電力電子課程設(shè)計(jì)--直流斬波電路

1、<p>　　《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說明書</p><p><b>　　直流斬波電路</b></p><p>　　院 、 部： 電氣與信息工程學(xué)院 </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　

2、　指導(dǎo)教師： </p><p>　　專 業(yè)： 自動(dòng)化 </p><p>　　班 級： </p><p>　　完成時(shí)間： 2012年5月1日 </p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><

3、p>　　一 設(shè)計(jì)課題：直流斬波電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　二 設(shè)計(jì)目的任務(wù)</b></p><p>　　學(xué)生通過理論設(shè)計(jì)和實(shí)物制作解決相應(yīng)的實(shí)際問題，鞏固和運(yùn)用在《電力電子技術(shù)》中所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，掌握應(yīng)用直流斬波電路的一般設(shè)計(jì)方法，提高設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，為以后從事電力電子電路設(shè)計(jì)、研發(fā)電力電子產(chǎn)品打下良好的基礎(chǔ)。</p>

4、<p><b>　　三 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　1 可取直流輸入電壓=50V, =350V</p><p>　　2 電力電子課程設(shè)計(jì)說明書一份</p><p><b>　　3設(shè)計(jì)時(shí)間一周</b></p><p><b>　　4 一人一組一課題</b>&l

5、t;/p><p><b>　　四 參考資料</b></p><p>　　[1] 王兆安．黃俊．電力電子技術(shù)，第4版，機(jī)械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　[2] 張乃國．電源技術(shù)．北京：中國電力出版社，1998</p><p>　　[3] 何希才．新型開關(guān)電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用．北京：科學(xué)出版社，2001</p>

6、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 直流斬波電路設(shè)計(jì)方案和方案實(shí)施1</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)方案選擇1</p><p>　　1.2 升壓斬波電路的設(shè)計(jì)原理1</p><p>　　2 單元電路設(shè)計(jì)2</p><p>　　2.1 直流

7、供電電路2</p><p>　　2.2 升壓斬波主電路2</p><p>　　2.3 控制和驅(qū)動(dòng)電路3</p><p>　　2.3.1 芯片SG3525簡介3</p><p>　　2.3.2 控制和驅(qū)動(dòng)電路原理圖4</p><p>　　2.4 保護(hù)電路5</p><p>　

8、　2.5 參數(shù)計(jì)算5</p><p>　　3 實(shí)驗(yàn)仿真分析7</p><p>　　3.1 仿真電路7</p><p>　　3.2 仿真結(jié)果與誤差分析7</p><p><b>　　結(jié)束語9</b></p><p><b>　　致 謝10</b></

9、p><p><b>　　參考文獻(xiàn)11</b></p><p><b>　　原件清單12</b></p><p>　　1 直流斬波電路設(shè)計(jì)方案和方案實(shí)施</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)方案選擇</p><p>　　斬波電路有三種控制方式</p><p&

10、gt;　?。?）脈沖寬度調(diào)制（PWM）：開關(guān)周期T不變，改變開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton。</p><p>　　（2）頻率調(diào)制：開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton不變，改變開關(guān)周期T。</p><p>　?。?）混合型：開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton和開關(guān)周期T都可調(diào)，改變占空比。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用的是脈寬調(diào)制的方法，開關(guān)選用全控型器件IGBT，它集中了電力MOSFET和GTR得優(yōu)點(diǎn)。&

11、lt;/p><p>　　1.2 升壓斬波電路的設(shè)計(jì)原理</p><p>　　原理圖如圖2所示：V斷時(shí)，E和L共同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)V斷的時(shí)間為，則此期間電感L釋放能量為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中電感L的能量與釋放的能量相等，即：</

12、p><p><b>　?。?-2） </b></p><p><b>　　化簡得： </b></p><p><b>　　(1-3) </b></p><p>　　式中，，輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。式中，表示升壓比，調(diào)節(jié)其大小，即可改變輸出電壓的大小，將升壓

13、比的倒數(shù)記作，即。則和占空比有如下關(guān)系：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　因此，（1-3）式可以表示為：</p><p><b>　　(1-5)</b></p><p><b>　　2 單元電路設(shè)計(jì)</b></p><p

