課程設(shè)計--直流斬波電路設(shè)計方案和方案實施

1、<p>　　直流斬波電路設(shè)計方案和方案實施</p><p><b>　　設(shè)計方案選擇</b></p><p>　　斬波電路有三種控制方式</p><p>　?。?）脈沖寬度調(diào)制（PWM）：開關(guān)周期T不變，改變開關(guān)導(dǎo)通時間ton。</p><p>　?。?）頻率調(diào)制：開關(guān)導(dǎo)通時間ton不變，改變開關(guān)周期T。<

2、;/p><p>　?。?）混合型：開關(guān)導(dǎo)通時間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。</p><p>　　升壓斬波電路的設(shè)計原理</p><p>　　原理圖如圖3-5所示：假設(shè)L值、C值很大，V通時，E向L充電，充電電流恒為I

3、1，同時C的電壓向負載供電，因C值很大，輸出電壓為恒值,記為。設(shè)V通的時間為，此階段L上積蓄的能量為</p><p>　　V斷時，E和L共同向C充電并向負載R供電。設(shè)V斷的時間為，則此期間電感L釋放能量為</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等</p>&l

4、t;p>　　化簡得： （2-2）</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　，輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路。也稱之為boost chooper變換器。</p><p>　　——升壓比，調(diào)節(jié)其即可改變。將升壓比的倒數(shù)記作β，即。和導(dǎo)通占空比，有如下關(guān)

5、系：</p><p><b>　　（2-4）</b></p><p>　　因此，式（2-2）可表示為</p><p><b>　　（2-5）</b></p><p>　　升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因：</p><p>　?、?L儲能之后具有使電壓泵升的作用<

6、;/p><p>　?、?電容C可將輸出電壓保持住</p><p>　　2.3 IGBT驅(qū)動電路選擇</p><p>　　對IGBT驅(qū)動電路提出以下要求和條件：</p><p>　　(1)由于是容性輸出輸出阻抗；因此IBGT對門極電荷集聚很敏感，驅(qū)動電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路。</p><p>　　(2)用

7、低內(nèi)阻的驅(qū)動源對門極電容充放電，以保證門及控制電壓有足夠陡峭的前、后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開通后，門極驅(qū)動源應(yīng)提供足夠的功率，使IGBT不至退出飽和而損壞。</p><p>　　(3)門極電路中的正偏壓應(yīng)為+12～+15V；負偏壓應(yīng)為-2V～-10V。</p><p>　　(4)IGBT 驅(qū)動電路中的電阻對工作性能有較大的影響，RG較大，有利于抑制IGBT 的電流上

8、升率及電壓上升率，但會增加IGBT 的開關(guān)時間和開關(guān)損耗；RG較小，會引起電流上升率增大，使IGBT 誤導(dǎo)通或損壞。RG的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)及IGBT 的容量有關(guān)，一般在幾歐～幾十歐，小容量的IGBT 其RG值較大。</p><p>　　(5)驅(qū)動電路應(yīng)具有較強的抗干擾能力及對IGBT 的自保護功能。IGBT 的控制、驅(qū)動及保護電路等應(yīng)與其高速開關(guān)特性相匹配，另外，在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下，IGBT的

9、G～E極之間不能為開路。</p><p>　　一般數(shù)字信號處理器構(gòu)成的控制系統(tǒng)， IGBT驅(qū)動信號由處理器集成的PWM模塊產(chǎn)生的。而PWM接口驅(qū)動能力及其與IGBT的接口電路的設(shè)計直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。因此本文采用SG3525設(shè)計出了一種可靠的IGBT驅(qū)動方案。</p><p>　　第3章 單元電路的設(shè)計</p><p>　　3.1 直流供電電路</p&

10、gt;<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)計采用橋式電路整流：由四個二極管組成一個全橋整流電路.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，故需要進行濾波。本電路采用RL低通濾波器（通過串聯(lián)一個電感，濾除電流的高次諧波，并聯(lián)一個電容濾除電壓的高次諧波），以減小紋波。protell原理圖如下圖3-1所示：</p><p>　　圖 3-1 直流供

11、電電路</p><p>　　輸入端接220V、50Hz的市電，進過變壓器T1（原線圈/副線圈為4/1）后輸出55V、50Hz。當(dāng)同名端為正時D2、D5導(dǎo)通，D3、D4截止，電壓上正下負。當(dāng)同名端為負時D2、D5截止，D3、D4導(dǎo)通，電壓同樣是上正下負，從而實現(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，通交流阻直流特性，因此并聯(lián)一個大電容可以濾除雜波

