电力电子实训报告

电力电子系统实训报告姓名：班级：电气学号：一、电力电子实训的目的和任务电力电子技术是研究利用电力电子器件、电路理论和控制技术，实现对电能的控制、变换和传输的科学，其在电力、工业、交通、通信、航天等很多领域具有广泛的应用。电力电子技术不但本身是一项高新技术，而且还是其它多项高新技术发展的基础。因此提高学生的电力电子领域综合设计和综合应用能力是教学计划中必不可少的重要一环。通过电力电子系统实训需要从以下几方面入手：1.培养我们的文献检索的能力；2.培养我们综合分析问题、发现问题和解决问题的能力；3.培养我们运用知识的能力和工程设计的能力；4.提高我们的电力电子装置分析和设计能力。二、实践的内容1、设计晶闸管SCR的触发电路2、设计电力场效晶体管MOSFET的基本驱动电路和设计可关断晶闸管GTO的基本驱动电路3.MOSFET降压斩波电路设计设计条件：a、输入直流电压：Ud=100Vb、开关频率5KHzc、占空比10%～90%d、输出电压脉率：小于10%三、设计基本要求根据设计题目，收集相关资料、设计主电路、驱动电路、控制电路，撰写设计报告；用protell画出主电路、驱动电路、控制电路原理图；说明主电路的工作原理、驱动电路的工作原理、控制电路的工作原理。四、电力电子系统的构成由控制电路（ControlCircuit）、驱动电路（DrivingCircuit）和以电力电子器件为核心的主电路（MainCircuit）组成。控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能。有的电力电子系统中，还需要有检测电路。广义上往往其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离，通过其它手段如光、磁等来传递信号。图1-1电力电子器件在实际应用中的系统组成五、晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。广义上讲，还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路晶闸管触发电路应满足下列要求：（1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通（结合擎住电流的概念）；（2）触发脉冲应有足够的幅度；（3）不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内；（4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离t1~t2脉冲前沿上升时间（1s）t1~t3强脉宽度IM强脉冲幅值（3IGT~5IGT）t1~t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2ItIMt1t2t3t4图1-2理想的晶闸管触发脉冲电流波形A+-MOSFET20V20VuiR1R3R5R4R2RGV1V2V3C1-VCC+VCC图1-3常见的晶闸管触发电路图1-5电力MOSFET的一种驱动电路V1、V2构成脉冲放大环节脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节，V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲，VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设六、驱动电路主电路与控制电路之间的接口，使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的基本任务：将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号；对半控型器件只需提供开通控制信号；对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器，磁隔离的元件通常是脉冲变压器。电力MOSFET的一种驱动电路：电气隔离和晶体管放大电路两部分。无输入信号时高速放大器A输出负电平,V3导通输出负驱动电压。当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压。TMR1R2R3V1V2VD1VD3VD2R4+E1+E2ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1图1-4光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型EETtEtttUonoffononoREUIMoo七、降压斩波电路的设计1.主电路斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中EM所示。工作原理：t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升；t=t1时刻控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感L值较大。电流连续时，负载电压平均值ton——V通的时间toff——V断的时间a--导通占空比Uo最大为E，减小占空比a，Uo随之减小。因此称为降压斩波电路。负载电流平均值电流断续时，Uo被抬高，一般不希望出现。tttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiG2、隔离驱动图中是一种采用光耦合隔离的由V2、V3组成的驱动电路。当控制脉冲使光耦关断时，光耦输出低电平，使V2截至，V3导通，MOSFET在DZ1反偏作用下关断。当控制脉冲使光耦导通时，光耦输出高电平，使V2导通，V3截至，经VCC、V2、RG产生的正向驱动电压使MOS管开通。电源+VCC可由DC/DC芯片提供。3、模拟控制降压斩波电路的模拟控制采用PWM控制芯片SG3525组成的PWM发生电路输出PWM控制信号，控制MOS管的导通和关断。