电力电子课设——LED台灯电源设计

电力电子技术课程设计报告

课程设计指导教师评定成绩表

分值 优秀 (100>x≥90) 参考标准 学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作 设计合理、理论分析与计算正确，实验数据准确，有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信 有重大改进或独特见解，有一定实用价值 良好 (90>x≥80) 参考标准 学习态度比较认真，科学作风良好，能按期完成任务书规定的任务 中等 (80>x≥70) 参考标准 学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作 设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，有一定的实际动手能力，主要文献引用、调查调研比较可信 及格 (70>x≥60) 参考标准 学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务 设计基本合理，理论分析与计算无大错，实验数据无大错 不及格(x<60) 参考标准 学习马虎， 纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度 设计不合理，理论分析与计算有原则错误，实验数据不可靠，实际动手能力差，文献引用、调查调研有较大的问题 观念陈旧 评分 项目 学习态度 15 技术水平与实际能力 25 设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献引用、调查调研比较合理、可信 创新 10 有较大改进或新颖的见解，实用性尚可 有一定改进或新的见解 有一定见解

论文(计算书、图纸)撰写质量 50 结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰 结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰 结构合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图纸比较工整、清晰 结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较工整 内容空泛， 结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰 指导教师评定成绩：

指导教师签名： 年 月 日

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自动化学院2007级自动化专业 电力电子技术课程设计任务书

一、课程设计的教学目的和任务

电力电子技术是研究利用电力电子器件、电路理论和控制技术，实现对电能的控制、变换和传输的科学，其在电力、工业、交通、通信、航空航天等很多领域具有广泛的应用。电力电子技术不但本身是一项高新技术，而且还是其它多项高新技术发展的基础。因此，提高学生的电力电子领域综合设计和综合应用能力是教学计划中必不可少的重要一环。

通过电力电子技术的课程设计达到以下几个目的：

1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Intel网检索需要的文献资料。 2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。 3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。 4、提高学生的电力电子装置分析和设计能力。 5、提高学生课程设计报告撰写水平。

二、课程设计的基本要求

1. 教师确定方向，在教师的指导下，学生自立题目 注意事项：

① 所立题目必须是某一电力电子装置或电路的设计，题目难度和工作量要适应在一周内完成，题目要结合工程实际。学生也可以选择规定题目方向外的其他电力电子装置设计，如开关电源、调光灯、镇流器、UPS电源等，但不允许选择其他班题目方向的内容设计（复合变换除外）。

② 通过图书馆和Intel网广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计题目。自立题目后，首先要明确自己课程设计的设计内容。要给出所要设计装置（或电路）的主要技术数据（如输入要求，输出要达到的目标，装置容量的大小以及装置要具有哪些功能）。如：

直流电动机调压调速可控整流电源设计 主要技术数据 输入交流电源： 三相380V10% f=50Hz 直流输出电压： 0~220V

I

50~220V范围内，直流输出电流额定值100A 直流输出电流连续的最小值为10A 设计内容： 整流电路的选择

整流变压器额定参数的计算 晶闸管电流、电压额定的选择 平波电抗器电感值的计算 保护电路的设计 触发电路的设计

画出完整的主电路原理图和控制电路原理图 列出主电路和控制电路所用元器件的明细表

2. 在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力。要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。具体电路元器件的选择应有计算和说明。课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过刨析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。（注意：所确定的主电路方案如果没有论证说明，成绩不能得优；设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇，且文中有引注，否则也不能得优）。

3. 在整个设计中要注意培养分析和解决问题的能力。要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路和控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型），严禁抄袭。

4. 课题设计的主要内容是主电路的设计，主电路的分析说明，主电路元器件的计算和选型，以及控制电路设计。

5. 课题设计报告要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。

三、课程设计的工作计划

课程设计时间6天。第1天上午，指导教师向学生讲授课程设计的目的、任务、设计方法和注意事项。第1天下午和第2天学生到图书馆和Intel网上按照指导教师的要求查找所需要的文献，并在阅读分析中确定自己的研究题目、技术数据和设计内容，交指导教师审阅。第3天学生的主要任务是确定方案。第4天和第5天上午，学生的任务是综合所学知识，进行主电路和控制电路的设计。第5天下午和第6天学生的主要任务是撰写课程设计报告。

