电力电子课程设计报告书.docx

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电力电子课程设计报告书

第1章绪论

1.1电力电子技术的内容

电力电子学,又称功率电子学（PowerElectronics）。

它主要研究各种电力电

器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。

它既是电子学在强电（高电压、大电流）或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电（低电压、小电流）或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学。

电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。

电有直流（DC）和交流（AC）两大类。

前者有电压幅值和极性的不同，后者除电压幅值和极性外，还有频率和相位的差别。

实际应用中，常常需要在两种电能之间，或对同种电能的一个或多个参数（如电压，电流，频率和功率因数等）进行变

变换器共有四种类型：

交流-直流（AC-DC）变换：

将交流电转换为直流电。

直流-交流（DC-AC）变换：

将直流电转换为交流电。

这是与整流相反的变换，也称为逆变。

当输出接电网时，称之为有源逆变；当输出接负载时，称之为无源逆变。

交-交（AC-AC）变换，将交流电能的参数（幅值或频率）加以变换。

其中：

改变交流电压有效值称为交流调压；将工频交流电直接转换成其他频率的交流电，称为交-交变频。

直流-直流（DC-DC）变换，将恒定直流变成断续脉冲输出，以改变其平均值。

1.2电力电子技术的发展

在有电力电子器件以前，电能转换是依靠旋转机组来实现的。

与这些旋转式的交流机组比较,利用电力电子器件组成的静止的电能变换器,具有体积小、重量轻、无机械噪声和磨损、效率高、易于控制、响应快及使用方便等优点。

1957年第一只晶闸管—也称可控硅（SCR）问世后，因此,自20世纪60年代开始进入了晶闸管时代。

70年代以后，出现了通和断或开和关都能控制的全控型电力电子器件（亦称自关断型器件），如：

门极可关断晶闸管（GTO）、双极型功率晶体管（BJT/GTR）、功率场效应晶体管（P-MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。

控制电路经历了由分立元件到集成电路的发展阶段。

现在已有专为各种控制功能设计的专用集成电路，使变换器的控制电路大为简化。

微处理器和微型计算机的引入，特别是它们的位数成倍增加，运算速度不断提高，功能不断完善，使控制技术发生了根本的变化，使控制不仅依赖硬件电路，而且可利用软件编程，既方便又灵活。

各种新颖、复杂的控制策略和方案得到实现，并具有自诊断功能，并具有智能化的功能。

将新的控制理论和方法应用在变换器中。

综上所述可以看出，微电子技术、电力电子器件和控制理论则是现代电力电子技术的发展动力。

1.3电力电子技术的重要作用

（1）优化电能使用。

通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。

例如，在节电方面，针对风机水泵、电力牵引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等14个方面的调查，潜在节电总量相当于1990年全国发电量的16%，所以推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施，一般节能效果可达10%-40%，我国已许多装置列入节能的推广应用项目。

（2）改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。

据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。

（3）电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。

实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。

（4）电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。

有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。

1.4本人的主要工作

在这次课程设计中，我主要完成了三件事。

第一，直流升压电路原理图的设计绘制；包括控制电路、驱动电路、主电路、过流保护电路、过压保护电路。

第二：

用MATLAB对设计出来的电路仿真，即运用SIMULINK工具箱对电路建模仿真，得到预期的电压输出波形。

最后，文档的制作。

通过这次课程设计，使我更好的掌握了课本的知识和熟悉了软件的使用，并且掌握了SG3525芯片的应用，更了解了升压斩波电路性能指标要求及分析计算，同时也掌握了文档的制作。