14、>　　2.1 直流供電電路</p><p>　　生活中現(xiàn)有的都為交流電，所以斬波電路的輸入電壓需由交流電經(jīng)整流得到。本設(shè)計(jì)采用橋式電路整流：由四個(gè)二極管組成一個(gè)全橋整流電路.由整流電路出來的電壓含有較大的紋波，電壓質(zhì)量不太好，故需要進(jìn)行濾波。本電路采用RL低通濾波器（通過串聯(lián)一個(gè)電感，濾除電流的高次諧波，并聯(lián)一個(gè)電容濾除電壓的高次諧波），以減小紋波。protel原理圖如下圖1所示：</p>

15、<p>　　圖 1 直流供電電路</p><p>　　輸入端接220V、50Hz的市電，進(jìn)過變壓器T1（原線圈/副線圈為4/1）后輸出55V、50Hz。當(dāng)同名端為正時(shí)D2、D5導(dǎo)通，D3、D4截止，電壓上正下負(fù)。當(dāng)同名端為負(fù)時(shí)D2、D5截止，D3、D4導(dǎo)通，電壓同樣是上正下負(fù)，從而實(shí)現(xiàn)整流。電感具有電流不能突變，通直流阻交流特性，因此串聯(lián)一個(gè)電感可以提高直流電壓品質(zhì)。而電容具有電壓不能突變，通交流阻直

16、流特性，因此并聯(lián)一個(gè)大電容可以濾除雜波，減小紋波。結(jié)合兩種元器件的特性，組成上圖整流電路，可以得到比較理想的直流電壓（幅值為50V左右）。</p><p>　　2.2 升壓斬波主電路</p><p>　　本設(shè)計(jì)為直流升壓斬波（boost chopper）電路，該電路是本系統(tǒng)的核心。應(yīng)為輸出電壓比較大，故斬波器件選用能夠承受大電壓和導(dǎo)通內(nèi)阻小，開關(guān)頻率高，開關(guān)時(shí)間小的大功率IGBT管。主電

17、路圖如下圖2所示：</p><p>　　圖 2 主電路原理圖</p><p>　　左邊接經(jīng)整流之后的50V電壓。右邊為斬波電壓輸出，V-G為SG3525輸出的PWM斬波信號。G1為IGBT，D5為電力二極管，L2為電感，C1為電容，R1為負(fù)載。</p><p>　　2.3 控制和驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　2.3.1 芯片SG3525簡

18、介</p><p>　　PWM控制芯片SG3525 具體的內(nèi)部引腳結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，腳16 為SG3525 的基準(zhǔn)電壓源輸出，精度可以達(dá)到（5.1±1％）V，采用了溫度補(bǔ)償，而且設(shè)有過流保護(hù)電路。腳5、腳6、腳7 內(nèi)有一個(gè)雙門限比較器，內(nèi)設(shè)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成SG3525 的振蕩器。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1 及腳2 分別為芯片內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端、同相輸

19、入端。該放大器是一個(gè)兩級差分放大器，直流開環(huán)增益為70dB 左右。根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳9 和腳1 之間一般要添加適當(dāng)?shù)姆答佈a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　圖 3 SG3525引腳圖</p><p>　　2.3.2 控制和驅(qū)動(dòng)電路原理圖</p><p>　　此電路主要用來驅(qū)動(dòng)IGBT斬波。產(chǎn)生PWM信號有很多方法，但歸根到底不外乎直接產(chǎn)

20、生PWM的專用芯片、單片機(jī)、PLC、可編程邏輯控制器等本電路采用直接產(chǎn)生PWM的專用芯片SG3525.該芯片的外圍電路只需簡單的連接幾個(gè)電阻電容，就能產(chǎn)生特定頻率的PWM波，通過改變IN+輸入電阻就能改變輸出PWM波的占空比，故在IN+端接個(gè)可調(diào)電阻就能實(shí)現(xiàn)PWM控制。為了提高安全性，該芯片內(nèi)部還設(shè)有保護(hù)電路。它還具有高抗干擾能力，是一款性價(jià)比相當(dāng)不錯(cuò)的工業(yè)級芯片。</p><p>　　為了減少不同電源之間的相互

21、干擾，SG3525輸出的PWM經(jīng)過光電耦合之后才送至驅(qū)動(dòng)電路。其電路圖如下圖4所示：</p><p>　　圖 4 驅(qū)動(dòng)和控制電路</p><p>　　工作原理：通過R2、R3、C3結(jié)合SG3525產(chǎn)生鋸齒波輸入到SG3525的振蕩器。其產(chǎn)生的PWM信號由OUTA、OUTB輸出，調(diào)節(jié)R7可以改變占空比。輸出的PWM信號通過二極管D6、D7送至光電耦合器U2，光耦后通過驅(qū)動(dòng)電路對信號進(jìn)行放大。