12、，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>　　3.2 升壓斬波主電路</p><p>　　本設(shè)計為直流升壓斬波（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)時間小的大功率IGBT管。主電路圖如下圖3-2所示：</p>

13、;<p>　　圖3-2 升壓斬波主電路原理圖</p><p>　　左邊接經(jīng)整流之后的50V電壓。右邊為斬波電壓輸出，J2為測試點。V-G為SG3525輸出的PWM斬波信號。G1為IGBT，D1為電力二極管，L2為電感，C1為電容，R1為負載。</p><p>　　3.3 控制和驅(qū)動電路</p><p>　　3.3.1 芯片SG3525簡介</p

14、><p>　　PWM控制芯片SG3525 具體的內(nèi)部引腳結(jié)構(gòu)如圖3-3及圖3-4所示。其中，腳16 為SG3525 的基準(zhǔn)電壓源輸出，精度可以達到（5.1±1％）V，采用了溫度補償，而且設(shè)有過流保護電路。腳5、腳6、腳7 內(nèi)有一個雙門限比較器，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

15、入端。該放大器是一個兩級差分放大器，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償網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　圖3-3 SG3525的引腳</p><p>　　圖3-4 SG3525的內(nèi)部框圖</p><p>　　3.3.2 控制和驅(qū)動電路原理圖</p><p>　　此

16、電路主要用來驅(qū)動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)生PWM的專用芯片、單片機、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+端接個可調(diào)電阻就能實現(xiàn)PWM控制。為了提高安全性，該芯片內(nèi)部還設(shè)有保護電路。它還具有高抗干擾能力，是一款性價比相當(dāng)不錯的工業(yè)級

17、芯片。</p><p>　　為了減少不同電源之間的相互干擾，SG3525輸出的PWM經(jīng)過光電耦合之后才送至驅(qū)動電路。其電路圖如下圖 3-5所示：</p><p>　　圖3-5 控制和驅(qū)動電路原理圖</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。</p><p>　　其產(chǎn)生的PWM信號由

18、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)動電路對信號進行放大。放大后的電壓可以直接驅(qū)動IGBT。此電路具有信號穩(wěn)定，安全可靠等優(yōu)點。因此他適用于中小容量的PWM斬波電路。</p><p><b>　　3.4 保護電路</b></p><p>　　升壓斬波電路需同時具有過壓和過流保護功能，分別如

19、圖3-6，3-7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)保護作用。同時芯片SG3525也可完成一定的保護功能，例如，腳8軟起動功能，避免了開關(guān)電源在開機瞬間的電流沖擊，可能造成的末級功率開關(guān)管的損壞。 </p><p>　　圖3-6 過壓保護電路</p><p>　　圖3-7 過壓保護電路</p><p><b>　

20、　3.5 參數(shù)計算</b></p><p>　　由設(shè)計要求可取直流輸入電壓=50V, =340V, 則:</p><p>　　占空比α=1-50/340=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

21、器變比K=/=220/41.7=5.3。</p><p>　　輸出功率為100W,所以負載電阻R==1156Ω，取1200Ω；</p><p>　　負載電流=/ =0.28,電源電流=(α)/β=1.59 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

22、，則 =3×59V=177V; 平均電流=0.5×I2=0.14, 選取 1N4003，其參數(shù)為最大反向峰值電壓為200V，平均電流為1A.</p><p>　　濾波電容選擇一般根據(jù)放電的時間常數(shù)計算，負載越大，要求紋波系數(shù)越小，一般不做嚴(yán)格計算，多取2000 μF以上。因該系統(tǒng)負載不大，故取=2200 μF，耐1.5=1.5×78.6=117.9V取120V即選用2200uF、1

23、20V電容器。</p><p>　　(6) 電感值一般選擇極大值，以保證電流連續(xù)且脈動很小，所以取= 0.3mH，</p><p><b>　　=50m H。</b></p><p>　　(7) IGBT的選擇</p><p>　　因為=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)

24、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倍額定負載電流的IGBT為宜，因此選用7A,額定電壓600V左右的IGBT，選GT8Q101，其參數(shù)為最高耐壓為1200V,最大電流為8A.</p><p>　　第4章 實驗仿真與分析</p><p>　　4.1 仿真軟件Matlab簡介</p><p>　　在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中，往往要進行大量的數(shù)學(xué)計算，其中包括矩

