電力電子課設(shè)-LED臺燈電源設(shè)計

I自動化學(xué)院2007級自動化專業(yè)電力電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書一、課程設(shè)計的教學(xué)目的和任務(wù)電力電子技術(shù)是研究利用電力電子器件、電路理論和控制技術(shù)，實現(xiàn)對電能的控制、變換和傳輸?shù)目茖W(xué)，其在電力、工業(yè)、交通、通信、航空航天等很多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。電力電子技術(shù)不但本身是一項高新技術(shù)，而且還是其它多項高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。因此，提高學(xué)生的電力電子領(lǐng)域綜合設(shè)計和綜合應(yīng)用能力是教學(xué)計劃中必不可少的重要一環(huán)。通過電力電子技術(shù)的課程設(shè)計達(dá)到以下幾個目的：1、培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)檢索的能力，特別是如何利用Intel網(wǎng)檢索需要的文獻(xiàn)資料。2、培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。3、培養(yǎng)學(xué)生運用知識的能力和工程設(shè)計的能力。4、提高學(xué)生的電力電子裝置分析和設(shè)計能力。5、提高學(xué)生課程設(shè)計報告撰寫水平。二、課程設(shè)計的基本要求1.教師確定方向，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生自立題目注意事項：①所立題目必須是某一電力電子裝置或電路的設(shè)計，題目難度和工作量要適應(yīng)在一周內(nèi)完成，題目要結(jié)合工程實際。學(xué)生也可以選擇規(guī)定題目方向外的其他電力電子裝置設(shè)計，如開關(guān)電源、調(diào)光燈、鎮(zhèn)流器、UPS電源等，但不允許選擇其他班題目方向的內(nèi)容設(shè)計（復(fù)合變換除外）。②通過圖書館和Intel網(wǎng)廣泛檢索和閱讀自己要設(shè)計的題目方向的文獻(xiàn)資料，確定適應(yīng)自己的課程設(shè)計題目。自立題目后，首先要明確自己課程設(shè)計的設(shè)計內(nèi)容。要給出所要設(shè)計裝置（或電路）的主要技術(shù)數(shù)據(jù)（如輸入要求，輸出要達(dá)到的目標(biāo)，裝置容量的大小以及裝置要具有哪些功能）。如：直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速可控整流電源設(shè)計主要技術(shù)數(shù)據(jù)輸入交流電源：三相380V10%f=50Hz直流輸出電壓：0~220V50~220V范圍內(nèi)，直流輸出電流額定值100A直流輸出電流連續(xù)的最小值為10A設(shè)計內(nèi)容：整流電路的選擇整流變壓器額定參數(shù)的計算晶閘管電流、電壓額定的選擇平波電抗器電感值的計算保護(hù)電路的設(shè)計觸發(fā)電路的設(shè)計畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖列出主電路和控制電路所用元器件的明細(xì)表2.在整個設(shè)計中要注意培養(yǎng)靈活運用所學(xué)的電力電子技術(shù)知識和創(chuàng)造性的思維方式以及創(chuàng)造能力。要求具體電路方案的選擇必須有論證說明，要說明其有哪些特點。具體電路元器件的選擇應(yīng)有計算和說明。課程設(shè)計從確定方案到整個系統(tǒng)的設(shè)計，必須在檢索、閱讀及分析研究大量的相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過刨析、提煉，設(shè)計出所要求的電路（或裝置）。課程設(shè)計中要不斷提出問題，并給出這些問題的解決方法和自己的研究體會。（注意：所確定的主電路方案如果沒有論證說明，成績不能得優(yōu)；設(shè)計報告最后給出設(shè)計中所查閱的參考文獻(xiàn)最少不能少于5篇，且文中有引注，否則也不能得優(yōu)）。3.在整個設(shè)計中要注意培養(yǎng)獨立分析和獨立解決問題的能力。要求學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，獨力完成所設(shè)計的系統(tǒng)主電路和控制電路等詳細(xì)的設(shè)計（包括計算和器件選型），嚴(yán)禁抄襲。4.課題設(shè)計的主要內(nèi)容是主電路的設(shè)計，主電路的分析說明，主電路元器件的計算和選型，以及控制電路設(shè)計。5.課題設(shè)計報告要求圖表規(guī)范，文字通順，邏輯性強(qiáng)。三、課程設(shè)計的工作計劃課程設(shè)計時間6天。第1天上午，指導(dǎo)教師向?qū)W生講授課程設(shè)計的目的、任務(wù)、設(shè)計方法和注意事項。第1天下午和第2天學(xué)生到圖書館和Intel網(wǎng)上按照指導(dǎo)教師的要求查找所需要的文獻(xiàn)，并在閱讀分析中確定自己的研究題目、技術(shù)數(shù)據(jù)和設(shè)計內(nèi)容，交指導(dǎo)教師審閱。第3天學(xué)生的主要任務(wù)是確定方案。第4天和第5天上午，學(xué)生的任務(wù)是綜合所學(xué)知識，進(jìn)行主電路和控制電路的設(shè)計。第5天下午和第6天學(xué)生的主要任務(wù)是撰寫課程設(shè)計報告。四、各班的題目方向4班題目方向：可控整流技術(shù)的工程應(yīng)用（AC-DC）5班題目方向：交流調(diào)壓或交流調(diào)功技術(shù)的工程應(yīng)用（AC-AC）或無源逆變技術(shù)的工程應(yīng)用（DC-AC）6班題目方向：直流斬波技術(shù)的工程應(yīng)用（DC-DC）PAGE１目錄1引言11.1照明LED的優(yōu)勢11.2LED目前的發(fā)展現(xiàn)狀22電源設(shè)計的基本要求23電路總體方案的設(shè)計和相關(guān)原理23.1整流部分23.1.1整流原理23.1.2晶閘管的原理及分析33.2驅(qū)動部分43.3保護(hù)部分53.3.1晶閘管的保護(hù)53.3.2驅(qū)動電路和晶閘管連接的保護(hù)54主電路設(shè)計及參數(shù)計算64.1主電路的設(shè)計框架64.2整流電路的選擇64.3主電路的模態(tài)析74.4主電路的參數(shù)計算84.4.1基本計算過程84.4.2詳細(xì)參數(shù)列表85驅(qū)動電路設(shè)計96課程設(shè)計總結(jié)9參考文獻(xiàn)91引言1.1照明LED的優(yōu)勢目前廣泛用于家庭、學(xué)校和政府照明的為熒光燈和白熾燈。白熾燈其耗電較多，內(nèi)含汞蒸汽，燈管易碎，安全性差，一旦碎裂，對環(huán)境和人體有很大危害；熒光燈發(fā)光光譜不集中，含有大量紫外線等不可見光，不但降低了照明效率，而且紫外線加速皮膚、紙張、文物等的老化；熒光燈必需的啟輝器和鎮(zhèn)流器會產(chǎn)生電磁和噪聲污染，降低電網(wǎng)供電質(zhì)量，增加照明環(huán)境污染。LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般PN結(jié)的I-N特性，即正向?qū)?，反向截止，擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。

