电力电子技术第6版有斩波电路么

Posted 2023-05-11

电力电子技术第6版有斩波电路。
电力电子技术课程设计之降压斩波电路
一、概述从八十年代末起，工程师们为了缩小DC/DC变换器的体积，提高功率密度，首先从大幅度提高开关电源的工作频率做起，但这种努力结果是大幅度缩小了体积，却降低了效率。发热增多，体积缩小，难过高温关。因为当时MOSFET的开关速度还不够快，大幅提高频率使MOSFET的开关损耗驱动损耗大幅度增加。工程师们开始研究各种避开开关损耗的软开关技术。虽然技术模式百花齐放，然而从工程实用角度仅有两项是开发成功且一直延续到现在。一项是VICOR公司的有源箝位ZVS软开关技术；另一项就是九十年代初诞生的全桥移相ZVS软开关技术。有源箝位技术历经三代，且都申报了专利。第一代系美国VICOR公司的有源箝位ZVS技术，其专利已经于2002年2月到期。VICOR公司利用该技术，配合磁元件，将DC/DC的工作频率提高到1MHZ，功率密度接近200W/in3，然而其转换效率却始终没有超过90%，主要原因在于MOSFET的损耗不仅有开关损耗，还有导通损耗和驱动损耗。特别是驱动损耗随工作频率的上升也大幅度增加，而且因1MHZ频率之下不易采用同步整流技术，其效率是无法再提高的。因此，其转换效率始终没有突破90%大关。为了降低第一代有源箝位技术的成本，IPD公司申报了第二代有源箝位技术专利。它采用P沟MOSFET在变压器二次侧用于forward电路拓朴的有源箝位。这使产品成本减低很多。但这种方法形成的MOSFET的零电压开关（ZVS）边界条件较窄，在全工作条件范围内效率的提升不如第一代有源箝位技术，而且PMOS工作频率也不理想。为了让磁能在磁芯复位时不白白消耗掉，一位美籍华人工程师于2001年申请了第三代有源箝位技术专利，并获准。其特点是在第二代有源箝位的基础上将磁芯复位时释放出的能量转送至负载。所以实现了更高的转换效率。它共有三个电路方案：其中一个方案可以采用N沟MOSFET。因而工作频率较高，采用该技术可以将ZVS软开关、同步整流技术、磁能转换都结合在一起，因而它实现了高达92%的效率及250W/in3以上的功率密度。
MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，本课程设计的仿真即需要在SIMULINK中来完成电路的仿真与计算。通过系统建模和仿真，掌握和运用MATLAB/SIMULINK工具分析系统的基本方法。直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter）。直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流-交流-直流的情况。习惯上，DC-DC变换器包括以上两种情况。直流斩波电路的种类较多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路。一方面，这两种电路应用最为广泛，另一方面，理解了这两种电路可为理解其他的电路打下基础。利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，如电流可逆斩波电路、桥式可逆斩波电路等。利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。直流斩波电路广泛应用于直流传动和开关电源领域，是电力电子领域的热点。全控型器件选择绝缘栅双极晶体管（IGBT）综合了GTR和电力MOSFET的优点，具有良好的特性。目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场，应用领域迅速扩展，成为中小功率电力电子设备的主导器件。所以，此课程设计选题为：设计使用全控型器件为IGBT的降压斩波电路。主要讨论电源电路、降压斩波主电路、控制电路、驱动电路和保护电路的原理与设计。二、设计方案本课程设计主要应用了MATLAB 软件及其组件之一SIMULINK进行系统的设计与仿真。系统主要包括：直流稳压电源部分、BUCK降压斩波主电路部分、PWM控制部分和负载。
BUCK降压斩波主电路部分拖动带反电动势的电阻负载，模拟现实中一般的负载，若实际负载中没有反电动势，只需令其为零即可。在SIMULINK中完成各个功能模块的绘制后，即可进行仿真和调试，用SIMULINK提供的示波器观察波形，进行相应的电压和电流等的计算，最后进行总结，完成整个BUCK变换器的研究与设计。电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断。来完成整个系统的功能。因此，一个完整的降压斩波电路也应包括主电路，控制电路，驱动电路和保护电路这些环节。根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路，设计出降压斩波电路的结构框图如图1所示。