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电力电子技术课程设计

一、课程设计的性质和目的

1、性质：是电气自动化专业的必修实践性环节。

2、目的：

1）培养学生综合运用知识解决问题的能力与实际动手能力；

2）加深理解《电力电子技术》课程的基本理论；

3）初步掌握电力电子电路的设计方法。

二、课程设计的题目

MOSFET电压型单相半桥无源逆变电路设计（阻感性负载）

设计条件：（1）输入直流电压：Ui=200V

（2）输出功率：500W

（3）输出电压波形：1KHz方波

三、课程设计的内容，指标内容及要求，应完成的任务

1、课程设计的要求

1）整流电路的选择

2）整流变压器额定参数的计算

3）晶闸管（全控型器件）电压、电流额定的选择

4）平波电抗器电感值的计算

5）保护电路（缓冲电路）的设计

6）触发电路（驱动电路）的设计

7）画出完整的主电路原理图和控制电路原理图

2、指标要求

（1）输入直流电压：Ui=200V；

（2）输出功率：500W；

（3）输出电压波形：1KHz方波。

3、整流电路的选择

整流电路选择感容滤波的二极管整流电路，由于电容两端的电压不能突变，故能够保证输出电压为大小恒定的直流电压。u d波形更平直，电流i2的上升段平缓

了许多，这对于电路的工作是有利的。

4、触发电路（驱动电路）的设计

实现逆变的主电路中用的是全控型器件MOSFET，触发电路主要是针对它的触发设计，电路的原理图如下图所示。

跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是，我们还需要速度。

在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。

第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同，所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里，要得到比VCC大的电压，就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该选择合适的外接电容，以得到足够的短路电流去驱动MOS管。

上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压，设计时当然需要有一定的余量。而且电压越高，导通速度越快，导通电阻也越小。现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里，但在12V汽车电子系统里，一般4V导通就够用了。

4、PWM产生电路SG3525的结构

工作原理：SG3525内部结构框图如图所示，它在第一代脉宽调制芯片

SG3524的基础上作了较大的改进，主要表现在以下几个方面：

( 1 ) 电路中设置了欠电压锁定和限流关断电路。为了防止在欠电压状态下 < 8 V ) 时有效地使输出保持在关断状态，电路中设置了欠电压封锁电路，当U > 2 .5 V时欠电压封锁电路就开始工作，其上限值为 8 V ，但在电路达到 8 V前，电路各部分已进入正常工作状态，而当从 8 V 下降到 7 ． 5 V 时，锁定电路又开始恢复工作，其中有 0.5 V 的回差电压，用于消除钳位电路在阀值点处的振荡。在锁定电路工作期间，输出一高电平，加至组合逻辑门电路的输入端，以封锁 PWM的脉冲信号。SG3525没有电流限制放大器,它采用了关断控制电路来进行限流控制，其中包括逐个脉冲的电流限制和输出电流的限流控制,只要将信号加于 l 0脚就能实现限流控制。另外 l 0脚也可提供各种程序控制的需要。

( 2 ) 改进了振荡电路。主要是将时基电容 c 的放电电路与充电电源分开，单独设立引脚7 ， C 放电通过外接电阻 R 。来实现，改变 R 。即可改变 C 的放电时间常数，从而也改变了死区时间，而 C 的充电是由 R 规定的内部电

流源决定的。振荡器的振荡频率为：

( 3 ) 输出电路的改进。SG3525输出级采用了图腾柱输出电路，它能使输出管更快地关断， V1由达林顿管组成，最大驱动能力为100mA ， V 2作为开关器件，在其导通时可以迅速把外接 MO S管栅极上的电荷从它的集电极泄放至地，最大吸收电流为50mA。

由图 2结构框图可见，SG3525主要有基准稳压源、振荡器、误差放大器、PWM比较器和锁存器、分相器、或非门电路和图腾输出电路等几大部分组成：振荡器通过外接时基电容和电阻产生锯齿波振荡同时产生时钟脉冲信号，该信号的脉冲宽度与锯齿波的下降沿相对应。时钟脉冲作为由T触发器组成的分相器的触发信号，用来产生误差为 1 8 0 。的一对方波信号u和U 误差放大器是一个双级差分放大器，经差分放大的信号u。与振荡器输出的锯齿波电压u 加至P WM比较器的负、正输入端，比较器输出的调制信号经锁存后作为或非门电路的输入信号 u ．或非门电路在正常情况下具有三路输入：即分相器的输出信号 u m和 u P WM调制信号u 和时钟信号U 。或非门电路的输出U Ⅲ和U 即为图腾柱电路的驱动信号。相关各点的波形如图3 所示。

