電力電子課程設計--直流降壓斬波電路

1、<p>　　課 程 設 計</p><p>　　課程名稱 電力電子技術(shù) </p><p>　　課題名稱 直流降壓斬波電路 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第1章 總體方案7</p&g

2、t;<p>　　第2章 主電路設計8</p><p>　　2.1 工作原理8</p><p>　　2.2 參數(shù)分析9</p><p>　　2.3 元件型號選擇10</p><p>　　第3章 控制電路設計10</p><p>　　3.1 控制電路方案選擇10</p>

3、<p>　　3.2 工作原理12</p><p>　　第4章 驅(qū)動電路設計13</p><p>　　4.1 驅(qū)動電路方案選擇13</p><p>　　4.2 工作原理14</p><p>　　第5章 保護電路設計15</p><p>　　5.1 過壓保護電路15</p>

4、<p>　　5.2 過流保護電路17</p><p>　　第6章 系統(tǒng)仿真18</p><p>　　6. 1 電路總圖18</p><p>　　6.2 MATLAB的仿真結(jié)果19</p><p>　　6.3 仿真結(jié)果分析20</p><p>　　第7章 課程設計總結(jié)20</p&g

5、t;<p>　　第8章 參考文獻21</p><p><b>　　第1章 總體方案</b></p><p>　　電力電子器件在實際應用中，一般是由控制電路，驅(qū)動電路，保護電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的導通或者關(guān)斷來完成整個系統(tǒng)的功能

6、，當控制電路所產(chǎn)生的控制信號能夠足以驅(qū)動電力電子開關(guān)時就無需驅(qū)動電路。</p><p>　　根據(jù)降壓斬波電路設計任務要求設計主電路、控制電路、驅(qū)動及保護電路，設計出降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。</p><p>　　圖1降壓斬波電路結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　在圖1結(jié)構(gòu)框圖中，控制電路是用來產(chǎn)生降壓斬波電路的控制信號，控制電路產(chǎn)生的控制信號傳到驅(qū)動電路，驅(qū)動電

7、路把控制信號轉(zhuǎn)換為加在開關(guān)控制端，可以使其開通或關(guān)斷的信號。通過控制開關(guān)的開通和關(guān)斷來控制降壓斬波電路的主電路工作?？刂齐娐分械谋Ｗo電路是用來保護電路的，防止電路產(chǎn)生過電流現(xiàn)象損害電路設備。</p><p>　　第2章 主電路設計</p><p><b>　　2.1 工作原理</b></p><p>　　根據(jù)所學的知識，直流降壓斬波主電路如

8、圖2所示：</p><p><b>　　圖2 主電路圖</b></p><p>　　直流降壓斬波主電路使用一個全控器件IGBT控制導通。用控制電路和驅(qū)動電路來控制IGBT的通斷，當t=0時，驅(qū)動IGBT導通，電源E向負載供電，負載電壓=E，負載電流按指數(shù)曲線上升。電路工作時波形圖如圖3所示：</p><p>　　圖3 降壓電路波形圖</

9、p><p>　　當時刻，控制IGBT關(guān)斷，負載電流經(jīng)二極管續(xù)流，負載電壓近似為零，負載電流指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小，故串聯(lián)L值較大的電感。</p><p>　　至一個周期T結(jié)束，再驅(qū)動IGBT導通，重復上一周期的過程。當電力工作于穩(wěn)態(tài)時負載電流在一個周期的初值和終值相等，負載電壓的平均值為</p><p>　　為IGBT處于通態(tài)的時間；為處于斷態(tài)的時間；

10、T為開關(guān)周期；α為導通占空比。</p><p>　　通過調(diào)節(jié)占空比α使輸出到負載的電壓平均值最大為E，若減小占空比α，則隨之減小。由此可知，輸出到負載的電壓平均值Uo 最大為U i，若減小占空比α，則Uo 隨之減小，由于輸出電壓低于輸入電壓，故稱該電路為降壓斬波電路。</p><p><b>　　2.2 參數(shù)分析</b></p><p>　　