第2章设计方案和方案实施

2.1设计方案选择

斩波电路有三种控制方式

（1）脉冲宽度调制（PWM）：

开关周期T不变，改变开关导通时间ton。

（2）频率调制：

开关导通时间ton不变，改变开关周期T。

（3）混合型：

开关导通时间ton和开关周期T都可调，改变占空比。

本次设计采用的是脉宽调制的方法，开关选用全控型器件IGBT，它集中了电力MOSFET和GTR得优点。

2.2升压斩波电路的设计原理

原理图如图3-5所示：

假设L值、C值很大，V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压

为恒值,记为

。

设V通的时间为

，此阶段L上积蓄的能量为

V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。

设V断的时间为

，则此期间电感L释放能量为

（2-1）

稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等

化简得：

（2-2）

（2-3）

，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。

也称之为boostchooper变换器。

——升压比，调节其即可改变

。

将升压比的倒数记作β，即

。

和导通占空比，有如下关系：

（2-4）

因此，式（2-2）可表示为

（2-5）

升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因：

①L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

2.3IGBT驱动电路选择

对IGBT驱动电路提出以下要求和条件：

（1）由于是容性输出输出阻抗；因此IBGT对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路。

（2）用低内阻的驱动源对门极电容充放电，以保证门及控制电压

有足够陡峭的前、后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。

另外，IGBT开通后，门极驱动源应提供足够的功率，使IGBT不至退出饱和而损坏。

（3）门极电路中的正偏压应为+12～+15V；负偏压应为-2V～-10V。

（4）IGBT驱动电路中的电阻

对工作性能有较大的影响，RG较大，有利于抑制IGBT的电流上升率及电压上升率，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗；RG较小，会引起电流上升率增大，使IGBT误导通或损坏。

RG的具体数据与驱动电路的结构及IGBT的容量有关，一般在几欧～几十欧，小容量的IGBT其RG值较大。

（5）驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的自保护功能。

IGBT的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防静电措施情况下，IGBT的G～E极之间不能为开路。

一般数字信号处理器构成的控制系统，IGBT驱动信号由处理器集成的PWM模块产生的。

而PWM接口驱动能力及其与IGBT的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。

因此本文采用SG3525设计出了一种可靠的IGBT驱动方案。

第3章单元电路的设计

3.1直流供电电路

生活中现有的都为交流电，所以斩波电路的输入电压需由交流电经整流得到。

本设计采用桥式电路整流：

由四个二极管组成一个全桥整流电路.由整流电路出来的电压含有较大的纹波，电压质量不太好，故需要进行滤波。

本电路采用RL低通滤波器（通过串联一个电感，滤除电流的高次谐波，并联一个电容滤除电压的高次谐波），以减小纹波。

protell原理图如下图3-1所示：

图3-1直流供电电路

输入端接220V、50Hz的市电，进过变压器T1（原线圈/副线圈为4/1）后输出55V、50Hz。

当同名端为正时D2、D5导通，D3、D4截止，电压上正下负。

当同名端为负时D2、D5截止，D3、D4导通，电压同样是上正下负，从而实现整流。

电感具有电流不能突变，通直流阻交流特性，因此串联一个电感可以提高直流电压品质。

而电容具有电压不能突变，通交流阻直流特性，因此并联一个大电容可以滤除杂波，减小纹波。

结合两种元器件的特性，组成上图整流电路，可以得到比较理想的直流电压（幅值为50V左右）。

3.2升压斩波主电路

本设计为直流升压斩波（boostchopper）电路，该电路是本系统的核心。

应为输出电压比较大，故斩波器件选用能够承受大电压和导通内阻小，开关频率高，开关时间小的大功率IGBT管。

主电路图如下图3-2所示：

图3-2升压斩波主电路原理图

左边接经整流之后的50V电压。

右边为斩波电压输出，J2为测试点。

V-G为SG3525输出的PWM斩波信号。

G1为IGBT，D1为电力二极管，L2为电感，C1为电容，R1为负载。

3.3控制和驱动电路

3.3.1芯片SG3525简介

PWM控制芯片SG3525具体的内部引脚结构如图3-3及图3-4所示。

其中，脚16为SG3525的基准电压源输出，精度可以达到（5.1±1％）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。

脚5、脚6、脚7内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525的振荡器。

振荡器还设有外同步输入端（脚3）。

脚1及脚2分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。

该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70dB左右。

根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络。

图3-3SG3525的引脚

图3-4SG3525的内部框图

3.3.2控制和驱动电路原理图

此电路主要用来驱动IGBT斩波。

产生PWM信号有很多方法，但归根到底不外乎直接产生PWM的专用芯片、单片机、PLC、可编程逻辑控制器等本电路采用直接产生PWM的专用芯片SG3525.该芯片的外围电路只需简单的连接几个电阻电容，就能产生特定频率的PWM波，通过改变IN+输入电阻就能改变输出PWM波的占空比，故在IN+端接个可调电阻就能实现PWM控制。