四、各班的题目方向

4班题目方向：可控整流技术的工程应用（AC-DC）

5班题目方向：交流调压或交流调功技术的工程应用（AC-AC）或无源逆变技术的工程应

用（DC-AC）

6班题目方向：直流斩波技术的工程应用（DC-DC）

目 录

1 引言.........................................................................................................1 1.1照明LED的优势....................................................................................................1 1.2 LED目前的发展现状.............................................................................................2 2 电源设计的基本要求.............................................................................2 3 电路总体方案的设计和相关原理.........................................................2

3.1 整流部分..............................................................................................................2

3.1.1 整流原理....................................................................................................................2 3.1.2 晶闸管的原理及分析...............................................................................................3

3.2

驱动部分..........................................................................................................4

3.3 保护部分...........................................................................................................5

3.3.1 晶闸管的保护....................................................................................................5

3.3.2 驱动电路和晶闸管连接的保护............................................................5

4 主电路设计及参数计算..........................................................................6

4.1 主电路的设计框架................................................................................................6 4.2 整流电路的选择....................................................................................................6 4.3 主电路的模态析...................................................................................................7 4.4 主电路的参数计算................................................................................................8

4.4.1 基本计算过程............................................................................................................8 4.4.2 详细参数列表............................................................................................................8

5 驱动电路设计...........................................................................................9

6 课程设计总结...........................................................................................9 参考文献.......................................................................................................9

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1 引言

1.1 照明LED的优势

目前广泛用于家庭、学校和照明的为荧光灯和白炽灯。白炽灯其耗电较多，内含汞蒸汽，灯管易碎，安全性差，一旦碎裂，对环境和人体有很大危害；荧光灯发光光谱不集中，含有大量紫外线等不可见光，不但降低了照明效率，而且紫外线加速皮肤、纸张、文物等的老化；荧光灯必需的启辉器和镇流器会产生电磁和噪声污染，降低电网供电质量，增加照明环境污染。

LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导成的，其核心是PN结。因此它具有一般PN结的I-N特性，即正向导通，反向截止，击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。 LED是由超导发光晶体产生超高强度的灯光，采用电场发光，效能极高，发出的热量很少，不像白炽灯那样以热量形式浪费太多电量；LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，发光效率可达80％～90％，不像荧光灯那样因消耗高能量而产生有毒气体；LED属于全固体冷光源，体积小，结构坚固，工作电压低，不像霓虹灯那样要求高电压而容易损坏，是全球公认的环保节能型光源。

与传统的灯泡比起来，用LED照明具有很多优势：其点亮无延迟，响应时间更快，传统玻壳灯泡则有0.3秒的延迟；发光纯度高，无需灯罩滤光，光波长误差在10纳米以内；发光热量很小，对灯具材料的耐热性要求不是很高；光束集中，更易于控制，且不需要用反射器聚光，有利于减小灯具的深度，耗电量低，达到传统灯泡同等的发光亮度时，耗电量仅为传统灯泡的6%；超长寿命，无灯丝结构不发热，正常使用在6年以上...

1.2 LED目前的发展现状

当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题，在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。

中国LED产业起步于20世纪70年代。经过30多年的发展，中国LED产业已初步形成了包括LED外延片的生产、LED芯片的制备、LED芯片的封装以及LED产品应用在内的较为完整的产业链。在“国家半导体照明工程”的推动

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下，形成了上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄七个国家半导体照明工程产业化基地。长三角、珠三角、闽三角以及北方地区则成为中国LED产业发展的聚集地。

目前，中国半导体照明产业发展向好，外延芯片企业的发展尤其迅速、封装企业规模继续保持较快增长、照明应用取得较大进展。2007年中国LED应用产品产值已超过300亿元，已成为LED全彩显示屏、太阳能LED、景观照明等应用产品世界最大的生产和出口国，新兴的半导体照明产业正在形成。国内在照明领域已经形成一定特色，其中户外照明发展最快，已有上百家LED路灯企业并建设了几十条示范道路，但在室内通用照明市场方面仍显落后。 但随着国际能源短缺的进一步加剧，以照明LED为代表的节能环保产品已进入了千家万户，为我们一个个夜晚点亮光明。

2 电源设计的基本要求

输入参数：交流输入电压：AC220V； 输入电压变动范围：10%； 输入频率：50Hz 输出参数：输出直流电压：3.6V； 输出直流电流最大值：3.2A

3 电路总体方案的设计和相关原理

3.1 整流部分

3.1.1 整流原理

在电力电子方面：将交流电变换为直流电称为AC/DC变换，这种变换的功率流向是由电源传向负载，因此称之为整流。

整流电路是利用二极管或晶闸管的单向导电性将正负变化的交流电压变为单向脉动电压的电路。在交流电源的作用下，整流器件周期性地导通和截止，使负载得到脉动直流电。在电源的正半周，器件导通；在电源电压的负半周，器件处于反向截止状态，承受电源负半周电压，负载电压几乎为零。因此整流电路一般需多个二极管或晶闸管相互配合使用以得到所需的稳定直流。