11、主電路中需要確定參數(shù)的元器件有IGBT、二極管、直流電源、電感、電阻值的確定，其參數(shù)確定如下：</p><p>　　(1)電源 要求輸入電壓為100V。</p><p>　　(2)電阻 因為當輸出電壓為50-80V時，假設輸出電流為0.1-5A。所以由歐姆定律</p><p>　　可得負載電阻值為，所以取電阻20歐姆。</p><p>　　(

12、3)IGBT 由圖3易知當IGBT截止時，回路通過二極管續(xù)流，此時IGBT兩端承受最大正壓為100V；而當=1時，IGBT有最大電流，其值為5A。故需選擇集電極最大連續(xù)電流=，反向擊穿電壓的IGBT，而一般的IGBT都滿足要求。</p><p>　　(4)二極管 其承受最大反壓100V，其承受最大電流趨近于5A，考慮2倍裕量，故需選擇，的二極管。</p><p>　　(5)電感 由上面所

13、選的電阻20歐姆，根據(jù)歐姆定律： </p><p>　　當Uo=80V時，Iomax=4A;</p><p>　　當Uo=50V時，Iomin=2.5A;</p><p>　　根據(jù)電感電流連續(xù)時電感量臨界值條件：L=Uo*（Ud-Uo）/(2UdIo)</p><p>　　為了保證負載最小電流電路能夠連續(xù)，取Io=2.5A來算，可得L=0

14、.125mH，所以只要所取電感L>0.125mH ，取L=1mH。</p><p>　?。?）開關(guān)頻率 f=40kHz</p><p>　　（7）電容 設計要求輸出電壓紋波小于1%，由紋波電壓公式：</p><p>　　可得 LC >= 0.195 uH*F </p><p>　　取C=0.47mF </p>

15、<p>　　2.3 元件型號選擇</p><p>　　考慮其安全裕度則IGBT的額定電壓可以為2-3倍峰值電壓，所以額定電壓可為440-660.額定電流33-44，二極管VD與其類似，VD的最大反向電壓為220。</p><p>　　選擇IGBT的型號為IRG4PC40U其額定電壓為600，額定電流為40。</p><p>　　選擇續(xù)流二極管的型號為H

16、FA25TB60，其而定電壓為600，額定電流為25。</p><p>　　第3章 控制電路設計</p><p>　　3.1 控制電路方案選擇</p><p>　　控制電路需要實現(xiàn)的功能是產(chǎn)生控制信號，用于控制斬波電路中主功率器件的通斷，通過對占空比的調(diào)節(jié)達到控制輸出電壓大小的目的。</p><p>　　斬波電路有三種控制方式：</

17、p><p>　　1.保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導通時間，稱為脈沖寬度調(diào)制或脈沖調(diào)寬型；</p><p>　　2.保持導通時間不變，改變開關(guān)周期T，成為頻率調(diào)制或調(diào)頻型；</p><p>　　3.導通時間和周期T都可調(diào)，是占空比改變，稱為混合型。</p><p>　　因為斬波電路有這三種控制方式，又因為PWM控制技術(shù)應用最為廣泛，所以采用PWM控

18、制方式來控制IGBT的通斷。PWM控制就是對脈沖寬度進行調(diào)制的技術(shù)。這種電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓。改變脈沖的占空比就是對脈沖寬度進行調(diào)制，只是因為輸入電壓和所需要的輸出電壓都是直流電壓，因此脈沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對脈沖的占空比進行控制。</p><p>　　圖3.1 SG3525引腳圖</p><p>　　對于控制電路的設計其實可以

19、有很多種方法，可以通過一些數(shù)字運算芯片如單片機、CPLD等等來輸出PWM波，也可以通過特定的PWM發(fā)生芯片來控制。因為題目要求輸出電壓連續(xù)可調(diào)，所以我選用一般的PWM發(fā)生芯片來進行連續(xù)控制。</p><p>　　對于PWM發(fā)生芯片，我選用了SG3525芯片，其引腳圖如圖3.1所示，它是一款專用的PWM控制集成電路芯片，它采用恒頻調(diào)寬控制方案，內(nèi)部包括精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護電路等