22、放大后的電壓可以直接驅(qū)動(dòng)IGBT。此電路具有信號穩(wěn)定，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。因此他適用于中小容量的PWM斬波電路。</p><p><b>　　2.4 保護(hù)電路</b></p><p>　　升壓斬波電路需同時(shí)具有過壓和過流保護(hù)功能，分別如圖5,6所示，均采用反饋控制,將過流過壓信號反饋到芯片SG3525的輸入，從而起到調(diào)節(jié)保護(hù)作用。同時(shí)芯片SG3525也可完成一定的保護(hù)功

23、能，例如，腳8軟起動(dòng)功能，避免了開關(guān)電源在開機(jī)瞬間的電流沖擊，可能造成的末級功率開關(guān)管的損壞。</p><p>　　圖 5 過電壓保護(hù)電路</p><p>　　圖 6 過電流保護(hù)電路</p><p><b>　　2.5 參數(shù)計(jì)算</b></p><p>　　由設(shè)計(jì)要求可取直流輸入電壓=50V, =350V, 則:<

24、;/p><p>　　占空比α=1-50/350=0.85.</p><p>　　交流側(cè)二次電壓有效值=/1.2=41.7V;</p><p>　　取交流一次電壓有效值=220V</p><p>　　變壓器變比K=/=220/41.7=5.3。</p><p>　　輸出功率為130W,所以負(fù)載電阻R==942.30Ω，取90

25、0Ω；</p><p>　　負(fù)載電流=/ =0.39,電源電流=(α)/β=2.20 A。</p><p>　　二極管承受反向最大電壓 =1.414=1.414×41.7＝59V</p><p>　　考慮3倍裕量，則 =3×59V=177V; 平均電流=0.5×I2=0.19, 選取 1N4003，其參數(shù)為最大反向峰值電壓為200V

26、，平均電流為1A.</p><p>　　濾波電容選擇一般根據(jù)放電的時(shí)間常數(shù)計(jì)算，負(fù)載越大，要求紋波系數(shù)越小，一般不做嚴(yán)格計(jì)算，多取2000 μF以上。因該系統(tǒng)負(fù)載不大，故取=2200 μF，耐1.5=1.5×78.6=117.9V取120V即選用2200uF、120V電容器。</p><p>　　(6) 電感值一般選擇極大值，以保證電流連續(xù)且脈動(dòng)很小，所以取= 0.3mH，<

27、;/p><p><b>　　=50m H。</b></p><p>　　(7) IGBT的選擇</p><p>　　因?yàn)?41.7V，取3倍裕量，選耐壓為150V以上的IGBT。由于IGBT是以最大標(biāo)注且穩(wěn)定電流與峰值電流間大致為4倍關(guān)系，故應(yīng)選用大于4倍額定負(fù)載電流的IGBT為宜，因此選用7A,額定電壓600V左右的IGBT，選GT8Q101，其

28、參數(shù)為最高耐壓為1200V,最大電流為8A.</p><p><b>　　3 實(shí)驗(yàn)仿真分析</b></p><p><b>　　3.1 仿真電路</b></p><p>　　打開仿真參數(shù)窗口，選擇ode23tb算法，按圖8連接好仿真電路圖。相對誤差設(shè)置為1e-03，開始仿真時(shí)間設(shè)置為O，停止仿真時(shí)間設(shè)置為O.02 s，

29、控制脈沖周期設(shè)置為O.0001 s(頻率為1 0000Hz)，控制脈沖占空比為85％。各元器件參數(shù)按計(jì)算出來的參數(shù)設(shè)置。</p><p>　　圖 8 升壓斬波電路仿真電路圖</p><p>　　3.2 仿真結(jié)果與誤差分析</p><p>　　參數(shù)設(shè)置完畢后，啟動(dòng)仿真，得到圖9的仿真結(jié)果，輸出電壓為350V</p><p>　　圖9 升壓斬波

30、電路占空比85%時(shí)仿真結(jié)果</p><p>　　在原電路的基礎(chǔ)上，改變占空比為50%時(shí)的仿真結(jié)果如圖10所示,理論輸出電壓為100V.</p><p>　　圖10 升壓斬波電路占空比50%時(shí)仿真結(jié)果</p><p>　　通過以上的仿真過程分析，仿真結(jié)果基本符合理論計(jì)算值，可以得到下列結(jié)(1)直流變換電路主要以全控型電力電子器件作為開關(guān)器件，通過控制主電路的接通與斷