LED是由超導(dǎo)發(fā)光晶體產(chǎn)生超高強(qiáng)度的燈光，采用電場發(fā)光，效能極高，發(fā)出的熱量很少，不像白熾燈那樣以熱量形式浪費太多電量；LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，發(fā)光效率可達(dá)80％～90％，不像熒光燈那樣因消耗高能量而產(chǎn)生有毒氣體；LED屬于全固體冷光源，體積小，結(jié)構(gòu)堅固，工作電壓低，不像霓虹燈那樣要求高電壓而容易損壞，是全球公認(rèn)的環(huán)保節(jié)能型光源。與傳統(tǒng)的燈泡比起來，用LED照明具有很多優(yōu)勢：其點亮無延遲，響應(yīng)時間更快，傳統(tǒng)玻殼燈泡則有0.3秒的延遲；發(fā)光純度高，無需燈罩濾光，光波長誤差在10納米以內(nèi)；發(fā)光熱量很小，對燈具材料的耐熱性要求不是很高；光束集中，更易于控制，且不需要用反射器聚光，有利于減小燈具的深度，耗電量低，達(dá)到傳統(tǒng)燈泡同等的發(fā)光亮度時，耗電量僅為傳統(tǒng)燈泡的6%；超長壽命，無燈絲結(jié)構(gòu)不發(fā)熱，正常使用在6年以上...

