IGBT升壓斬波電路設計.doc

課程設計說明書電子技術(shù)課程設計說明書igbt升壓斬波電路設計學生姓名： 學號： 學 院： 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 指導教師： 2013年12 月目 錄1 引言31.1 電力電子技術(shù)的介紹31.2 電力電子技術(shù)的應用31.3 電力電子技術(shù)中的直流變化技術(shù)42 系統(tǒng)方案與主電路設計42.1 系統(tǒng)方案42.2 主電路設計42.3 參數(shù)計算52.3.1 rlc的計算 5 2.3.2 額定參數(shù)的計算63 控制電路的設計63.1 芯片sg3525的介紹 63.2 控制電路原理圖74 系統(tǒng)仿真84.1 仿真模型的建立84.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析115 結(jié)論12參考文獻 131 引言 11 電力電子技術(shù)的介紹電力電子技術(shù)(power electronics)也稱為電力電子學。利用電力電子開關(guān)器件組成電力開關(guān)電路，利用晶體管集成電路和微處理器構(gòu)成信號處理和控制系統(tǒng)，對電力開關(guān)電路進行實時、適式的控制，可以經(jīng)濟有效地實現(xiàn)開關(guān)模式的電力變換和電力控制，包括電壓（電流）的大小、頻率、相位和波形的變換和控制。是綜合了電子技術(shù)、控制技術(shù)和電力技術(shù)的新興交叉學科?，F(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣工程與自動化專業(yè)不可缺少的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)該專業(yè)人才中占有重要地位。 電力電子學（power electronics）這一名稱是在上世紀60年代出現(xiàn)的。1974年，美國的w.newell用一個倒三角形（如圖）對電力電子學進行了描述，認為它是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而形成的。這一觀點被全世界普遍接受?！半娏﹄娮訉W”和“電力電子技術(shù)”是分別從學術(shù)和工程技術(shù)2個不同的角度來稱呼的。1.2 電力電子技術(shù)的應用 電力電子技術(shù)是一個全新的技術(shù)平臺，它由電路技術(shù)、功率半導體技術(shù)、計算機技術(shù)以及現(xiàn)代化的控制技術(shù)組成。從電力電子技術(shù)出現(xiàn)算起，它已經(jīng)走過了50年的發(fā)展歷程，也從電子技術(shù)中分離出來，成為了一門獨立的科學技術(shù)。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)廣泛應用于國民經(jīng)濟的每個工業(yè)領(lǐng)域。新千年后，電力電子技術(shù)的相關(guān)技術(shù)得到長足發(fā)展，再加上與微電子技術(shù)的結(jié)合，將使電力電子技術(shù)應用前景更為廣闊。電力電子技術(shù)在發(fā)展速度，滲透力、與別的學科的融合程度上都與微電子技術(shù)有著相同的特征。這也使電力電子技術(shù)有旺盛的生命力，必將迎來更加廣闊的發(fā)展空間。在電力電子技術(shù)中，可控整流電路是非常重要的內(nèi)容，整流電路是將交流電變?yōu)橹绷麟姷碾娐罚鋺梅浅V泛。工業(yè)中大量應用的各種直流電動機的調(diào)速均采用電力電子裝置；電氣化鐵道（電氣機車、磁懸浮列車等）、電動汽車、飛機、船舶、電梯等交通運輸工具中也廣泛采用整流電力電子技術(shù)；各種電子裝置如通信設備中的程控交換機所用的直流電源、大型計算機所需的工作電源、微型計算機內(nèi)部的電源都可以利用整流電路構(gòu)成的直流電源供電，可以說有電源的地方就有電力電子技術(shù)的設備。 1.3 電力電子技術(shù)中的直流變化技術(shù)直流變換技術(shù)已被廣泛地應用于開關(guān)電源及直流電動機驅(qū)動中，如不間斷電源（ups）、無軌電車、地鐵列車、蓄電池供電的機動車輛的無級變速及20世紀80年代起的電動汽車的控制。從而使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能。并同時收到節(jié)約電能的效果。由于變速器的輸入使電網(wǎng)電壓經(jīng)不可控整流而來的直流電壓，所以直流斬波不僅起到調(diào)壓作用，還起到有效抑制網(wǎng)側(cè)諧波電流的作用。2 系統(tǒng)方案與主電路設計 2.1 系統(tǒng)方案 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。因此，一個完整的降壓斬波電路也應包括主電路，控制電路，驅(qū)動電路和保護電路這些環(huán)節(jié)。直流斬波電路一般主要可分為主電路模塊，控制電路模塊和驅(qū)動電路模塊三部分組成。主電路模塊， 主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路和直流斬波電路組成，其中主要由全控器件igbt的開通與關(guān)斷的時間占空比來決定輸出電壓u。的大小?？刂齐娐纺K，可用直接產(chǎn)生pwm的專用芯片sg3525來控制igbt的開通與關(guān)斷。驅(qū)動電路模塊，驅(qū)動電路把控制信號轉(zhuǎn)換為加在igbt控制端和公共端之間，用來驅(qū)動igbt的開通與關(guān)斷。 