电力电子专业课程设计方案报告.doc

____工____学院____级__电气工程及其自动化__专业 姓名___陈青清______ 学号__180202______________
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本科课程设计专用封面

设计题目： 直流变换器设计(升压)
所修课程名称： 电力电子技术课程设计
修课程时间： 年 12 月 20 日至 12 月 30 日
完毕设计日期： 年 12 月 30 日
评阅成绩：
评阅意见：

评阅教师签名： 年 月 日

____工____学院____级__电气工程及其自动化__专业 姓名___陈瑶____ 学号__180204______________
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本科课程设计专用封面

设计题目： 直流变换器设计(升压)
所修课程名称： 电力电子技术课程设计
修课程时间： 年 12 月 20 日至 12 月 30 日
完毕设计日期： 年 12 月 30 日
评阅成绩：
评阅意见：

评阅教师签名： 年 月 日

目录
摘要 1

设计目 7

设计任务 7

重要技术参数 8

设计内容 10

电路仿真及分析 15

设计小结 17

摘要 

在当前咱们所使用到能源中，电能占了很大比重，它具备成本低廉，输送以便，绿色环保，控制以便能很容易转换成其她信号等等。咱们寻常生活已经离不开电了。在如今高能耗社会，合理运用电能，提高电能 品质和用电效率成为了全球研究当务之急。而《电力电子技术》正是与这一主题有关联。MOSFET升压斩波电路设计是里面一某些，它开关电源，与线性电源相比，具备绿色效率高，控制以便，智能化，易实现计算机控制。直流变换技术已被广泛应用于开关电源及直流电动机驱动中，如不间断电源（UPS）、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电机动车辆无级变速及20世纪80年代兴起电动汽车控制。从而使上述控制获得加速平稳、迅速响应性能，并同步收到节约电能效果。由于变速器输入是电网电压经不可控整流而来直流电压，因此直流斩波不但能起到调压作用，同步还能起到有效地抑制网侧谐波电流作用。

直流斩波电路功能是将直流电变为另一种固定或可调直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter），直流斩波电路普通是指直接将直流变成直流状况，不涉及直流-交流-直流状况；直流斩波电路种类诸多：降压斩波电路，升压斩波电路，这两种是最基本电路。此外尚有升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路，Zeta斩波电路。斩波器工作方式有：脉宽调制方式（Ts不变，变化ton）和频率调制方式（ton不变，变化Ts）。

MOSFET升压斩波电路又称为boost变换器，它对输入电压进行升压变换。通过控制电路占空比即通过MOSFET来控制升压斩波电路输出电压。直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压 DC-DC 变换器 ,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通应用.直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、迅速响应、节约电能效果。全控型电力电子器件MOSFET在牵引电传动电能传播与变换、有源滤波等领域得到了广泛应用。

MOSFET是金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管，是一种可以广泛使用在模仿电路与数字电路场效晶体管。MOSFET依照其“通道”极性不同，可分为N沟道型与P沟道型MOSFET，普通又称为NMOSFET与PMOSFET，其她简称尚涉及NMOS FET、PMOSFET、nMOSFET、pMOSFET等。

图1
它普通有耗尽型和增强型两种。本文使用为增强型MOS场效应管，其内部构造见图1。它可分为NPN型PNP型。NPN型普通称为N沟道型，PNP型也叫P沟道型。由图可看出，对于N沟道场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。咱们懂得普通三极管是由输入电流控制输出电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入电压（或称电场）控制，可以以为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高输入阻抗，同步这也是咱们称之为场效应管因素。
为解释MOS场效应管工作原理，咱们先理解一下仅具有一种P—N结二极管工作过程。如图2所示，咱们懂得在二极管加上正向电压（P端接正极，N端接负极）时，二极管导通，其PN结有电流通过。这是由于在P型半导体端为正电压时，N型半导体内负电子被吸引而涌向加有正电压P型半导体端，而P型半导体端内正电子则朝N型半导体端运动，从而形成导通电流。同理，当二极管加上反向电压（P端接负极，N端接正极）时，这时在P型半导体端为负电压，正电子被汇集在P型半导体端，负电子则汇集在N型半导体端，电子不移动，其PN结没有电流通过，二极管截止。

图2

在栅极没有电压时，在源极与漏极之间不会有电流流过，此时场效应管处与截止状态（图3a）。当有一种正电压加在N沟道MOS场效应管栅极上时，由于电场作用，此时N型半导体源极和漏极负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜阻挡，使得电子汇集在两个N沟道之间P型半导体中（见图3b），从而形成电流，使源极和漏极之间导通。咱们也可以想像为两个N型半导体之间为一条沟，栅极电压建立相称于为它们之间搭了一座桥梁，该桥大小由栅压大小决。

