年5月29日電力電子技術(shù)課程設(shè)計范本文檔僅供參考電力電子技術(shù)課程設(shè)計一、課程設(shè)計的性質(zhì)和目的

1、性質(zhì):是電氣自動化專業(yè)的必修實踐性環(huán)節(jié)。

2、目的:1)培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識解決問題的能力與實際動手能力;

2)加深理解<電力電子技術(shù)>課程的基本理論;

3)初步掌握電力電子電路的設(shè)計方法。二、課程設(shè)計的題目MOSFET電壓型單相半橋無源逆變電路設(shè)計(阻感性負(fù)載)

設(shè)計條件:(1)輸入直流電壓:Ui=200V

(2)輸出功率:500W

(3)輸出電壓波形:1KHz方波三、課程設(shè)計的內(nèi)容,指標(biāo)內(nèi)容及要求,應(yīng)完成的任務(wù)1、課程設(shè)計的要求1)整流電路的選擇2)整流變壓器額定參數(shù)的計算3)晶閘管(全控型器件)電壓、電流額定的選擇4)平波電抗器電感值的計算5)保護電路(緩沖電路)的設(shè)計6)觸發(fā)電路(驅(qū)動電路)的設(shè)計7)畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖2、指標(biāo)要求(1)輸入直流電壓:Ui=200V;(2)輸出功率:500W;(3)輸出電壓波形:1KHz方波。3、整流電路的選擇整流電路選擇感容濾波的二極管整流電路,由于電容兩端的電壓不能突變,故能夠保證輸出電壓為大小恒定的直流電壓。ud波形更平直,電流i2的上升段平緩了許多,這對于電路的工作是有利的。4、觸發(fā)電路(驅(qū)動電路)的設(shè)計實現(xiàn)逆變的主電路中用的是全控型器件MOSFET,觸發(fā)電路主要是針對它的觸發(fā)設(shè)計,電路的原理圖如下圖所示。跟雙極性晶體管相比,一般認(rèn)為使MOS管導(dǎo)通不需要電流,只要GS電壓高于一定的值,就能夠了。這個很容易做到,可是,我們還需要速度。在MOS管的結(jié)構(gòu)中能夠看到,在GS,GD之間存在寄生電容,而MOS管的驅(qū)動,實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流,因為對電容充電瞬間能夠把電容看成短路,因此瞬間電流會比較大。選擇/設(shè)計MOS管驅(qū)動時第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。第二注意的是,普遍用于高端驅(qū)動的NMOS,導(dǎo)通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動的MOS管導(dǎo)通時源極電壓與漏極電壓(VCC)相同,因此這時柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個系統(tǒng)里,要得到比VCC大的電壓,就要專門的升壓電路了。很多馬達(dá)驅(qū)動器都集成了電荷泵,要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容,以得到足夠的短路電流去驅(qū)動MOS管。上邊說的4V或10V是常見的MOS管的導(dǎo)通電壓,設(shè)計時當(dāng)然需要有一定的余量。而且電壓越高,導(dǎo)通速度越快,導(dǎo)通電阻也越小?，F(xiàn)在也有導(dǎo)通電壓更小的MOS管用在不同的領(lǐng)域里,但在12V汽車電子系統(tǒng)里,一般4V導(dǎo)通就夠用了。