直流稳压电源设计(单相)_电力电子课程设计
課程設計題目： 直流穩壓電源設計（單相）
所修課程名稱： 電力電子技術
目錄
- 一、設計目的
- 二、設計任務
- 三、設計內容
- 3.1整流電路的比較與選擇
- 3.2觸發電路的比較與選擇
- 3.3穩壓電路的比較與選擇
- 3.4驅動電路的選擇
- 3.5晶閘管保護電路的比較與選擇
- 3.5.1晶閘管的過流保護
- 3.5.2晶閘管的過壓保護
- 3.5.3電流上升率的抑制保護
- 3.5.4電壓上升率的抑制
- 四、主要計數參數
- 4.1整流變壓器額定參數計算
- 4.2整流變壓器額定參數計算
- 4.3晶閘管保護電路的計算
- 4.4濾波電容器的參數計算
- 4.5斬波電路中 MOSFET的參數計算
- 五、總體設計及仿真
- 六、設計小結
- 參考文獻
引言
??直流穩壓電源一般由電源變壓器、整流濾波電路及穩壓電路所組成。變壓器把市電交流電壓變為所需要的低壓交流電。整流電路是把交流電能轉換為直流電能的電路。濾波器接在主電路與負載之間，用于濾除動直流電壓中的交流成分。經濾波后，穩壓器再把不穩定的直流電壓變為穩定的直流電壓輸出。本設計主要采用單相橋式全控整流電路和升降壓斬波電路，通過電容濾波的單相不可控整流電路將交流電源整流為直流電源，再經過降壓斬波電路，改變占空比，穩定輸出電壓。
關鍵詞:整流;斬波
直流穩壓電源設計（單相）一、設計目的
??1、學習基本理論在實踐中綜合運用的初步經驗，掌握電力電子電路設計的基本方法、設計步驟,培養綜合設計與調試能力。
??2、學會直流穩壓電源的設計方法和性能指標測試方法。
??3、培養實踐技能，提高分析和解決實際問題的能力。
二、設計任務
??本次的設計的任務是設計一個裝置的輸入電源為單相U_L=220V工頻交流電源，輸出直流電壓0～100V，輸出電流10A，L_B=1mH。
三、設計內容
??電路主回路由整流電路、穩壓電路兩部分組成，其中整流電路由單相不可控整流電路、電容濾波電路組成,穩壓電路由BUCK降壓電路、 電容濾波電路、 MOSFET觸發電路、 MOSFET保護電路組成。其系統原理框圖如下:
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3.1整流電路的比較與選擇
??方案一:單相全橋可控整流電路，由可關斷器件組成，可使輸入電壓可控，輸入諧波很低，輸出電壓值不僅取決于交流輸入電壓，調整可關斷器件導通角也可以控制輸出電壓。
??方案二:單相不可控整流電路，其由二極管組成橋式整流電路，因二極管正向導通反相截止，其正半周與負半周通路不同，導致負載電壓、電流的方向不變，輸出脈動直流電,輸出電壓值取決于交流輸入電壓。
??經比較，由于不可控整流電路整流電壓脈動小，波形平穩;而可控整流需要控制器件，壓降損耗大，結構較為復雜，可靠性較單相不可控整流電路而言更低。故采用方案二，使用不可控整流中的橋式整流電路實現AC-DC的轉化。
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圖 2 (a)不可控整流電路
?? 圖 3 (b)可控整流電路
3.2觸發電路的比較與選擇
??方案一:多諧振蕩電路，由555定時器外接電阻R1、R2和電容C組成，該電路沒有穩態，只有兩個暫穩態，也不需要外加觸發信號，利用電源VCC 通過R1和R2向電容器C充電，使U_c逐漸升高，升到2VCC/3時，U_o跳變到低電平，放電端D導通，這時電容器C通過電阻R2和D端放電，使C下降，降到VCC/3時，U_o跳變到高電平，D端截止，電源VCC又通過R1和R2向電容器C充電。如此循環，振蕩不停，電容器C在VCC/3和 2VCC/3之間充電和放電，輸出連續的矩形脈沖信號。
??方案二:利用51單片機軟件延時產生PWM波。利用軟件延時函數，控制電平持續的時間，達到模擬PWM的效果。
??方案三:利用51單片機定時器產生PWM波，利用了定時器滋出中斷，在中斷服務程序改變電平的高低，在程序較復雜、多操作時仍能輸出較準確的PWM波形。
??經比較，由于多諧振蕩電路結構較為簡單，工作方便:利用51單片機軟件延時產生PWM波的方法也能簡單地模擬出 PWM輸出,但是當程序除了要輸出 PWM波還要執行其他操作比如鍵盤掃描、顯示等操作時，需要占用CPU一定的機器周期，這樣就會影響PWM的準確度;利用51單片機定時器產生PWM波，在程序較復雜、多操作時能輸出較準確的PWM波形，但實際運用我們還不熟悉。故采用方案一，使用多諧振蕩電路產生PWM波。
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圖 4 (a)多諧振蕩電路