a b
图3

电力MOSFET基本特性

a转移特性 b输出特性
图4

a测试电路 b开关过程波形
图5
MOSFET斩波电路是被设计核心某些，而其核心器件又是MOSFET。本某些是通过触发电路控制MOSFET启动与关断，再运用电感和电容储能作用实现升压功能。
场效应管与晶体管比较 
（1）场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。在只容许从信号源取较少电流状况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又容许从信号源取较多电流条件下，应选用晶体管。 
（2）场效应管是运用多数载流子导电，因此称之为单极型器件，而晶体管是即有多数载流子，也运用少数载流子导电。被称之为双极型器件。 
（3）有些场效应管源极和漏极可以互换使用，栅压也可正可负，灵活性比晶体管好。 
（4）场效应管能在很小电流和很低电压条件下工作，并且它制造工艺可以很以便地把诸多场效应管集成在一块硅片上，因而场效应管在大规模集成电路中得到了广泛应用
核心字：电能、MOSFET升压斩波电路、升压变换、变换器、直流斩波技术 

一、 设计目
1、把从电力电子技术及其他先修课程（电工基本、电子技术、电机学等）中所学到理论和实践知识，在课程设计实践中全面综合加以运用，使这些知识得到巩固、提高，并使理论知识与实践技能密切结合起来。

2、初步树立起对的设计思想，掌握普通电力电子电路设计基本办法和技能，培养观测、分析和解决问题及独立设计能力，训练设计构思和创新能力。
3、培养具备查阅参照文献和技术资料能力，能熟悉或较熟悉地应用有关手册、图表、国标，为此后成为一名合格电气工程技术人员进行必要基本技能和基本素质训练。

二、 设计任务
u 设计主电路，主电路为：采用BOOST变换器，主功率管用MOSFET；
u 选取主电路所有图列元件，并给出清单；
u 设计MOSFET驱动电路及控制电路；
u 绘制装置总体电路原理图，绘制：MOSFET驱动电压、BOOST电路中各元件电压、电流以及输出电压波形；
u 编制设计阐明书、设计小结。

输入直流电压24V，输出电压V0=48V，输出电流Io=10A，最大输出纹波电压200mV，工作频率f=100kHz。
三、 重要技术参数
（一）升压斩波电路原理及典型应用
（1） 升压斩波电路及其工作波形（IGBT)

图6、升压斩波电路及其工作波形图
（2） 、工作原理(MOSFET管）

图7、升压斩波电路工作原理(MOSFET管）
依照电力电子技术原理，升压式变换器输出电压高于输入电源电压，控制开关与负载并联连接，与负载并联滤波电容必要足够大，以保证输出电压恒定，储能电感也要很大，以保证向负载提供足够能量。在设计中，采用电力场效应晶体管（N沟道）作为开关管，它既具备输入阻抗高，速度快，热稳定性好，驱动电路简朴，又具备通态电压低，耐压高，流通大电流等长处。

升压斩波电路电路图：
1.电路原理图：

图8、升压斩波电路原理图

（二）、升压斩波电路典型应用 
1.用于直流电动机传动 
2.用作单相功率因数校正（PFC）电路 3.用于其她交直流电源中 
四、设计内容
1、框图：波形分析

电路设计

参数选取和计算

2、工作原理：
（1） 、电路原理图

升压斩波电路电路图如上图所示，在该电路中假设电感L1值、电容C2值很大，当可控开关Z2处在通态时，电源V1向电感L1充电，充电电流基本恒定为I1，同步电容C2上电压向负载R供电。V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同步C电压向负载供电，由于C值很大，基本保持输出电压U0为恒值，记为U0。设V处在通态时间为Ton,此阶段电感L积蓄能量为EI1Ton。当V处在断态时，V1和L1共同向电容C2充电并向负载R1提供能量。
设V处在断态时间Toff，则在此期间电感L1释放能量为（Uc- V1）I1Toff。当电路工作于稳态时，一种周期T中电感L1积蓄能量与释放能量相等，即：
V1I1Ton=(Uc-V1)I1Toff
化简为：
Uc=（(Ton+Toff）/Toff)V1=（T/Toff)V1
式中：
(T/Toff)》1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。
T/Toff表达升压比，调节其大小，即可变化输出电压Uc大小，将升压比倒数记做β,即β=Toff/T。则β和占空比α关系为：α+β=1。则：
Uc=(1/β)V1=（1/(1-α))V1
【2】升压斩波电路之因此能使输出电压高于电源电压，核心有两个因素：
（1）电感L1储能之后具备使电压泵升作用。
（2）电容C可将输出电压保持住。
3、Z2处在通态期间因电容C作用使得输出电压Uc不变，但事实上C2值不也许无穷大，在此阶段其向负载放电，Uc必然会有所下降，故实际输出电压会略低于Uc值，在电容C值足够大时，误差很小，基本可以忽视。如果忽视电路中损耗，则由电源提供能量仅由负载R消耗，即：
V1I1=UcI0
输出电流平均值I0为：
I0=Uc/R=(1/B)(V1/R)
电源电流I1为：
I1=(Uc/V1)I0=(1/B^2)(V1/R)

