直流電源開關(guān)

課程設(shè)計專業(yè)電氣工程及其自動化學(xué)生姓名周成班級C電氣141學(xué)號1415060596指導(dǎo)老師陳榮電氣工程學(xué)院直流開關(guān)電源的設(shè)計一、設(shè)計目的1、了解一般電力電子技術(shù)設(shè)計過程、設(shè)計要求、應(yīng)完成的工作內(nèi)容和具體設(shè)計方法，把從電力電子技術(shù)中所學(xué)到的理論和實(shí)踐知識，在課程設(shè)計實(shí)踐中全面綜合的加以運(yùn)用，使這些知識得到鞏固，提高，并使理論知識與實(shí)踐技能密切結(jié)合起來。2.在進(jìn)一步理解電力電子技術(shù)過程中，培養(yǎng)我們獨(dú)立工作的能力與創(chuàng)造力；綜合運(yùn)用專業(yè)及基礎(chǔ)知識的能力，解決實(shí)際工程技術(shù)問題的能力。3.從學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)的理論中，樹立起我們正確的設(shè)計思想，從而掌握一般電力電子電路設(shè)計的基本方法和技能，同時培養(yǎng)我們觀察，分析和解決問題及獨(dú)立設(shè)計的能力，訓(xùn)練設(shè)計構(gòu)思和創(chuàng)新能力。設(shè)計任務(wù)：設(shè)計要求：1、設(shè)計主電路及控制電路，要求主電路為：整流部分是變壓器+單相橋式二極管，大電容濾波，DC/DC變換部分是GTR降壓變換器；2、選擇主電路所有圖列原件，并給出清單，標(biāo)注型號；3、設(shè)計GTR驅(qū)動及控制電路；4、繪制裝置總體電路原理圖，繪制電路所有點(diǎn)電壓、電流及GTR、D\L兩端電壓波形（再圖上標(biāo)注A、B、C、...，然后將所有點(diǎn)波形匯總繪制）；5、課題仿真，編制設(shè)計說明書、設(shè)計小結(jié)。技術(shù)參數(shù)：裝置輸入電源為單相工頻電源，電壓在160V~270V之間變化，輸入電壓5V~24V，輸出電流5A，輸出紋波電壓50mV，工作頻率f=4KHz。直流開關(guān)電源的設(shè)計內(nèi)容1、直流開關(guān)電源的基本原理直流開關(guān)電源就是用通過電路控制開關(guān)管進(jìn)行高速的導(dǎo)通與截止．將交流電提供給變壓器進(jìn)行變壓轉(zhuǎn)換成高頻的直流電，從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓。首先交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流通過高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號控制開關(guān)管,將那個直流加到開關(guān)變壓器初級上，然后開關(guān)變壓器次級感應(yīng)出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負(fù)載，接著輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。交流電源輸入時一般要經(jīng)過厄流圈一類的東西,過濾掉電網(wǎng)上的干擾,同時也過濾掉電源對電網(wǎng)的干擾。然后在功率相同時,開關(guān)頻率越高,開關(guān)變壓器的體積就越小,但對開關(guān)管的要求就越高，開關(guān)變壓器的次級可以有多個繞組或一個繞組有多個抽頭,以得到需要的輸出。