图1电路框图在图1结构框图中，控制电路是用来产生IGBT降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在IGBT控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。通过控制IGBT的开通和关断来控制IGBT降压斩波电路的主电路工作。保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流、过电压和欠电压等现象损害电路设备。三、主电路设计1、主电路设计如图2，设计一个降压变换器，输入电压为220V，输出电压为50V，纹波电压为输出电压的0.2%，负载电阻为20Ω，工作频率分别为20KHz.分别仿真将工作频率改为50KHz，电感改为约临界电感值的一半进行对比分析。图2 降压斩波主电路图2、保护电路设计1）过电压保护所谓过电压保护，即指流过IGBT两端的电压值超过IGBT在正常工作时所能承受的最大峰值电压Um都称为过电压。产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起。其中，对雷击产生的过电压，需在变压器的初级侧接上避雷器，以保护变压器本身的安全；而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压，一般发生在交流侧、直流侧和器件上，因而，下面介绍直流斩波电路主电路的过电压保护方法。其电路如图3所示
图 3 过电压保护电路2）过电流保护所谓过电流保护，即指流过IGBT的电压值超过IGBT在正常工作时所能承受的最大峰值Im都称为过电流。这里采用图4所示的电路图4 过电流保护电路3） IGBT的保护① 静电保护IGBT的输入级为MOSFET，所以IGBT也存在静电击穿的问题。防静电保护极为必要。在静电较强的场合，MOSFET容易静电击穿，造成栅源短路。采用以下方法进行保护：应存放在防静电包装袋、导电材料包装袋或金属容器中。取用器件时，应拿器件管壳，而不要拿引线。工作台和烙铁都必须良好接地，焊接时电烙铁功率应不超过25W，最好使用12V～24V的低电压烙铁，且前端作为接地点，先焊栅极，后焊漏极与源极。在测试MOSFET时，测量仪器和工作台都必须良好接地，MOSFET的三个电极未全部接入测试仪器或电路前，不要施加电压，改换测试范围时，电压和电流都必须先恢复到零。② 过电流保护IGBT过电流可采用集射极电压状态识别保护方法，电路如图5所示图 5 集射极电压状态识别保护电路③ 短路保护图 6 短路保护电路4) 缓冲电路缓冲电路（吸收电路）的作用主要是抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。这里采用由R LC组成的电路来吸收电压、电流，如图7。图7 缓冲电路3、主电路的计算和元器件的参数选型1）计算①定义开关管导通时间ton与开关周期Ts的比值为占空比，用Dc表示Dc=ton/Ts②电感Lc= Uo(1-Dc)Ts/(2Po*Po) 其中: Po= Uo*Io③纹波电压U1= Uo(1-Dc)Ts* Ts/8LC④电容C= Uo(1-Dc)Ts* Ts/8LU12)元器件参数①主开关管可以使用MOSFET,开关频率为20Hz；②输入200V，输出50V，可确定占空比为Dc=25%③选择电感Lc= Uo(1-Dc)Ts/(2Po*Po)=3.75*10^(-4)H
这个值是电感电流连续与否的临界值，L>Lc则电感电流连续，试剂电感值可选为1.2倍的临界电感值，可选择为4.5×10˜4H；④据波纹的要求计算电容值C= Uo(1-Dc)Ts* Ts/8LU1=2.6*10^(-4)F⑤当开关频率为50kHz时，L=1.8*10^(-4)H,C=1.04*10^(-4)四、Simulink仿真系统设计1、建立一个buck的新模型在“SimpowerSytems/Electrical Sources”库中选择”DC voltage source”直流电压模块在对话框中将直流电压设置为200V。如下图：在“SimPowerSystems/ElectricalSources”库中选择“Series RLC Branch”,右键选择单击并拖动，在复制出2个该元件，分别在对话框中“Branch Type”下拉菜单中选择R、L、C，按照1）的计算结果赋值，在电感元件的对话框里最下方“Mesurement”选择“Branch voltage and current”,以使能电感的端电压测量和电流测量，电阻元件的对话框里“Mesurement”选择“Branch voltage”，以使能负载电阻端的电压测量，亦即Buck变换器的输出电压，具体如下图：在“SimPowerSystems/ Mesurement” 库中选择“Multimeter”,对话框中的坐便又“Ub;L”、“Ib:L”、“Ub:R”几项，依次选中，在右边窗口中显示，这样就可以对电感电压、电感电流、负载电阻电压进行测量,如下图：在“Simulink/Source”库中选择“Pulse Generator”库中选择“Pulse Center”,对话框中“Period(secs)”设置为20e-6,“Pulse Width(% of period)”设置为25，其他设置保持为缺省值。如下图：在“Simulink、Signal Routing”库中选择：“Bus Selector”,在复制出1个，分别连接在“Mosfet”和“Diode”的测试端口，将“Bus Selector”设置为测试各自的电流，连接二极管的“Bus Selector”对话框设置，如下图：
