpMOSFE等。仝属鞍化勒 半导体N沟道场舷管源棣 P沟道场效应管图1它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的为增强型MOS场效应管，其部结

6、构见图1。它可分为NPN型PNP型。NPN型通常称为N沟 道型，PNF型也叫P沟道型。由图可看出，对于 N沟道的场效应管其 源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和 漏极则接在P型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制 输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电 场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有 很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。为解释M0场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个 P N结的二极管的工作过程。如图2所示，我们知道在二极管加上正向 电压（P端接正极，N端接负极）时，二极管导通，其PN结

7、有电流通 过。这是因为在P型半导体端为正电压时，N型半导体的负电子被吸 引而涌向加有正电压的P型半导体端，而P型半导体端的正电子则朝N型半导体端运动，从而形成导通电流。同理，当二极管加上反向电 压（P端接负极，N端接正极）时，这时在P型半导体端为负电压， 正电子被聚集在P型半导体端，负电子则聚集在N型半导体端，电子 不移动，其PN结没有电流通过，二极管截止。图2在栅极没有电压时，在源极与漏极之间不会有电流流过， 此时场 效应管处与截止状态（图3a）。当有一个正电压加在 N沟道的MOS 场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极 的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡

8、，使得电子聚 集在两个N沟道之间的P型半导体中（见图3b），从而形成电流， 使源极和漏极之间导通。我们也可以想像为两个N型半导体之间为一 条沟，栅极电压的建立相当于为它们之间搭了一座桥梁， 该桥的大小 由栅压的大小决。ab图3电力MOSFET勺基本特性a转移特性b输出特性图4a测试电路b开关过程波形图5MOSFE斩波电路是被设计的核心部分，而其核心器件又是MOSFET 本部分是通过触发电路控制 MOSFE的开启与关断，再利用电感和电 容的储能作用实现升压功能的。场效应管与晶体管的比较（1）场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下， 应选用场效应管；而在

9、信号电压 较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用晶体管。（2）场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，而晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子导电。被称之为双极 型器件。（3）有些场效应管的源极和漏极可以互换使用， 栅压也可正可负， 灵活性比晶体管好。（4）场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的 制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上， 因此场效 应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用关键字：电能、MOSFE升压斩波电路、 升压变换、变换器、直流 斩波技术一、设计目的1 、把从电力电子技术及其它先修课程（电工基础、电子技术、电 机学等）中所学到的

10、理论和实践知识， 在课程设计实践中全面综合的 加以运用，使这些知识得到巩固、提高，并使理论知识与实践技能密 切结合起来。2 、初步树立起正确的设计思想，掌握一般电力电子电路设计的 基本方法和技能，培养观察、分析和解决问题及独立设计的能力，训 练设计构思和创新能力。3 、培养具有查阅参考文献和技术资料的能力，能熟悉或较熟悉 地应用相关手册、图表、国家标准，为今后成为一名合格的电气工程 技术人员进行必须的基本技能和基本素质训练。、设计任务设计主电路，主电路为：采用BOOS变换器，主功率管用MOSFET选择主电路所有图列元件，并给出清单；设计MOSFE驱动电路及控制电路；绘制装置总体电路原理图，绘制

11、： MOSFE驱动电压、BOOS电路中各元件的电压、电流以及输出电压波形；编制设计说明书、设计小结。输入直流电压24V,输出电压Vo=48V,输出电流lo=10A，最大输出纹波电压200mV工作频率f=100kHz。三、主要技术参数（一）升压斩波电路的原理及典型应用（1）升压斩波电路及其工作波形（IGBT）a）电蹟图玻形图6、升压斩波电路及其工作波形图（2）、工作原理（MOSFE管）图7、升压斩波电路工作原理（MOSFE管）根据电力电子技术的原理，升压式变换器的输出电压高于输入电 源电压，控制开关与负载并联连接，与负载并联的滤波电容必须足够 大，以保证输出电压恒定，储能电感也要很大，以保证向负

12、载提供足 够的能量。在设计中，采用电力场效应晶体管（N沟道）作为开关管, 它既具有输入阻抗高，速度快，热稳定性好，驱动电路简单，又具有 通态电压低，耐压高，流通大电流等优点。升压斩波电路的电路图:1. 电路原理图：12rwv£DOui厉LOU K TMl pj叩sriert肋=10曲C3血 JH- T图8升压斩波电路原理图（二）、升压斩波电路典型应用1. 用于直流电动机传动四、设计容1、框图:2. 用作单相功率因数校正（PFC电路 3.用于其他交直流电源中参数选择和计算2、工作原理：(1) 、电路原理图L2/VW*!05kpewnitKin= IUDSTFM5R1升压斩波电路的电路图