图３SG3525相关波形图

5、应完成的任务

在进行实际的设计之前，我们应该了解单相半桥逆变的应用范围，熟练地掌握电压型半桥逆变电路的工作原理，弄清楚电路中所应用的每一个器件在电路中

的作用，熟练地掌握MOSFET的结构、工作原理、驱动电路的选择要求。在应用Matlab仿真的时候应该对Matlab中的模块有一定的了解，并能熟练地找到每一个模块所在的位置。

6、课程设计基本要求

1）三人一个题目，按学号组合；

2）明确设计任务、对所要求的内容进行具体分析，充分了解系统的性能，指标内容及要求，制定设计方案

3）进行具体设计，根据课程设计题目，收集相关资料、设计主电路、控制电路；参数计算，器件选择；并完成系统调试；

4）撰写课程设计报告——画出主电路、控制电路原理图，说明主电路的工作原理、，选择元器件参数，说明控制电路的工作原理、绘出主电路典型波形（比较实际波形与理论波形），绘出触发信号（驱动信号）波形，说明调试过程中遇到的问题和解决问题的方法，附参考资料；

5）通过答辩。

7、完整的主电路和控制电路原理图

整流电路：

输出波形：

逆变电路：输出波形：

MOSFET驱动电路：

四、设计方案选择及论证。

半桥逆变电路是电子镇流器和电子节能灯中最常用也是最基本的电路，正确地理解它的工作原理，将有助于我们合理地选择元器件如磁环变压器、扼流电感、启动电容等元件的参数，正确地安排三极管的驱动电路，以降低它的功耗与热量，提高整灯的可靠性。半桥逆变电路的优点是简单，使用的器件少。其缺点是交流电压的幅值仅为输入电压的一半，且直流侧需要两个电容串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡，因此，半桥逆变电路常用于及KW以下的小功率逆变电路。

五、总体电路的功能框图及其说明。

各部分作用：电容滤波的整流电路作用是为逆变提供幅值一定的直流电压，MOSFET驱动电路的作用是保证两个管子有效地触发，使逆变电路正常的工作。半桥逆变电路的作用是根据管子的导通与关断的情况进行逆变工作。

六、总体电路原理图及其说明。

前一半电路为整流电路，其主要目的是整流出我们需要的输入电压，即幅值恒为200V的直流电压。整流电路选择电容滤波的单相不可控整流电路，采用阻感性负载，由于电容两端的电压不能突变，故能够保证输出电压为大小恒定的直流电压，即逆变电路的输入电压为大小不变的直流电压。主电路，即逆变电路的工作原理可用下图说明。

改变开关器件的控制信号频率即可改变输出交流电压的频率。值得注意的是：为了保证逆变电路的正常工作，必须防止两个管子同时导通，否则将出现直通现象。我们要采取的措施是“先断后通”，即先给应该关断的器件一个关断信号，再给应该导通的器件一个开通信号。我们课程设计的原理图与其的差别是我们用的是全控型器件MOSFET，其它的都是一样的，总体上说，基本原理是一样的。

七、实验仿真电路及其仿真结果。

仿真时参数的设置：脉冲的周期设置为0.2秒，电容的值10C F =，电阻的值为2R =Ω，电感的值为1L H =。

八、收获、体会及改进

这次电力电子课程设计使我认识到理论与实践之间的差距，单纯的理论知识在实践中会问遇到很多不能解释清楚的现象，尤其是电力电子器件的工作原理，如果只是停留在理论的认识层面，就很难解释一些与理论分析有些偏差的实际现象。所以我们应该多加强实践，使理论充分地应用于实践，提高我们解决问题的能力。在设计电路的过程中，我们用的是Matlab仿真，在这个过程中，我对Matlab 技术的应用有了更深的认识，能够比之前更熟悉的应用其中的模块，对于器件的参数设置问题有了自己的认识。在整个的设计过程中，我也遇到了很多问题，查阅了很多资料，向老师问了很多自己不能解决的问题。这些都提高了我解决问题的能力，知道了很多与电力电子课程有关的网站，这些都对我以后的学习提供了一定的便利条件，为自己未来的发展奠定了基础。

这次的课程设计用到的除了电力电子的基本知识外，还涉及了很多其他学科的相关内容，这些使我将之前的专业课的内容有机地结合了起来，避免了单科知识的孤立，真正将自己的专业知识实现了一次有机的整合。

电力电子技术课程设计报告

设计题目：MOSFET电压型单相半桥无源逆变电路设计（阻感性负载）

姓名：霍庆颖

学号：20084869

指导教师：靖彭

专业：电气工程及其自动化