20、。</p><p>　　其11和14腳輸出兩個等幅、等頻、相位互補、占空比可調(diào)的PWM信號。腳6、腳7 內(nèi)有一個雙門限比較器，內(nèi)設電容充放電電路，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、同相輸入端。該放大器是一個兩級差分放大器。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?shù)姆答佈a償網(wǎng)

21、絡，另外當10腳的電壓為高電平時，11和14腳的電壓變?yōu)?0輸出。</p><p><b>　　3.2 工作原理</b></p><p>　　由于SG3525的振蕩頻率可表示為 ：</p><p><b>　　4.1</b></p><p>　　式中:, 分別是與腳5、腳6相連的振蕩器的電容和電阻

22、；是與腳7相連的放電端電阻值。根據(jù)任務要求需要頻率為40kHz，所以由上式可取=0.01μF, = ,=。可得f=40kHz，滿足要求。</p><p>　　圖3.2 控制電路</p><p>　　SG3525有過流保護的功能，可以通過改變10腳電壓的高低來控制脈沖波的輸出。因此可以將驅(qū)動電路輸出的過流保護電流信號經(jīng)一電阻作用，轉(zhuǎn)換成電壓信號來進行過流保護，同理也可以用10端進行過壓保護

23、，如圖3.2所示10端外接過壓過流保護電路。當驅(qū)動電路檢測到過流時發(fā)出電流信號，由于電阻的作用將10腳的電位抬高，從而11、14腳輸出低電平，而當其沒有過流時，10腳一直處于低電平，從而正常的輸出PWM波。</p><p>　　SG3525還有穩(wěn)壓作用。1端接芯片內(nèi)置電源，2端接負載輸出電壓，通過1端的變位器得到它的一個基準電位，從而當負載電位發(fā)生變化時能夠通過1、2所接的誤差放大器來控制輸出脈寬的占空比，若負載

24、電位升高則輸出脈寬占空比減小，使得輸出電壓減小從而穩(wěn)定了輸出電壓，反之則然。調(diào)節(jié)變位器使得1端得到不同的基準電位，控制輸出脈寬的占空比，從而可使得輸出電壓為50-80V范圍。</p><p>　　第4章 驅(qū)動電路設計</p><p>　　4.1 驅(qū)動電路方案選擇</p><p>　　IGBT是電力電子器件，控制電路產(chǎn)生的控制信號一般難以以直接驅(qū)動IGBT。因此需

25、要信號放大的電路。另外直流斬波電路會產(chǎn)生很大的電磁干擾，會影響控制電路的正常工作，甚至導致電力電子器件的損壞。因而還設計中還學要有帶電氣隔離的部分。</p><p>　　該驅(qū)動部分是連接控制部分和主電路的橋梁，驅(qū)動電路的穩(wěn)定與可靠性直接影響著整個系統(tǒng)變流的成敗。具體來講IGBT的驅(qū)動要求有一下幾點：</p><p>　　1）動態(tài)驅(qū)動能力強，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動脈沖。否則

26、IGBT會在開通及關(guān)延時，同時要保證當IGBT損壞時驅(qū)動電路中的其他元件不會被損壞。</p><p>　　2）能向 IGBT提供適當?shù)恼蚝头聪驏艍?，一般?15 V左右的正向柵壓比較恰當，取-5V反向柵壓能讓IGBT可靠截止。</p><p>　　3）具有柵壓限幅電路，保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為土20 V，驅(qū)動信號超出此范圍可能破壞柵極。</p><

27、p>　　4）當 IGBT處于負載短路或過流狀態(tài)時，能在IGBT允許時間內(nèi)通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流，實現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。驅(qū)動電路的軟關(guān)斷過程不應隨輸入信號的消失而受到影響。</p><p>　　針對以上幾個要求，對驅(qū)動電路進行以下設計。針對驅(qū)動電路的隔離方式，有以下2種驅(qū)動電路，下面對其進行比較選擇。</p><p>　　方案1：采用光電耦合式驅(qū)動電路，該電路雙側(cè)都有源。其提

