降压斩波电路__课程设计

1、辽宁工业大学电力电子技术课程设计论文题目：降压直流斩波电路实验装置院系：新能源学院专业班级：电气131班学 号：学生姓名：指导教师： 签字起止时间：2021-12-26至 2021-01-6课程设计论文任务及评语院系：新能源学院教研室：电气学号学生姓名专业班级电气131设计题目降压直流斩波电路实验装置 课程设计1论文>任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能为了电力电子技术课程的教学实验,设计此装置,使学生通过该装置测试、观 察直流斩波电路的各个参数及波形,应用此装置可验证降压斩波的相关理论知识.设计任务1、方案的经济技术论证.2、整流电路设计.3、通过计算选择整流器件的具体

2、 型号.4、斩波电路设计.5、驱动电路设计或选择.6、绘制相关电路图.要求1、文字在4000?左右.2、文中的理论分析与计算要止确.3、文中的图表工整、标准.4、元器件的选择符合要求.技术参数1、交流电源：单相220M 2、前级整流输出电压限制在 50V以内.3、斩波输 出电流最大值2A.4、负裁：纯电阻.5、斩波输出直流电压在1040V左右可调进度方案第1天:集中学习；第2天:收集资料；第3天：方案论证；第4天：主电路设计； 第5天:选择器件；第6天：确定变压器变比及容量；第 7天：保护电路设计；第 8天：触发电路设计；第9天：总结并撰写说明书；第10天：辩论指导教师评语及成绩平时：论文质量

3、：辩论：指导教师签字： 总成绩： 年月日目录第1章绪论 41.1 降压直流斩波电路的根本概念 51.2 降压直流斩波电路的开展 5第2章降压直流斩波斩波电路设计2.1 降压斩波电路工作原理 72.1.1 降压斩波电路(Buck Chopper) 72.1.2 IGBT驱动电路选择 82.2 整流电路 82.3 斩波信号产生电路 92.3.1 由分立元件组成的驱动电路 92.3.2 集成驱动电路 10(2)电路原理图及工作原理简介 112.4 最优参数选择 132.4.1 整流电路局部 132.4.2 斩波主电路局部 132.5 生成总的电路图 152.5.1 总原理图 152.5.2 此电路的

4、主要功能 162.6 保护电路 162.6.1 整流桥电路局部 162.6.2 驱动电路局部 17第3章课程设计总结18参考文献 18摘要直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的DC-DC变换器,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的 应用.随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等 多种方式的变换电路.直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中,使其 限制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果.全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用.TDC-1型学习机

5、是为了配合高等工科院校及高等专科技术学校的电力电子或半导体变流技术等课程中的直流斩波电路实验并根据当今电力电子技术的开展方向及应用而 设计的新型实验装置.该学习机面板上画有原理图.各测试点均装有测试探头可以钩住的 端子.测试电压及波形十分方便.使学生在实验课中平安、方便、直观地观察到各种电压、 电流的波形及数据.学生实验可以更加深入了解直流斩波电路的工作原理及其典型的应用 电关键词：直流；电力电子；变换电路;第一章摘要1.1直流斩波电路的介绍直流变换技术已被广泛的应用于开关电源及直流电动机驱动中,如不间断电源 UPS、 无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及20世纪80年代兴起的

6、电动汽车的限制.从而使上述限制获得加速平稳、 快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果. 直流变换系统的结构如下列图-1所示.由于变速器的输入是电网电压经不可控整流而来的直 流电压,所以直流斩波不仅能起到调压的作用,同时还能起到有效地抑制网侧谐波电流的 作用.单相、直流变换系统结构直流传动是斩波电路应用的传统领域,而开关电源那么是斩波电路应用的 新领域,前者的应用是逐渐萎缩,而后者的应用方兴未艾、欣欣向荣,是电 力电子领域的一大热点.DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波.直流变换电路的用途非常广泛,包括直流电动机 传动、开关电源、单相功率因数校正,以及用于其他领

7、域的交直流电源.斩波器的工作方式有：脉宽调制方式Ts不变,改变ton和频率调制方式ton 不变,改变Ts两种.前者较为通用,后者容易产生干扰.当今世界软开关 技术使得DC/DC变换器发生了质得变化和飞跃.美国 VICOR公司设计制造 得多种ECI软开关DC/DC变换器,最大输出功率有300W、600W、800W等, 相应得功率密度为6.2、10、17W/cm3,效率为8090%.日本NemicLambda 公司最新推出得一种采用软开关技术得高频开关电源模块RM系列,其开关频率为200300KHz,功率密度已达27W/cm3,采用同步整流器MOS-FET 代替肖特基二极管,使整个电路效率提升到9

