斬控式直流調(diào)壓電路設(shè)計.doc

學(xué)習(xí)資料收集于網(wǎng)絡(luò)，僅供參考1 設(shè)計依據(jù)主要參數(shù)1） 輸入電壓：三相（AC）380（1+15%）、2） 最大輸出電流電壓：(選下列一組數(shù)據(jù)進行設(shè)計)100A 0100V3） 功率因數(shù)：0.7 2. 可提供實驗與仿真條件 說明書格式1 課程設(shè)計封面；2 任務(wù)書；3 說明書目錄；4 設(shè)計總體思路，基本原理和框圖（總電路圖）；5 單元電路設(shè)計（各單元電路圖）；6 故障分析與電路改進、實驗及仿真等。7 總結(jié)與體會；8 附錄（完整的總電路圖）；9 參考文獻；11、課程設(shè)計成績評分表目 錄第1章 概述1 1.1 電力電子技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域1 1.2 高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢2第2章 總體方案及原理3 2.1 總體原理3 2.2 總體方案3第3章 主電路設(shè)計5 3.1 主電路總體設(shè)計5 3.2 整流電路6 3.3 降壓斬波電路7 3.4 控制及驅(qū)動電路設(shè)計8第4章 控制及驅(qū)動電路設(shè)計11 4.1 主控制芯片的詳細(xì)說明11 4.2 驅(qū)動電路設(shè)計13第5章 保護電路及設(shè)計14 5.1 主回路輸出端過電流保護14 5.2 電源欠壓報警14 5.3 IGBT的保護設(shè)計15第6章 設(shè)計總結(jié)與體會17附 錄18參考文獻 19評分表 20第1章 概 述1.1電力電子技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域 現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué),向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。 1.1.1計算機高效率綠色電源 計算機技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關(guān)產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源,根據(jù)美國環(huán)境保護署l992年6月17日“能源之星計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關(guān)的外圍設(shè)備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。 1.1.2通信用高頻開關(guān)電源 通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。 1.1.3電力有源濾波器 電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。與傳統(tǒng)開關(guān)電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流; 1.2高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢 在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頻開關(guān)電源技術(shù),其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關(guān)電源技術(shù)。1.2.1高頻化 理論分析和實踐經(jīng)驗表明,電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計的5l0%。1.2.2模塊化 模塊化有兩方面含義,其一指功率器件模塊化,其二指電源單元模塊化。1.2.3數(shù)字化 在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中,控制部分是按模擬信號來設(shè)計和工作的?，F(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號處理技術(shù)日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào),也便于自診斷、容錯等技術(shù)的植入。