25、陣運算。這些運算一般來說難以用手工精確和快捷地進行，而要借助計算機編制相應(yīng)的程序做近似計算。目前流行用Basic、Fortran和c語言編制計算程序, 既需要對有關(guān)算法有深刻的了解，還需要熟練地掌握所用語言的語法及編程技巧。對多數(shù)科學(xué)工作者而言，同時具備這兩方面技能有一定困難。通常，編制程序也是繁雜的，不僅消耗人力與物力,而且影響工作進程和效率。為克服上述困難，美國Mathwork公司于1967年推出了“Matrix Laborator

26、y”（縮寫為Matlab）軟件包，并不斷更新和擴充。目前最新的5.x版本（windows環(huán)境）是一種功能強、效率高便于進行科學(xué)和工程計算的交互式軟件包。其中包括：一般數(shù)值分析、矩陣運算、數(shù)字信號處理、建模和系統(tǒng)控制和優(yōu)化等應(yīng)用程序，并集應(yīng)用程序和圖形于一便于使用的集成環(huán)境中。在此環(huán)境下所解問題的Matlab語言表述形式和其數(shù)學(xué)表達形式相同，不需要按傳統(tǒng)的方法編程。不過，Matlab作為一種新的計算機語言，要想運用自如，充分發(fā)揮它的威力，

27、也需先系統(tǒng)地學(xué)習(xí)它。但由于使用Matlab編程運算與人進行科</p><p><b>　　4.2 仿真電路</b></p><p>　　打開仿真參數(shù)窗口，選擇ode23tb算法，按圖4-1連接好仿真電路圖。相對誤差設(shè)置為1e-03，開始仿真時間設(shè)置為O，停止仿真時間設(shè)置為O.02 s，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％

28、。各元器件參數(shù)按計算出來的參數(shù)設(shè)置。</p><p>　　升壓斬波電路仿真電路圖</p><p>　　4.3 仿真結(jié)果及誤差分析</p><p>　　參數(shù)設(shè)置完畢后，啟動仿真，得到圖4-2的仿真結(jié)果，輸出電壓為340V。</p><p>　　圖4-2 升壓斬波電路占空比85%時仿真結(jié)果</p><p>　　在原電路的

29、基礎(chǔ)上，改變占空比為50%時的仿真結(jié)果如圖4-3所示,理論輸出電壓為100V.</p><p>　　圖4-3 升壓斬波電路占空比50%時仿真結(jié)果</p><p>　　通過以上的仿真過程分析，仿真結(jié)果基本符合理論計算值，本次設(shè)計取得成功?？梢缘玫较铝薪Y(jié)論：(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

30、流輸出電壓。利用Simulink對升降壓斬波的仿真結(jié)果進行了詳細分析，與采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進行比較，進一步驗證了仿真結(jié)果的正確性。</p><p>　　存在誤差，但在誤差允許范圍之類，分析誤差原因有以下兩點：第一，電感值和電容值取不到無窮大，造成電流電壓脈動。第二，整流濾波出來的電壓并沒完全消除高次諧波，這些諧波會影響仿真結(jié)果。</p><p><b>　　

31、設(shè)計體會和致謝</b></p><p>　　回顧起此次電力電子課程設(shè)計，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在整整一星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出

32、結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，通過這次課程設(shè)計之后，一定把以前所學(xué)過的知識重新溫故。</p><p>　　這次課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計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

33、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，我既對MATLAB7.0軟件有了進一步的了解，對BOOST CHOPPER電路也有的深入的認識和理解。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)會了如何更好的設(shè)計電路選擇正確的元器件。把實驗室測得的波形和仿真的波形進行對比，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

34、程設(shè)計，發(fā)現(xiàn)MATLAB軟件功能非常強大。平時在學(xué)習(xí)中不能夠透徹理解的知識，通過動手，會有更好的認知。本次課程設(shè)計雖然不長，但是它給我們帶來了很多收獲。</p><p>　　最后，感謝老師的耐心指導(dǎo)和同組同學(xué)的大力支持，使我在本次設(shè)計中將遇到的問題都解決了，順利的完成了本次課程設(shè)計，并從中學(xué)習(xí)到了更多的知識。</p><p><b>　　參考文獻</b></p&

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