直流開關(guān)電源一般還應(yīng)該增加一些保護(hù)電路,比如空載、短路等保護(hù),否則可能會燒毀開關(guān)電源。它主要用于工業(yè)以及一些家用電器上，如電視機(jī)，電腦等。整流電路的選擇整流電路是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀(jì)70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離。整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動性直流電，這就是交流電的整流過程，整流電路主要由整二極管組成。經(jīng)過整流電路之后的電壓已經(jīng)不是交流電壓，而是一種含直流電壓和交流電壓的混合電壓。習(xí)慣上稱單向脈動性直流電壓。電源變壓器輸出的交流電經(jīng)整流電路得到一個大小變化但方向不變的脈動直流電。整流電路是由具有單向?qū)щ娦缘脑缍O管、晶間管等整流元件組成的。單相整流電路有兩種：電容輸入型電路和扼流圈輸入型電路兩種基本電路的比較如下：(1)開關(guān)電源多采用脈寬調(diào)制方式，空載時開關(guān)晶體管的導(dǎo)通時間非常短。其導(dǎo)通時間隨開關(guān)電源的設(shè)計方法不同而異，也有采用控制開關(guān)晶體管電路的延時進(jìn)行的間歇開關(guān)工作，這時，若采用扼流圈輸入型整流電路，接近空載時，扼流固變?yōu)榕R界值，逆流電路由扼梳閡輸入型變?yōu)闃I(yè)為電容輸入型。為此，從滿載到空載變動時，整流輸出電壓變動較大，空載時有可能進(jìn)入間歇開關(guān)領(lǐng)域。(2)開關(guān)電源的特點(diǎn)是效率高而體積小，若使用扼流圈時，為提高負(fù)載調(diào)整率需要接入扼流圈以及阻尼電阻。(3)扼流圈可能與次級側(cè)濾波回路產(chǎn)生諧振。因此，開關(guān)電源的輸入整流電路采用電容輸入型。單相半波整流電路單相半波整流電路是最簡單的整流電路如圖(a)所示，僅利用一個二極管來實(shí)現(xiàn)整流功能,其波形如圖（b）所示。單相半波整流電路的輸出電壓平均值為：（為變壓器副邊輸出電壓的有效值）單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路波形單相橋式整流電路單相半波整流電路的缺點(diǎn)是只利用了電源的半個周期，輸出電流較小，同時整流電壓的脈動較大。全波整流電路可以克服這些缺點(diǎn)，其中最常用的是單相橋式整流電路，它是由四個二極管接成電橋的形式構(gòu)成的。（a）單相橋式整流電路（b）單相橋式整流電路波形單相橋式整流電壓的平均值為：（為變壓器副邊輸出電壓的有效值）,比半波整流輸出電壓高。因此，整流電路選用單相橋式整流電路。單相橋式整流器電路的工作原理：電路中采用四個二極管，互相接成橋式結(jié)構(gòu)。利用二極管的電流導(dǎo)向作用，在交流輸入電壓U2的正半周內(nèi)，二極管D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止，在負(fù)載RL上得到上正下負(fù)的輸出電壓；在負(fù)半周內(nèi)，正好相反，D1、D3截止，D2、D4導(dǎo)通，流過負(fù)載RL的電流方向與正半周一致。如圖所示：向左轉(zhuǎn)|向右轉(zhuǎn)當(dāng)為正半周并且數(shù)值大于電容兩端電壓時，二極管和管導(dǎo)通，和管截止，電流一路流經(jīng)負(fù)載，另一路對電容C充電。當(dāng)，導(dǎo)致和管反向偏置而截止，電容通過負(fù)載放電，按指數(shù)規(guī)律緩慢下降。