在“Simulink/sink”库中选择示波器“Scope”，将其设置为6个输入通道，具体的设置方法如下图：为了实时显示输出电压的平均值，在“SimPowerSystems/Extra Library/ Mesurement”里面选取“Mean Value”，双击打开对话框，将其参数设置中的“Averaging Period(s)”设置为20e-6（求平均值时的这个周期设置可以使信号周期的整数倍），在“Simulink/sink”里面选取“Display”。如下图：在“SimpowerSytems/Power Electrical Sources”库中选择“Mosfet”和 “Diode”模块，参数保留其缺省值。如下图：最终完成仿真模型如图所示。仿真时间为0.1s，仿真算法为ode23tb。2、仿真结果分析在菜单栏“Simulation”里面的“Configuration Parameters”里面设置仿真算法，仿真算法可以选取步长“Variable-step”下的ode23tb，其他设置可以保持缺省，其中将“Max-step”（最大步长）设置的比较小（如1e-6或者1e-5）能够使输出波形较为平滑。本例中“Max-step”选择缺省值（auto）。如下图上到下的波形依次为MOSFET们极触发脉冲Ug、电感电压Ul、电感电流il、输出电压Uo、MOSFET电流iT、二极管电流iD。电感电流连续，各个波形与理论波形规律一致。f=20kHzF=50kHz对比上面两个图可知，在其他条件不变的情况下，若开关频率提高n倍，则电感值减少为1/n，电容值也减少到1/n，从式中也可以得到这个结论。另外可以发现图中，输出电压平均值没有达到50 v，而只有48.91v左右，这是由于反并联二极管的导通压降使得输出比理论值小，在仿真模型中，二极管的导通压降为0.8V，导通时通态电阻为0.001Ω，流经电流也会造成一定的电压降，因此输出电压比50V小，在前文分析稳态时的工作波形时，得到的结果是在假设了导通后开关管电压为0V以后，当开关器不是理想器件时，电压和电流会有变化。
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电力电子技术课程设计之降压斩波电路
一、概述
从八十年代末起，工程师们为了缩小DC/DC变换器的体积，提高功率密度，首先从大幅度提高开关电源的工作频率做起，但这种努力结果是大幅度缩小了体积，却降低了效率。发热增多，体积缩小，难过高温关。因为当时MOSFET的开关速度还不够快，大幅提高频率使MOSFET的开关损耗驱动损耗大幅度增加。工程师们开始研究各种避开开关损耗的软开关技术。虽然技术模式百花齐放，然而从工程实用角度仅有两项是开发成功且一直延续到现在。一项是VICOR公司的有源箝位ZVS软开关技术；另一项就是九十年代初诞生的全桥移相ZVS软开关技术。
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有源箝位技术历经三代，且都申报了专利。第一代系美国VICOR公司的有源箝位ZVS技术，其专利已经于2002年2月到期。VICOR公司利用该技术，配合磁元件，将DC/DC的工作频率提高到 参考技术A 本书是“十三五”江苏省高等学校重点教材，也是全国部分理工类地方本科院校联盟规划的应用型教材之一。全书贯彻“理论与应用相统一、教学与实际相结合、工程应用特点明显”的思想，介绍了电力电子器件、基本变换电路、主要控制技术及典型应用案例。全书共分九章。第1章绪论，讲述电力电子技术的基本概念、开关变流原理、电力电子技术的主要应用等。第2章电力电子器件，对各种器件的结构进行简要介绍，着重介绍其外特性、工作原理和主要参数，并结合一些品牌器件的参数样本，给出器件参数查阅和选择的方法。第3章讲述应用电力电子器件时涉及的驱动、保护及串/并联问题。第4～7章讲述四大类变换电路（AC-DC、DC-AC、DC-DC、AC-AC）的基本理论，并在每一章后给出典型应用案例，介绍其在工程中的具体应用。第8章讲述PSIM仿真软件的使用方法。第9章为电力变换电路综合应用案例，讲述双PWM变频器主电路、控制电路设计的基本方法和思路；分析了典型不间断电源UPS的应用电路。 本书可作为工程应用型高等院校电气工程及其自动化、自动化专业本科生教材，也可作为从事电力电子技术工作的工程技术人员的参考用书。
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直流稳压电源设计(单相)_电力电子课程设计