1.2LED目前的發(fā)展現(xiàn)狀當(dāng)前全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，節(jié)約能源是我們未來面臨的重要的問題，在照明領(lǐng)域，LED發(fā)光產(chǎn)品的應(yīng)用正吸引著世人的目光，LED作為一種新型的綠色光源產(chǎn)品，必然是未來發(fā)展的趨勢，二十一世紀(jì)將進(jìn)入以LED為代表的新型照明光源時代。

中國LED產(chǎn)業(yè)起步于20世紀(jì)70年代。經(jīng)過30多年的發(fā)展，中國LED產(chǎn)業(yè)已初步形成了包括LED外延片的生產(chǎn)、LED芯片的制備、LED芯片的封裝以及LED產(chǎn)品應(yīng)用在內(nèi)的較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。在“國家半導(dǎo)體照明工程”的推動下，形成了上海、大連、南昌、廈門、深圳、揚(yáng)州和石家莊七個國家半導(dǎo)體照明工程產(chǎn)業(yè)化基地。長三角、珠三角、閩三角以及北方地區(qū)則成為中國LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的聚集地。

目前，中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展向好，外延芯片企業(yè)的發(fā)展尤其迅速、封裝企業(yè)規(guī)模繼續(xù)保持較快增長、照明應(yīng)用取得較大進(jìn)展。2007年中國LED應(yīng)用產(chǎn)品產(chǎn)值已超過300億元，已成為LED全彩顯示屏、太陽能LED、景觀照明等應(yīng)用產(chǎn)品世界最大的生產(chǎn)和出口國，新興的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)正在形成。國內(nèi)在照明領(lǐng)域已經(jīng)形成一定特色，其中戶外照明發(fā)展最快，已有上百家LED路燈企業(yè)并建設(shè)了幾十條示范道路，但在室內(nèi)通用照明市場方面仍顯落后。

但隨著國際能源短缺的進(jìn)一步加劇，以照明LED為代表的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品已進(jìn)入了千家萬戶，為我們一個個夜晚點亮光明。2電源設(shè)計的基本要求輸入?yún)?shù)：交流輸入電壓：AC220V；輸入電壓變動范圍：10%；輸入頻率：50Hz輸出參數(shù)：輸出直流電壓：3.6V；輸出直流電流最大值：3.2A3電路總體方案的設(shè)計和相關(guān)原理3.1整流部分3.1.1整流原理在電力電子方面：將交流電變換為直流電稱為AC/DC變換，這種變換的功率流向是由電源傳向負(fù)載，因此稱之為整流。

整流電路是利用二極管或晶閘管的單向?qū)щ娦詫⒄?fù)變化的交流電壓變?yōu)閱蜗蛎}動電壓的電路。在交流電源的作用下，整流器件周期性地導(dǎo)通和截止，使負(fù)載得到脈動直流電。在電源的正半周，器件導(dǎo)通；在電源電壓的負(fù)半周，器件處于反向截止?fàn)顟B(tài)，承受電源負(fù)半周電壓，負(fù)載電壓幾乎為零。因此整流電路一般需多個二極管或晶閘管相互配合使用以得到所需的穩(wěn)定直流。

常用的整流電路有：單相橋式全控整流電路，單相橋式半控整流電路以及三相橋式全控整流電路。本文采用的是單相橋式半控整流電路。其電路及工作曲線如下圖1，2所示：ididOEudwtIdOwtaqd圖1圖2假設(shè)負(fù)載中電感很大，且電路已工作于穩(wěn)態(tài)。在u2正半周，觸發(fā)角α

處給晶閘管VT1加觸發(fā)脈沖，u2經(jīng)