28、供的脈沖寬度不受限制，較易檢測IGBT的電壓和電流的狀態(tài)，對外送出過流信號。另外它使用比較方便，穩(wěn)定性比較好。但是它需要較多的工作電源，其對脈沖信號有1us的時間滯后，不適應于某些要求比較高的場合。</p><p>　　方案2：采用變壓器耦合驅(qū)動器，其輸入輸出耐壓高，電路結(jié)構(gòu)簡單，延遲小。但是它不能實現(xiàn)自動過流保護，不能實現(xiàn)任意脈寬輸出，而且其對變壓器的繞制要求嚴格。</p><p>　　

29、通過以上比較，結(jié)合本系統(tǒng)中，對電壓要求不高，而且只有一個全控器件需要控制，使用光耦電路，使用方便，所以選擇方案1。</p><p>　　對于方案1可以用EXB841驅(qū)動芯片來實現(xiàn)也可以直接用光耦電路進行主電路與控制電路隔離，再把驅(qū)動信號加一級推挽電路進行放大使得驅(qū)動信號足以驅(qū)動IGBT管。由于我所設計的過流保護電路是利用控制芯片10端來設計的，且直接用光耦電路比較簡單，所以我沒有用驅(qū)動芯片而是直接用光耦電路。&l

30、t;/p><p><b>　　4.2 工作原理</b></p><p>　　如圖4.2所示，IGBT降壓斬波電路的驅(qū)動電路提供電氣隔離環(huán)節(jié)。一般電氣隔離采用光隔離或磁隔離。光隔離一般采用光耦合器，光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，封裝在一個外殼內(nèi)。本電路中采用的隔離方法是，先加一級光耦隔離，再加一級推挽電路進行放大。采用的光耦是TLP521-1。為得到最佳的波形，在

31、調(diào)試的過程中對光耦兩端的電阻要進行合理的搭配。</p><p>　　圖4.2 驅(qū)動電路</p><p>　　原理：控制電路所輸出的信號通過TLP521-1光耦合器實現(xiàn)電氣隔離，再經(jīng)過推挽電路進行放大，從而把輸出的控制信號放大</p><p>　　第5章 保護電路設計</p><p>　　5.1 過壓保護電路</p><

32、;p>　　過壓保護根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生不同部位，加入不同的保護電路，當達到—定電壓值時，自動開通保護電路，可分為主電路器件保護和負載保護。</p><p>　　5.1.1 主電路器件保護</p><p>　　當達到—定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓通過保護電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關(guān)器件上，保護了電力電子器件。</p><

33、p>　　為了達到保護效果，可以使用阻容保護電路來實現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過電壓保護電路如圖5.1.1所示。</p><p>　　圖5.1.1 RC阻容過電壓保護電路圖</p><p>　　5.1.2 負載過壓保護</p

34、><p>　　如圖5.1.1所示 比較器同相端接到負載端，反相端接到一個基準電壓上，輸出端接控制芯片10端，當負載端電壓達到一定的值，比較器輸出Uom抬高10端電位，從而使10端上的信號為高電平時，PWM瑣存器將立即動作，禁止SG3525的輸出，同時，軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關(guān)斷信號結(jié)束，才重新進入軟啟動過程，從而實現(xiàn)過壓保護。</p><p>　　

35、電阻的取值，比較器反相端接5.1V電源經(jīng)變位器后為可調(diào)基準電壓，比較器同相端電壓應在5V以內(nèi)，取負載輸出電壓最大值80V來算R20/R18=80/3左右 ，所以R20=100K，R18=4K，R17=10k，R19=2k。</p><p>　　圖 5.1.2 負載過壓保護</p><p>　　5.2 過流保護電路</p><p>　　當電力電子電路運行不正常或

36、者發(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。當器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低、缺相等，均可引起過流。由于電力電子器件的電流過載能力相對較差，必須對變換器進行適當?shù)倪^流保護。</p><p>　　過流保護的方法比較多，比較簡單的方法是一般采用添加FU熔斷器來限制電流的過大，防止IGBT的破壞和對電路中其他元件的保護。如圖1 在主電路串

37、接一個快速熔斷絲。</p><p>　　還有一種方法如圖5.2所示，也是利用控制電路芯片的第10端。在主電路的負載端串接一個很小取樣電阻，把它接到放大器進行放大，后再利用比較器，運用過壓保護原理同樣能實現(xiàn)過流保護。</p><p>　　電阻的取值，一般取樣電阻端所獲得的電壓為零點幾伏，需要通過放大器把電壓放大到幾伏左右，由放大器運算公式：Uo=（1+R12/R10）*Ui，取放大10倍，即