4、PWM產(chǎn)生電路SG3525的結(jié)構(gòu)工作原理:SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖所示,它在第一代脈寬調(diào)制芯片SG3524的基礎(chǔ)上作了較大的改進,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)電路中設(shè)置了欠電壓鎖定和限流關(guān)斷電路。為了防止在欠電壓狀態(tài)下<8V)時有效地使輸出保持在關(guān)斷狀態(tài),電路中設(shè)置了欠電壓封鎖電路,當(dāng)U>2.5V時欠電壓封鎖電路就開始工作,其上限值為8V,但在電路達(dá)到8V前,電路各部分已進入正常工作狀態(tài),而當(dāng)從8V下降到7．5V時,鎖定電路又開始恢復(fù)工作,其中有0.5V的回差電壓,用于消除鉗位電路在閥值點處的振蕩。在鎖定電路工作期間,輸出一高電平,加至組合邏輯門電路的輸入端,以封鎖PWM的脈沖信號。SG3525沒有電流限制放大器,它采用了關(guān)斷控制電路來進行限流控制,其中包括逐個脈沖的電流限制和輸出電流的限流控制,只要將信號加于l0腳就能實現(xiàn)限流控制。另外l0腳也可提供各種程序控制的需要。(2)改進了振蕩電路。主要是將時基電容c的放電電路與充電電源分開,單獨設(shè)立引腳7,C放電經(jīng)過外接電阻R。來實現(xiàn),改變R。即可改變C的放電時間常數(shù),從而也改變了死區(qū)時間,而C的充電是由R規(guī)定的內(nèi)部電流源決定的。振蕩器的振蕩頻率為:(3)輸出電路的改進。SG3525輸出級采用了圖騰柱輸出電路,它能使輸出管更快地關(guān)斷,V1由達(dá)林頓管組成,最大驅(qū)動能力為100mA,V2作為開關(guān)器件,在其導(dǎo)通時能夠迅速把外接MOS管柵極上的電荷從它的集電極泄放至地,最大吸收電流為50mA。由圖2結(jié)構(gòu)框圖可見,SG3525主要有基準(zhǔn)穩(wěn)壓源、振蕩器、誤差放大器、PWM比較器和鎖存器、分相器、或非門電路和圖騰輸出電路等幾大部分組成:振蕩器經(jīng)過外接時基電容和電阻產(chǎn)生鋸齒波振蕩同時產(chǎn)生時鐘脈沖信號,該信號的脈沖寬度與鋸齒波的下降沿相對應(yīng)。時鐘脈沖作為由T觸發(fā)器組成的分相器的觸發(fā)信號,用來產(chǎn)生誤差為180。的一對方波信號u和U誤差放大器是一個雙級差分放大器,經(jīng)差分放大的信號u。與振蕩器輸出的鋸齒波電壓u加至PWM比較器的負(fù)、正輸入端,比較器輸出的調(diào)制信號經(jīng)鎖存后作為或非門電路的輸入信號u．或非門電路在正常情況下具有三路輸入:即分相器的輸出信號um和uPWM調(diào)制信號u和時鐘信號U?；蚍情T電路的輸出UⅢ和U即為圖騰柱電路的驅(qū)動信號。相關(guān)各點的波形如圖3所示。圖３SG3525相關(guān)波形圖5、應(yīng)完成的任務(wù)在進行實際的設(shè)計之前,我們應(yīng)該了解單相半橋逆變的應(yīng)用范圍,熟練地掌握電壓型半橋逆變電路的工作原理,弄清楚電路中所應(yīng)用的每一個器件在電路中的作用,熟練地掌握MOSFET的結(jié)構(gòu)、工作原理、驅(qū)動電路的選擇要求。在應(yīng)用Matlab仿真的時候應(yīng)該對Matlab中的模塊有一定的了解,并能熟練地找到每一個模塊所在的位置。6、課程設(shè)計基本要求