VT1

和

VD4

向負(fù)載供電。u2過零變負(fù)時，因電感作用使電流連續(xù)，VT1繼續(xù)導(dǎo)通。但因

a

點電位三低于

b

點電位，使得電流從

VD4

轉(zhuǎn)移至VD2，VD4關(guān)斷，電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由

VT1

和

VD2

續(xù)流。此階段，忽略器件的通態(tài)壓降，則ud=0,不像全控橋電路那樣出現(xiàn)ud為負(fù)的情況。

在u2負(fù)半周觸發(fā)角

α

時刻觸發(fā)

VT3，VT3

導(dǎo)通，則向

VT1

加反壓使之關(guān)斷，u2經(jīng)

VT3

和VD2

向負(fù)載供電。u2過零變正時，VD4

導(dǎo)通，VD2

關(guān)斷。VT3

和VD4

續(xù)流，ud又為零。此后重復(fù)以上過程。交流電在經(jīng)過整流電路后就變?yōu)橹绷鳌?/p>

3.1.2晶閘管的原理及分析晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又可稱做可控硅整流器，以前被簡稱為可控硅；1957年美國通用電器公司開發(fā)出世界上第一晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化；晶閘管是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它有三個極：陽極，陰極和門極；晶閘管工作條件為：加正向電壓且門極有觸發(fā)電流；其派生器件有：快速晶閘管，雙向晶閘管，逆導(dǎo)晶閘管，光控晶閘管等。它是一種大功率開關(guān)型半導(dǎo)體器件，在電路中用文字符號為“V”、“VT”表示（舊標(biāo)準(zhǔn)中用字母“SCR”表示）。晶閘管是一種開關(guān)元件，顧名思義他的名字里面有一個閘字也就是門，開關(guān)的意思，他廣泛的應(yīng)用在各種電路，以及電子設(shè)備中。。晶閘管是典型的小電流控制大電流的設(shè)備，他通過一個電流很小的脈沖觸發(fā)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)此時他的電阻變得很小相當(dāng)于一跟導(dǎo)線。晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。晶閘管T在工作過程中，它的陽極A和陰極K與電源和負(fù)載連接，組成晶閘管的主電路，晶閘管的門極G和陰極K與控制晶閘管的裝置連接，組成晶閘管的控制電路。

晶閘管的工作條件：

1.晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)。

2.晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導(dǎo)通。

3.晶閘管在導(dǎo)通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通后，門極失去作用。

4.晶閘管在導(dǎo)通情況下，當(dāng)主回路電壓（或電流）減小到接近于零時，晶閘管關(guān)斷。3.2驅(qū)動部分要使得晶閘管導(dǎo)通，除了加正向陽極電壓外，還必須在控制極和陰極之間加觸發(fā)信號。提供觸發(fā)信號的電路稱為觸發(fā)電路。其必須滿足以下條件：（1）觸發(fā)脈沖信號發(fā)出的時刻，必須與主回路電源電壓相位具有一定的控制角關(guān)系，并有足夠的移相范圍。（2）觸發(fā)脈沖又足夠大的電壓和電流，一般觸發(fā)電壓為4-10V。（3）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的脈寬，以保證晶閘管的觸發(fā)可靠性。脈沖最好在20-50us之間，一般不小于10us。（4）觸發(fā)脈沖應(yīng)具有陡峭的上升沿，以保證觸發(fā)事件的準(zhǔn)確性，最好在10us以下。（5）沒有觸發(fā)時，觸發(fā)電量應(yīng)盡量小，以避免誤觸發(fā)，一般應(yīng)小于0.15V。3.3保護(hù)部分3.3.1晶閘管的保護(hù)在實際應(yīng)用中，一般應(yīng)對晶閘管采取保護(hù)，如電壓電流過大，電壓電流增長過快等問題，會嚴(yán)重影響晶閘管的工作狀態(tài)的使用壽命，因此設(shè)計電路時應(yīng)考慮好這方面的因素。