?? 圖 5 (b)51單片機產生PWM波
3.3穩壓電路的比較與選擇
??方案一:BUCK-BOOST升降壓斬波電路，電路使用一個全控型器件V。當V處于通態時，電源向電感L充電，充電電流基本恒定為I，同時電容C上的電壓向負載供電，當V處于關斷時，電感L中儲存的能量相符在釋放。調節占空比，輸出電壓可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。因C值很大，基本保持輸出電壓U_o為恒值。
??方案二:BUCK降壓斬波電路，V為全控型器件，開關管選用電力電子器件;D為續流二極管。當V處于通態時，電源向負載供電，U_D=U_i。當V處于斷態時，負載電流經二極管D續流，電壓U_D近似為零，至一個周期T結束。
??經比較,因電容濾波的單相不可控整流電路的整流輸出電壓始終高于題目所要求的輸出電壓，即采用降壓斬波電路即可。故采用方案二，使用BUCK降壓斬波電路實現直流穩壓。
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圖 6 (a) 升降壓斬波電路
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圖 7 (b) 降壓斬波電路
3.4驅動電路的選擇
??驅動電路位于主電路和控制電路之間，用來對控制電路的信號進行放大的中間電路，即放大控制電路的信號使其能夠驅動功率晶體管。驅動電路在副邊與主電路有耦合關系，而驅動原邊是與控制電路連在一起，主電路是一次電路，控制電路是ELV電路，一次電路和ELV電路之間要做加強絕緣，實現絕緣要求一般就采取變壓器、光耦等隔離措施。
??故我們選用IRS2117驅動MOSFET。該芯片的相關參數及典型應用如下:
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3.5晶閘管保護電路的比較與選擇
??晶閘管的保護電路大致可以分為兩種情況:一種是在適當的地方安裝保護器件,例如R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。另一種則是采用電子保護電路,檢測設備的輸出電壓或輸入電流,當輸出電壓或輸入電流超過允許值時,借助整流觸發控制系統使整流橋短時內工作于有源逆變工作狀態，從而抑制過電壓或過電流的數值。
3.5.1晶閘管的過流保護
??晶閘管設備產生過電流的原因可以分為兩類:一類是由于整流電路內部原因,如整流晶閘管損壞，觸發電路或控制系統有故障等;其中整流橋晶閘管損壞類較為嚴重,一般是由于晶閘管因過電壓而擊穿，造成無正、反向阻斷能力,它相當于整流橋臂發生永久性短路,使在另外兩橋臂晶閘管導通時,無法正常換流，因而產生線間短路引起過電流。另一類則是整流橋負載外電路發生短路而引起的過電流,這類情況時有發生。因為整流橋的負載實質是逆變橋,逆變電路換流失敗，就相當于整流橋負載短路。另外.如整流變壓器中心點接地,當逆變負載回路接觸大地時，也會發生整流橋相對地短路。
??對于第一類過流，即整流橋內部原因引起的過流，以及逆變器負載回路接地時，可以采用第一種保護措施，最常見的就是接入快速熔短器的方式。快速熔短器的接入方式共有三種，具體見下圖:
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A型:熔短器與每一個元件串聯，能可靠地保護每一個元件
B型:能在交流、直流和元件短路時起保護作用，可靠性稍有降低
C型:直流負載側有故障時動作,元件內部短路時不起保護作用
??對于第二類過流,即整流橋負載外電路發生短路而引起的過電流,則應當采用電子電路進行保護。常見的電子保護原理圖如下
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3.5.2晶閘管的過壓保護
??晶閘管設備在運行過程中,會受到由交流供電電網進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時,設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現。
??過電壓保護的第一種方法是并接R-C阻容吸收回路,以及用壓敏電阻等非線性元件加以抑制，見下圖。
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圖 10(a)阻容三角抑制過電壓
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圖 11 (b)壓敏電阻抑制過電壓
??過電壓保護的第二種方法是采用電子電路進行保護。常見的電子保護原理圖如下:
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3.5.3電流上升率的抑制保護
??晶閘管初開通時電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區域,局部電流密度很大，然后以0.1mm/ u s 的擴展速度將電流擴展到整個陰極面,若晶閘管開通時電流上升率 di/dt過大,會導致PN結擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率使其在合適的范圍內。其有效辦法是在晶閘管的陽極回路串聯入電感。如下圖:
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圖 13串聯電感抑制回路
3.5.4電壓上升率的抑制
??加在晶閘管上的正向電壓上升率dv/dt也應有所限制,如果dv/dt過大，由于晶閘管結電容的存在而產生較大的位移電流，該電流可以實際上起到觸發電流的作用，使晶閘管正向阻斷能力下降，嚴重時引起晶閘管誤導通。為抑制dv/dt的作用，可以在晶閘管兩端并聯R-C阻容吸收回路。如下圖:
圖 14并聯R-C阻容吸收回路
??在實際晶闡管電路中，常在其兩端并聯RC串聯網絡，該網絡常稱為RC阻容吸收電路。
??我們知道，晶閘管有一個重要特性參數―斷態電壓臨界上升率dlv/dlt。它表明晶閘管在額定結溫和門極斷路條件下，使晶閘管從斷態轉入通態的最低電壓上升率。若電壓上升率過大，超過了晶閘管的電壓上升率的值，則會在無門極信號的情況下開通。即使此時加于晶閘管的正向電壓低于其陽極峰值電壓，也可能發生這種情況。因為晶閘管可以看作是由三個PN結組成。
??在晶閘管處于阻斷狀態下，因各層相距很近，其J2結結面相當于一個電容CO。當晶閘管陽極電壓變化時，便會有充電電流流過電容CO，并通過J3結，這個電流起了門極觸發電流作用。如果晶閘管在關斷時，陽極電壓上升速度太快，則co的充電電流越大，就有可能造成門極在沒有觸發信號的情況下，晶閘管誤導通現象，即常說的硬開通，這是不允許的。因此，對加到晶閘管上的陽極電壓上升率應有一定的限制。
??為了限制電路電壓上升率過大，確保晶閘管安全運行，常在晶閘管兩端并聯RC阻容吸收網絡，利用電容兩端電壓不能突變的特性來限制電壓上升率。因為電路總是存在電感的(變壓器漏感或負載電感)，所以與電容C串聯電阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C電路在過渡過程中，因振蕩在電容器兩端出現的過電壓損壞晶閘管。同時，避免電容器通過晶閘管放電電流過大，造成過電流而損壞晶閘管。
??由于晶閘管過流過壓能力很差，如果不采取可靠的保護措施是不能正常工作的。RC阻容吸收網絡就是常用的保護方法之一。
??即本設計我們選擇阻容保護電路。
四、主要計數參數
4.1整流變壓器額定參數計算
??變壓器設置視具體情況而定。變壓器的作用是實現交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網與整流電路之間的電隔離。整流器的輸入端一般接在交流電網上。為了適應負載對電源電壓大小的要求，或者為了提高整流裝置的功率因數，一般可在輸入端接整流變壓器;但有時變壓器內部也要產生電磁損耗，選擇變壓器時應多方面綜合考慮。
??裝置的輸入電壓U_L=220V，輸出電壓U_O為0～100V，考慮采用單相不可控整流電路，即整流橋的輸入電壓約為
??由于電路的開關損耗、變壓器磁損耗等考慮選擇的變壓器留有一定余量，即選擇變壓器的輸出電壓為220V,可得變壓器額定變比為1: 1。
??同時，匝數比為1:1的整流變壓器只實現了交流電網與整流電路之間的電隔離，但其自身產生損耗，即我們也可以選擇不使用變壓器。
??故根據計算結果，我們實際選擇不使用變壓器。
4.2整流變壓器額定參數計算
??己知滿載時流過負載的電流為10A,在一個周期內整流二極管只導通半個周期，即流過整流二極管的平均電流為
I_(F(Av))=10/2=5A??選擇整流二極管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于它允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值，即
I=1.57*I_F(Av) =1.57*5=7.85??而選用器件時，額定電流要留有一定的余量，一般取額定電流為正常工作時整流二極管的電流的1~1.5倍。即整流二極管的額定電流為
