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现代电子系统设计课件第四章


UO
RL
1.基本要求
输出电压UO可调范围:30V~36V; 最大输出电流IOmax:2A; U2从15V变到21V时,电压调整率SU≤2%(IO=2A); IO从0变到2A时,负载调整率SI≤5%(U2=18V); 输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP≤1V (U2=18V,UO=36V,IO=2A); DC-DC变换器的效率≥70% (U2=18V,UO=36V,IO=2A); 具有过流保护功能,动作电流IO(th)=2.5±0.2A;
4.5.1.2 设计方案
(1)控制方案设计 设计关键在于逆变电路的设计,采用SPWM技术, 产生SPWM波的电路方案可以有以下三种:
a.
该方案技术成熟且广 使用模拟电路 泛应用,但电路规模 主要使用集成函数发生器ICL8038 庞大,调试不方便。
b. 使用SPWM专用芯片
由专用芯片产生驱动开关管信号,并可以实现 波形频率和幅度的精确控制,成本较低,调试 方便,比较使用。但核心部分不能任意修改, 系统的可扩展性较差。

§4.5 电力电子系统设计举例
4.5.1 三相正弦波变频电源设计(三相SPWM逆变器的应 用) 4.5.1.1 题目(2005年全国电子设计大赛F题)
设计并制作一个三相正弦波变频电源,输出线电压有效值为 36V,最大负载电流有效值为1.5A,负载为三相对称阻性负 载(Y接法)。变频电源框图如下图所示:
4.2.4绝缘栅双极型晶体管(IGBT)
发射极 栅极 G E N J3
+
P J2 J1
N
+
N NN+ P+
+
P
N
+
漂移区 缓冲区 注入区
G
+ ID RN VJ1 + + IDRon -
C IC C G
C 集电极
E
E
a) b) c) 工作原理: 驱动原理与电力MOSFET基本相同,场控器件,通断由栅射极电压 uGE决定。 导通:uGE大于开启电压UGE(th)时,MOSFET内形成沟道,为晶体管 提供基极电流,IGBT导通。 通态压降:电导调制效应使电阻RN减小,使通态压降减小。 关断:栅射极间施加反压或不加信号时,MOSFET内的沟道消失,晶 体管的基极电流被切断,IGBT关断。
第4章 电力电子系统设计
1. 电力电子系统中常用元器件介绍; 2. 电力电子系统设计举例。
4.1概述
电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域 的电子技术,是将强电(电力)和弱点(电 子)相结合的一门学科,就是使用电力电子 器件(如晶闸管,门级可关断晶闸管GTO, 绝缘栅双极型晶体管IGBT等)对电能进行 变换和控制的技术。电力电子技术所变换的 “电力”功率可大到数百MW甚至GW,也 可以小到数W甚至1W以下,和以信息处理 为主的信息电子技术不同电力电子技术主要 用于电力变换。
(2)主电路和驱动电路设计
采用三片IR2110驱动六个普通MOSFET管 构成的三相桥式逆变器
(3)电流、电压的测量(电压、电流、频率的显示)
电流信号的检测可使用电流霍尔传感器; 电压测量可采用交流互感器或电压霍尔传感器等。 过流保护:利用IR2110的SD引脚(具有关闭逆变器工作的能 力),使用霍尔传感器检测电流,当电流过大(3.6A)时,给 SD引脚低电平,封锁逆变器,从而实现电流的过流保护。 缺相保护及负载不对称保护:检测三相电流有效值,对比三相电 流中的任意两相电流之差(大于0.5A),给SD引脚低电平,封 锁逆变器。 输出电压36V,误差小于5%(1.8V)各相电压有效值之差小于 0.5V 通过闭环控制,预置值与实际电压发生偏差时,采用PI算法计算 出新的调制比。
2.发挥部分
(1)当输入电压为198V~242V,负载电流 有效值为0.5~3A时,输出线电压有效值应 保持在36V,误差的绝对值小于1%; (2)设计制作具有测量、显示该变频电源输 出电压、电流、频率,测量误差的绝对值小 于5%; (3)变频电源输出频率在50Hz以上时,输出 相电压的失真度小于5%; (4)其它。
4.2.3功率场效应晶体管(P- MOSFET)
S G N+ P N+ N+ P N+ NG S N沟道 G S P沟道 b) D D
沟道 N+ D a)

图1-19 特点——用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单,需要的驱动功率小。 开关速度快,工作频率高(高达100kHz)。 热稳定性优于GTR。 电流容量小,耐压低,一般只适用于功率不超过10kW的电力 电子装置 。
该电路是一种非隔离式的升压型DC-DC变换电路,控制简单, 输出功率大,具有良好的输出特性。
该电路是一种型DC-DC变换电路。 VT导通时,直流输入电压施加到高频变压器T的原边绕组上, 在变压器副边绕组上感应出的电压使整流管VD反向偏置而阻断, 此时电源能量以磁能形式存储在电感上; VT截止时,原边绕组两端电压极性反向,副边绕组上的电压极 性反向,使VD导通,存储在变压器中的能量释放给负载。
4.5.2.2 设计方案
输入交流18V,直流输出最大36V,因此, 应采用升压型DC-DC电路。
当开关调整元件被控制饱 和导通时,电流通过电感, 使其储存能量。当开关元 件VT被控制为截止时, 电感中储存的能量通过二 极管 VD供给负载,同时 对电容C充电。当负载电 压要下降时,电容再次放 电。这时可获得高于输入 的稳定电压。因为开关元 件VT与负载RL是并联的, 故也被称为并联开关电源。
由于使用SPWM专用芯片,实现简单,本 次竞赛规定不能使用。
c. 使用单片机等智能芯片
波形的产生及控制电路均有单片机实现,计算工作量较大,控制软件较 复杂,往往不能满足控制要求,最好采用单片机与FPGA结合的方式, 用单片机完成人机界面、闭环控制,用FPGA完成查表比较,SPWM波 形调制输出和死区保护等逻辑功能。
4.2 电力电子器件
4.2.1 晶闸管(SCR)
工作原理:1.同时承受正向阳极电压和正向门极电压时,晶闸管才能 导通 2.导通后门级将失去控制作用 3.降低阳极电压至接近于零或施加反向阳极电压来实现晶 闸管关断
4.2.2 大功率晶体管(GTR)

与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。
(4)保护电路
(5)电压闭环控制

4.5.2 开关稳压电源设计(Boost升压 变压器的应用)
4.5.2.1 题目(2007年全国电子设计大赛E题)
设计并制作如图1所示的开关稳压电源。
开关稳压电源
I IN IO U IN
隔离 U1= 220V AC 变压器
U2=18VAC
整流 滤波
DC- DC 变换器
2.发挥部分
进一步提高电压调整率,使SU≤0.2%(IO=2A); 进一步提高负载调整率,使SI≤0.5%(U2=18V); 进一步提高效率,使η ≥85% (U2=18V,UO=36V,IO=2A); 排除过流故障后,电源能自动恢复为正常状态; 能对输出电压进行键盘设定和步进调整,步进值1V, 同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。 其他。
隔离 变压器 整流 逆变 三相 负载
220VAC
控制器
1.基本要求
(1)输出频率范围为20Hz~100Hz的三相对称交流电, 各相电压有效值之差小于0.5V; (2)输出电压波形应尽量接近正弦波,用示波器观察 无明显失真; (3)当输入电压为198V~242V,负载电流有效值为 0.5~3A时,输出线电压有效值应保持在36V,误差 的绝对值小于5%; (4)具有过流保护(输出电流有效值达3.6A时动作)、 负载缺相保护,保护时自动切断输入交流电源。
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