13、如上图所示，在该电路中假设电感L1值、 电容C2值很大，当可控开关Z2处于通态时，电源V1向电感L1充电， 充电电流基本恒定为11，同时电容C2上的电压向负载R供电。V通 时，E向L充电，充电电流恒为11，同时C的电压向负载供电，因为 C值很大，基本保持输出电压 U为恒值，记为U0。设V处于通态的时 间为Ton,此阶段电感L积蓄能量为EI1Ton。当V处于断态时，V1和 L1共同向电容C2充电并向负载R1提供能量。设V处于断态的时间Toff，则在此期间电感L1释放的能量为(Uc-VI)IIToff。当电路工作于稳态时，一个周期 T中电感L1积蓄的能量与释放的能量相等，即：V1I1Ton=(Uc

14、-V1)I1Toff化简为：Uc=( (Ton+Toff )/Toff)V1= ( T/Toff)V1式中：(T/Toff) 1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波 电路。T/Toff 表示升压比， 调节其大小， 即可改变输出电压 Uc 的大小，将升压比的倒数记做B ,即B二T0ff/T 。则B和占空比a的关系为：a+ b =1。贝y：Uc=(1/B )V1=(1/(1- a )V1【2】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：(1)电感 L1 储能之后具有使电压泵升的作用。( 2)电容 C 可将输出电压保持住。3、Z2处于通态期间因电容 C的作用使得输出电压Uc

15、不变，但实际 上C2值不可能无穷大，在此阶段其向负载放电，Uc必然会有所下降， 故实际输出电压会略低于 Uc的值，在电容C值足够大时，误差很小, 基本可以忽略。 如果忽略电路中的损耗， 则由电源提供的能量仅由负 载R消耗，即：V1I1=UcI0输出电流的平均值 I0 为：I0=Uc/R=(1/B)(V1/R)电源电流 I1 为：I1=(Uc/V1)I0=(1/BT)(V1/R)(2) 、元器件选择和设计输入电压 V1=24V输出电压 V0=48V电感 L2=500uH电阻 R1=4.8Q、输入电感 L2 的设计WL>>R2*pi*f*L>>RL2 取 500uH、输出滤

16、波电容C5的设计1/(WC)>>R1/(2*pi*f*C)>>RC5 取 220uF、器件选择24V直流电源，500uF电感DIN5823二极管，IRF540 (MOSt)驱动电源，电阻( 1K,4.8 欧姆)电容( 10uF， 220uF)(3) 保护电路(3.1)过流保护电路电力电子电路运行不正常或者发生故障时， 可能会发生过电流。过电 流分为过载和短路两种情况。通常采用的保护措施有：快速熔断器、 直流快速断路器和过电流继电器。一般电力电子装置均同时采用集中 过流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。综合本次设计电路的特点，采用快速熔断器，即给晶闸管串联一个保 险丝

17、实施电流保护。如图5电流保护电路所示。对于所选的保险丝， 遵从IA2t值小于晶闸管的允许l“2t值(3.2)过压保护电路电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和因过电压两 类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因。本设计主要用于室，为了使用方便不考虑来自雷击的威胁。操作过电压是由分闸、合闸的开关操作引起的过电压，电网侧的操 作过电压会由供电变压器磁感应耦合，或由变压器绕组之间存在的分 布电容静感应耦合过来。因过电压主要来自电力电子装置部器件的开 关过程，包括：换相过电压，关断过电压。根据以上产生过电压的的各种原因，设计相应的保护电路。如图6过压保护电路所示。其中：图中是利用

18、一个电阻加电容进行电压抑制， 当电压过高时，保护电路中的电容会阻碍其电压的上升， 从而使得电 力电子器件IGBT管因电压过高厄尔损坏。图3中的电阻可以是1KQ 左右的电阻，而电容的值可以为100卩咗右，这样形成一个保护电路五、电路仿真分析图9、驱动电压V1（幅值4v）图11、V1设为15V图12、输出电压图13、输出纹波六、设计小结回顾起此次的电力电子课程之 MOSFE升压斩波电路设计，感慨颇多，它使我有了很多的心得体会，可以说这次MOSFE升压斩波电路设计是在自己用心努力和在老师的精心指导下共同完成的。在两个星期的日子里， 可以说自己每天都充满着压力与忙碌， 自 己也的确从此次安排的课程设计

19、中学到了很多东西。 设计过程中， 因 为是第一次做， 难免会遇到各种各样的问题。 在设计的过程中发现了 自己的不足之处， 对以前所学过的知识理解得不够深刻， 掌握得不够 牢固。通过查阅大量有关资料，并与同课题同学互相讨论，交流经验 和自学，若遇到实在搞不明白的问题就会及时请教老师， 使自己经历 了不少艰辛，但收获同样巨大，学到了不少知识。通过本次课程设计 让我更加的深刻的理解了斩波器的原理， 从而由斩波器这个小小的器 件体会到了电力电子这门学科的重要性。 课程设计不仅需要灵活的运 用书本上以及课堂上的知识， 还需要自己运用电脑上网搜索相关信心 和操作相关的软件来更好的达到设计的目的。 这让我不仅巩固了老师 所传授的书本上的知识，而且锻炼了自己解决实际问题的能力。通过课程设计还拓宽了知识面，学到了很多课本上没有的知识， 报告只有自己去做能加深对知识的理解， 任