现代电子系统设计课件第四章

第4章电力电子系统设计电力电子系统中常用元器件介绍；电力电子系统设计举例。4.1概述

电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，是将强电（电力）和弱点（电子）相结合的一门学科，就是使用电力电子器件（如晶闸管，门级可关断晶闸管GTO，绝缘栅双极型晶体管IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。4.2电力电子器件4.2.1晶闸管（SCR）工作原理：1.同时承受正向阳极电压和正向门极电压时，晶闸管才能导通2.导通后门级将失去控制作用3.降低阳极电压至接近于零或施加反向阳极电压来实现晶闸管关断4.2.2大功率晶体管（GTR）与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。4.2.3功率场效应晶体管（P-MOSFET）

特点——用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高（高达100kHz）。热稳定性优于GTR。电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。4.2.4绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

工作原理：驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。§4.5电力电子系统设计举例4.5.1三相正弦波变频电源设计（三相SPWM逆变器的应用） 4.5.1.1题目（2005年全国电子设计大赛F题）设计并制作一个三相正弦波变频电源，输出线电压有效值为36V，最大负载电流有效值为1.5A，负载为三相对称阻性负载(Y接法)。变频电源框图如下图所示：

1．基本要求（1）输出频率范围为20Hz～100Hz的三相对称交流电，各相电压有效值之差小于0.5V；（2）输出电压波形应尽量接近正弦波，用示波器观察无明显失真；（3）当输入电压为198V～242V，负载电流有效值为0.5～3A时，输出线电压有效值应保持在36V，误差的绝对值小于5%；（4）具有过流保护(输出电流有效值达3.6A时动作)、负载缺相保护，保护时自动切断输入交流电源。2．发挥部分（1）当输入电压为198V～242V，负载电流有效值为0.5～3A时，输出线电压有效值应保持在36V，误差的绝对值小于1%；（2）设计制作具有测量、显示该变频电源输出电压、电流、频率，测量误差的绝对值小于5%；（3）变频电源输出频率在50Hz以上时，输出相电压的失真度小于5%；（4）其它。4.5.1.2设计方案（1）控制方案设计 设计关键在于逆变电路的设计，采用SPWM技术，产生SPWM波的电路方案可以有以下三种：a.使用模拟电路主要使用集成函数发生器ICL8038该方案技术成熟且广泛应用，但电路规模庞大，调试不方便。

b.使用SPWM专用芯片由专用芯片产生驱动开关管信号，并可以实现波形频率和幅度的精确控制，成本较低，调试方便，比较使用。但核心部分不能任意修改，系统的可扩展性较差。由于使用SPWM专用芯片，实现简单，本次竞赛规定不能使用。

c.使用单片机等智能芯片波形的产生及控制电路均有单片机实现，计算工作量较大，控制软件较复杂，往往不能满足控制要求，最好采用单片机与FPGA结合的方式，用单片机完成人机界面、闭环控制，用FPGA完成查表比较，SPWM波形调制输出和死区保护等逻辑功能。（2）主电路和驱动电路设计采用三片IR2110驱动六个普通MOSFET管构成的三相桥式逆变器（3）电流、电压的测量（电压、电流、频率的显示）电流信号的检测可使用电流霍尔传感器；电压测量可采用交流互感器或电压霍尔传感器等。（4）保护电路过流保护：利用IR2110的SD引脚（具有关闭逆变器工作的能力），使用霍尔传感器检测电流，当电流过大（3.6A）时，给SD引脚低电平，封锁逆变器，从而实现电流的过流保护。缺相保护及负载不对称保护：检测三相电流有效值，对比三相电流中的任意两相电流之差（大于0.5A），给SD引脚低电平，封锁逆变器。（5）电压闭环控制输出电压36V，误差小于5%（1.8V）各相电压有效值之差小于0.5V通过闭环控制，预置值与实际电压发生偏差时，采用PI算法计算出新的调制比。

4.5.2开关稳压电源设计（Boost升压变压器的应用）4.5.2.1题目（2007年全国电子设计大赛E题）设计并制作如图1所示的开关稳压电源。

1．基本要求输出电压UO可调范围：30V～36V；最大输出电流IOmax：2A；U2从15V变到21V时，电压调整率SU≤2%（IO=2A）；IO从0变到2A时，负载调整率SI≤5%（U2=18V）；输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；DC-DC变换器的效率≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；具有过流保护功能，动作电流IO（th）=2.5±0.2A；2．发挥部分进一步提高电压调整率，使SU≤0.2%（IO=2A）；进一步提高负载调整率，使SI≤0.5%（U2=18V）；进一步提高效率，使η≥85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态；能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值1V，同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。其他。4.5.2.2设计方案输入交流18V，直流输出最大36V，因此，应采用升压型DC-DC电路。该电路是一种非隔离式的升压型DC-DC变换电路，控制简单，输出功率大，具有良好的输出特性。当开关调整元件被控制饱和导通时，电流通过电感，使其储存能量。当开关元件VT被控制为截止时，电感中储存的能量通过二极管

VD供给负载，同时对电容C充电。当负载电压要下降时，电容再次放电。这时可获得高于输入的稳定电压。因为开关元件VT与负载RL是并联的，故也被称为并联开关电源