课程设计题目： 直流稳压电源设计（单相）
所修课程名称： 电力电子技术

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徐浩宇 川师电气2018级 2022.1.20

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目录

• 一、设计目的
• 二、设计任务
• 三、设计内容
• • 3.1整流电路的比较与选择
  • 3.2触发电路的比较与选择
  • 3.3稳压电路的比较与选择
  • 3.4驱动电路的选择
  • 3.5晶闸管保护电路的比较与选择
  • • 3.5.1晶闸管的过流保护
    • 3.5.2晶闸管的过压保护
    • 3.5.3电流上升率的抑制保护
    • 3.5.4电压上升率的抑制
• 四、主要计数参数
• • 4.1整流变压器额定参数计算
  • 4.2整流变压器额定参数计算
  • 4.3晶闸管保护电路的计算
  • 4.4滤波电容器的参数计算
  • 4.5斩波电路中 MOSFET的参数计算
• 五、总体设计及仿真
• 六、设计小结
• 参考文献

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引言

  直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除动直流电压中的交流成分。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。本设计主要采用单相桥式全控整流电路和升降压斩波电路，通过电容滤波的单相不可控整流电路将交流电源整流为直流电源，再经过降压斩波电路，改变占空比，稳定输出电压。

关键词:整流;斩波

直流稳压电源设计（单相）

一、设计目的

  1、学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握电力电子电路设计的基本方法、设计步骤,培养综合设计与调试能力。
  2、学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法。
  3、培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。

二、设计任务

  本次的设计的任务是设计一个装置的输入电源为单相U_L=220V工频交流电源，输出直流电压0～100V，输出电流10A，L_B=1mH。

三、设计内容

  电路主回路由整流电路、稳压电路两部分组成，其中整流电路由单相不可控整流电路、电容滤波电路组成,稳压电路由BUCK降压电路、 电容滤波电路、 MOSFET触发电路、 MOSFET保护电路组成。其系统原理框图如下:
  

图 1系统原理框图

3.1整流电路的比较与选择

  方案一:单相全桥可控整流电路，由可关断器件组成，可使输入电压可控，输入谐波很低，输出电压值不仅取决于交流输入电压，调整可关断器件导通角也可以控制输出电压。
  方案二:单相不可控整流电路，其由二极管组成桥式整流电路，因二极管正向导通反相截止，其正半周与负半周通路不同，导致负载电压、电流的方向不变，输出脉动直流电,输出电压值取决于交流输入电压。
  经比较，由于不可控整流电路整流电压脉动小，波形平稳;而可控整流需要控制器件，压降损耗大，结构较为复杂，可靠性较单相不可控整流电路而言更低。故采用方案二，使用不可控整流中的桥式整流电路实现AC-DC的转化。