常用的整流电路有：单相桥式全控整流电路，单相桥式半控整流电路以及三相桥式全控整流电路。

本文采用的是单相桥式半控整流电路。其电路及工作曲线如下图1，2所示：

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VT1VT2u d idVDR u2Ti2E q d w t I d w t aLRVD4udbVD3O a i d u2b)

O Oudt 图1 图2 假设负载中电感很大，且电路已工作于稳态。在u2 正半周，触发角α 处给晶闸管VT1加触发脉冲，u2经 VT1 和 VD4 向负载供电。u2过零变负时，因电td感作用使电流连续，VT1继续导通。但因 a 点电位三低于 b 点电位，使得电

OidiVTOiVD1iVD23It流从I dVD4 转移至VD2，VD4关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是

iVTOiVDOR4由 VT1 和 VD2 续流。此阶段，忽略器件的通态压降，则ud=0,不像全控桥电t路那样出现ud为负的情况。

IdIdtOi2OtVT3，VT3 导通，则向 VT1 加反 在u2负半周触发角 α 时刻触发 Id压使之关断，u2经 VT3 和VD2 向负载供电。VD4 导通， VD2 关tu2过零变正时，断。VT3 和VD4 d续流，ud又为零。此后重复以上过程。交流电在经过整流电路后就变为直流。

I3.1.2 晶闸管的原理及分析

晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电器公司开发出世界上第一晶闸管产品，并于1958年使其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极；晶闸管工作条件为：加正向电压且门极有触发电流；其派生器件有：快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示（旧标准中用字母“SCR”表示）。

晶闸管是一种开关元件，顾名思义他的名字里面有一个闸字也就是门，开关的意思，他广泛的应用在各种电路，以及电子设备中。。晶闸管是典型的小电流

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控制大电流的设备，他通过一个电流很小的脉冲触发晶闸管处于导通状态此时他的电阻变得很小相当于一跟导线。

晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。晶闸管T在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。 晶闸管的工作条件：

1. 晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。

2. 晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。

3. 晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。

4. 晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。

3.2 驱动部分

要使得晶闸管导通，除了加正向阳极电压外，还必须在控制极和阴极之间加触发信号。提供触发信号的电路称为触发电路。其必须满足以下条件：

（1） 触发脉冲信号发出的时刻，必须与主回路电源电压相位具有一定的控制角关系，并有足够的移相范围。

（2） 触发脉冲又足够大的电压和电流，一般触发电压为4-10V。 （3） 触发脉冲应有足够的脉宽，以保证晶闸管的触发可靠性。脉冲最好在20-50us之间，一般不小于10us。

（4） 触发脉冲应具有陡峭的上升沿，以保证触发事件的准确性，最好在10us以下。

（5） 没有触发时，触发电量应尽量小，以避免误触发，一般应小于0.15V。

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3.3 保护部分

3.3.1 晶闸管的保护

在实际应用中，一般应对晶闸管采取保护，如电压电流过大，电压电流增长过快等问题，会严重影响晶闸管的工作状态的使用寿命，因此设计电路时应考虑好这方面的因素。

如右图3.3.1所示，用一个大电感L防止电压上升过快，与晶闸管并联的RC串联电路防止di/dt上升过快，再加上主电路中的快速熔断器，亦可以防止电流过大。这样，晶闸管基本上得到了全面的保护，使得使用效能和寿命大大增加。

图3.3.1 3.3.2 驱动电路和晶闸管连

接的保护

在应用中，由于主电路电压经常高于触发控制电路，造成操作不安全，主电路又往往干扰触发电路，因此仅使用于简单的电路。

本文采用的是脉冲变压器耦合连接，如右图3.3.2所示。在磁导率较高

的铁芯上绕制的变压器，能很好的将 图3.3.2

一次的脉冲信号传递到二次绕组，二次绕组再与晶闸管相连，使得主电路与控制电路有良好的电气绝缘。

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4 主电路设计及参数计算

4.1 主电路的设计框架

图4.1（PROTEUS）

主电路图如上图所示：前端采用了一个交流变压器，将市电的220V交流降压为V；其后紧接着是一个简单的RC滤波电路，承担着滤波和使电压平稳的作用；而后为单相桥式半控整流电路，将交流电变为直流电，调整晶闸管的触发角，即可得到所需的直流电压数值；每一个晶闸管或二极管均有快速熔断器的保护；后面接着的是一个由稳压二极管和电阻所构成的稳压电路，稳定输出负载所需电压；随后接以恒流稳压源（图中未画出），进一步稳定电压电流，以保证LED能获得稳定的电压和电流，以保持恒定的功率，恒定的发光亮度；在与负载相接之前串联一个滑动变阻器，使得发光二极管在发光的情况下还能够改变发光亮度，即功率的改变。负载全部并联，使得一个LED的损坏不会影响其余的LED的点亮。