8、0%.第二章降压直流斩波电路设计2.1 降压斩波电路工作原理2.1.1 降压斩波电路(Buck Chopper)图2降压斩波电路主电路此电路使用一个全控型器件 V,图中为IGBT,假设采用晶闸管,需设置使晶闸管关 断的辅助电路.并设置了续流二极管 VD,在V关断时给负载中电感电流提供通道.主要用 于电子电路的供电电源,也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等,后两种情况下负载中均 会出现反电动势,如图中Em工作原理：当t=0时刻驱动V导通,电源E向负载供电,负载电压uo=E,负载电流io 按指数曲线上升.当t=t1时限制V关断,二极管VD续流,负载电压uo近似为零,负载电流呈指数 曲线下降,通常用接

9、较大电感L使负载电流连续且脉动小.此电路的根本数量关系为：(1)电流连续时负载电压的平均值为on二='0n 匚=:二U o t . t E(1-T E EtontoffT式中,ton为V处于通态的时间,toff为V处于断态的时间,T为开关周期,口为导通占空比,简称占空比或导通比.负载电流平均值为U _ EU o EmIo 二(1-2) o R(2)电流断续时,负载电压uo平均值会被抬高,一般不希望出现电流断续的情况.斩波电路有三种限制方式：脉冲宽度调制(PWM：保持开关周期T不变,调节开关导通时间ton , 频率调制：保持开关导通时间ton不变,改变开关周期To 混合型：ton和T都可

10、调,使占空比改变.2.1.2 IGBT驱动电路选择IGBT 的门极驱动条件密切地关系到他的静态和动态特性.门极电路的正偏压uGS负偏压-uGS和门极电阻RG勺大小,对IGBT的通态电压、开关、开关损耗、承受短路水平及 du/dt电流等参数有不同程度的影响. 其中门极正电压uGS的变化对IGBT的开通特性,负 载短路水平和duGS/dt电流有较大的影响,而门极负偏压对关断特性的影响较大.同时, 门极电路设计中也必须注意开通特性,负载短路水平和由duGS/dt电流引起的误触发等问题.根据上述分析,对IGBT驱动电路提出以下要求和条件：(1)由于是容性输出输出阻抗；因此旧GT对门极电荷集聚很敏感,驱

11、动电路必须可靠, 要保证有一条低阻抗的放电回路.(2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电,以保证门及限制电压uGST足够陡峭的前、后沿,使IGBT的开关损耗尽量小.另外,IGBT开通后,门极驱动源应提供足够的功率, 使IGBT不至退出饱和而损坏.(3)门极电路中的正偏压应为+12+15V;负偏压应为-2V-10V.(4)IGBT驱动电路中的电阻RG对工作性能有较大的影响,RGR大,有利于抑制IGBT 的电流上升率及电压上升率,但会增加 IGBT的开关时间和开关损耗；RG较小,会引起电 流上升率增大,使IGBT误导通或损坏.RG的具体数据与驱动电路的结构及IGBT的容量 有关,一般在几欧几十欧,小

12、容量的IGBT其RGfi较大.(5)驱动电路应具有较强的抗干扰水平及对IGBT的自保护功能.IGBT的限制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配, 另外,在未采取适当的防静电举措情况下,IGBT 的G- E极之间不能为开路.IGBT驱动电路分类驱动电路分为：分立插脚式元件的驱动电路；光耦驱动电路；厚膜 驱动电路；专用集成块驱动电路.本文设计的电路采用的是专用集成块驱动电路.IGBT驱动电路分析随着微处理技术的开展(包括处理器、系统结构和存储器件),数字 信号处理器以其优越的性能在交流调速、运动限制领域得到了广泛的应用.一般数字信号 处理器构成的限制系统,IGBT驱动信号由处理器集成的PWM

13、1块产生的.而PW旗口驱 动水平及其与IGBT的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性.因此本文采用 EXB841&计出了一种可靠的IGBT驱动方案.本文将在斩波信号产生电路一节将分立元件组成的驱动电路和集成驱动电路做一下简单 的比拟,以此来说明集成驱动电路的优越性.2.2 整流电路本设计采用桥式电路整流：由四个二极管组成一个全桥整流电路.对整流出来的电压进行傅里叶变换得vout =应丫所 2 一4 cos2切t 一一4cos4cct一6&t. i,由整流电路出 二3二15二35二来的电压含有较大的纹波,电压质量不太好,故需要进行滤波.本电路采用RC8波器,因为电容滤波的直流