1.2.4綠色化 電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電, 這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染。開關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn),將標(biāo)志著這些技術(shù)的成熟,實現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，使開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。 第2章 總體方案及原理 2.1總體原理 直流斬波器（DC Chopper）是一種把恒定直流電壓變換成為另一固定電壓或可調(diào)電壓的直流電壓，從而滿足負(fù)載所需的直流電壓的變流裝置。也稱為直接直流-直流變換器（DC/DC Converter）。它通過周期性地快速通、斷，把恒定直流電壓斬成一系列的脈沖電壓，而改變這一脈沖列的脈沖寬度或頻率就可實現(xiàn)輸出電壓平均值的調(diào)節(jié)。直流斬波器除可調(diào)節(jié)直流電壓的大小外，還可以用來調(diào)節(jié)電阻的大小和磁場的大小。直流傳動、開關(guān)電源是斬波電路應(yīng)用的兩個重要領(lǐng)域，前者是斬波電路應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域后者則是斬波電路應(yīng)用的新領(lǐng)域。直流斬波器的種類較多，包括6種基本斬波器：降壓斬波器（Buck Chopper）、升壓斬波器（Boost Chopper）、升降壓斬波器(Boost-Buck Chopper)、Cuk斬波器、Sepic斬波器和Zeta斬波器，前兩種是最基本的類型。 設(shè)計中采用降壓斬波器（Buck Chopper）來改變直流電壓大小。2.2總體方案 本設(shè)計中，輸入三相（AC）380電壓，最大輸出最大電流電壓分別為100A ，100V，功率因數(shù)：0.7。而直流斬波器可調(diào)節(jié)直流電壓的大小，同時斬控方式實現(xiàn)直流調(diào)壓，功率因數(shù)高，諧波小，輸出波形好。要求中輸入高電壓輸出低電壓，故采用降壓斬波器。 斬控式直流調(diào)壓電路設(shè)計中，首先將三相交流電轉(zhuǎn)換成直流電（AC-DC），再采用直流斬波方式，用占空比控制低壓側(cè)的電壓. 其中用控制電路來實現(xiàn)IGBT管的通斷，調(diào)節(jié)PWM波的輸出來改變控制角，從而調(diào)節(jié)占空比的大小，進而來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。 初步設(shè)想將總電路分為3部分：主電路、控制電路、保護電路。 其中主電路又分為整流電路和斬波電路，整流電路采用三相不可控整流形式，斬波電路采用IGBT進行控制的脈寬調(diào)制方式的降壓斬波方式?？刂齐娐凡捎肬C3842芯片來對IGBT的通斷進行控制。斬波電路主電路不可控橋式整流三相交流電源負(fù)載觸發(fā)控制，電路檢測 控 制 電 路圖2.1 總電路結(jié)構(gòu)框圖保護電路包括主電路中的過電壓和過電流保護、IGBT的保護、電源欠電壓保護?？傠娐返慕Y(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。 第3章主電路設(shè)計3.1主電路總體設(shè)計主電路的總電路圖如圖3.1所示，其中S1為總開關(guān)，為了方便電路的維護和檢修，KM是繼電器開關(guān)，當(dāng)電壓或電流過大時使電路有自保的功能。變壓器S選擇“-Y”，這樣連接可以避免3此諧波流入電網(wǎng)。經(jīng)過3對二極管整流后，三相交流電變?yōu)閹в胁^的直流電，使用電容C來濾波和穩(wěn)壓，得到完美的直流電 。 為了防止開關(guān)動作起始，電流過大對電網(wǎng)造成破壞，在整流電路后加一個限流電阻R1，但考慮到此電阻在電路運行的過程中會消耗電路的電能，為了使電路的設(shè)計更完美，在R1上并聯(lián)一個開關(guān)，在運行一段時間后，合上開關(guān)，將電阻R1短路。后接降壓斬波電路。 圖3.1 主電路電路圖3.2整流電路 整流電路采用三相不可控整流電路，其功能是將三相交流電轉(zhuǎn)變成直流電作為直流斬波的輸入電壓。電路圖如圖3.2所示。 整流電路的工作原理是:當(dāng)某一對二極管導(dǎo)通時，輸出直流電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個，該線電壓既向電容供電，也向負(fù)載供電。 