  
图 2 (a)不可控整流电路
  

图 3 (b)可控整流电路

3.2触发电路的比较与选择

  方案一:多谐振荡电路，由555定时器外接电阻R1、R2和电容C组成，该电路没有稳态，只有两个暂稳态，也不需要外加触发信号，利用电源VCC 通过R1和R2向电容器C充电，使U_c逐渐升高，升到2VCC/3时，U_o跳变到低电平，放电端D导通，这时电容器C通过电阻R2和D端放电，使C下降，降到VCC/3时，U_o跳变到高电平，D端截止，电源VCC又通过R1和R2向电容器C充电。如此循环，振荡不停，电容器C在VCC/3和 2VCC/3之间充电和放电，输出连续的矩形脉冲信号。
  方案二:利用51单片机软件延时产生PWM波。利用软件延时函数，控制电平持续的时间，达到模拟PWM的效果。
  方案三:利用51单片机定时器产生PWM波，利用了定时器滋出中断，在中断服务程序改变电平的高低，在程序较复杂、多操作时仍能输出较准确的PWM波形。
  经比较，由于多谐振荡电路结构较为简单，工作方便:利用51单片机软件延时产生PWM波的方法也能简单地模拟出 PWM输出,但是当程序除了要输出 PWM波还要执行其他操作比如键盘扫描、显示等操作时，需要占用CPU一定的机器周期，这样就会影响PWM的准确度;利用51单片机定时器产生PWM波，在程序较复杂、多操作时能输出较准确的PWM波形，但实际运用我们还不熟悉。故采用方案一，使用多谐振荡电路产生PWM波。
  

  
图 4 (a)多谐振荡电路
  

图 5 (b)51单片机产生PWM波

3.3稳压电路的比较与选择

  方案一:BUCK-BOOST升降压斩波电路，电路使用一个全控型器件V。当V处于通态时，电源向电感L充电，充电电流基本恒定为I，同时电容C上的电压向负载供电，当V处于关断时，电感L中储存的能量相符在释放。调节占空比，输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。因C值很大，基本保持输出电压U_o为恒值。
  方案二:BUCK降压斩波电路，V为全控型器件，开关管选用电力电子器件;D为续流二极管。当V处于通态时，电源向负载供电，U_D=U_i。当V处于断态时，负载电流经二极管D续流，电压U_D近似为零，至一个周期T结束。
  经比较,因电容滤波的单相不可控整流电路的整流输出电压始终高于题目所要求的输出电压，即采用降压斩波电路即可。故采用方案二，使用BUCK降压斩波电路实现直流稳压。
  

图 6 (a) 升降压斩波电路

  

图 7 (b) 降压斩波电路

3.4驱动电路的选择

  驱动电路位于主电路和控制电路之间，用来对控制电路的信号进行放大的中间电路，即放大控制电路的信号使其能够驱动功率晶体管。驱动电路在副边与主电路有耦合关系，而驱动原边是与控制电路连在一起，主电路是一次电路，控制电路是ELV电路，一次电路和ELV电路之间要做加强绝缘，实现绝缘要求一般就采取变压器、光耦等隔离措施。
  故我们选用IRS2117驱动MOSFET。该芯片的相关参数及典型应用如下:

  

  

  

  

3.5晶闸管保护电路的比较与选择

  晶闸管的保护电路大致可以分为两种情况:一种是在适当的地方安装保护器件,例如R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。另一种则是采用电子保护电路,检测设备的输出电压或输入电流,当输出电压或输入电流超过允许值时,借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。

3.5.1晶闸管的过流保护

  晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:一类是由于整流电路内部原因,如整流晶闸管损坏，触发电路或控制系统有故障等;其中整流桥晶闸管损坏类较为严重,一般是由于晶闸管因过电压而击穿，造成无正、反向阻断能力,它相当于整流桥臂发生永久性短路,使在另外两桥臂晶闸管导通时,无法正常换流，因而产生线间短路引起过电流。另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流,这类情况时有发生。因为整流桥的负载实质是逆变桥,逆变电路换流失败，就相当于整流桥负载短路。另外.如整流变压器中心点接地,当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。
  对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔短器的方式。快速熔短器的接入方式共有三种，具体见下图:
  

图 8快速熔断器的接入方法

A型:熔短器与每一个元件串联，能可靠地保护每一个元件
B型:能在交流、直流和元件短路时起保护作用，可靠性稍有降低
C型:直流负载侧有故障时动作,元件内部短路时不起保护作用
  对于第二类过流,即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流,则应当采用电子电路进行保护。常见的电子保护原理图如下
  