为了提高安全性，该芯片内部还设有保护电路。

它还具有高抗干扰能力，是一款性价比相当不错的工业级芯片。

为了减少不同电源之间的相互干扰，SG3525输出的PWM经过光电耦合之后才送至驱动电路。

其电路图如下图3-5所示：

图3-5控制和驱动电路原理图

工作原理：

通过R2、R3、C3结合SG3525产生锯齿波输入到SG3525的振荡器。

其产生的PWM信号由OUTA、OUTB输出，调节R7可以改变占空比。

输出的PWM信号通过二极管D6、D7送至光电耦合器U2，光耦后通过驱动电路对信号进行放大。

放大后的电压可以直接驱动IGBT。

此电路具有信号稳定，安全可靠等优点。

因此他适用于中小容量的PWM斩波电路。

3.4保护电路

升压斩波电路需同时具有过压和过流保护功能，分别如图3-6，3-7所示，均采用反馈控制,将过流过压信号反馈到芯片SG3525的输入，从而起到调节保护作用。

同时芯片SG3525也可完成一定的保护功能，例如，脚8软起动功能，避免了开关电源在开机瞬间的电流冲击，可能造成的末级功率开关管的损坏。

图3-6过压保护电路

图3-7过压保护电路

3.5参数计算

由设计要求可取直流输入电压

=50V,

=340V,则:

（1）占空比α=1-50/340=0.85.

（2）交流侧二次电压有效值

=

/1.2=41.7V;

取交流一次电压有效值

=220V

变压器变比K=

/

=220/41.7=5.3。

（3）输出功率为100W,所以负载电阻R=

=1156Ω，取1200Ω；

负载电流

=

/

=0.28,电源电流

=（

α）/β=1.59A。

二极管承受反向最大电压

=1.414

=1.414×41.7＝59V

（4）考虑3倍裕量，则

=3×59V=177V;平均电流

=0.5×I2=0.14,选取1N4003，其参数为最大反向峰值电压为200V，平均电流为1A.

（5）滤波电容选择

一般根据放电的时间常数计算，负载越大，要求纹波系数越小，一般不做严格计算，多取2000μF以上。

因该系统负载不大，故取

=2200μF，耐1.5

=1.5×78.6=117.9V取120V即选用2200uF、120V电容器。

（6）电感值一般选择极大值，以保证电流连续且脉动很小，所以取

=0.3mH，

=50mH。

（7）IGBT的选择

因为

=41.7V，取3倍裕量，选耐压为150V以上的IGBT。

由于IGBT是以最大标注且稳定电流与峰值电流间大致为4倍关系，故应选用大于4倍额定负载电流的IGBT为宜，因此选用7A,额定电压600V左右的IGBT，选GT8Q101，其参数为最高耐压为1200V,最大电流为8A.

第4章实验仿真与分析

4.1仿真软件Matlab简介

在科学研究和工程应用中，往往要进行大量的数学计算，其中包括矩阵运算。

这些运算一般来说难以用手工精确和快捷地进行，而要借助计算机编制相应的程序做近似计算。

目前流行用Basic、Fortran和c语言编制计算程序,既需要对有关算法有深刻的了解，还需要熟练地掌握所用语言的语法及编程技巧。

对多数科学工作者而言，同时具备这两方面技能有一定困难。

通常，编制程序也是繁杂的，不仅消耗人力与物力,而且影响工作进程和效率。

为克服上述困难，美国Mathwork公司于1967年推出了“MatrixLaboratory”（缩写为Matlab）软件包，并不断更新和扩充。

目前最新的5.x版本（windows环境）是一种功能强、效率高便于进行科学和工程计算的交互式软件包。

其中包括：

一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等应用程序，并集应用程序和图形于一便于使用的集成环境中。

