降壓斬波電路-課程設(shè)計(jì)

1、降壓斬波電路-課程設(shè)計(jì) 電力電子技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 班級(jí)：自動(dòng)化0902班 姓名：高強(qiáng) 學(xué)號(hào)：0912060211 1 目錄 一、引言.4 二、分電路的原理及選擇.5 2.1 降壓斬波電路工作原理.5 2.1.1 降壓斬波電路（Buck Chopper）.5 2.1.2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路選擇.5 2.2 整流電路.6 2.3 斬波信號(hào)產(chǎn)生電路.7 2.3.1由分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路.7 2.3.2集成驅(qū)動(dòng)電路.8 三、最優(yōu)參數(shù)選擇.10 3.1 整流電路部分.10 3.2斬波主電路部分.10 四、生成總的電路圖.12 4.1 總原理圖.12 4.2 此電路的主要功能.13 六、心得體會(huì).13 七、

2、參考文獻(xiàn).14 2 摘要 一、引言 直流變換技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用于開關(guān)電源及直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中，如不間斷電源（UPS）、無(wú)軌電車、地鐵列車、蓄電池供電的機(jī)動(dòng)車輛的無(wú)級(jí)變速及20世紀(jì)80年代興起的電動(dòng)汽車的控制。從而使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能，并同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。直流變換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖-1所示。由于變速器的輸入是電網(wǎng)電壓經(jīng)不可控整流而來(lái)的直流電壓，所以直流斬波不僅能起到調(diào)壓的作用，同時(shí)還能起到有效地抑制網(wǎng)側(cè)諧波電流的作用。 二、分電路的原理及選擇 2.1 降壓斬波電路工作原理 2.1.1降壓斬波電路（Buck Chopper） 電路的原理圖如圖2所示， R Em 圖2 降壓斬波電

3、路主電路 此電路使用一個(gè)全控型器件V，圖中為IGBT，若采用晶閘管，需設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路。并設(shè)置了續(xù)流二極管VD，在V關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中電感電流提供通道。主要用于電子電路的供電電源，也可拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等，后兩種情況下負(fù)載中均會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)，如圖中Em所示。 工作原理：當(dāng)t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。 當(dāng) t=t1時(shí)控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù) 3 曲線下降，通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小。 此電路的基本數(shù)量關(guān)系為： （1）電流連續(xù)時(shí) 負(fù)載電壓的平均值為 tonton Uo?E

4、?E?Eton?toffT 式中，ton為V處于通態(tài)的時(shí)間，toff為V處于斷態(tài)的時(shí)間，T為開關(guān)周期，?為導(dǎo)通占空比，簡(jiǎn)稱占空比或?qū)ū?。?fù)載電流平均值為 Uo?Em Io? (1-2) R（2）電流斷續(xù)時(shí)，負(fù)載電壓uo平均值會(huì)被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。 斬波電路有三種控制方式： 脈沖寬度調(diào)制（PWM）：保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton， 頻率調(diào)制：保持開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton不變，改變開關(guān)周期T。 混合型：ton和T都可調(diào)，使占空比改變。 2.1.2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路選擇 IGBT的門極驅(qū)動(dòng)條件密切地關(guān)系到他的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。門極電路的正偏壓uGS、負(fù)偏壓-uGS和門極電阻R

5、G的大小，對(duì)IGBT的通態(tài)電壓、開關(guān)、開關(guān)損耗、承受短路能力及du/dt電流等參數(shù)有不同程度的影響。其中門極正電壓uGS的變化對(duì)IGBT的開通特性，負(fù)載短路能力和duGS/dt電流有較大的影響，而門極負(fù)偏壓對(duì)關(guān)斷特性的影響較大。同時(shí)，門極電路設(shè)計(jì)中也必須注意開通特性，負(fù)載短路能力和由duGS/dt電流引起的誤觸發(fā)等問(wèn)題。根據(jù)上述分析，對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路提出以下要求和條件： (1)由于是容性輸出輸出阻抗；因此IBGT對(duì)門極電荷集聚很敏感，驅(qū)動(dòng)電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路。 (2)用低內(nèi)阻的驅(qū)動(dòng)源對(duì)門極電容充放電，以保證門及控制電壓uGS有足夠陡峭的前、后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量

