電力電子課程設(shè)計(jì)直流降壓斬波

1、第一章 電路總體設(shè)計(jì)方案1.1 設(shè)計(jì)課題任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)直流降壓斬波電路。1.2 功能要求說明將100V直流電壓降壓輸出并且平均電壓可調(diào)，范圍為10-90V。1.3 設(shè)計(jì)總體方案和設(shè)計(jì)原理1.3.1 降壓斬波電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖完整的降壓斬波電路除起降壓器作用的主電路之外還要有驅(qū)動(dòng)電路，控制電路和保護(hù)電路。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1.1所示。圖1.1 電路結(jié)構(gòu)框圖 在圖1.1結(jié)構(gòu)框圖中，控制電路是用來產(chǎn)生IGBT的控制信號(hào)的，控制電路產(chǎn)生的信號(hào)傳到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路把控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)加在IGBT的控制端跟公共端之間，使其開通或關(guān)斷，達(dá)到控制主電路的目的。第二章 降壓斬波主電路設(shè)計(jì)2.1 BUCK降壓斬波主

2、電路及其原理 降壓斬波電路的原理圖以及工作波形如圖2.1所示。該電路使用一個(gè)全控型器件V，圖中為IGBT。為在V關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管VD。斬波電路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。 圖2.1 降壓斬波電路原理圖 如圖2.1中V的柵極電壓uGE波形所示，在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)上升。當(dāng)t=t1時(shí)刻，控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)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)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小，通常是串聯(lián)的電感L值較大。至一個(gè)周期T結(jié)束，在驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。當(dāng)

3、工作處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等，如圖1.2所示。負(fù)載電壓平均值為 （式1.1）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。由式1.1可知，輸出到負(fù)載的電壓平均值Uo，減小占空比，Uo隨之減小。因此將該電路稱為降壓斬波電路。也稱buck變換器。負(fù)載電流平均值為2.2 主電路元器件參數(shù)選擇主電路中需要確定參數(shù)的元器件有直流電源、IGBT、二極管、電感、電容、電阻，其參數(shù)選擇如下說明：1、 直流電源。V由直流電源提供。2、 電阻R。取導(dǎo)通占空比，則V，已知輸出功率300W，則,。3、 IGBT。當(dāng)=90%時(shí)，V，。取2倍裕量，。IGBT

4、承受的最大截止電壓為輸入電壓V，取2倍裕量則V。由此兩數(shù)據(jù)選擇IGBT型號(hào)為GT8Q101。4、 二極管VD。VD承受最大反相電壓為100V，即為其最大工作電壓。V。最大工作電流為。由于需要瞬間導(dǎo)通，二極管的開關(guān)速度大，則選擇續(xù)8A / 200V型號(hào)SF84的快速恢復(fù)二極管。5、 電感L。選擇大電感，使得電路能夠續(xù)流。此時(shí)的臨界電感為：。設(shè)輸出為60V，則。取。6、 電容 C。 由輸出電壓脈率要求小于10%，選擇電容（輸出電壓為60V）。所以選擇電容。第三章 控制電路的設(shè)計(jì)3.1 IGBT控制電路的設(shè)計(jì)3.1.1 控制方式選擇斬波電路有三種控制方式：1） 保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間t

5、on，稱為脈沖寬度調(diào)制或脈沖調(diào)寬型：2） 保持導(dǎo)通時(shí)間不變，改變開關(guān)周期T，成為頻率調(diào)制或調(diào)頻型；3） 導(dǎo)通時(shí)間和周期T都可調(diào)，是占空比改變，稱為混合型。其中第一種是最常用的方法。PWM控制信號(hào)的產(chǎn)生方法有很多。這里我使用的是IGBT的專用觸發(fā)芯片SG3525。3.1.2 芯片介紹SG3525封裝圖如下圖3.1：圖3.1 SG3525封裝圖SG3525各引腳具體功能：（1）引腳1：誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號(hào)。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補(bǔ)償信號(hào)輸入端（引腳9）相連，可構(gòu)成跟隨器。（2）引腳2：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號(hào)。根據(jù)需要，在該端與補(bǔ)償