4.2 整流电路的选择

在选择整流电路的过程中，一直徘徊于单相桥式全控整流电路和单相桥式半控整流电路之间。因为大多数台灯均是民用的，很少用于工业上，因此有关于三相的整流电路被否决，因为需要简单和经济。而最后，我们选择了后者：先从器件上看，后者用两个二极管代替了前者的两个晶闸管，节约了经济成本，并且使得导电回路中只有一个管压降，少了一个管压降，有利于降低功率的损耗；其次，少了两个晶闸管，通过也就减少了触发电路和保护电路的成本；最后，两者实现

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的功能的基本相同，且单相半控的负载电压相较于全控的电压没有负向的部分，使得系统更健康。从以上考虑，选择单相桥式半控整流电路作为整流的主体。

4.3 主电路的模态分析

（1 ） udu2VT1aVT3i2+_u 2 VT2

模态1如上所示：VT1,VT4导通，VT2,VT3截止承受反压；电流流向从VT1,负载到VT4。

（2）+

+_u2i2

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_+_idud_b+Ridud/Ru2/RuVT10i2idiVT1idudu2VT4VT1aVT3idud_+Ridud/Ru2/RuVT10i2idiVT1idbVT2VT4 模态2如上所示：VT2,VT3导通，VT1,VT4截止承受反压；电流流向从VT3,负载到VT2。

4.4 主电路元件的参数计算

4.4.1 基本计算过程

负载所选用的9颗LED均为同样规格，额定电压U=3.6V，额定电流I=350mA，功率P=UI=1.26W，9颗总功率约为11W；在滑动变阻器之后的电路总电流Id=3.5A,于是整流电路输出的电压约在3.6V左右，即ud=3.6V；变压器采用10：1的原副线圈比例，即过滤波电路的电压约为22V；即u2=22V,考虑到两倍的裕量，晶闸管的最大电压

UIVT1=102u262V （4.1）

1*23.5A （4.2） 2Id

最大电流

dVT

IVT1=12Id*2=5A （4.3）

二极管同晶闸管参数一致。

4.4.2 详细参数列表 变压器：原副线圈比10：1

晶闸管（二极管）：UVT1=62V，IVT1=5A,IdVT3.5A LED*9：Im350mA,Um3.6V

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5 驱动电路的设计

互补振荡器触发电路，其电路如图5所示。电路中的VT1与VT2组成正反馈环节，产生自激振荡触发脉冲，调节RP即可以改变自激振荡脉冲的周期，起到移相的作用。即可以得到我们所需要的相位与电压。

6 课程设计总结

通过这次课程设计，发现了很多的问题，为了应付考试而学习的东西在这里远远不够用，你需要将书本里的每一个知识点都弄透彻，要求的是理解，而不是简单的结果记忆。而且更需要将你所有曾经所学过的知识融会贯通，不断的找到它们的共同点和结合点。

在实际操作的过程中，需要翻阅大量的书籍和网络资料，从中寻找自己所需要的东西，如驱动电路的电路图，各种元件的参数计算等。这是一个系统的工程，不是随便哪里找点东西拼拼凑凑就能成的，所有的资料都必须围绕在以LED电源的基础之上进行，然后就是从中整合出自己想要的东西，并运用于自己的设计之上，这样才能做出相对完好的作品。当然，最好是还能够自己亲手去做出真正的试验品来，看自己是否真的设计好。这样，才达到了课程设计的真正目的。

参考文献

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[2]. 石玉. 电力电子技术例题与电路设计指导. 机械工业出版社.2003

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[3]. 林忠岳.电力电子变换技术. 重庆大学出版社.1986 [4]. 童诗白、华成英.模拟电子技术.高等教育出版社.1998 [5]. 朱文嘉、黄智勇.电子线路CAE/EDA.重庆大学出版社.2007 [6]. 王兆安、黄俊.电力电子技术.机械工业出版社.2008

[7]. 李序葆、赵永键.电力电子器件及其应用.机械工业出版社.1996

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