當(dāng)沒有二極管導(dǎo)通時，由電容向負(fù)載放電，ud按指數(shù)規(guī)律下降。圖中電容C起濾波的作用。 圖3.2 整流電路圖 3.3 降壓斬波電路 降壓斬波電路（Buck chopper)的原理圖及工作形如圖3.3所示。圖中V為全控型器件，選用IGBT。D為續(xù)流二極管。當(dāng)V處于通態(tài)時，電源Ui向負(fù)載供電,UD=Ui。當(dāng)V處于斷態(tài)時，負(fù)載電流經(jīng)二極管D續(xù)流，電壓UD近似為零，至一個周期T結(jié)束，再驅(qū)動V導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。負(fù)載電壓的平均值為： （1.1） 式中：ton為V處于通態(tài)的時間，toff為V處于斷態(tài)的時間, T為開關(guān)周期, 為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū龋╰on/T）。 （a）電路圖 （b）波形圖 圖3.3 降壓斬波電路原理圖及波形 由此可知，輸出到負(fù)載的電壓平均值UO最大為Ui，若減小占空比，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。本直流斬波電路作用是將直流電壓轉(zhuǎn)換為0至12V可調(diào)的直流電壓，其工作原理是：當(dāng)控制脈沖使V導(dǎo)通后，電容C開始充電，輸出電壓U0加到負(fù)載R的兩端，在電容C充電的過程中，電感L1內(nèi)的電流逐漸增加，儲存的磁場能量也逐漸增加，此時，續(xù)流二極管D因反向而截止，經(jīng)過時間ton后，當(dāng)控制信號使V截止時，L1中電流減小，在L1兩端的感應(yīng)電動勢使D導(dǎo)通，L1中儲存的磁場能量通過續(xù)流二極管D傳送給負(fù)載，當(dāng)負(fù)載中電壓低于電容C兩端的電壓時，C便向負(fù)載放電，經(jīng)過時間toff后，控制脈沖又使V導(dǎo)通。上述過程重復(fù)發(fā)生。3.4 主電路參數(shù)計算和元器件的選擇3.4.1開關(guān)管IGBT的選擇開關(guān)管IGBT的耐壓值，當(dāng)開關(guān)管截止時，續(xù)流二極管導(dǎo)通，穩(wěn)壓電源的全部輸入電壓都加在開關(guān)管的集射極間，因此，開關(guān)管的耐壓值VCBO必須大于前級整流電路的輸出電壓Uwi，考慮到其他因素的影響，開關(guān)管集射級間電壓U按下式選?。?（1.2） 當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，負(fù)載電流及電容充電電流都通過開關(guān)管，因此開關(guān)管的集電極電流必須大于負(fù)載電流，開關(guān)管的最大集電極IB可由下式求得： （1.3）式中I0為負(fù)載的電流，Uwi為整流輸出電壓，toff為開關(guān)管的截止時間。3.4.2續(xù)流二極管的選擇當(dāng)開關(guān)管截止時，續(xù)流二極管導(dǎo)通，濾波電感內(nèi)存儲的能量通過續(xù)流二極管傳輸?shù)截?fù)載由此可知，續(xù)流二極管的正向額定電流必須大于開關(guān)管的最大集電極電流當(dāng)開關(guān)管飽和時，集電極間的電壓可以忽略不記，續(xù)流二極管的耐壓值必須大于前級整流電路的輸出電壓Uwi。電感的選取 電感可以由下式求得： （1.4） 式中Ud為輸出電壓，Ui是輸入電壓，omin為電感續(xù)流的臨界負(fù)荷電流。輸出電容可以按照經(jīng)驗值取1000F/A。3.4.3具體它參數(shù)計算給定參數(shù)為Ud=100V,Id=100A1.U2計算設(shè)占空比為，01，要得到Ud的輸出值在0V到100V可調(diào)，考慮占空比為90%，則 Us=Ud/0.9=111V取 Us=1.2U2 U2=Us/1.2= 92.6V考慮到10%的裕量 U2=1.1*92.6=101.9V2.一、二次線圈電流 I2=Id=100A變比 K=U1/U2=220/101.9=2.2 I1=I2/K=100/2.2=45.5A考慮空載電流 取I1=1.05*45.5=47.8A3.變壓器容量計算 S1=U1*I1=220*47.8=10510.5W S2=U2*I2=101.9*100=10190W S=(S1+S2)/2=10350.3W4.