6、信號(hào)輸入端之間接入信號(hào)不同的反饋網(wǎng)絡(luò)。（3） 引腳3：振蕩器外接同步信號(hào)輸入端。該端接外部同步脈沖信號(hào)可實(shí)現(xiàn)外電路同步。（4） 引腳4：振蕩器輸出端。（5）引腳5：振蕩器定時(shí)電容接入端。（6） 引腳6：振蕩器定時(shí)電阻接入端。（7）引腳7：振蕩器放電端。該端與引腳5之間外接一只放電電阻，形成放回路。（8） 引腳8：軟啟動(dòng)電容接入端。（9） 引腳9：PWM信號(hào)輸入端。（10） 引腳10：外部關(guān)斷信號(hào)輸入端。（11） 引腳11：輸出端A。（12） 引腳12：信號(hào)地。（13） 引腳13：輸出級(jí)偏置電壓接入端。（14） 引腳14：輸出端B。（15） 引腳15：偏置電源接入端。（16） 引腳16：基準(zhǔn)電源

7、輸出端。SG3525芯片特點(diǎn)如下：（1） 工作電壓范圍：8-35v。（2） 5.1V微調(diào)基準(zhǔn)電源（3） 振蕩器頻率工作范圍：100Hz-500kHz。（4） 具有振蕩器外部同步功能（5）死區(qū)時(shí)間可調(diào)。（6） 內(nèi)置軟啟動(dòng)電路。（7） 具有輸入欠電壓鎖定功能。（8） 具有PWM鎖存功能，禁止多脈沖。（9）逐個(gè)脈沖關(guān)斷。（10）雙路輸出（灌電流/拉電流）：Ma(峰值)其11和14腳輸出兩個(gè)等幅、等頻、相位互補(bǔ)、占空比可調(diào)的PWM信號(hào)。腳6、腳7 內(nèi)有一個(gè)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)

8、部誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個(gè)兩級(jí)差分放大器。根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，另外當(dāng)10腳的電壓為高電平時(shí)，11和14腳的電壓變?yōu)?0輸出。3.1.3 控制電路原理由于SG3525的振蕩頻率可表示為 ：式中:, 分別是與腳5、腳6相連的振蕩器的電容和電阻；是與腳7相連的放電端電阻值。根據(jù)任務(wù)要求需要頻率為5kHz，所以由上式可取=1F, =70,=50。可得f=5kHz，滿足要求。 SG3525有保護(hù)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(dòng)電路輸出的過流保護(hù)電流信號(hào)經(jīng)一電阻作用，轉(zhuǎn)換

9、成電壓信號(hào)來進(jìn)行過流保護(hù)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路檢測到過流時(shí)發(fā)出電流信號(hào)，由于電阻的作用將10腳的電位抬高，從而13腳輸出低電平，而當(dāng)其沒有過流時(shí)，10腳一直處于低電平，從而正常的輸出PWM波。第四章 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)4.1 IGBT驅(qū)動(dòng)電路選擇 PWM控制信號(hào)由于強(qiáng)度不夠，不能夠直接去驅(qū)動(dòng)IGBT，因此需要信號(hào)放大的電路。另外直流斬波電路會(huì)產(chǎn)生很大的電磁干擾，會(huì)影響控制電路的正常工作，甚至導(dǎo)致電力電子器件的損壞。因而設(shè)計(jì)中還需要有帶電器隔離的部分。所以我采用光電耦合式驅(qū)動(dòng)電路。4.2 驅(qū)動(dòng)電路原理如圖4.1所示，IGBT降壓斬波電路的驅(qū)動(dòng)電路提供電氣隔離環(huán)節(jié)。光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，封裝在一個(gè)

10、外殼內(nèi)。本電路中采用的隔離方法是，先加一級(jí)光耦隔離，再加一級(jí)推挽電路進(jìn)行放大。采用推挽電路進(jìn)行放大的原因是因?yàn)轵?qū)動(dòng)IGBT的電壓叫高，約為12V左右，而SG3525芯片提供的電壓只有5V左右，直接連入無法驅(qū)動(dòng)IGBT。并且推挽式電路簡單實(shí)用，故用推挽式進(jìn)行電壓放大。IGBT是電壓控制型器件，在它的柵極-發(fā)射極間施加十幾V的直流電壓，只有A級(jí)的漏電流流過，基本上不消耗功率。但I(xiàn)GBT的柵極-發(fā)射極間存在著較大的寄生電容（幾千至上萬pF），在驅(qū)動(dòng)脈沖電壓的上升及下降沿需要提供數(shù)安電流，才能滿足開通和關(guān)斷的動(dòng)態(tài)要求，這使得它的驅(qū)動(dòng)電路也必須輸出一定的峰值電流。圖4.1 IGBT驅(qū)動(dòng)電路第五章 保護(hù)電