6、小。另外，IGBT開通后，門極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)提供足夠的功率，使IGBT不至退出飽和而損壞。 (3)門極電路中的正偏壓應(yīng)為+12+15V；負(fù)偏壓應(yīng)為-2V-10V。 (4)IGBT 驅(qū)動(dòng)電路中的電阻RG對(duì)工作性能有較大的影響，RG較大，有利于抑制IGBT 的電流上升率及電壓上升率，但會(huì)增加IGBT 的開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗；RG較小，會(huì)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(dòng)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。 (5)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力及對(duì)IGBT 的自保護(hù)功能。IGBT 的控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路等應(yīng)與其高速開關(guān)特性相匹配

7、，另外，在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下，IGBT的GE極之間不能為開路。 IGBT驅(qū)動(dòng)電路分類驅(qū)動(dòng)電路分為：分立插腳式元件的驅(qū)動(dòng)電路；光耦驅(qū)動(dòng)電路；厚膜驅(qū)動(dòng)電路；專用集成塊驅(qū)動(dòng)電路。本文設(shè)計(jì)的電路采用的是專用集成塊驅(qū)動(dòng)電路。 IGBT驅(qū)動(dòng)電路分析隨著微處理技術(shù)的發(fā)展(包括處理器、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)器件)，數(shù)字 4 信號(hào)處理器以其優(yōu)越的性能在交流調(diào)速、運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。一般數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)成的控制系統(tǒng)， IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)由處理器集成的PWM模塊產(chǎn)生的。而PWM接口驅(qū)動(dòng)能力及其與 IGBT的接口電路的設(shè)計(jì)直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。因此本文采用EXB841設(shè)計(jì)出了一種可靠的IGBT驅(qū)動(dòng)方案

8、。 本文將在斬波信號(hào)產(chǎn)生電路一節(jié)將分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路和集成驅(qū)動(dòng)電路做一下簡(jiǎn)單的比較，以此來(lái)說(shuō)明集成驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)越性。 2.2 整流電路 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. 對(duì)整流出來(lái)的電壓進(jìn)行傅里葉變換得vout?in?2 ?4 3?cos2?t?4 15?cos4?t?由整流電路出6?t.?，35?4 來(lái)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RC濾波器,因?yàn)殡娙轂V波的直流輸出電壓Uo與變壓器副邊電壓U2的比值比較大，而且適用在小電流、整流管的沖擊電流比較大的電路中。因此本電路選用電容濾波.因?yàn)楸倦娐芬笥蟹€(wěn)定的輸出因此還需用到穩(wěn)壓二極管進(jìn)

9、行穩(wěn)壓。 整流電路的原理圖如圖3所示： 圖3 整流電路圖 輸入端接220V、50Hz的市電，進(jìn)過(guò)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）。 V1UV2V3RC1UVzV4 2.3 斬波信號(hào)產(chǎn)生

10、電路 5 此電路主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT斬波。同其他的電力電子器件一樣，由分立元件組成的IGBT驅(qū)動(dòng)電路也存在著可靠性問(wèn)題。為此，目前已經(jīng)研制出多種專用的IGBT集成驅(qū)動(dòng)電路。這些集成塊速度快，為了提高安全性，內(nèi)部設(shè)有保護(hù)電路。它還具有高抗干擾能力，可實(shí)現(xiàn)IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)。下面將分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路和集成驅(qū)動(dòng)電路做一下簡(jiǎn)單的比較，以此來(lái)說(shuō)明集成驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)越性。 2.3.1由分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路 如圖4為由脈沖變壓器組成的柵極驅(qū)動(dòng)電路。其工作原理為：正向驅(qū)動(dòng)信號(hào)使VT1導(dǎo)通，電源電壓作用于脈沖變壓器一次側(cè)，二次電壓經(jīng)二極管VD2、VD3和門集電阻Rg后作用于IGBT，使IGBT導(dǎo)通。晶體管V

11、T2由于基極反向偏置而截至。 1IGBT 圖4 由分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路 當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為零時(shí)，VT1截止，一次勵(lì)磁電流經(jīng)VD1和VS迅速衰減，使在脈沖間隙期間脈沖變壓器的磁通回零。變壓器二次側(cè)的反向電壓經(jīng)R2加到二極管VD2上。IGBT門極結(jié)電容上的電荷經(jīng)Rg和VT2放掉，R2為VT2的偏流電阻。 此電路的優(yōu)點(diǎn)：這種電路不用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，脈沖變化時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓幅值不變，可用于各種容量的IGBT的驅(qū)動(dòng)。 此電路的缺點(diǎn)：截止時(shí)沒(méi)有門極反向電壓，抗干擾能力不強(qiáng)。這種電路適用于驅(qū)動(dòng)占空比小于50%的高頻場(chǎng)合。 2.3.2集成驅(qū)動(dòng)電路 （1）芯片介紹及功能原理圖 EXB841芯片是單列直

