石家庄铁道大学四方学院毕业设计
以必须要有保护电路对系统进行保护措施，并且尽量确保主电路正常的工作，保护整个机车系统正常运行。
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第3章 主电路硬件设计
3.1 主要开关元器件性能
功率开关的最重要的作用是将输入的直流电压逆变成需要的的交流电压。功率开关的工作状态用两种：饱和与关断，这样可以让开关损耗尽可能的小。目前主要用到的功率开关主要有两种：MOSFET和IGBT。 3.1.1 IGBT的介绍
IGBT具有三个输入端，分别叫做栅极G、集电极C和发射极E。给出了IGBT由N沟道VDMOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构。如果将两个器件相比较，IGBT比VDMOSFET多了一个P+入口区，在工作中会产生一个面积较大的PN结。IGBT会由于有更大的接触面积，比其他的器件有更大的导流能力，是由双极型晶体管与MOSFET组成，也可看做是MOSFET的厚基区PNP晶体管。IGBT同MOSFET一样是场控器件。栅极和发射极间电压UGE的大小和器件的开关有关，当通电，且UGE电压大于UGE(th)的开启电压时，MOSFET内形成沟道，会在晶体管的基极处产生一个电流值，促使晶体管导通。若栅极和发射极处于反相电压或不加电压情况时，MOSFET内的沟道消失，IGBT关断。在电力电子电路中，IGBT在正向阻断区和饱和区之间来回转换，从而控制开关。 3.1.2 二极管
二极管的单方向导电性就是其主要的特性。所以二极管在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。从而体现了二极管的正向特性和反向特性。
(1)正向特性在电子电路中，把二极管的正极接在电压高的一端，负极接在电压低的一端，二极管才会导通，这种连接方式叫做正向偏置。但是当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管还是不能导通的，这个时候流过二极管的正向电流是十分微弱的。只有当正向电压达到某一数值(也就是常说的“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V)以后，二极管才能真正导通。当二极管导通后其两端的电压基本上保持不变(锗管约为0.3V，硅管约为0.7V)，这个就是二极管的“正向压降”。
(2)反向特性在电子电路中，二极管的正极接在电压低的一端，负极接在电压高的一端，这个时候流过二极管中的电流几乎为零，因此二极管处于截止状态，这种连
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接方式叫做反向偏置。当二极管处于反向偏置状态的时候，二极管仍然会有微弱的反向电流流过，这种状态称为漏电流。但是当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流反而会急剧增大，二极管的单方向导电特性将会消失，这种状态称为二极管的击穿[3]。
3.2 系统总电路设计
本设计需要将给定的直流电压110V先经过升压电路变化成稳定400V直流电压，之后再经过逆变电路逆变成230V/50HZ交流电压，需要升压电路、逆变电路、滤波电路，系统的总电路图如图3-1所示。
图3-1 主电路图
3.3 DC/DC升压电路设计
3.3.1 充电过程
电路在充电过程中，开关闭合(三极管导通)，开关(三极管)相当于用导线来代替，这个时候输入的电流经过电感线圈。二极管的作用是防止电容对地有放电的电流。因为输入端提供的是直流电流，所以流经电感线圈上的的电流的增加方式是线性的，电感线圈的大小决定了增加比率的斜度。电感电流增加后，电感里储存的能量也会相应的增加。
3.3.2 放电过程
当断开开关(即三极管截止)时，电感里面的电流不可能突然消失，所以电感里面的电流是不可能突然变成零的，而是经过一定的时间由充电完毕时的值变为零的。由于开关断开后导致开始的电路已经不存在，这个时候电感必须寻找新的电路来释放存储的电能，所以电感只能对电容充电，电容两端的电压会升高，此时电容的电压已经
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高于输入时的电压了，电感放电完成后电容的升压完毕[4]。如图3-2所示。
图3-2 升压斩波电路图
3.3.3 升压斩波器工作原理
斩波器由斩波管、电解电容、PWM控制部分(产生驱动斩波管的脉冲)等组成，主要将给定的110V直流电经过升压电路变换为稳定的400V直流电压。最常用的斩波电路种类有五种：降压式、升压式和全桥式，图3-2所示电路为升压式斩波器的原理电路，为了方便了解其工作特性，将升压电感L也包含在里面[5]。
当IGBT开通时，VD1截止，此时负载不工作，输入电压加在电感L上，电源向电感L提供能量，流经L的电流开始增加。当IGBT断开时，电感线圈L上的电流是不会突然变为零的，VD1开通，所以二极管VD1通过电感里面储存的能量续流，输出的能量传递给负载。斩波器的稳态是指流过电感的电流平均值达到一个固定的数值，每个周期起始的电流值是相同的。也就是说一个周期内电感电压的积分为零[6]。
图3-3 连续导电模式的电感电流、电压波形
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为叙述方便，可假设电容C足够大以确保一个恒定的输出电压U0，这也与实际情况相符。
当升压电感上的电流始终大于零时，称为连续导电模式，先分析连续该模式下的工作原理。
在这个模式下，电感电流连续流动iL(t)>0，图3-3为一个周期内稳态工作时的波形[7]。IGBT开通(ton)及关断(toff)时的等效电路图分别如图3-4的(a)、(b)所示。
(a)IGBT导通时等效电路 (b)IGBT关断时等效电路
图3-4 等效电路图
在电路稳定工作时，一个工作周期内电感电压对时间的积分为0，即
(3-1) ?T0ULdt?0 Uiton?(Ui?U0)toff?0 (3-2) 整理得：
U0ton+toff1 (3-3) ==Uitoff1-D其中D为占空比
D?ton (3-4)
ton?toff在不考虑损耗的情况下，输入升压电路和输出电路的功率是相等的，即
UiIi?U0I0 (3-5)
于是有输入电流平均值与输出电流平均值之比为：
Ii1 (3-6) ?I01?D以上为连续导电模式的公式。当输出功率逐渐减小，锯齿电流会逐渐减小。当每个周期内电感电流为零时，就是断续导电的模式。
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