14、输出电压 Uo与变压器副边电压U2的比值比拟大,而且适用在小电流、 整流管的冲击电流比拟大的电路中.因此本电路选用电容滤波.由于本电路要求有稳定的输出因此还需用到稳压二极管进行稳压.整流电路的原理图如图3所示：输入端接220V、50Hz的市电,进过变压器T1 原线圈/副线圈为4/1后输出55V、 50Hz.当同名端为正时D2、D5导通,D3 D4截止,电压上正下负.当同名端为负时 D2、 D5截止,D3 D4导通,电压同样是上正下负,从而实现整流.电感具有电流不能突变, 通直流阻交流特性,因此串联一个电感可以提升直流电压品质. 而电容具有电压不能突变, 通交流阻直流特性,因此并联一个大电容可以

15、滤除杂波,减小纹波.结合两种元器件的特 性,组成上图整流电路,可以得到比拟理想的直流电压幅值为50V左右.2.3 斩波信号产生电路此电路主要用来驱动IGBT斩波.同其他的电力电子器件一样,由分立元件组成的 IGBT驱动电路也存在着可靠性问题.为此,目前已经研制出多种专用的IGBT集成驱动电路.这些集成块速度快,为了提升平安性,内部设有保护电路.它还具有高抗干扰水平, 可实现IGBT的最优驱动.下面将分立元件组成的驱动电路和集成驱动电路做一下简单的 比拟,以此来说明集成驱动电路的优越性.2.3.1 由分立元件组成的驱动电路如图4为由脉冲变压器组成的栅极驱动电路.其工作原理为：正向驱动信号使 VT

16、1 导通,电源电压作用于脉冲变压器一次侧,二次电压经二极管 VD2 VD3和门集电阻Rg后 作用于IGBT,使IGBT导通.晶体管VT2由于基极反向偏置而截至.TPTVD2VD3-ORgVSVDiFLRVTiRi:VT2IGBT图4由分立 元件组成的驱动电路当驱动信号为零时,VT1截止,一次励磁电流经VD1和VS迅速衰减,使在脉冲间隙期间脉冲变压器的磁通回零.变压器二次侧的反向电压经 R2加到二极管VD2上.IGBT门极结电 容上的电荷经Rg和VT2放掉,R2为VT2的偏流电阻.此电路的优点：这种电路不用独立的驱动电源,驱动电路结构简单,脉冲变化时,驱动电压幅值不变,可用于各种容量的IGBT的

17、驱动.此电路的缺点：截止时没有门极反向电压,抗干扰水平不强.这种电路适用于驱动占空比小于50%勺高频场合.2.3.2 集成驱动电路(1)芯片介绍及功能原理图EXB841芯片是单列直插式结构,如图5所示,各引脚的功能见表1.图5中3脚为驱 动的输出端,通过电阻Rg接被驱动的IGBT的栅极；4脚用于外接电容,预防电流保护电 路的误动作；5脚为过电路保护电路的输出信号,低电平有效；6脚接IGBT的集电极,通过检测Uce的大小来判断是否发生短路或集电极电流过大,从而进行自动保护.EXB841的功能块图如图6所示.EXB8411 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 14 15图-5 EXB841芯

18、片引脚图引脚号功能引脚 号功能1与用于反向偏置电源的滤波电容连接7、8悬空2电源+20V9电源地3驱动输出端10、11悬空4用于连接外部电容,以预防过流保护 电路的误动作绝大局部场合不需要 此电路14驱动信号输入- 端5过流保护输出端15驱动信号输入+ 端6集电极电压输出端表1 EXB841的弓|脚功能表图6 EXB841的功能块图2电路原理图及工作原理简介图7示出了 EXB841的电路原理图,其结构包含隔离放大、过电流保护和基准电源三 局部.隔离放大局部由光电耦合器ISO01、晶体管VT2、VT4 VT5和阻容元件R1、C1、R2、 R9组成.光电耦合器IS01的隔离电压可达2500VAC

19、VT2为中间放大级,VT4和VT5组成 的互补式推挽输出可为IGBT栅极提供导通和关断电压.晶体管 VT1、VT3和稳压管VZ1以及阻容元件R3R8 C2C划成过电流保护局部,实现过电流检测和延时保护.电阻 R10 稳压管VZ2与电容C5构成5V基准电源,为IGBT的关断提供-5V的反偏电压,同时也为输 入光耦合器IS01提供副方电源.o电路的工作过程简述如下：当14脚与15脚间流过的电流为零时,光电耦合器截止,A点为高电平,晶体管 VT1、VT2导通,D点电位下降VT4截止、VT5导通.IGBT的栅极电 荷经VT5迅速放电,使3脚电位降至0V, IGBT由于Ugs=-5V而可靠关断.当14脚

