電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)

1、 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目直流降壓斬波電路 姓 名： 閆偉 所在學(xué)院： 能源工程學(xué)院 所學(xué)專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí): 電氣1班 學(xué) 號(hào): 1105230150 指導(dǎo)教師： 李艷 完成時(shí)間 : 2013/12/30 中文摘要：直流斬波器已廣泛應(yīng)用于電力牽引、電機(jī)控制以及一些需要可調(diào)直流電壓的場(chǎng)合。但作為應(yīng)用產(chǎn)品，目前都是降壓型的，即輸出電壓只能在輸入電壓以下范圍內(nèi)可調(diào)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的是Buck降壓斬波電路，采用全控型器件IGBT。根據(jù)降壓斬波電路設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路。本設(shè)計(jì)介紹了降壓直流斬波電路的工作原理，直流斬波電路各部分的結(jié)構(gòu)及原理。實(shí)驗(yàn)證明電路簡(jiǎn)單、控制方

2、便、特性好。設(shè)計(jì)此裝置，使學(xué)生通過該裝置測(cè)試、觀察直流斬波電路的各個(gè)參數(shù)及波形，應(yīng)用此裝置可驗(yàn)證降壓斬波的相關(guān)理論知識(shí)。English abstract：Dc chopper has been widely used in electric traction, motor control, and some places need adjustable dc voltage.But as application products, at present is step-down type, namely the output voltage can only under the input v

3、oltage range is adjustable.Buck step-down chopper circuit is designed in this study, using the type control device IGBT.According to the step-down chopper circuit design task requires design of main circuit, control circuit, drive and protection circuit.This design introduced the buck dc chopper cir

4、cuit working principle of dc chopper circuit structure and principle of each part.Experimental results show circuit is simple, easy control and good properties.This device design, make the students through the equipment testing, observing all parameters of the dc chopper circuit and waveform, the ap

5、plication of this device can verify buck chopper relevant theoretical knowledge.1、 設(shè)計(jì)任務(wù)1降壓斬波電路說明及主電路設(shè)計(jì)2設(shè)計(jì)降壓斬波電路的控制電路設(shè)計(jì)3設(shè)計(jì)降壓斬波電路的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)4設(shè)計(jì)降壓斬波電路的保護(hù)電路設(shè)計(jì)5設(shè)計(jì)降壓斬波電路的系統(tǒng)仿真及結(jié)論二、 降壓斬波電路設(shè)計(jì)要求：對(duì)Buck降壓電路的基本要求有以下幾點(diǎn)：1.輸入直流電壓：Ud=100V2.開關(guān)頻率40KHz3.輸出電壓范圍50V80V4.輸出電壓紋波：小于1%5.最大輸出電流：5A（在額定負(fù)載下）6.具有過流保護(hù)功能，動(dòng)作電流：6A7.具有穩(wěn)壓功能

6、8.效率不低于70%三、設(shè)計(jì)方案選擇及論證。根據(jù)所選課題設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)降壓斬波電路，可運(yùn)用電力電子開關(guān)來控制電路的通斷即改變占空比，從而獲得我們所想要的電壓。這就可以根據(jù)所學(xué)的buck降壓電路作為主電路，這個(gè)方案是較為簡(jiǎn)單的方案，直接進(jìn)行直直變換簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。而另一種方案是先把直流變交流降壓，再把交流變直流，這種方案把本該簡(jiǎn)單的電路復(fù)雜化，不可取。至于開關(guān)的選擇，選用比較熟悉的全控型的IGBT管，而不選半控型的晶閘管，因?yàn)镮GBT控制較為簡(jiǎn)單，且它既具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，又用通態(tài)壓降小、耐壓高、電流大等優(yōu)點(diǎn)。四、總體電路的功能框圖及其說明根據(jù)降壓斬波電路設(shè)計(jì)任務(wù)要

