現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計課件第四章

第4章電力電子系統(tǒng)設計電力電子系統(tǒng)中常用元器件介紹；電力電子系統(tǒng)設計舉例。4.1概述

電力電子技術是一門新興的應用于電力領域的電子技術，是將強電（電力）和弱點（電子）相結(jié)合的一門學科，就是使用電力電子器件（如晶閘管，門級可關斷晶閘管GTO，絕緣柵雙極型晶體管IGBT等）對電能進行變換和控制的技術。電力電子技術所變換的“電力”功率可大到數(shù)百MW甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至1W以下，和以信息處理為主的信息電子技術不同電力電子技術主要用于電力變換。4.2電力電子器件4.2.1晶閘管（SCR）工作原理：1.同時承受正向陽極電壓和正向門極電壓時，晶閘管才能導通2.導通后門級將失去控制作用3.降低陽極電壓至接近于零或施加反向陽極電壓來實現(xiàn)晶閘管關斷4.2.2大功率晶體管（GTR）與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關特性好。通常采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。4.2.3功率場效應晶體管（P-MOSFET）

特點——用柵極電壓來控制漏極電流驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。開關速度快，工作頻率高（高達100kHz）。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。4.2.4絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）

工作原理：驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。通態(tài)壓降：電導調(diào)制效應使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷?！?.5電力電子系統(tǒng)設計舉例4.5.1三相正弦波變頻電源設計（三相SPWM逆變器的應用） 4.5.1.1題目（2005年全國電子設計大賽F題）設計并制作一個三相正弦波變頻電源，輸出線電壓有效值為36V，最大負載電流有效值為1.5A，負載為三相對稱阻性負載(Y接法)。變頻電源框圖如下圖所示：

1．基本要求（1）輸出頻率范圍為20Hz～100Hz的三相對稱交流電，各相電壓有效值之差小于0.5V；（2）輸出電壓波形應盡量接近正弦波，用示波器觀察無明顯失真；（3）當輸入電壓為198V～242V，負載電流有效值為0.5～3A時，輸出線電壓有效值應保持在36V，誤差的絕對值小于5%；（4）具有過流保護(輸出電流有效值達3.6A時動作)、負載缺相保護，保護時自動切斷輸入交流電源。2．發(fā)揮部分（1）當輸入電壓為198V～242V，負載電流有效值為0.5～3A時，輸出線電壓有效值應保持在36V，誤差的絕對值小于1%；（2）設計制作具有測量、顯示該變頻電源輸出電壓、電流、頻率，測量誤差的絕對值小于5%；（3）變頻電源輸出頻率在50Hz以上時，輸出相電壓的失真度小于5%；（4）其它。4.5.1.2設計方案（1）控制方案設計 設計關鍵在于逆變電路的設計，采用SPWM技術，產(chǎn)生SPWM波的電路方案可以有以下三種：a.使用模擬電路主要使用集成函數(shù)發(fā)生器ICL8038該方案技術成熟且廣泛應用，但電路規(guī)模龐大，調(diào)試不方便。

b.使用SPWM專用芯片由專用芯片產(chǎn)生驅(qū)動開關管信號，并可以實現(xiàn)波形頻率和幅度的精確控制，成本較低，調(diào)試方便，比較使用。但核心部分不能任意修改，系統(tǒng)的可擴展性較差。由于使用SPWM專用芯片，實現(xiàn)簡單，本次競賽規(guī)定不能使用。

c.使用單片機等智能芯片波形的產(chǎn)生及控制電路均有單片機實現(xiàn)，計算工作量較大，控制軟件較復雜，往往不能滿足控制要求，最好采用單片機與FPGA結(jié)合的方式，用單片機完成人機界面、閉環(huán)控制，用FPGA完成查表比較，SPWM波形調(diào)制輸出和死區(qū)保護等邏輯功能。（2）主電路和驅(qū)動電路設計采用三片IR2110驅(qū)動六個普通MOSFET管構(gòu)成的三相橋式逆變器（3）電流、電壓的測量（電壓、電流、頻率的顯示）電流信號的檢測可使用電流霍爾傳感器；電壓測量可采用交流互感器或電壓霍爾傳感器等。（4）保護電路過流保護：利用IR2110的SD引腳（具有關閉逆變器工作的能力），使用霍爾傳感器檢測電流，當電流過大（3.6A）時，給SD引腳低電平，封鎖逆變器，從而實現(xiàn)電流的過流保護。缺相保護及負載不對稱保護：檢測三相電流有效值，對比三相電流中的任意兩相電流之差（大于0.5A），給SD引腳低電平，封鎖逆變器。（5）電壓閉環(huán)控制輸出電壓36V，誤差小于5%（1.8V）各相電壓有效值之差小于0.5V通過閉環(huán)控制，預置值與實際電壓發(fā)生偏差時，采用PI算法計算出新的調(diào)制比。

4.5.2開關穩(wěn)壓電源設計（Boost升壓變壓器的應用）4.5.2.1題目（2007年全國電子設計大賽E題）設計并制作如圖1所示的開關穩(wěn)壓電源。

1．基本要求輸出電壓UO可調(diào)范圍：30V～36V；最大輸出電流IOmax：2A；U2從15V變到21V時，電壓調(diào)整率SU≤2%（IO=2A）；IO從0變到2A時，負載調(diào)整率SI≤5%（U2=18V）；輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；DC-DC變換器的效率≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；具有過流保護功能，動作電流IO（th）=2.5±0.2A；2．發(fā)揮部分進一步提高電壓調(diào)整率，使SU≤0.2%（IO=2A）；進一步提高負載調(diào)整率，使SI≤0.5%（U2=18V）；進一步提高效率，使η≥85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；排除過流故障后，電源能自動恢復為正常狀態(tài)；能對輸出電壓進行鍵盤設定和步進調(diào)整，步進值1V，同時具有輸出電壓、電流的測量和數(shù)字顯示功能。其他。4.5.2.2設計方案輸入交流18V，直流輸出最大36V，因此，應采用升壓型DC-DC電路。該電路是一種非隔離式的升壓型DC-DC變換電路，控制簡單，輸出功率大，具有良好的輸出特性。當開關調(diào)整元件被控制飽和導通時，電流通過電感，使其儲存能量。當開關元件VT被控制為截止時，電感中儲存的能量通過二極管

VD供給負載，同時對電容C充電。當負載電壓要下降時，電容再次放電。這時可獲得高于輸入的穩(wěn)定電壓。因為開關元件VT與負載RL是并聯(lián)的，故也被稱為并聯(lián)開關電源