整流二極管參數(shù)計算二極管承受反向最大電壓UDM=1.414U2=144V，考慮3倍裕量，則 UTN=3*144=432V 取500V該電路整流輸出接有大電容，而且負(fù)載也不是純電感負(fù)載，但為了簡化計算，仍可按電感計算，只是電流裕量要可適當(dāng)取大些即可。 IdD=0.5Id=50A ID=1/1.414Id=70.7A ID(AV)=2*70.7/1.57=90.1A5.濾波電容選擇一般根據(jù)放電的時間常數(shù)計算，負(fù)載越大，要求紋波系數(shù)越小，一般不做嚴(yán)格計算，多取2000以上。因該系統(tǒng)負(fù)載不大，故取=2200耐壓 1.5UDM=1.5*144=216V,取300V。即選用2200 300V電容器。6.IGBT的選擇因為=111V，取3倍裕量，選耐壓為400v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四倍關(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400A,額定電壓500V左右的IGBT。7.續(xù)流二極管的選擇根據(jù) ，得知 續(xù)流二極管應(yīng)選200A、額定電壓為500v的二極管。 5.3 IGBT的保護設(shè)計 5.3.1 IGBT的過電流保護在斬波電路中對斬波器的保護，實際上就是對IGBT的保護。所以重要的是怎么設(shè)計好對開關(guān)管IGBT的保護方案。在設(shè)計對IGBT的保護系統(tǒng)中，主要是針對過電流保護和開關(guān)過程中的過電壓保護。 IGBT的過流保護電路可分為2類：一類是低倍數(shù)的（1.21.5倍）的過載保護；一類是高倍數(shù)（可達810倍）的短路保護。 對于過載保護不必快速響應(yīng)，可采用集中式保護，即檢測輸入端或直流環(huán)節(jié)的總電流，當(dāng)此電流超過設(shè)定值后比較器翻轉(zhuǎn)，封鎖所有IGBT驅(qū)動器的輸入脈沖，使輸出電流降為零。這種過載電流保護，一旦動作后，要通過復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。 IGBT能承受很短時間的短路電流，能承受短路電流的時間與該IGBT的導(dǎo)通飽和壓降有關(guān)，隨著飽和導(dǎo)通壓降的增加而延長。如飽和壓降小于2V的IGBT允許承受的短路時間小于5s，而飽和壓降3V的IGBT允許承受的短路時間可達15s，45V時可達30s以上。存在以上關(guān)系是由于隨著飽和導(dǎo)通壓降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路電流同時增大，短路時的功耗隨著電流的平方加大，造成承受短路的時間迅速減小。 通常采取的保護措施有軟關(guān)斷和降柵壓2種。軟關(guān)斷指在過流和短路時，直接關(guān)斷IGBT。但是，軟關(guān)斷抗騷擾能力差，一旦檢測到過流信號就關(guān)斷，很容易發(fā)生誤動作。為增加保護電路的抗騷擾能力，可在故障信號與啟動保護電路之間加一延時，不過故障電流會在這個延時內(nèi)急劇上升，大大增加了功率損耗，同時還會導(dǎo)致器件的di/dt增大。所以往往是保護電路啟動了，器件仍然壞了。 降柵壓旨在檢測到器件過流時，馬上降低柵壓，但器件仍維持導(dǎo)通。降柵壓后設(shè)有固定延時，故障電流在這一延時期內(nèi)被限制在一較小值，則降低了故障時器件的功耗，延長了器件抗短路的時間，而且能夠降低器件關(guān)斷時的di/dt，對器件保護十分有利。若延時后故障信號依然存在，則關(guān)斷器件，若故障信號消失，驅(qū)動電路可自動恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，因而大大增強了抗騷擾能力。 5.3.2 IGBT開關(guān)過程中的過電壓保護 關(guān)斷IGBT時，它的集電極電流的下降率較高，尤其是在短路故障的情況下，如不采取軟關(guān)斷措施，它的臨界電流下降率將達到數(shù)kA/s。極高的電流下降率將會在主電路的分布電感上感應(yīng)出較高的過電壓，導(dǎo)致IGBT關(guān)斷時將會使其電流電壓的運行軌跡超出它的安全工作區(qū)而損壞。所以從關(guān)斷的角度考慮，希望主電路的電感和電流下降率越小越好。但對于IGBT的開通來說，集電極電路的電感有利于抑制續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和電容器充放電造成的峰值電流，能減小開通損耗，承受較高的開通電流上升率。一般情況下IGBT開關(guān)電路的集電極不需要串聯(lián)電感，其開通損耗可以通過改善柵極驅(qū)動條件來加以控