图 9过流保护原理图

3.5.2晶闸管的过压保护

  晶闸管设备在运行过程中,会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时,设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。
  过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路,以及用压敏电阻等非线性元件加以抑制，见下图。
  

  

图 10(a)阻容三角抑制过电压
  

  
图 11 (b)压敏电阻抑制过电压

  过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。常见的电子保护原理图如下:
  

图 12过电压保护原理图

3.5.3电流上升率的抑制保护

  晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域,局部电流密度很大，然后以0.1mm/ u s 的扩展速度将电流扩展到整个阴极面,若晶闸管开通时电流上升率 di/dt过大,会导致PN结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内。其有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。如下图:

  
图 13串联电感抑制回路

3.5.4电压上升率的抑制

  加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt也应有所限制,如果dv/dt过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。为抑制dv/dt的作用，可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。如下图:

图 14并联R-C阻容吸收回路

  在实际晶阐管电路中，常在其两端并联RC串联网络，该网络常称为RC阻容吸收电路。
  我们知道，晶闸管有一个重要特性参数―断态电压临界上升率dlv/dlt。它表明晶闸管在额定结温和门极断路条件下，使晶闸管从断态转入通态的最低电压上升率。若电压上升率过大，超过了晶闸管的电压上升率的值，则会在无门极信号的情况下开通。即使此时加于晶闸管的正向电压低于其阳极峰值电压，也可能发生这种情况。因为晶闸管可以看作是由三个PN结组成。
  在晶闸管处于阻断状态下，因各层相距很近，其J2结结面相当于一个电容CO。当晶闸管阳极电压变化时，便会有充电电流流过电容CO，并通过J3结，这个电流起了门极触发电流作用。如果晶闸管在关断时，阳极电压上升速度太快，则co的充电电流越大，就有可能造成门极在没有触发信号的情况下，晶闸管误导通现象，即常说的硬开通，这是不允许的。因此，对加到晶闸管上的阳极电压上升率应有一定的限制。
  为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全运行，常在晶闸管两端并联RC阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。因为电路总是存在电感的(变压器漏感或负载电感)，所以与电容C串联电阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。同时，避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。
  由于晶闸管过流过压能力很差，如果不采取可靠的保护措施是不能正常工作的。RC阻容吸收网络就是常用的保护方法之一。
  即本设计我们选择阻容保护电路。

四、主要计数参数

4.1整流变压器额定参数计算

  变压器设置视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。整流器的输入端一般接在交流电网上。为了适应负载对电源电压大小的要求，或者为了提高整流装置的功率因数，一般可在输入端接整流变压器;但有时变压器内部也要产生电磁损耗，选择变压器时应多方面综合考虑。
  装置的输入电压U_L=220V，输出电压U_O为0～100V，考虑采用单相不可控整流电路，即整流桥的输入电压约为

U_i=U_O/0.9=U_O/0.9=111.2V

  由于电路的开关损耗、变压器磁损耗等考虑选择的变压器留有一定余量，即选择变压器的输出电压为220V,可得变压器额定变比为1: 1。
  同时，匝数比为1:1的整流变压器只实现了交流电网与整流电路之间的电隔离，但其自身产生损耗，即我们也可以选择不使用变压器。
  故根据计算结果，我们实际选择不使用变压器。

4.2整流变压器额定参数计算

  己知满载时流过负载的电流为10A,在一个周期内整流二极管只导通半个周期，即流过整流二极管的平均电流为

I_(F(Av))=10/2=5A

  选择整流二极管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值大于它允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值，即