I_1=（1~1.5）*7.85A=11.775A??實際單相不可控整流電路后連接了buck降壓電路，降壓電路中的支路分了一部分電流，即流過整流二極管的平均電流應大于5A，同時實際應用中選擇的余量應更大，即選擇的整流二極管的額定電流應大于11.775A。
??因考慮采用的電容濾波的不可控整流電路，空載時整流橋的輸出電壓最大為
??隨著負載的加重,輸出電壓下降,但仍能達到
U_dmin=0.9×220=198V??其大于題目中所要求的直流輸出電壓。所以電容濾波后應連接了buck降壓電路來滿足題目的電壓要求。
??即由橋路結構可知整流二極管承受的最大正向電壓為
??整流二極管承受的最大反向電壓為電源電壓的最大值，即380v。
??選用器件時，一般取額定電壓為整流二極管實際承受的最大峰值電壓2~3倍，即可確定整流二極管的額定電壓為:
??實際應用中選擇的余量應更大,即選擇的整流二極管的額定電流應大于(760~1140)V。即我們選擇額定電流為20A、額定電壓為1500V的整流二極管。
4.3晶閘管保護電路的計算
??電容的選擇方法:C=(2.5~5)*10^(-8)*I_f，I_f=0.367I_d其中，I_d為直流電流值。因整流側采用20A的整流二極管，則可以計算得到:
C=(2.5~5)×10^(-8)×20=(0.5~1)uF??電阻的選擇:
R=((2~4)×535)/I_f,=(53.5~107)Ω??即我們選用1 uF ,1kV的電容器，100 Ω的電阻。
4.4濾波電容器的參數計算
??在電容濾波的單相不可控整流電路的設計中，通常根據負載的情況選擇濾波電容的值，RC≥(3~2)/2 T,T為交流電源的周期。此時的輸出電壓為:
U_d≈1.2U_2=1.2×220=264V故我們將后面的斬波電路等效為一個電阻負載，再進行電容計算，則有:
C≥3~5T×1/R=(3~5)/2×1/50×1/10=(3~5) mF4.5斬波電路中 MOSFET的參數計算
MOSFET 參數的確定方法額定電壓的選擇:
U_c=U_S*K_1*K_2 *K_3U_S:正常情況下承受的最大峰值電壓
K_1:電網電壓波動(會引起輸入直流電壓變化)系數，一般取1.15。
K_2:直流中間回路有反饋時的泵升電壓，一般取1.2;直流側無能饋泵升時，取1.0。
K_3:必要的電壓安全系數，一般取1.3~1.5，如1.4。
電流定額的選擇:
I_c=I_m*K_4*K_5I_m:正常導通時流過的最大電流。
K_4:電流的安全系數，一般取1.5~2。
K_5:電流脈動率，可取1.2。
即我們選用額定電壓為500V,額定電流為24A 的 MOSFET。
五、總體設計及仿真
??本設計通過單相不可控整流電路化交流為脈動的直流,再經電容濾波器濾除諧波使輸出相對穩定，從而實現了直流穩壓電源的設計。
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圖 15仿真電路圖
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圖 16整流后未加電容濾波的電壓波形圖
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圖 17整流后加電容濾波后的電壓、電流波形
??由圖17和圖18的電壓波形分析可知，加了電容后電壓波形變化不大。
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圖 18MOSFET觸發的波形 ?
六、設計小結
??為期一周的電力電子課程設計實習眨眼就過去了，這周我學會了很多東西。以前在課本上學的理論比較抽象,通過做這個課程設計讓我對這些知識有了更深的理解。我門的設計任務是直流穩壓電源的設計，由于理論知識的欠缺，在設計過程中慢慢的對相關知識有了更深的了解。通過這次課程設計讓我學會了很多書本上沒有的東西，我對電力電子有了更好的理解和運用，同時也對學的知識有了一個實踐性的證明，認識到了理論與實際相結合的重要性。我們學習理論的目的就是為了應用于實踐，學以致用。只是一味的死學理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論和實踐相結合，才能真正掌握一門學科。這次課程設計不僅考察了我們的理論水平，還鍛煉了我們實踐的能力。在實踐中提高我們的實際動手能力和獨立思考的能力。
參考文獻
??王兆安，黃俊.電力電子技術第5版．機械工業出版社，2000.
總結
以上是生活随笔為你收集整理的直流稳压电源设计(单相)_电力电子课程设计的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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