直流升壓斬波電路課程設(shè)計

1、 電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書 直流升壓斬波電路設(shè)計 學(xué) 院： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 凌 昇 指導(dǎo)教師： 董恒 職稱/學(xué)位 碩士 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 電氣本1201 學(xué) 號： 1230120148 完成時間： 2015年6月 目錄緒論 1 1 直流升壓斬波電路的設(shè)計思想 3 1.1直流升壓斬波電路原理 3 1.2參數(shù)計算 4 2 直流升壓斬波電路驅(qū)動電路設(shè)計 5 3直流升壓斬波電路保護電路設(shè)計 6 3.1過電流保護電路 6 3.2過電壓保護電路 6 4 直流升壓斬波電路總電路的設(shè)計8 5 直流升壓斬波電路仿真9 5.1仿真模型的選擇 9 5.2仿真結(jié)果及分析 9 致

2、謝 11 參考文獻 12 附錄：元件清單 13 緒論直流升壓電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調(diào)電壓的 DC-DC 變換器 ,在直流傳動系統(tǒng)、充電蓄電電路、開關(guān)電源、電力電子變換裝置及各種用電設(shè)備中得到普通的應(yīng)用。隨之出現(xiàn)了諸如降壓電路、升降壓電路、復(fù)合電路等多種方式的變換電路。直流斬波技術(shù)已被廣泛用于開關(guān)電源及直流電動機驅(qū)動中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)、節(jié)約電能的效果。早期的直流裝換電路，電路復(fù)雜、功率損耗、體積大，使用不方便。晶閘管的出現(xiàn)為這種電路的設(shè)計又提供了一種選擇。晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又可稱做可控硅整流器，以前被簡稱為可控硅；晶閘管具有硅整流器件

3、的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。它電路簡單體積小，便于集成；功率損耗少，符合當(dāng)今社會生產(chǎn)的要求；所以在直流轉(zhuǎn)換電路中使用晶閘管是一種很好的選擇。本設(shè)計基于電力電子技術(shù)課程，充分使用全控型晶閘管IGBT設(shè)計電路，實現(xiàn)直流升壓。IGBT絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)

4、通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。 M57962L是由日本三菱電氣公司為驅(qū)動IGBT而設(shè)計的厚膜集成電路(Hybrid Integrated Circuit For Driving IGBT Modules) 。在驅(qū)動模塊內(nèi)部裝有2500V高隔離電壓的光電耦合器，過流保護電路和過流保護輸出端子，具有封閉性短路保護功能。M57962L是一種高速驅(qū)動電路，驅(qū)動信號延時tPLH 和tPHL最大為1.50s?？梢则?qū)動600V/400V 級的IGBT模塊。

5、M57962L工作程序:當(dāng)電源接通后，首先自檢，檢測IGBT是否過載或短路。若過載或短路， IGBT 的集電極電位升高，經(jīng)外接二極管流入檢測電路的電流增加，柵極關(guān)斷電路動作，切斷IGBT的柵極驅(qū)動信號，同時在“8”腳輸出低電平“過載/短路”指示信號。lGBT正常時，輸入信號經(jīng)光電耦合接口電路，再經(jīng)驅(qū)動級功率放大后驅(qū)動IGBT。 M57962L采用雙電源+ Vcc和VEE ，原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。電路組成： (1) 放大隔離電路； (2) 定時復(fù)位電路；(3) 過流檢測電路； (4) 過流輸出電路。圖1 M57962L原理機結(jié)構(gòu)圖1 直流升壓斬波電路的設(shè)計思想1.1直流升壓斬波電路原理直流升壓變

6、流器用于需要提升直流電壓的場合，其原理圖如圖2所示。在電路中V導(dǎo)通時，電流由E經(jīng)升壓電感L和V形成回路，電感L儲能；當(dāng)V關(guān)斷時，電感產(chǎn)生的反電動勢和直流電源電壓方向相同互相疊加，從而在負(fù)載側(cè)得到 圖2 直流升壓斬波電路原理圖高于電源的電壓，二極管的作用是阻斷V導(dǎo)通是，電容的放電回路。調(diào)節(jié)開關(guān)器件V的通斷周期，可以調(diào)整負(fù)載側(cè)輸出電流和電壓的大小。假設(shè)L值、C值很大，V通時，E向L充電，充電電流恒為，同時C的電壓向負(fù)載供電，因C值很大，輸出電壓為恒值,記為。設(shè)V通的時間為，此階段L上積蓄的能量為E。V斷時，E和L共同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)V斷的時間為，則此期間電感L釋放能量為： （1）穩(wěn)態(tài)時，