12、插式結(jié)構(gòu)，如圖5所示，各引腳的功能見表1。圖（）中3腳為驅(qū)動(dòng)的輸出端，通過(guò)電阻Rg接被驅(qū)動(dòng)的IGBT的柵極；4腳用于外接電容，防止電流保護(hù)電路的誤動(dòng)作；5腳為過(guò)電路保護(hù)電路的輸出信號(hào)，低電平有效；6腳接IGBT 的集電極，通過(guò)檢測(cè)Uce的大小來(lái)判斷是否發(fā)生短路或集電極電流過(guò)大，從而進(jìn)行自動(dòng)保護(hù)。EXB841的功能塊圖如圖6所示。 6 圖6 EXB841的功能塊圖 （2）電路原理圖及工作原理簡(jiǎn)介 圖7示出了EXB841的電路原理圖，其結(jié)構(gòu)包含隔離放大、過(guò)電流保護(hù)和基準(zhǔn)電源三部分。隔離放大部分由光電耦合器ISO01、晶體管VT2、VT4、VT5和阻容元件R1、C1、R2、R9組成。光電耦合器IS0

13、1的隔離電壓可達(dá)2500VAC。VT2為中間放大級(jí)，VT4和VT5組成的互補(bǔ)式推挽輸出可為IGBT柵極提供導(dǎo)通和關(guān)斷電壓。晶體管VT1、VT3和穩(wěn)壓管VZ1以及阻容元件R3R8、C2C4組成過(guò)電流保護(hù)部分，實(shí)現(xiàn)過(guò)電流檢測(cè)和延時(shí)保護(hù)。電阻R10、穩(wěn)壓管VZ2與電容C5構(gòu)成5V基準(zhǔn)電源，為IGBT的關(guān)斷提供-5V的反偏電壓，同時(shí)也為輸入光耦合器IS01提供副方電源.。 電路的工作過(guò)程簡(jiǎn)述如下：當(dāng)14腳與15腳間流過(guò)的電流為零時(shí)，光電耦合器截止，A點(diǎn)為高電平，晶體管VT1、VT2導(dǎo)通，D點(diǎn)電位下降VT4截止、VT5導(dǎo)通。IGBT的柵極電荷經(jīng)VT5迅速放電，使3腳電位降至0V，IGBT由于Ugs=-5

14、V而可靠關(guān)斷。當(dāng)14腳與15腳間通過(guò)10mA電流時(shí)，光電耦合器導(dǎo)通，A點(diǎn)電位下降，VT1、VT2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂埂T2 7 表1 EXB841的引腳功能表 截止導(dǎo)致D點(diǎn)電位升高，VT4導(dǎo)通，VT5截止。2腳電源經(jīng)VT4到3腳到Rg到IGBT,驅(qū)動(dòng)IGBT的柵極，使IGBT迅速導(dǎo)通。 當(dāng)IGBT正常工作時(shí)，Uce較小，隔離二極管VD2導(dǎo)通，穩(wěn)壓管VZ1不會(huì)被擊穿，VT3截止，C4被充電，使E點(diǎn)電位為電源電壓值（20V）并保持不變。一旦發(fā)生過(guò)電流或短路，IGBT因承受大電流而退飽和，導(dǎo)致Uce上升，VD2截止，VZ1被擊穿使VT3導(dǎo)通，C4經(jīng)R7和VT3放電，E點(diǎn)及B點(diǎn)電位逐漸下降，VT4截止，V

15、T5導(dǎo)通，使IGBT被慢慢關(guān)斷從而得到保護(hù)。與此同時(shí)，5腳輸出低電平，將過(guò)流保護(hù)信號(hào)輸出。 使用此驅(qū)動(dòng)電路時(shí)應(yīng)注意以下問(wèn)題： 輸入電路與輸出電路應(yīng)分開。即輸入電路（光電耦合器）接線遠(yuǎn)離輸出電路接線，以保證有適當(dāng)?shù)慕^緣強(qiáng)度和高的噪聲阻抗。 驅(qū)動(dòng)電路與IGBT柵到射極接線長(zhǎng)度應(yīng)小于1m，并使用雙絞線以提高抗干擾能力。 若集電極上有大的電壓尖脈沖產(chǎn)生，可增加?xùn)艠O串聯(lián)電阻Rg使尖脈沖較小。Rg值的選擇可參考表2所給數(shù)據(jù)。 8 圖7 EXB841的電路原理圖 三、最優(yōu)參數(shù)選擇 3.1 整流電路部分 整流橋二極管的選擇。在橋式整流電路中，每只二極管只在輸入電壓的半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，因此二極管的平均電流只有負(fù)載