在此环境下所解问题的Matlab语言表述形式和其数学表达形式相同，不需要按传统的方法编程。

不过，Matlab作为一种新的计算机语言，要想运用自如，充分发挥它的威力，也需先系统地学习它。

但由于使用Matlab编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不象学习其它高级语言--如Basic、Fortran和C等那样难于掌握。

实践证明，你可在几十分钟的时间内学会Matlab的基础知识，在短短几个小时的使用中就能初步掌握它.从而使你能够进行高效率和富有创造性的计算。

Matlab大大降低了对使用者的数学基础和计算机语言知识的要求，而且编程效率和计算效率极高，还可在计算机上直接输出结果和精美的图形拷贝，所以它的确为一高效的科研助手。

自推出后即风行美国，流传世界。

4.2仿真电路

打开仿真参数窗口，选择ode23tb算法，按图4-1连接好仿真电路图。

相对误差设置为1e-03，开始仿真时间设置为O，停止仿真时间设置为O.02s，控制脉冲周期设置为O.0001s（频率为10000Hz），控制脉冲占空比为85％。

各元器件参数按计算出来的参数设置。

4-1升压斩波电路仿真电路图

4.3仿真结果及误差分析

参数设置完毕后，启动仿真，得到图4-2的仿真结果，输出电压为340V。

图4-2升压斩波电路占空比85%时仿真结果

在原电路的基础上，改变占空比为50%时的仿真结果如图4-3所示,理论输出电压为100V.

图4-3升压斩波电路占空比50%时仿真结果

通过以上的仿真过程分析，仿真结果基本符合理论计算值，本次设计取得成功。

可以得到下列结论：

（1）直流变换电路主要以全控型电力电子器件作为开关器件，通过控制主电路的接通与断开，将恒定的直流斩成断续的方波，经滤波后变为电压可调的直流输出电压。

利用Simulink对升降压斩波的仿真结果进行了详细分析，与采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。

存在误差，但在误差允许范围之类，分析误差原因有以下两点：

第一，电感值和电容值取不到无穷大，造成电流电压脉动。

第二，整流滤波出来的电压并没完全消除高次谐波，这些谐波会影响仿真结果。

第5章设计体会和致谢

回顾起此次电力电子课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整一星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时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，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，在老师和同学们的一一解答下度过重重难关取得成功！

在此，对给过我帮助的所有同学和陆老师表示忠心的感谢，通过这一周的电力电子课程设计，我既对MATLAB7.0软件有了进一步的了解，对BOOSTCHOPPER电路也有的深入的认识和理解。

刚开始，对很多元件的选择都不清楚，通过老师的知道和同学的帮助，学会了如何更好的设计电路选择正确的元器件。

把实验室测得的波形和仿真的波形进行对比，虽然存在一些差异，但是基本上还是一致的。

经过这次的课程设计，发现MATLAB软件功能非常强大。

平时在学习中不能够透彻理解的知识，通过动手，会有更好的认知。

本次课程设计虽然不长，但是它给我们带来了很多收获。

最后，感谢老师的耐心指导和同组同学的大力支持，使我在本次设计中将遇到的问题都解决了，顺利的完成了本次课程设计，并从中学习到了更多的知识。

参考文献

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[2]张乃国．电源技术．北京：

中国电力出版社，1998

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科学出版社，2001

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科学出版社，2000

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[10]何希才．新型开关电源设计与应用．北京：

科学出版社，2001

[11]邱关源主编.电路.第3版上、下册.北京:

人民教育出版社,1981

老师：

原理图打印时单独一页A4纸打印，这里只是给你看一下。

元器件清单

名称

数量

备注

电阻

2个

10KΩ

电阻

1个

1200Ω

电阻

1个

5.1KΩ

电阻

6个

200Ω

极性电容

1个

2200μF

极性电容

2个

22pF

电容

3个

22pF

变压器

一个

220V/42V

三极管

4个

D44H8

IGBT

1个

GT9Q101

集成运放741

2个

SG3525

1块

光耦合器

1个

电力二极管

7个

1N4003

插座

2个

直流电源

1个

15V

电感

2个

0.3mH,50mH