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。