2.2 主電路設計升壓斬波電路設計條件： 1.電源電壓：直流ud=50v 2.輸出功率：250w 3.占空比 4 .開關(guān)頻率5khz 5.l=100mh 升壓斬波電路工作原理圖如下所示：圖2.1 工作原理圖 2.3 參數(shù)計算 2.31 rlc的計算根據(jù)設計要求，我選擇選大小為的直流電壓源，選取降壓斬波電路的占空比為。因此，輸出電壓，輸出功率。又因為要求輸出功率為250w，可計算出負載電阻40。從能量守恒角度分析（假設電感足夠大，電流平直），電路達到穩(wěn)態(tài)時，電感在開關(guān)開通期間吸收的能量（）與開關(guān)關(guān)斷期間釋放的能量（）相等。列出等式： （2-4）解得： （2-5）下面確定電流連續(xù)的臨界條件：如果在時刻電感電流剛好降到0。則為電流連續(xù)與斷續(xù)的臨界工作狀態(tài)。此時，升壓斬波電路的輸入輸出功率分別為 、忽略損耗，有，于是 （2-6） 聯(lián)立式（1）（4）（5）得臨界電感值為 （2-7）確定電容的計算電容在關(guān)斷期間釋放的能量與開通期間吸收的電荷相等，則電壓變化量 （2-8） 則 （2-9）可決定脈動率。計算：由式（6），周期可由開關(guān)頻率得出為，把、代入上式得出，當時，工作在連續(xù)狀態(tài)下。故選擇l=100mh滿足電流連續(xù)條件。計算：由式（8），要求脈動率，取，計算，代入上式計算出，濾波電容越大，輸出電壓越平直，故選擇滿足要求。 2.32額定參數(shù)的計算 電力二極管額定參數(shù)的計算： 電力二極管承受的電壓為：， 確定其額定電壓為：200v。 電力二極管流過有效電流為：,額定電流為：。 igbt電流、電壓額定參數(shù)選擇： igbt承受電壓為：，確定其額定電壓為：200v。 igbt流過有效電流為：,額定電流為：a。3 控制電路的設計3.1 芯片sg3525的介紹pwm控制芯片sg3525 具體的引腳結(jié)構(gòu)圖如下所示。其中，腳16 為sg3525 的基準電壓源輸出，精度可以達到（5.11）v，采用了溫度補償，而且設有過流保護電路。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，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?shù)姆答佈a償網(wǎng)絡。圖3.1 芯片sg3525引腳結(jié)構(gòu)圖3.2 控制電路原理圖此電路主要用來驅(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)部還設有保護電路。它還具有高抗干擾能力，是一款性價比相當不錯的工業(yè)級芯片。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。其電路圖如下所示：圖3.2 控制電路原理圖4 系統(tǒng)仿真4.1仿真模型的建立igbt升壓斬波電路模型主要由直流電源、同步觸發(fā)脈沖、igbt、電阻、電感、電容以及電流表、電壓表、示波器等部分組成。采用matlab面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法構(gòu)成的igbt升壓斬波電路模型如圖。圖4.1 igbt升壓斬波電路模型相應的參數(shù)設置： 由有 有 有l(wèi)=100mh 有各部分的具體參數(shù)設置如下：圖4.2 直流電壓參數(shù)設計圖4.3 觸發(fā)脈沖參數(shù)設置圖4.4 igbt參數(shù)設置圖4.5 電感值參數(shù)設置圖4.6 電容值參數(shù)設置圖4.7 電阻值參數(shù)設置4.2系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析圖4.8 igbt升壓斬波仿真波形圖仿真結(jié)果分析1、電源端輸入大小為的直流電壓圖4.9 輸入直流電壓2、控制信號圖4.10 控制信號3、 電力二極管電流圖4.11 電力二極管電流4、 負載電壓圖4.12 負載電壓5、 電感電流圖4.13 電感電流6、 電感電壓圖4.14 電感電壓5 結(jié)論回顧起此次的電力電子課程之igbt升壓斬波電路設計，感慨頗多，它使我有了很多的心得體會。在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。通過查閱大量有關(guān)資料，并與同課題同學互相討論，交流經(jīng)驗和自學，若遇到實在搞不明白的問題就會及時請教老師，使自己經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大，學到了不少知識。通過本次課程設計讓我更加的深刻的理解了斬波器的原理，從而由斬波器這個小小的器件體會到了電力電子這門學科的重要性。課程設計不僅需要靈活的運用書本上以及課堂上的知識，還需要自己運用電腦上網(wǎng)搜索相關(guān)信心和操作相關(guān)的軟件來更好的達到設計的目的。這讓我不僅鞏固了老師所傳授的書本上的知識，而且鍛煉了自己解決實際問題的能力。通過課程設計還拓寬了知識面，學到了很多課本上沒有的知識，報告只有自己去做能加深對知識的理解，任何困難只有自己通過努力去克服才能收獲成功的喜悅。在此次電力電力課程設計，我自學matlab了軟件。通過對電路圖的研究，也增強了自己的思考能力。另外，在使用matlab軟件繪制電路圖的過程中，我學到了很多實用的技巧，這也為以后的工作打下了很好的基礎(chǔ)。從開始任務到查找資料，到設計電路圖，我學到了課堂上學習不到的知識。上課時總覺得所學的知識太抽象，沒什么用途，現(xiàn)在終于認識到它的重要性?？?