（2）、元器件选取和设计
输入电压V1=24V
输出电压V0=48V
电感L2=500uH
电阻R1=4.8Ω
、输入电感L2设计
WL>>R
2*pi*f*L>>R
L2取500uH
‚、输出滤波电容C5设计
1/(WC)>>R
1/(2*pi*f*C)>>R
C5取220uF
ƒ、器件选取
24V直流电源，500uF电感
DIN5823二极管，IRF540 （MOS管）
驱动电源，电阻（1K,4.8欧姆）
电容（10uF，220uF）
（3）保护电路
（3.1)过流保护电路
电力电子电路运营不正常或者发生故障时，也许会发生过电流。过电流分为过载和短路两种状况。普通采用保护办法有：迅速熔断器、直流迅速断路器和过电流继电器。普通电力电子装置均同步采用集中过流保护办法，以提高保护可靠性和合理性。 
综合本次设计电路特点，采用迅速熔断器，即给晶闸管串联一种保险丝实行电流保护。如图5电流保护电路所示。对于所选保险丝，遵从I^2t值不大于晶闸管容许I^2t值

(3.2)过压保护电路
电力电子装置中也许发生过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压重要来自雷击和系统中操作过程等外部因素。本设计重要用于室内，为了使用以便不考虑来自雷击威胁。 
操作过电压是由分闸、合闸开关操作引起过电压，电网侧操作过电压会由供电变压器磁感应耦合，或由变压器绕组之间存在分布电容静感应耦合过来。内因过电压重要来自电力电子装置内部器件开关过程，涉及：换相过电压，关断过电压。 
依照以上产生过电压各种因素，设计相应保护电路。如图6过压保护电路所示。其中：图中是运用一种电阻加电容进行电压抑制，当电压过高时，保护电路中电容会阻碍其电压上升，从而使得电力电子器件IGBT管因电压过高厄尔损坏。图3中电阻可以是1KΩ左右电阻，而电容值可觉得100µF左右，这样形成一种保护电路

五、 电路仿真分析

图9、驱动电压V1(幅值4v）

图10、V2 （没有驱动MOSFET管)
图11、V1设为15V

图12、输出电压

图13、输出纹波
六、设计小结
  回顾起本次电力电子课程之MOSFET升压斩波电路设计，感触颇多，它使我有了诸多心得体会，可以说这次MOSFET升压斩波电路设计是在自己专心努力和在教师精心指引下共同完毕。
在两个星期日子里，可以说自己每天都布满着压力与忙碌，自己也确从本次安排课程设计中学到了诸多东西。设计过程中，由于是第一次做，难免会遇到各种各样问题。在设计过程中发现了自己局限性之处，对此前所学过知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。通过查阅大量关于资料，并与同课题同窗互相讨论，交流经验和自学，若遇到实在搞不明白问题就会及时请教教师，使自己经历了不少艰辛，但收获同样巨大，学到了不少知识。通过本次课程设计让我更加深刻理解了斩波器原理，从而由斩波器这个小小器件体会到了电力电子这门学科重要性。课程设计不但需要灵活运用课本上以及课堂上知识，还需要自己运用电脑上网搜索有关信心和操作有关软件来更好达到设计目。这让我不但巩固了教师所传授课本上知识，并且锻炼了自己解决实际问题能力。 
通过课程设计还拓宽了知识面，学到了诸多课本上没有知识，报告只有自己去做能加深对知识理解，任何困难只有自己通过努力去克服才干收获成功喜悦。 
在本次电力电力课程设计，我自学了ORCAD和Multisim软件。通过对电路图研究，也增强了自己思考能力。此外，在使用ORCAD软件绘制电路图过程中，我学到了诸多实用技巧，这也为后来工作打下了较好基本。从开始任务到查找资料，到设计电路图，我学到了课堂上学习不到知识。上学时总觉得所学知识太抽象，没什么用途，当前终于结识到它重要性。 
本次教师规定咱们选取电子版论文，自己分别运用了运用了AUTO CAD，Multisim与OFFICE WORD 等惯用工具软件，也练习了使用纯熟限度。此外对论文格式规定等有了比较清晰结识，也为了后来毕业论文设计奠定了基本。 
总来说，自己这次课程设计还算比较成功，非常感谢位杨教师耐心指引。我相信此后不论做什么课程设计，只要认真思考认真去做，相信都将会有所收获，都会获得成功！
参照文献
1.《晶闸管变流技术题例及电路设计》 栗书贤，石玉编 机械工业出版社
2．王兆安,黄俊.《电力电子技术（第4版）》.机械工业出版社,
3．刘胜利.《当代高频开关电源实用技术》，电子工业出版社,
4．《直流开关电源软开关技术》 阮新波 严仰光编著，科学出版社

实物制作成绩（50分）
课程设计报告成绩（40分）
答辩成绩
（10分）
总成绩
备注
方案
实物制作
实物效果
方案论证
设计计算、绘图、元器件选型
报告
格式
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