如右圖3.3.1所示，用一個大電感L防止電壓上升過快，與晶閘管并聯(lián)的RC串聯(lián)電路防止di/dt上升過快，再加上主電路中的快速熔斷器，亦可以防止電流過大。這樣，晶閘管基本上得到了全面的保護(hù)，使得使用效能和壽命大大增加。圖3.3.13.3.2驅(qū)動電路和晶閘管連接的保護(hù)在應(yīng)用中，由于主電路電壓經(jīng)常高于觸發(fā)控制電路，造成操作不安全，主電路又往往干擾觸發(fā)電路，因此僅使用于簡單的電路。本文采用的是脈沖變壓器耦合連接，如右圖3.3.2所示。在磁導(dǎo)率較高的鐵芯上繞制的變壓器，能很好的將圖3.3.2一次的脈沖信號傳遞到二次繞組，二次繞組再與晶閘管相連，使得主電路與控制電路有良好的電氣絕緣。

4主電路設(shè)計及參數(shù)計算4.1主電路的設(shè)計框架圖4.1（PROTEUS）主電路圖如上圖所示：前端采用了一個交流變壓器，將市電的220V交流降壓為V；其后緊接著是一個簡單的RC濾波電路，承擔(dān)著濾波和使電壓平穩(wěn)的作用；而后為單相橋式半控整流電路，將交流電變?yōu)橹绷麟姡{(diào)整晶閘管的觸發(fā)角，即可得到所需的直流電壓數(shù)值；每一個晶閘管或二極管均有快速熔斷器的保護(hù)；后面接著的是一個由穩(wěn)壓二極管和電阻所構(gòu)成的穩(wěn)壓電路，穩(wěn)定輸出負(fù)載所需電壓；隨后接以恒流穩(wěn)壓源（圖中未畫出），進(jìn)一步穩(wěn)定電壓電流，以保證LED能獲得穩(wěn)定的電壓和電流，以保持恒定的功率，恒定的發(fā)光亮度；在與負(fù)載相接之前串聯(lián)一個滑動變阻器，使得發(fā)光二極管在發(fā)光的情況下還能夠改變發(fā)光亮度，即功率的改變。負(fù)載全部并聯(lián)，使得一個LED的損壞不會影響其余的LED的點亮。4.2整流電路的選擇在選擇整流電路的過程中，一直徘徊于單相橋式全控整流電路和單相橋式半控整流電路之間。因為大多數(shù)臺燈均是民用的，很少用于工業(yè)上，因此有關(guān)于三相的整流電路被否決，因為需要簡單和經(jīng)濟(jì)。而最后，我們選擇了后者：先從器件上看，后者用兩個二極管代替了前者的兩個晶閘管，節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本，并且使得導(dǎo)電回路中只有一個管壓降，少了一個管壓降，有利于降低功率的損耗；其次，少了兩個晶閘管，通過也就減少了觸發(fā)電路和保護(hù)電路的成本；最后，兩者實現(xiàn)的功能的基本相同，且單相半控的負(fù)載電壓相較于全控的電壓沒有負(fù)向的部分，使得系統(tǒng)更健康。從以上考慮，選擇單相橋式半控整流電路作為整流的主體。4.3主電路的模態(tài)分析模態(tài)1如上所示：VT1,VT4導(dǎo)通，VT2,VT3截止承受反壓；電流流向從VT1,負(fù)載到VT4。模態(tài)2如上所示：VT2,VT3導(dǎo)通，VT1,VT4截止承受反壓；電流流向從VT3,負(fù)載到VT2。4.4主電路元件的參數(shù)計算4.4.1基本計算過程負(fù)載所選用的9顆LED均為同樣規(guī)格，額定電壓U=3.6V，額定電流I=350mA，功率P=UI=1.26W，9顆總功率約為11W；在滑動變阻器之后的電路總電流=3.5A,于是整流電路輸出的電壓約在3.6V左右，即=3.6V；變壓器采用10：1的原副線圈比例，即過濾波電路的電壓約為22V；即=22V,考慮到兩倍的裕量，晶閘管的最大電壓=（4.1）（4.2）最大電流（4.3）二極管同晶閘管參數(shù)一致。