7、求設(shè)計(jì)主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路，設(shè)計(jì)出降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 圖1 電路框圖在圖1結(jié)構(gòu)框圖中，控制電路是用來產(chǎn)生IGBT降壓斬波電路的控制信號(hào)，控制電路產(chǎn)生的控制信號(hào)傳到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路把控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為加在IGBT控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號(hào)。通過控制IGBT的開通和關(guān)斷來控制IGBT降壓斬波電路的主電路工作。保護(hù)電路是用來保護(hù)電路的，防止電路產(chǎn)生過電流、過電壓和欠電壓等現(xiàn)象損害電路設(shè)備。5、 功能塊及單元電路的設(shè)計(jì)、計(jì)算與說明。5.1、降壓斬波電路說明及主電路設(shè)計(jì)5.1.1、降壓斬波電路說明1.1 式中為V處于通態(tài)的時(shí)間；為V處于斷態(tài)的時(shí)間；T為開關(guān)周期

8、；為導(dǎo)通占空比，簡(jiǎn)稱占空比或?qū)ū?。降壓斬波電路的占空比小?。根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同，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)間不變，稱為PWM。2） 保持開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不變，改變開關(guān)周期T，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。3） 和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型但是普遍采用的是脈沖寬調(diào)制工作方式。因?yàn)椴捎妙l率調(diào)制工作方式，容易產(chǎn)生諧波干擾，而且濾波器設(shè)計(jì)也比較困難。此電路就是采用脈沖寬調(diào)制控制IGBT的通斷。5.1.2、BUCK降壓斬波主電路在電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路稱為主電路。IGBT降壓斬波電路的主電路圖如下圖2所示。它是一種降壓型變

9、換器，其輸出電壓平均值U，總是小于輸入電壓。該電路使用一個(gè)全控型器件V，為IGBT。在V關(guān)斷時(shí)，為了給負(fù)載中電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管VD。圖2 降壓斬波主電路圖 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、電阻值，其參數(shù)選擇如下說明：(1) 對(duì)于電源，因?yàn)轭}目要求輸入直流電壓為100V，所以該直流穩(wěn)壓電源可直接作為系統(tǒng)電源。(2)IGBT 由圖2易知當(dāng)IGBT截止時(shí)，回路通過二極管續(xù)流，此時(shí)IGBT兩端承受最大正壓為100V；而當(dāng)=1時(shí)，IGBT有最大電流，其值為5A。故需選擇集電極最大連續(xù)電流5A，反向擊穿電壓B100v的IGBT。如果

10、考慮2倍的安全裕量需選擇集電極最大連續(xù)電流10A，反向擊穿電壓200V的IGBT。 (3)二極管 當(dāng)=1時(shí)，其承受最大反壓100V；而當(dāng)趨近于1時(shí)，其承受最大電流趨近于5A，故需選擇100v,I5A的二極管。考慮2倍的安全裕量： =2=200V =1xIt=2x5=10A(4)電感 選擇大電感L，使得電路能夠續(xù)流，此時(shí)的臨界電感為： L=（）/2fI。設(shè)輸出電壓為80V，則L=80x（10080）/2x1000x40x100x5=0.04mH所以電感L=0.04mH，取L=0.1mH。(5) 電容 選擇的電容既要使得輸出的電壓紋波小于1%，也不能取的太大，否則會(huì)使電路的速度變得很慢。電容的選擇

11、：也取輸出電壓為80V時(shí)來算C=（）/8Lff =80x（10080）/8x0.1mHx0.01x40Kx40Kx100=12.5uF這里取C=13uF。(6)電阻R 因?yàn)檩敵鲭妷簽?0V80V時(shí)，而輸出的最大電流為5A。所以由歐姆定律R=U/I可得負(fù)載電阻值為最小取值在10。5.2設(shè)計(jì)降壓斬波電路的控制電路設(shè)計(jì) 5.2.1、因?yàn)閿夭娐酚腥N控制方式，又因?yàn)镻WM控制技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，所以采用PWM控制方式來控制IGBT的通斷。 SG3525芯片，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(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護(hù)電路等。SG352

12、5是定頻PWM電路，采用16引腳標(biāo)準(zhǔn)DIP封裝。其各引腳功能如圖4所示，內(nèi)部框圖如圖5所示。 圖4 SG3525的引腳 圖5 內(nèi)部框圖 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

13、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）

14、 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)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

15、壓變?yōu)?0輸出。5.2.2、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40kHz，所以由上式可取=1F, =10,=6.2?？傻胒=39.1kHz，基本上等于實(shí)際40 kHz即滿足要求。 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(cè)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