7、一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等 （2）化簡得： （3）上式中，輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路。升壓比，調(diào)節(jié)其即可改變。將升壓比的倒數(shù)記作，即。和導(dǎo)通占空比，有如下關(guān)系： （4）因此，式（1-2）可表示為： （5）升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個原因:一是L儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。在以上分析中，認(rèn)為V處于通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓Uo不變，但實際上C值不可能為無窮大，在此階段其向負(fù)載放電，U。必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低于理論所得結(jié)果，不過，在電容C值足夠大時，誤差很小，基本可以忽略。1.2參數(shù)計算由直流斬波

8、電路的原理可知 （6）又輸入電壓為輸入直流電壓范圍：24V60V，要求輸出直流電壓：340V。所以只要根據(jù)輸入的電壓控制全控晶閘管IGBT關(guān)斷的時間和開通的時間比就可，即升壓比就可得到所需電壓。由計算得： （7）又因為要求輸出功率P=100W, =340V （8）得： R= （9）2 直流升壓斬波電路驅(qū)動電路設(shè)計升壓電路所用全控型晶閘管IGBT是電壓型驅(qū)動器件。IGBT的柵射極之間有數(shù)千皮法左右的極間電容，為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路具有較小的輸出電阻使IGBT開通的柵射極間的驅(qū)動電壓一般取1520V。同樣，關(guān)斷時施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動電壓（-5-15V）有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。在柵極

9、串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩。IGBT的驅(qū)動多采用專用的混合驅(qū)動集成驅(qū)動器，本次采用M57962L驅(qū)動器。如圖3驅(qū)動電路圖所示。又由產(chǎn)品信息知M57962L驅(qū)動器內(nèi)部具有退飽和和檢測和保護環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)生過電流時能快速響應(yīng)但慢速關(guān)斷IGBT，并向外部電路發(fā)出故障信號。圖3直流升壓斬波驅(qū)動電路3 直流升壓斬波電路保護電路設(shè)計3.1過電流保護電路電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。過電流分為過載和短路兩種情況。通常采用的保護措施有：快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器。一般電力電子裝置均同時采用集中過流保護措施，以提高保護的可靠性和合理性。綜合本次設(shè)計電路的特點，采用快速熔

10、斷器，即給晶閘管串聯(lián)一個保險絲實施電流保護。如圖4電流保護電路所示。圖4直流升壓斬波電路過流保護電路對于所選的保險絲，遵從值小于晶閘管的允許值。3.2過電壓保護電路電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因。本設(shè)計主要用于室內(nèi)，為了使用方便不考慮來自雷擊的威脅。操作過電壓是由分閘、合閘的開關(guān)操作引起的過電壓，電網(wǎng)側(cè)的操作過電壓會由供電變壓器磁感應(yīng)耦合，或由變壓器繞組之間存在的分布電容靜感應(yīng)耦合過來。內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，包括：換相過電壓，關(guān)斷過電壓。根據(jù)以上產(chǎn)生過電壓的的各種原因，設(shè)計相應(yīng)的保護電

11、路。如圖5過壓保護電路所示。其中：圖中是利用一個電阻加電容進行電壓抑制，當(dāng)電壓過高時，保護電路中的電容會阻礙其電壓的上升，從而使得電力電子器件IGBT管因電壓的的過高厄爾損壞。圖5中的電阻可以是1K左右的電阻，而電容的值可以為100F左右，這樣形成一個保護電路。 圖5直流斬波電路過電壓保護電路4 直流升壓斬波電路總電路的設(shè)計如圖6總電路設(shè)計圖所示。電路由升壓電路，驅(qū)動模塊、保護模塊、緩沖電路組成。圖6直流升壓斬波電路總電路由M57862L芯片為核心構(gòu)成的驅(qū)動電路，控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，從而控制電路的升壓比，使其達到： （10）進而使輸出電壓達到目的值。升壓電路時整個電路的核心，由一個I