I=1.57*I_F(Av) =1.57*5=7.85

  而选用器件时，额定电流要留有一定的余量，一般取额定电流为正常工作时整流二极管的电流的1~1.5倍。即整流二极管的额定电流为

I_1=（1~1.5）*7.85A=11.775A

  实际单相不可控整流电路后连接了buck降压电路，降压电路中的支路分了一部分电流，即流过整流二极管的平均电流应大于5A，同时实际应用中选择的余量应更大，即选择的整流二极管的额定电流应大于11.775A。
  因考虑采用的电容滤波的不可控整流电路，空载时整流桥的输出电压最大为

udmax =√2×220=311.1V

  随着负载的加重,输出电压下降,但仍能达到

U_dmin=0.9×220=198V

  其大于题目中所要求的直流输出电压。所以电容滤波后应连接了buck降压电路来满足题目的电压要求。
  即由桥路结构可知整流二极管承受的最大正向电压为

311.1/2=155.55V

  整流二极管承受的最大反向电压为电源电压的最大值，即380v。
  选用器件时，一般取额定电压为整流二极管实际承受的最大峰值电压2~3倍，即可确定整流二极管的额定电压为:

380×(2~3)=(760~1140)V

  实际应用中选择的余量应更大,即选择的整流二极管的额定电流应大于(760~1140)V。即我们选择额定电流为20A、额定电压为1500V的整流二极管。

4.3晶闸管保护电路的计算

  电容的选择方法:C=(2.5~5)*10^(-8)*I_f，I_f=0.367I_d其中，I_d为直流电流值。因整流侧采用20A的整流二极管，则可以计算得到:

C=(2.5~5)×10^(-8)×20=(0.5~1)uF

  电阻的选择:

R=((2~4)×535)/I_f,=(53.5~107)Ω

  即我们选用1 uF ,1kV的电容器，100 Ω的电阻。

4.4滤波电容器的参数计算

  在电容滤波的单相不可控整流电路的设计中，通常根据负载的情况选择滤波电容的值，RC≥(3~2)/2 T,T为交流电源的周期。此时的输出电压为:

U_d≈1.2U_2=1.2×220=264V

故我们将后面的斩波电路等效为一个电阻负载，再进行电容计算，则有:

C≥3~5T×1/R=(3~5)/2×1/50×1/10=(3~5) mF

4.5斩波电路中 MOSFET的参数计算

MOSFET 参数的确定方法额定电压的选择:

U_c=U_S*K_1*K_2 *K_3

U_S:正常情况下承受的最大峰值电压
K_1:电网电压波动(会引起输入直流电压变化)系数，一般取1.15。
K_2:直流中间回路有反馈时的泵升电压，一般取1.2;直流侧无能馈泵升时，取1.0。
K_3:必要的电压安全系数，一般取1.3~1.5，如1.4。

U_c=U_S*K_1*K_2 *K_3=311.1×1.15×1.0×1.4=500.871V

电流定额的选择:

I_c=I_m*K_4*K_5

I_m:正常导通时流过的最大电流。
K_4:电流的安全系数，一般取1.5~2。
K_5:电流脉动率，可取1.2。

I_c=I_m*K_4*K_5=10×2×1.2=24A

即我们选用额定电压为500V,额定电流为24A 的 MOSFET。

五、总体设计及仿真

  本设计通过单相不可控整流电路化交流为脉动的直流,再经电容滤波器滤除谐波使输出相对稳定，从而实现了直流稳压电源的设计。
  

图 15仿真电路图

  

  
图 16整流后未加电容滤波的电压波形图
     

图 17整流后加电容滤波后的电压、电流波形

  由图17和图18的电压波形分析可知，加了电容后电压波形变化不大。
  

图 18MOSFET触发的波形  

六、设计小结

  为期一周的电力电子课程设计实习眨眼就过去了，这周我学会了很多东西。以前在课本上学的理论比较抽象,通过做这个课程设计让我对这些知识有了更深的理解。我门的设计任务是直流稳压电源的设计，由于理论知识的欠缺，在设计过程中慢慢的对相关知识有了更深的了解。通过这次课程设计让我学会了很多书本上没有的东西，我对电力电子有了更好的理解和运用，同时也对学的知识有了一个实践性的证明，认识到了理论与实际相结合的重要性。我们学习理论的目的就是为了应用于实践，学以致用。只是一味的死学理论知识是远远不够的，只有把所学的理论和实践相结合，才能真正掌握一门学科。这次课程设计不仅考察了我们的理论水平，还锻炼了我们实践的能力。在实践中提高我们的实际动手能力和独立思考的能力。

参考文献

  王兆安，黄俊.电力电子技术第5版．机械工业出版社，2000.