直流升壓斬波電路課程設(shè)計

1、湖南學(xué)院課程設(shè)計說明課題名稱:直流升壓斬波電路的設(shè)計專業(yè)名稱:自動化學(xué)生班級:自本 09030903 班學(xué)生姓名:曾盛學(xué)生學(xué)號:指導(dǎo)教桂友超電力電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書、設(shè)計任務(wù)和要求熟悉整流和觸發(fā)電路的基本原理，能夠運用所學(xué)的理論知識分析設(shè)計（6）、設(shè)計內(nèi)容（1） 明確設(shè)計任務(wù)，對所要設(shè)計地任務(wù)進行具體分析，充分了解系統(tǒng)性 能,指標(biāo)要求。（2）制定設(shè)計方案。（3） 迸行具體設(shè)計：單元電路的設(shè)計；參數(shù)計算；器件選擇；繪制電路原 理圖。（4） 撰寫課程設(shè)計報告（說明書）：課程設(shè)計報告是對設(shè)計全過程的系統(tǒng) 總結(jié)。二、技術(shù)指標(biāo)斬波電路輸出電壓為3405V，直流升壓斬波電路輸入電壓為直流流24V60V，

2、輸 出 功 率 為100W。（1）(4)(5)掌握基本電路的數(shù)據(jù)分析、處理；描繪波形并加以判斷。 能正確設(shè)計電路，畫出線路圖，分析電路原理。廣泛收集相關(guān)資料。獨立思考，刻苦專研，嚴(yán)禁抄襲。按時完成課程設(shè)計任務(wù)，認(rèn)真、正確的書寫課程設(shè)計報告。目錄緒論 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.1.2參數(shù)計算.第2章 直流升壓斬波電路驅(qū)動電路設(shè)計 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.3.2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 第5章直流升壓斬波電路仿真5.1仿真模型的選擇.5.2仿真結(jié)果及分析.第6章設(shè)計總結(jié) 參考文獻 附錄：元件清單緒論直

3、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 流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程

4、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。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勺高輸入阻 抗和GTR勺低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。GTF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)通壓降大，載

5、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M57962簡介M579621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(HybridIntegrated 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。M57962I是 一種高速驅(qū)動電路，驅(qū)動信號延時tP LH和tPHL最大為1.50卩s?？梢则?qū)動600V/400V級

6、的IGBT模塊。M57962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。IGBT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IGBTo3 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)過流輸出 電路。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

7、，V通時，E向L充電，充電電流恒為I1，同時C的電 壓向負(fù)載供電，因C值很大，輸出電壓U0為恒值，記為U。設(shè)V通的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為EI1ton。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toff，則此期間電 感L釋放能量為：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，其原理圖如生_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(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 高于電源的電壓，二極管的作用是阻斷1.QC=p-%1圖 1-1 直流升壓斬波電路原理圖V導(dǎo)通是，電

8、容的放電回路。調(diào)節(jié)開關(guān)器(Uo-E)l1toff(1-1)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(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， 壓會略低于理論所得結(jié)果，不過，在電容 略。1.2參數(shù)計算由直流斬波電路的原理可知又輸入電壓為輸入直流電壓范圍： 要根據(jù)輸入的電壓控制全控晶閘管 壓比就可得到所需電壓。由計算得:色春28517又因為要求輸出功率P=100W,U0=340V(1-8)穩(wěn)態(tài)時，

9、一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等Eton =(5 -Ertoff(1-2 )化簡得:U0=MWEtofftoff(1-3)上式中%ff -1，輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路。%of-升壓比，調(diào)節(jié)其即可改變和導(dǎo)通占空比，有如下關(guān)系：U0。將升壓比的倒數(shù)記作3，即牛。(1-4)u。必然會有所下降，故實際輸出電C值足夠大時，誤差很小，基本可以忽to n+toffU0 =LoffEtoff(1-6)24V60V要求輸出直流電壓：340乂所以只IGBT關(guān)斷的時間和開通的時間比就可，即升(1-7)得:(1-9 )R=1156Q第 2 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

10、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M57962L1動器內(nèi)部具有退飽和 和檢測和保護環(huán)節(jié)，路發(fā)出故障信號。第 3 3 章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

11、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,并向外部電直流升壓斬波電路保護電路設(shè)計對于所選的保險絲，遵從I2t值小于晶閘管的允許I2t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。夕卜 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

12、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(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3-2中的電阻可以是1KQ左右的電阻，而電容的值可以為100卩F左右， 這樣形成一個保護電路。圖 3-2 直流

13、斬波電路過電壓保護電路第 4 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、保護模塊、緩 沖電路組成。圖 4-1 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P,使其達到：8517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(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1156Q。其中保護電路包括過電壓保護和過電流保護。第 5 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P S

14、im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 5-3 直流電壓輸岀波形 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。(4-1 )圖 5-1 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Ud=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UGE的占空比 大小，即從示波器上觀察輸出電壓Uo大小，示波器上紅線表示輸

15、出直流電壓， 藍線表示輸入電壓，(1)當(dāng)占空比為(2)當(dāng)占空比為而橙色表示輸出電流大小。Ud=24V是，得到輸出直流電壓圖 5-1 直流電壓輸岀波形 1Ud=35V是，得到輸出直流電壓a=0.93,a=0.90,當(dāng)占空比為a=0.87,圖 5-2 直流電壓輸岀波形 2Ud=45V是，得到輸出直流電壓Uo=343.5V。Uo=340.5V。Uo=344.2V。第 6 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。可能還有很多不足 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(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