20、与15 脚间通过10mA电流时,光电耦合器导通,A点电位下降,VT1、VT2由导通变为截止.VT2 截止导致D点电位升高,VT4导通,VT5截止.2脚电源经VT4到3脚到Rg到IGBT,驱动 IGBT的栅极,使IGBT迅速导通.当IGBT正常工作时,Uce较小,隔离二极管VD2导通,稳压管VZ1不会被击穿,VT3 截止,C4被充电,使E点电位为电源电压值20V并保持不变.一旦发生过电流或短路, IGBT因承受大电流而退饱和,导致 Uce上升,VD2®止,VZ1被击穿使VT3导通,C4经R7 和VT3放电,E点及B点电位逐渐下降,VT4截止,VT5导通,使IGBT被慢慢关断从而得 到保

21、护.与此同时,5脚输出低电平,将过流保护信号输出.使用此驱动电路时应注意以下问题：输入电路与输出电路应分开.即输入电路光电耦合器接线远离输出电路接线, 以保证有适当的绝缘强度和高的噪声阻抗.驱动电路与IGBT栅到射极接线长度应小于1m,并使用双绞线以提升抗干扰水平.假设集电极上有大的电压尖脉冲产生,可增加栅极串联电阻Rg使尖脉冲较小.Rg值 的选择可参考表2所给数据.IGBT额定 值600A10A15A30A50A75A100A 1150A200A300A400A1200V8V15V25V50V75V100V150V200VRg/欧姆2501508250332515128. 25表2推荐的栅极

22、串联电阻Rg的参考值VD力阴小不一上一 V-VT2BRCVZ厂 二IVT3R7-o4vtRii20V2 Rg C 3 igbT0 TLP550S1514VTT.1 TC3VD12C5图 7 EXB841 的电路原理图2.4 最优参数选择2.4.1 整流电路局部整流桥二极管的选择.在桥式整流电路中,每只二极管只在输入电压的半个周期内 导通,因此二极管的平均电流只有负载电阻上平均电流的一半,即 ID(AV)=IO(AV)/2=0.45U2/RL在二极管不导通期间,承受反压的最大值就是变压器二次测电压U2的最大值,即URM=1.414U2根据上面的选择原那么可知选择二极管的最大整流电流IF二(1.1

23、IO)/20.5(U2/RL);最大反向电压 U居 1.1 V2U2=1.1V2X55=84.7Vo滤波电容的选择：C=(5T/2)/RL2.4.2 斩波主电路局部IG BT的选择：由于本电路设计的E=50 V,因此根据表2可知所选I GBT的额定电压与额定电流分别为50V、100Ao栅极串联电阻Rg的阻值：根据I GBT的选择,由表2可知Rg的值其他元器件的选择标准如下:对降压斩波电路进行解析基于分时段线性电路这一思想, 分电流连续和断续.电流连续时得出按 V处于通态和处于断态两个过程来分析,初始条件I 10t t1 /TeT /T、eEm/ ctP e -p< eER(1-3)I 2

24、0式中,. = L/R1-_t1 / T )e-T/Te JEmp=T m,= Em/E-aPeet1R R (1-4)I10和I20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值.把式1-3和式1-4用泰勒级数近似,可得0 (1-5)1 101 20平波电抗器L为无穷大,此时负载电流最大值、最小值均等于平均值.(1-5)所示的关系还可从能量传递关系简单地推得,一个周期中,忽略电路中的损耗, 那么电源提供的能量与负载消耗的能量相等,即IoE - EmR假设电源电流平均值为其值小于等于负载电流I1,Io ,EI o t on那么有I1由上式得tonTIoRIIoEliEIo2:T Em I oTUoIo即

25、输出功率等于输入功率,可将降压斩波器看作直流降压变压器.电流断续时有I10=0,且t=ton+tx时,i2=0,可以得出tx = In 1" 当 tx ：二 toff时,电路为电流断续工作状态,tx< toff是电流断续的条件,e：-1m -输出电压平均值为UtonE T -aEmxTt +t+ 1-lon一负载电流平均值为Ioton -txonisJn+ti 2 Q t i _ 5 一, I TUo - EmR根据上式可对电路的工作状态做出判断.该式也是最优参数选择的依据.2.5 生成总的电路图2.5.1 总原理图随着电力电子技术的开展,有源功率因数校正(APFC技术已经能有效地抑制输入电流的谐波分量,其波形接近正弦波,并与输入电压同相位. APFO6路不仅能实现输出直流电 压的斩波调节,还能实现电网一侧单位功率因数.降压斩波 APFC勺电路图如图8所示,U图8总电路图2.5.2 此电路的主要功能通过检测和跟踪电网电流i,实现电网电流的近似正弦化,到达电网一侧单位功 率因数.通过检测和跟踪输出直流电压的波动,实时调节输出直流电压的稳定.2.6 保护电路2.6.1 整流桥电路局部在桥式整流电路中,为了预防二极管受到电压