武漢工程大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計

1、 電力電子技術(shù)課程設(shè)計 電力電子課程設(shè)計題 目：DC/DC雙向變換器（升壓斬波）姓 名：學(xué) 號：指導(dǎo)教師(職稱)胡衛(wèi)兵專 業(yè)：班 級：所 在 學(xué) 院：電氣信息學(xué)院 2014年1月2日目錄緒論 - 3 - 第1章 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- 5 -1.2參數(shù)計算- 6 -第2章 直流升壓斬波電路驅(qū)動電路設(shè)計- 7 -第3章 直流升壓斬波電路保護電路設(shè)計-7 -3.1過電流保護電路- 8 -3.2過電壓保護電路- 8 -第4章 直流升壓斬波電路總電路的設(shè)計- 8 -第5章 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- 10-第6章

2、 設(shè)計總結(jié)- 10 -參考文獻- 11-附錄：元件清單- 11 -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；

3、晶閘管具有硅整流器件的特性，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。主要元件介紹1 IGBT介紹本設(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

4、較大;MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)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。2 驅(qū)動電路M57962L簡介 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tPL

5、H 和tPHL最大為1.50s?？梢则?qū)動600V/400V 級的IGBT模塊。M57962L工作程序:當電源接通后，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。 3 M57962L的工作原理 M57962L采用雙電源+ Vcc和VEE ，原理結(jié)構(gòu)圖如圖1-1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)

6、過流輸出電路。圖1-1 M57962L原理機構(gòu)圖 第1章 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流器用于需要提升直流電壓的場合，其原理圖如圖1-2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，從而在負載側(cè)得到 圖1-1 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

7、，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： （1-1）穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等 （1-2）化簡得： （1-3）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： （1-4）因此，式（1-2）可表示為： （1-5）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

8、階段其向負載放電，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)計算由直流斬波電路的原理可知 （1-6）又輸入電壓為輸入直流電壓：110V，要求輸出直流電壓：220V。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： （1-7）又因為要求輸出功率P=100W, =220V （1-8）得： R= （1-9）第2章 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

9、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2-2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2-1直流升壓斬波驅(qū)動電路 第3章 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

10、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，采用快速熔斷器，即給晶閘管串聯(lián)一個保險絲實施電流保護。如圖3-1電流保護電路所示。圖3-1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

11、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)的保護電路。如圖2-4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3-2中的電阻可以是1K左右的電阻，而電容的值可以為100µF左右，這樣形成一個保護電路。 圖3-2直流斬波電路過電壓保護電路第4章 直流升壓斬波電路總電路的設(shè)計 如圖4-1總電路設(shè)計圖所示。電路由升壓電路，驅(qū)動模塊、保護

12、模塊、緩沖電路組成。 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： （4-1）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IGBT和電容、電感值都很大的電容電感各一個。R為輸出負載，電壓由此輸出。因為輸出功率是一定的100W，從而R為定值484。其中保護電路包括過電壓保護和過電流保護。 圖4-1直流升壓斬波電路總電路 第5章 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matlab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5-1直流升壓斬波電路仿真電路模擬圖5.2 仿真結(jié)果及分

13、析（1）按照圖5-1建立電路模型，選用的各模塊及取經(jīng)如下表 表5.1 仿真電路模塊的名稱及提取途徑（2） 設(shè)置模塊參數(shù)和仿真參數(shù)。雙擊脈沖發(fā)生器模塊，按圖5-2設(shè)置參數(shù)。雙擊二極管模塊，按圖5-3設(shè)置參數(shù)。絕緣柵極雙極性晶體管模塊采用SIMULINK的默認設(shè)置。直流電壓源Vdc的幅值等于110V。串聯(lián)RLC支路為純感性電路，其中電感。并聯(lián)RLC支路中,L=inf，,。 打開菜單【SIMULINK>Configuration parameters】，選擇obe23tb算法，同時設(shè)置仿真結(jié)束時間為20ms。（3） 仿真機結(jié)果。開始仿真。在仿真結(jié)束后雙擊示波器模塊，得到絕緣柵極雙極性晶體管IG

14、BT和并聯(lián)RLC元件R/C上的電流電壓如圖5-4所示。圖中波形從上向下依次為電感電流、二級管電流、符合電壓、絕緣柵極雙極性晶體管電流和電壓。 5-2脈沖發(fā)生器模塊參數(shù)設(shè)置 5-3二極管模塊參數(shù)設(shè)置 5-4 仿真波形圖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220V的輸出電壓。 第6章 設(shè)計總結(jié) 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?？赡苓€有很多不足的地方，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。通過再次認真翻看課本，查閱資料，和向?qū)W長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matlab等相關(guān)軟件的使用方法，這為以后的學(xué)習工作提供了便利。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理論的層面。最后我要感謝那些給予我?guī)椭睦蠋熯@個學(xué)期對我們的教誨，讓我們對以后的路有了更清楚的認識，感謝學(xué)長的耐心幫助，