31、開，將恒定的直流斬成斷續(xù)的方波，經(jīng)濾波后變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流輸出電壓。利用Simulink對升降壓斬波的仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，與采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進(jìn)行比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　經(jīng)過將近兩周的電力電子課程設(shè)計(jì)，終于完成了我的直流斬波電路的設(shè)計(jì)，雖然耗費(fèi)了我很多的時(shí)間.但是是

32、我學(xué)會(huì)不少知識(shí)。</p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多編程問題，在老師和同學(xué)們的一一解答下度過重重難關(guān)取得成功！在此，對給過我?guī)椭乃型瑢W(xué)和陸老師表示忠心的感謝，通過這一周的電力電子課程設(shè)計(jì)，我既對MATLAB7.0軟件有了進(jìn)一步的了解，對BOOST CHOPPER電路也有的深入的認(rèn)識(shí)和理解。剛開始，對很多元件的選擇都不清楚，通過老師的知道和同學(xué)的幫助，學(xué)會(huì)了如何更好的設(shè)計(jì)電路選擇

33、正確的元器件。把實(shí)驗(yàn)室測得的波形和仿真的波形進(jìn)行對比，雖然存在一些差異，但是基本上還是一致的。</p><p>　　經(jīng)過這次的課程設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)MATLAB軟件功能非常強(qiáng)大。平時(shí)在學(xué)習(xí)中不能夠透徹理解的知識(shí)，通過動(dòng)手，會(huì)有更好的認(rèn)知。本次課程設(shè)計(jì)雖然不長，但是它給我們帶來了很多收獲。</p><p>　　本設(shè)計(jì)還有很多做的不夠好的地方，還望老師批評指正。</p><p>

34、;<b>　　致 謝</b></p><p>　　在這次課程設(shè)計(jì)的撰寫過程中，我得到了許多人的幫助。首先我要感謝我的老師在課程設(shè)計(jì)上給予我的指導(dǎo)、提供給我的支持和幫助，這是我能順利完成這次報(bào)告的主要原因，更重要的是老師幫我解決了許多技術(shù)上的難題，讓我能把這個(gè)直流斬波電路設(shè)計(jì)做得更加完善。在此期間，我不僅學(xué)到了許多新的知識(shí)，而且也開闊了視野，提高了自己的設(shè)計(jì)能力。其次，我要感謝幫助過我的

35、同學(xué)，他們也為我解決了不少我不太明白的設(shè)計(jì)商的難題。同時(shí)也感謝湖南工學(xué)院為我提供良好的電力電子設(shè)計(jì)的環(huán)境。最后再一次感謝所有在設(shè)計(jì)中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué)，我感謝在這這么多天以來給過我?guī)椭完P(guān)注的所有人，更加感謝給過我挫折的所有人。你們用不同的方式給了我成長，也是你們促使我在走過的大學(xué)時(shí)光里一直努力，終可以在課程設(shè)計(jì)的最后那一天無愧的說一聲：我成功了。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)<

36、/b></p><p>　　[1] 王兆安．黃俊．電力電子技術(shù)，第4版，機(jī)械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　[2] 張乃國．電源技術(shù)．北京：中國電力出版社，1998</p><p>　　[3] 何希才．新型開關(guān)電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用．北京：科學(xué)出版社，2001</p><p>　　[4] 阮新波，嚴(yán)仰光．直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)．北京

37、：科學(xué)出版社，2000</p><p>　　[5] 陳汝全．電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊【M】．機(jī)械工業(yè)出版社</p><p>　　[6] 陳禮明．實(shí)際直流斬波電路中若干問題的淺析．梅山科技，2005．</p><p>　　[7] 康華光,陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版). 北京: 高等教育出版社,1998</p><p>　　[8] 張義和.Pr

38、otel DXP電路設(shè)計(jì)快速入門.北京:中國鐵道出版社,2003</p><p>　　[9] 張乃國．電源技術(shù)．北京：中國電力出版社，1998</p><p>　　[10] 何希才．新型開關(guān)電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用．北京：科學(xué)出版社，2001</p><p>　　[11] 邱關(guān)源主編.電路.第3版上、下冊.北京:人民教育出版社,1981</p><p>