12、GBT和電容、電感值都很大的電容電感各一個。R為輸出負(fù)載，電壓由此輸出。因為輸出功率是一定的100W，從而R為定值1156。其中保護電路包括過電壓保護和過電流保護。5 直流升壓斬波電路仿真5.1仿真模型的選擇在本次的設(shè)計中，采用了Psim軟件作為仿真工具來進行電路的模擬。首先畫出電路的結(jié)構(gòu)圖如下所示：圖7直流升壓斬波電路仿真電路模擬圖由上圖中我們可以看到，在電路中，在IGBT的兩端加了脈沖觸發(fā)電壓，控制開關(guān)的關(guān)斷，以便得到升壓的電壓。5.2仿真結(jié)果及分析在仿真過程中，我將取輸入的直流電壓為U=2460V之間的任意值，將電感值取的盡可能的大，即L=500H，電阻值R=1000K，控制脈沖電壓U的

13、占空比大小，即從示波器上觀察輸出電壓U大小，示波器上紅線表示輸出直流電壓，藍(lán)線表示輸入電壓，而橙色表示輸出電流大小。（1） 當(dāng)占空比為=0.93，U=24V是，得到輸出直流電壓U=343.5V。 圖8直流電壓輸出波形1（2） 當(dāng)占空比為=0.90，U=35V是，得到輸出直流電壓U=340.5V。圖9直流電壓輸出波形2（3） 當(dāng)占空比為=0.87，U=45V是，得到輸出直流電壓U=344.2V。圖10直流電壓輸出波形3從上面的直流輸出電壓圖中我們可以看出來，本次設(shè)計是成功的，理論與實際是相符的，我們得到了340V的輸出電壓。致謝經(jīng)過一個多星期的努力，本次課程設(shè)計總算順利結(jié)束。可能還有很多不足的地

14、方，這還請老師指出教導(dǎo)。本次課程設(shè)計的內(nèi)容囊括了本學(xué)期所學(xué)電力電子技術(shù)的大部分內(nèi)容，還用到了以前所學(xué)的電路、模電的知識。在設(shè)計的過程中我遇到了諸多問題，這主要是自己所學(xué)知識的不牢固和欠缺造成的。通過再次認(rèn)真翻看課本，查閱資料，向老師和同學(xué)請教終于把一個又一個的問題解決掉。通過這次課程設(shè)計我不僅進一步鞏固了這門課程的知識還通過親自操作，熟悉了Visio等相關(guān)軟件的使用方法，這為以后的學(xué)習(xí)工作提供了便利。通過這次設(shè)計，我還發(fā)現(xiàn)課本上的理論知識和實踐還是有一定的差別，理論知識要應(yīng)用到實踐中要經(jīng)過仔細(xì)地思考和多次嘗試，只有這要才能達到理論聯(lián)系實踐的效果。如果不是通過課程設(shè)計，我們的知識面可能一直停留在

15、理論的層面。最后我要感謝那些給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)們，沒有他們的耐心幫助，本次課程設(shè)計將很難完成。參考文獻1 王兆安主編.電力電子技術(shù).第四版.北京：機械工業(yè)出版社2 葉斌主編.電力電子應(yīng)用技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社，20063 張興主編.PWM整流器及其控制.北京：機械工業(yè)出版社，20034 郝萬新主編.電力電子技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社, 20025 孟志強主編.電力電子技術(shù).晶閘管中頻感應(yīng)逆變電源的附加振蕩啟動方法, 2003.66 呂宏主編.電力電子技術(shù).感應(yīng)加熱電源的PWM-PFM控制方法, 2003.17 林飛主編.電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真.北京：中國電力出版社8 陳國呈主編.PWM逆變技術(shù)及應(yīng)用.北京：中國電力出版社，20079 李維波主編.MATLAB在電氣工程中的應(yīng)用.北京：中國電力出版社，200710 張衛(wèi)平主編.開關(guān)變換器的建模與控制.北京：中國電力出版社，200611 黃俊,秦祖蔭編.電力電子自關(guān)斷器件及電路.北京:機械工業(yè)出版社,199112 李序葆,趙永健編.電力電子器件及其應(yīng)用.北京:機械工業(yè)出版社,19