16、輸出PWM波。由此可以得出控制電路的電路圖如圖6所示：圖6 控制電路圖5.3設(shè)計(jì)降壓斬波電路的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)5.3.1、本實(shí)驗(yàn)采用光電耦合式驅(qū)動(dòng)電路，該電路雙側(cè)都有源。其提供的脈沖寬度不受限制，較易檢測(cè)IGBT的電壓和電流的狀態(tài)，對(duì)外送出過流信號(hào)。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(duì)脈沖信號(hào)有1s的時(shí)間滯后，不適應(yīng)于某些要求比較高的場(chǎng)合5.3.2、驅(qū)動(dòng)電路工作分析：驅(qū)動(dòng)電路的電路圖如圖7所示：接IGBT源極接IGBT柵極PWM調(diào)制 圖7 驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖7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)外殼內(nèi)。本

17、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(jiǎn)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。5.4設(shè)計(jì)降壓斬波電路的保護(hù)電路設(shè)計(jì)5.4.1、在

18、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，采用合適的過電壓、過電流、保護(hù)和 保護(hù)也是必要的。5.4.2、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50V80V，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)斷信號(hào)輸入端，所以可以利用SG3525的這個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行過

19、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(duì)電路實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)。設(shè)計(jì)的過壓保護(hù)電路圖如圖8所示： 圖8 過壓保護(hù)電路原

20、理圖5.4.3、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(duì)較差，必須對(duì)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

21、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(duì)電路實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。設(shè)計(jì)的過流保護(hù)電路如圖9所示：接入SG3525的10端過流保護(hù)輸入圖9 過電流保護(hù)原理電路圖 5.4.4、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)

22、，使得開關(guān)損耗增大；二是發(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(duì)IGBT進(jìn)行設(shè)計(jì)的保護(hù)電路。RC串聯(lián)電路可以對(duì)IGBT進(jìn)行過電壓保護(hù)，而反向二極管可以對(duì)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11所示： 圖11 IGBT保護(hù)電路5.4.5、設(shè)計(jì)穩(wěn)壓直流電源15

23、V和直流電壓100V題目只給直流電壓=100V，而運(yùn)算放大器和SG3525芯片需要15V的工作電壓。如圖12所示，先用變壓器將220V降壓為22V的交流電，再經(jīng)過橋式整流得到直流電壓。通過濾波電容濾波后，用三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓成15V的電壓輸出。其中變壓器匝數(shù)比為220V/24V,電容C1=100uF并且耐壓50V，三端集成穩(wěn)壓器型號(hào)為7815。選擇二極管型號(hào)為IN4003。同時(shí)再將220V通過變壓器降壓后，再通過橋式整流，再接濾波電容濾波后，即可得到直流電壓=100V。 圖12 穩(wěn)壓15V電路六、總體電路原理圖及其說明（系統(tǒng)仿真及結(jié)論）七、所用的全部元器件型號(hào)參數(shù)等。 器件名稱規(guī)格與型號(hào)數(shù)量絕

24、緣柵雙極型晶體管200V/10A1個(gè)續(xù)流二極管IN414B1個(gè)電感0.1mH1個(gè)電容100uF/13uF/1uF/0.1uF2/1/2/1個(gè)二極管IN400311個(gè)金屬膜電阻20/6.2/10/123/1/3/1 個(gè)金屬膜電阻88.7/500/2K/1K1/1/4/5個(gè)金屬膜電阻19.1K/5.1K/95.3K/75K1/2/1/1個(gè)三極管PNP型.NPN型各1個(gè)滑動(dòng)變阻器1K1個(gè)PWM控制器SG35251片光耦合器6N1362個(gè)運(yùn)算放大器LM3241片三端集成穩(wěn)壓器件78151個(gè)或門74LS321片功率電阻0.1/60W2個(gè)變壓器220V/24V1個(gè)結(jié)束語直流降壓斬波電路主要分為三個(gè)部分，分別為主電路模塊，控制電路模塊，驅(qū)動(dòng)電路模塊，除了上述主要模塊之外，還必須考慮電路中電力電子器件的保護(hù)，以及控制電路與主電路的電氣隔離。IGBT降壓斬波電路由于易驅(qū)動(dòng)，電壓、電流容量大在電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中有廣闊的發(fā)展前景，也由于開關(guān)電源向低電壓