16、電阻上平均電流的一半，即ID(AV)=IO(AV)/2=0.45U2/RL 在二極管不導(dǎo)通期間，承受反壓的最大值就是變壓器二次測(cè)電壓U2的最大值，即 URM=1.414U2，根據(jù)上面的選擇原則可知選擇二極管的最大整流電流IF(1.1IO)/20.5(U2/RL);最大反向電壓UR1.12U2=1.1255=84.7V。 濾波電容的選擇：C=(5T/2)/RL 3.2 斬波主電路部分 IGBT的選擇：因?yàn)楸倦娐吩O(shè)計(jì)的E=50V, 因此根據(jù)表（）可知所選IGBT的額定電壓與額定電流分別為50V、100A。 柵極串聯(lián)電阻Rg的阻值：根據(jù) IGBT的選擇，由表（）可知Rg的值為25?。 其他元器件的選

17、擇標(biāo)準(zhǔn)如下： 9 對(duì)降壓斬波電路進(jìn)行解析 基于分時(shí)段線性電路這一思想，按V處于通態(tài)和處于斷態(tài)兩個(gè)過(guò)程來(lái)分析，初始條件分電流連續(xù)和斷續(xù)。 電流連續(xù)時(shí)得出 t1/?EEe?1Ee?1m ?I10?eT/?1?R?R?e?1?m?R（1-3） ? ?1?e?t1/?E?1?e?EEm?I20?m?T/?1?e?R?1?e?RR（1-4） ? t1?T?T/?L/Rm，? Em/Et1/?式中， ， ， ? ?T? I10和I20分別是負(fù)載電流瞬時(shí)值的最小值和最大值。 把式（1-3）和式（1-4）用泰勒級(jí)數(shù)近似，可得 ?mEI10?I20?Io（1-5） R ? 10 平波電抗器L為無(wú)窮大，此時(shí)負(fù)載電

18、流最大值、最小值均等于平均值。 （1-5）所示的關(guān)系還可從能量傳遞關(guān)系簡(jiǎn)單地推得，一個(gè)周期中，忽略電路中的損耗，則電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等，即 2EIt?RIT?EmIoToono 則 ?E?Em Io? R tonI1 ?Io?Io假設(shè)電源電流平均值為I1，則有T 其值小于等于負(fù)載電流Io，由上式得 EI1?EIo?UoIo 即輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器。 電流斷續(xù)時(shí)有I10=0，且t=ton+tx時(shí)，i2=0，可以得出 ?1?(1?m)e tx?ln? m? 當(dāng)tx?toff時(shí)，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài)，tx?toff是電流斷續(xù)的條件，即 ? e?1m?

19、 e?1 輸出電壓平均值為 ?tE?(T?ton?tx)Emt?tx?Uo?on?1?on?m?ETT? 負(fù)載電流平均值為 tt?t1 ?ton?txm?E?Uo?EmIo?idt?idt?1?2?t?T?0TR?R 根據(jù)上式可對(duì)電路的工作狀態(tài)做出判斷。該式也是最優(yōu)參數(shù)選擇的依據(jù)。 ononxon 四、生成總的電路圖 4.1 總原理圖 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，有源功率因數(shù)校正(APFC)技術(shù)已經(jīng)能有效地抑制輸入電流的諧波分量，其波形接近正弦波，并與輸入電壓同相位。APFC電路不僅能實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓的斬波調(diào)節(jié)，還能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)一側(cè)單位功率因數(shù)。降壓斬波APFC的電路圖如圖8所示， 11 U 圖8 總電路圖 4.2 此電路的主要功能 通過(guò)檢測(cè)和跟蹤電網(wǎng)電流i，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電流的近似正弦化，達(dá)到電網(wǎng)一側(cè)單位功率因數(shù)。 通過(guò)檢測(cè)和跟蹤輸出直流電壓的波動(dòng)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出直流電壓的穩(wěn)定。 五、保護(hù)電路 5.1 整流橋電路部分 在橋式整流電路中，為了防止二極管受到電壓的瞬間沖擊，在每個(gè)二極管上并聯(lián)一個(gè)電容。如圖9所示， 12