38、 1+R12/R10=10 , 所以取R12=9K，R10=1K。放大后把它接到比較器中比較使得比較器輸出端電位升高，與過壓保護一樣原理，所以R13=2K，R14=2K，R15=10K，R16=2K。</p><p>　　圖5.2 過流保護電路</p><p><b>　　第6章 系統(tǒng)仿真</b></p><p>　　6. 1 電路總圖&

39、lt;/p><p>　　6.2 MATLAB的仿真結(jié)果</p><p>　　圖4.2 =0.2時的仿真結(jié)果</p><p>　　圖4.3 =0.4時的仿真結(jié)果</p><p>　　圖4.4 =0.6時的仿真結(jié)果</p><p>　　圖4.5 =0.8時的仿真結(jié)果</p><p>　　圖4.6 =0

40、.99時的仿真結(jié)果</p><p>　　6.3 仿真結(jié)果分析</p><p><b>　　由公式可得：</b></p><p><b>　　當時，=44。</b></p><p>　　=0.4時，=88。</p><p>　　=0.6時，=132。</p>&

41、lt;p>　　=0.8時，=176。</p><p>　　=0.99時，=217.8。</p><p>　　上面的數(shù)據(jù)與理論值相同，由于使用的是仿真軟件所以沒有誤差。 </p><p>　　第7章 課程設計總結(jié)</p><p>　　經(jīng)過兩周的電力電子課程設計，真的是獲益不少。當看到這個任務書的時候感覺真正要學的東西來了，以前所學的理論

42、知識終于可以用上了。于是拿起了課題認真的看了看，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一頭霧水，就大概知道一個主電路而已。</p><p>　　而至于控制電路和保護電路根本就不知道怎么回事，只知道以前做實驗有用過控制電路而不知道里面的內(nèi)部是怎么接線的。于是通過慢慢的看書，我在直流-直流變流電路那一章中學會了IGBT降壓斬波電路主電路的設計，在PWM控制技術(shù)那一章中學會了控制電路的設計。 </p><p>　　通過這個設

43、計，要做成一個可用的、實際的實物靠得是細節(jié)。以前課本上所學的東西只是理論上的，要把理論變?yōu)閷嶋H還需要很多大量細節(jié)的東西，如何使你設計出來的電路是最簡單的，最容易實現(xiàn)的；所用的器件應該用什么型號的才合適等等，都是需要我們在設計過程中要好好考慮的。</p><p>　　本次課程設計還讓我明白了理論聯(lián)系實際的重要性，只有通過實際的動手才能加深對于理論知識的理解。在做課程設計的過程中我發(fā)現(xiàn)自己對課本知識的理解不夠深刻，掌

44、握的不太牢靠，以后一定會努力地溫習以前的知識。</p><p><b>　　第8章 參考文獻</b></p><p>　　1．王兆安，電力電子技術(shù)（第4版）．機械工業(yè)出版社，2008.</p><p>　　2．劉星平．電力電子技術(shù)及電力拖動自動控制系統(tǒng)．校內(nèi)，2009.</p><p>　　3. 浣喜明，姚為正．電力電

45、子技術(shù)．高等教育出版社，2008.</p><p>　　4．劉祖潤，胡俊達．畢業(yè)設計指導．機械工業(yè)出版社，1995.</p><p>　　5. 林飛，杜欣．電力電子應用技術(shù)的MATLAB仿真 ．中國電力出版社，2009.</p><p>　　6．鐘炎平 ．電力電子電路設計 ．華中科技大學出版社，2010.</p><p>　　7．徐德鴻．現(xiàn)代

46、電力電子器件原理與應用技術(shù) ．機械工業(yè)出版社，2011.</p><p>　　電氣信息學院課程設計評分表</p><p>　　指導教師簽名：________________</p><p>　　日 期：________________ </p><p>　　注：①表中標*號項目是硬件制作或軟件編程類課題必填內(nèi)容；</p&