11、路設(shè)計(jì)5.1 保護(hù)電路設(shè)計(jì)基本原則在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，還要設(shè)計(jì)合適的過電壓、過電流、保護(hù)和 保護(hù)電路。5.2 保護(hù)電路設(shè)計(jì)5.2.1 過電壓保護(hù)電路過壓保護(hù)要根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的保護(hù)電路，當(dāng)達(dá)到定電壓值時(shí)，自動(dòng)開通保護(hù)電路，使過壓通過保護(hù)電路形成通路，消耗過壓儲(chǔ)存的電磁能量，從而使過壓的能量不會(huì)加到主開關(guān)器件上，保護(hù)了電力電子器件。本次設(shè)計(jì)的電路要求輸出電壓為10V90V，所以當(dāng)輸出電壓設(shè)定時(shí)，一旦出現(xiàn)過電壓，為了保護(hù)電路和器件，應(yīng)立刻將電路斷開，及關(guān)斷IGBT的脈沖，使電路停止工作。因?yàn)樾酒琒G3525的引腳10端為外部關(guān)斷

12、信號(hào)輸入端，所以可以利用SG3525的這個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行過壓保護(hù)。當(dāng)引腳10端輸入的電壓等于或超過8V時(shí)，芯片將立刻鎖死，輸出脈沖將立即斷開。所以可以從輸出電壓中進(jìn)行電壓取樣，并將取樣電壓通過比較器輸入10端，從而實(shí)現(xiàn)電壓保護(hù)。如圖6所示：取樣電壓的方法是在U。端串聯(lián)兩個(gè)電阻再通過在電阻中分得的電壓連入比較器的正端，與連入負(fù)端的基準(zhǔn)電壓（5V）進(jìn)行比較。正常狀態(tài)下，取樣電壓小于基準(zhǔn)電壓，此時(shí)比較器輸出的是負(fù)的最大值，芯片正常工作，當(dāng)出現(xiàn)過電壓是，取樣電壓高于基準(zhǔn)電壓，此時(shí)輸出高電平15V，在通過電阻分壓得到5V的高電平送入芯片的10端，使其鎖死，IGBT脈沖斷開，電路斷開，從而對電路實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)。過

13、壓保護(hù)電路圖如圖5.1所示。圖5.1 過壓保護(hù)電路圖5.2.2 過電流保護(hù)電路當(dāng)電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過電流。當(dāng)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?dòng)系統(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(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^流保護(hù)。本次設(shè)計(jì)要求具有過流保護(hù)功能，在電流達(dá)到6A時(shí)動(dòng)作。因?yàn)榍懊嬲f過，SG3525的引腳10端在輸入一個(gè)高電平時(shí)具有自鎖功能，所以仍然可以利用這個(gè)方法進(jìn)行過流保護(hù)。主要思想是將過電流轉(zhuǎn)化為過電壓。具體的做法是在干路上串聯(lián)一個(gè)很小的功率電阻，再在這

14、個(gè)小電阻上并聯(lián)一個(gè)大電阻，從而進(jìn)行過電流與過電壓的轉(zhuǎn)化。將轉(zhuǎn)化的電壓連入比較器于一個(gè)基準(zhǔn)電壓(取0.6V)相比較，就是在基準(zhǔn)5.1V經(jīng)過電阻分壓得到0.6V,再將輸出經(jīng)降壓后得到5V后連入SG3525的10端。在正常狀態(tài)下連入的電壓小于基準(zhǔn)電壓，此時(shí)，輸出一個(gè)負(fù)的最大值，芯片不會(huì)鎖死，正常工作。而當(dāng)過電流時(shí)，轉(zhuǎn)化的電壓高于基準(zhǔn)電壓，此時(shí)輸出一個(gè)高電平，芯片的10端鎖死，IGBT脈沖斷開，電路斷開，從而對電路實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。過流保護(hù)電路如圖5.2。圖5.2 過流保護(hù)電路5.2.3 IGBT的保護(hù)IGBT如果不采取保護(hù)，它很容易損壞。一般認(rèn)為IGBT要原因有兩種：一是IGBT退出飽和區(qū)而進(jìn)入了放大區(qū)