當(dāng)為負(fù)半周幅值變化到恰好大于時，和因加正向電壓變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，再次對C充電，上升到的峰值后又開始下降；下降到一定數(shù)值時和變?yōu)榻刂梗珻對負(fù)載放電，按指數(shù)規(guī)律下降；放電到一定數(shù)值時和變?yōu)閷?dǎo)通，重復(fù)上述過程。輸出電壓平均值：空載時，放電時間常數(shù)為無窮大，輸出電壓最大

。

整流電壓平均值可根據(jù)前述波形及有關(guān)計算公式推導(dǎo)得出?？蛰d時重載時，R很小，電容放電很快，幾乎失去儲能作用。隨負(fù)載加重，逐漸趨近于，及趨近于電阻負(fù)載時的特性。

根據(jù)負(fù)載情況選擇電容C值，使之T為交流電源的周期，此時輸出電壓為

輸出電流平均值IR為電容濾波的整流電路交流側(cè)諧波組成規(guī)律：

諧波次數(shù)為基數(shù)。

諧波次數(shù)越高，諧波幅值越小。

與帶阻感負(fù)載的單相全控橋整流電路相比，諧波與基波的關(guān)系是不固定的，RC越大，則諧波越大，而基波越小。這是因?yàn)?，RC越大，意味著負(fù)載越輕，二極管的導(dǎo)通角越小，則交流側(cè)電流波形的底部就越窄，波形畸變也越嚴(yán)重。LC越大，則諧波越小，因?yàn)榇?lián)電感L抑制沖擊電流從而抑制了交流電流的畸變。DC-DC變換表示的是高壓（低壓）直流電源變換為低壓（高壓）直流電源。例如車載直流電源上接的DC/DC變換器是把高壓的直流電變換為低壓的直流電。具體是指通過自激振蕩電路把輸入的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，再通過變壓器改變電壓之后再轉(zhuǎn)換為直流電輸出，或者通過倍壓整流電路將交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電輸出。當(dāng)GTR導(dǎo)通時，輸入電壓DC通過L向負(fù)載RL供電，與此同時也向電容C1充電。在這個過程中，電容C1及電感L中儲存能量。電感增加的磁通為：。當(dāng)GTR截止時，由儲存在電感L中的能量繼續(xù)向RL供電，當(dāng)輸出電壓要下降時，電容C1中的能量也向RL放電，維持輸出電壓不變。二極管VD1繼續(xù)流二極管，以便構(gòu)成電路回路。電感減少的磁通為：當(dāng)達(dá)到平衡時由于占空比a<1，所以，實(shí)現(xiàn)降壓功能。驅(qū)動電路的設(shè)計GTR是第二代功率半導(dǎo)體器件,它克服了晶閘管不能自關(guān)斷與開關(guān)速度慢的缺點(diǎn),簡化了變頻傳動和其它帶逆變環(huán)節(jié)的交流器的換相,降低了體積,且可節(jié)能,是電力電子裝置的關(guān)鍵器件,廣泛地應(yīng)用于載波器、穩(wěn)壓電源以及交直流電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域。驅(qū)動的作用是使GTR可靠的開通與關(guān)斷,設(shè)計基極驅(qū)動電路時應(yīng)考慮采用基極優(yōu)化驅(qū)動方案。,就是以理想的基極驅(qū)動電流波形去控制GTR的開關(guān)過程。理想的基極電流波形二極管VD2和電位補(bǔ)償二極管VD3構(gòu)成貝克箝位電路，也即一種抗飽和電路，負(fù)載較輕時，如發(fā)射極電流全注入V，會使V過飽和。有了貝克箝位電路，當(dāng)V過飽和使得集電極電位低于基極電位時，會自動導(dǎo)通，使多余的驅(qū)動電流流入集電極，維持。為加速開通過程的電容。開通時，被短路?？蓪?shí)現(xiàn)驅(qū)動電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通。開通驅(qū)動電流應(yīng)使GTR處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使之不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū)。關(guān)斷GTR時，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗，關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負(fù)偏壓。GTR驅(qū)動電路保護(hù)問題控制電路脈寬寬度調(diào)制式（PWM）開關(guān)型穩(wěn)壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調(diào)整其占空比，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實(shí)現(xiàn)晶體管或MOS管導(dǎo)通時間的改變，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。脈寬調(diào)制（PWM）基本原理：控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，因此在交－直－交變頻器中，PWM逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側(cè)電壓的幅值。四丶電路仿真及其波形MATLAB電路仿真圖波形圖設(shè)計小結(jié)及體會通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論知識與實(shí)踐相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。從理論中得出結(jié)論，才能提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力，在設(shè)計的過程中難免會遇到各式各樣的問題，同時在設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足之處，對之前所學(xué)的知識理解得不夠深刻。掌握得不夠牢固。比如說不懂一些元器件的用法及對單相半波可控整流電路的原理及相關(guān)知識理解得不夠深刻。但這次設(shè)計過讓我更加深刻地認(rèn)識到自己在專業(yè)課上的不足，而且要做到溫故而知新。同時，這次的課程設(shè)計不僅培養(yǎng)了我們獨(dú)立思考、動手操作的能力，而且在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，我們學(xué)會了很多學(xué)習(xí)的方法。而這是日后最實(shí)用的，真的是受益匪淺！面對困難我們要不斷的學(xué)習(xí)、實(shí)踐，再學(xué)習(xí)、再實(shí)踐。這對于我們的將來也有很大的幫助。

紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。作為還是學(xué)生的我們，要盡可能地摒棄慵懶的學(xué)習(xí)習(xí)慣，提高對自我的要求，不斷在實(shí)踐中尋求真知。六、參考文獻(xiàn)1、《電力電子技術(shù)》王兆安主編，機(jī)械工業(yè)出版社；2、《電力電子技術(shù)》丁道宏主編，航空工業(yè)出版社；3、《電力電子技術(shù)》王兆安主編,機(jī)械工業(yè)出版社；4、《現(xiàn)代電力電子技術(shù)》何希才主編，國防工業(yè)出版社；5、《\o"查看該書詳細(xì)信息"晶閘管變流技術(shù)》HYPERLINK"2:888/opac/item.php?