下图为该芯片的引脚功能及应用电路。SG3525脉宽调制型控制器是美国通用电气公司的产品，作为SG3524的改进型，更适合于运用MOS管作为开关器件的DC/DC变换器，它是采用双级型工艺制作的新型模拟数字混合集成电路，性能优异，所需外围器件较少。可直接驱动功率MOS管，工作频率高达400KHz。1脚：误差放大器的反相输入端；2脚：误差放大器的同相输入端；3脚：同步信号输入端，同步脉冲的频率应比振荡器频率fS要低一些；4脚：振荡器输出；MOSFETuiR1R4R2RGV1V2V3+VCCR3DZ2DZ1VcVs-VSDSYNCUSCOUTAOUTBGNDCOMPREFVVCSSDISCTCTR1034111412218101315SG352515V15VMOSFETR1R4R2RGV1V2V3+VCCR3DZ2DZ1965743165.1V5.1VucoSG3525的引脚5脚：振荡器外接电容CT端，振荡器频率fs＝1／CT（0.7RT+3R0）,R0为5脚与7脚之间跨接的电阻，用来调节死区时间，定时电容范围0.001～0.1μF；6脚：振荡器外接定时电阻RT端，RT值为2～150kΩ；7脚：振荡器放电端，用外接电阻来控制死区时间，电阻范围为0～500Ω；8脚：软启动端，外接软启动电容，该电容由内部Vref的50μA恒流源充电；9脚：误差放大器的输出端；10脚：PWM信号封锁端，当该脚为高电平时，输出驱动脉冲信号被封锁，该脚主要用于故障保护；11脚：A路驱动信号输出；12脚：接地；13脚：输出集电极电压；14脚：B路驱动信号输出；15脚：电源，其范围为8～35V；16脚：内部＋5V基准电压输出。八、直流变换电路的PWM控制技术直流斩波电路实际上就是直流PWM电路，是PWM控制，技术应用较早也成熟较早的一类电路，应用于直流电动机调速系统就构成广泛应用的直流脉宽调速系统。直流PWM控制的基本原理tOua)b)图6-3Out九、双极性电压开关PWM控制方式开关原理：直流控制电压与三角波电压比较产生两组开关的PWM控制信号:1)当uruc时，T1和T4导通，T2和T3关断；2)当uruc时，开关T1、T4关断，T2、T3导通。PWM控制的基本原理用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波正弦半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等。用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等宽度按正弦规律变化SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可利用MOSFET构成升压型DC/DC变换器，输入电压：9—12V；输出电压：100V；输出电流：100mA；电源电压调整率不大于1%，负载调整率不大于1%。图1-10全桥变换电路图1-11用PWM波代替正弦半波信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc单相桥式PWM逆变电路图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud1.电路结构的确定由于没有要求DC/DC变换器的输入与输出之间电气隔离，从变换的角度器效率的角度考虑，非隔离的变换器效率比隔离变换器效率高，因此采用非隔离的升压型变换器电路结构。为了尽可能降低输出电压的纹波和尖峰电压，变换器的工作方式为电流断续型，即电感电流是断续的。2.控制电路的选择最可靠的控制方式是峰值电流型控制方式，最简单的峰值电流型控制IC是UC3842系列。由于输入电压范围是9—12V的电压不能启动UC3842，需要附加启动电路，但这样会使电路变得复杂。应选择UC3842的姊妹型号，即启动电压8.5V的UC3843或UC3844的姊妹型号UC3845。3.电路参数的设计这样在连续的状态下，在电源电压最低（9V）、输出电压为100V时，对应的占空比为：对应的开关管导通时间与电感释放储能的持续时间比为0.91：0.09。如果开关管的最大导通占空比为0.5，则对应的电感释放储能的“占空比”d为：对应的电感电流峰值为：根据电流断续或电流临界状态下的输出电压与输入电压的关系，在频率已知50kHz，对应的开关周期为20μs，对应的开关管的导通时间为10μs，可以推导出电感的电感量为4.其他主要元件的选择a.开关管的选择。开关管选择MOSFET，因为低压应用领域MOSFET的导通电压是最低的，而且也不需要很大的驱动电流。在这个实例中，由于电压达到了100V，开关管上的峰值电压不会低于100V，因此开关管的耐压应选择100V图6-7调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2Ud图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Udmax10090.91100D0.50.090.04950.91d22104.04A1000.0495omopIVd69101022.274.04inonmVtLHI以上的器件。可以选择IRF640（额定电压为200V，额定电流为18A，导通电阻为0.18Ω，外加散热器）b.输出二极管的选择。输出二极管的额定电压应选择100V以上，额定电流选择4A。可以选择快速二极管。MUR420（额定电压200V，额定电流4A）c.输出滤波电容的选择。输出滤波电容选择160V/47μF，可以降低电容的纹波和尖峰。d.输入旁路电容的选择。输入旁路电容器可以选用16V/470μF。e.滤波电路的选择。一般说来，将输出二极管和滤波电容器连接端作为变换器输出就可以了，但是通常其输出电压尖峰比较大，需要经过一级LC滤波电路，可以由10μH电感和3.9μF电容器构成。MOSFET降压斩波电路设计原理图MOSFETR1R4R2RGV1V2V3+VCCR3DZ2DZ1UC384312348765电力电子系统实训报告姓名：刘利军班级：电气701班学号：0701009