15、，使得開關(guān)損耗增大；二是IGBT發(fā)生短路，產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電流，從而使IGBT損壞。下面是對IGBT進(jìn)行設(shè)計(jì)的保護(hù)電路。RC串聯(lián)電路可以對IGBT進(jìn)行過電壓保護(hù)，而反向二極管可以對IGBT進(jìn)行過電流保護(hù)。在無緩沖電路的情況下，IGBT開通時(shí)電流迅速上升，di/dt很大；關(guān)斷時(shí)du/dt很大，并出現(xiàn)很大的過電壓。在有緩沖電路的情況下；V開通時(shí)C5通過R34向V放電，使先上一個(gè)臺(tái)階，以后因有，上升速度減慢；V關(guān)斷時(shí)負(fù)載電流通過VD向C5分流，減輕了V的負(fù)擔(dān)，抑制了du/dt和過電壓。VD和R34的作用是在V關(guān)斷時(shí)，給提供釋放儲(chǔ)能的回路。如圖5.3所示。 圖5.3 IGBT保護(hù)電路圖第六章 系統(tǒng)仿真及

16、結(jié)論6.1 仿真軟件的介紹此次仿真使用的是MATLAB軟件。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。 Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和

17、分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 Simulink是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供

18、了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測試。. 構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB® 緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。6.2 仿真電路及其仿真結(jié)果6.2.1 仿真電路圖1、仿真模型如圖6.1所示。圖6.1 降壓斬波的MATLAB電路的模型2、參數(shù)設(shè)置設(shè)置電感參數(shù)如圖6.2所示：圖6.2 設(shè)置電感參數(shù)設(shè)置電阻參數(shù)如圖6.3所示：圖6.3

19、 設(shè)置電阻參數(shù)設(shè)置電容參數(shù)如圖6.4所示：圖6.4 設(shè)置電容參數(shù)設(shè)置占空比如圖6.5所示：圖6.5 設(shè)置占空比6.2.2 仿真結(jié)果 MATLAB的.仿真結(jié)果如下（第一個(gè)波形為PWM控制信號(hào)，第二個(gè)為輸出電壓Uo,第三個(gè)是輸出電流Io,第四個(gè)為流經(jīng)IGBT的電流）：圖. =0.1時(shí)的仿真結(jié)果圖. =0.5時(shí)的仿真結(jié)果圖. =0.9時(shí)的仿真結(jié)果6.2.3 仿真結(jié)果分析由仿真圖計(jì)算出輸出平均電壓Uo,脈率U將之與理論值相對比如下表4.1：表4.1=0.1=0.5=0.9Uo (V)UUo (V)UUo (V)U仿真值9.58%49.96%89.72%理論值105090（參考公式 ） 上面數(shù)據(jù)中Uo的

20、仿真值與理論值存在著誤差，主要原因是由于理論值是在理想情況下求出的，此時(shí)取值很大，則輸出電流可看做不變化。而在仿真電路中，需要根據(jù)實(shí)際情況與不能取到非常大。所以電流、電壓不恒定，存在著振蕩，使仿真值與理論值存在差異。 此外，我還仿真了在不同的電感值下的結(jié)果。最后發(fā)現(xiàn)，電感取得越大，輸出電壓振蕩的脈率越小。圖片在此不再贅述。 心得體會(huì)經(jīng)過近一個(gè)多星期的努力我終于順利的完成了此次電力電子的課程設(shè)計(jì)， 其中遇到了許多的問題和困難但是也學(xué)到了很多的知識(shí)。遇到的問題和困難：(1) 在計(jì)算元器件參數(shù)是缺少理論依據(jù)難以正確的計(jì)算相應(yīng)的參數(shù)。(2) 在選取元器件型號(hào)和參數(shù)時(shí)，缺少實(shí)際經(jīng)驗(yàn)難以找到合適的元件。(3) 在用MATLAB軟件仿真是遇到了許多操作上的問題，致使仿真花費(fèi)的很多時(shí)間才達(dá)到有效效果。雖然遇到了許多的困難但是我還是通過不斷的學(xué)習(xí)解決了這些難題。學(xué)到的知識(shí)：(1) 通過這次課程設(shè)計(jì)我夯實(shí)了電力電子的基礎(chǔ)知識(shí)。(2) 對直流斬波有了更深層次的理解。(3) 對MATLAB軟件和電路原理圖的設(shè)計(jì)有了初步了解。(4) 對加深了AutoCAD和的操作熟練程度。(5) 在面對學(xué)