1)三人一個題目,按學(xué)號組合;2)明確設(shè)計任務(wù)、對所要求的內(nèi)容進行具體分析,充分了解系統(tǒng)的性能,指標(biāo)內(nèi)容及要求,制定設(shè)計方案

3)進行具體設(shè)計,根據(jù)課程設(shè)計題目,收集相關(guān)資料、設(shè)計主電路、控制電路;參數(shù)計算,器件選擇;并完成系統(tǒng)調(diào)試;

4)撰寫課程設(shè)計報告——畫出主電路、控制電路原理圖,說明主電路的工作原理、,選擇元器件參數(shù),說明控制電路的工作原理、繪出主電路典型波形(比較實際波形與理論波形),繪出觸發(fā)信號(驅(qū)動信號)波形,說明調(diào)試過程中遇到的問題和解決問題的方法,附參考資料;5)經(jīng)過答辯。7、完整的主電路和控制電路原理圖整流電路:輸出波形:逆變電路:輸出波形:MOSFET驅(qū)動電路:四、設(shè)計方案選擇及論證。半橋逆變電路是電子鎮(zhèn)流器和電子節(jié)能燈中最常見也是最基本的電路,正確地理解它的工作原理,將有助于我們合理地選擇元器件如磁環(huán)變壓器、扼流電感、啟動電容等元件的參數(shù),正確地安排三極管的驅(qū)動電路,以降低它的功耗與熱量,提高整燈的可靠性。半橋逆變電路的優(yōu)點是簡單,使用的器件少。其缺點是交流電壓的幅值僅為輸入電壓的一半,且直流側(cè)需要兩個電容串聯(lián),工作時還要控制兩個電容器電壓的均衡,因此,半橋逆變電路常見于及KW以下的小功率逆變電路。五、總體電路的功能框圖及其說明。PWM產(chǎn)生電路SG3525PWM產(chǎn)生電路SG3525MOSFET驅(qū)動電路有電容濾波的整流電路 驅(qū)動有電容濾波的整流電路半橋逆變電路 輸入半橋逆變電路逆變輸出逆變輸出各部分作用:電容濾波的整流電路作用是為逆變提供幅值一定的直流電壓,MOSFET驅(qū)動電路的作用是保證兩個管子有效地觸發(fā),使逆變電路正常的工作。半橋逆變電路的作用是根據(jù)管子的導(dǎo)通與關(guān)斷的情況進行逆變工作。六、總體電路原理圖及其說明。前一半電路為整流電路,其主要目的是整流出我們需要的輸入電壓,即幅值恒為200V的直流電壓。整流電路選擇電容濾波的單相不可控整流電路,采用阻感性負(fù)載,由于電容兩端的電壓不能突變,故能夠保證輸出電壓為大小恒定的直流電壓,即逆變電路的輸入電壓為大小不變的直流電壓。主電路,即逆變電路的工作原理可用下圖說明。改變開關(guān)器件的控制信號頻率即可改變輸出交流電壓的頻率。值得注意的是:為了保證逆變電路的正常工作,必須防止兩個管子同時導(dǎo)通,否則將出現(xiàn)直通現(xiàn)象。我們要采取的措施是”先斷后通”,即先給應(yīng)該關(guān)斷的器件一個關(guān)斷信號,再給應(yīng)該導(dǎo)通的器件一個開通信號。我們課程設(shè)計的原理圖與其的差別是我們用的是全控型器件MOSFET,其它的都是一樣的,總體上說,基本原理是一樣的。七、實驗仿真電路及其仿真結(jié)果。仿真時參數(shù)的設(shè)置:脈沖的周期設(shè)置為0.2秒,電容的值,電阻的值為,電感的值為。八、收獲、體會及改進這次電力電子課程設(shè)計使我認(rèn)識到理論與實踐之間的差距,單純的理論知識在實踐中會問遇到很多不能解釋清楚的現(xiàn)象,特別是電力電子器件的工作原理,如果只是停留在理論的認(rèn)識層面,就很難解釋一些與理論分析有些偏差的實際現(xiàn)象。因此我們應(yīng)該多加強實踐,使理論充分地應(yīng)用于實踐,提高我們解決問題的能力。在設(shè)計電路的過程中,我們用的是Matlab仿真,在這個過程中,我對Matlab技術(shù)的應(yīng)用有了更深的認(rèn)識,能夠比之前更熟悉的應(yīng)用其中的模塊,對于器件的參數(shù)設(shè)置問題有了自己的認(rèn)識。在整個的設(shè)計過程中,我也遇到了很多問題,查閱了很多資料,向老師問了很多自己不能解決的問題。這些都提高了我解決問題的能力,知道了很多與電力電子課程有關(guān)的網(wǎng)站,這些都對我以后的