基于单片机集成电路的桥式可逆斩波电路

1、基于单片机集成电路的桥式可 逆斩波电路湖南科技大学信息与电气工程学院电力电子技术课程设计报告题 目：基于单片机集成电路的桥式可逆降压斩波仿真专 业：电气工程及其自动化班 级：13级电气三班姓 名：陈美林学 号：学04010330指导教师：郭小定2016年6月17日信息与电气工程学院课程设计任务书2015 2016 学年第2学期专业：电气工程及其自动化 班级:13级电气三班 学号：1304010330 姓名:陈美林课程设计名称：电力电子技术课程设计设计题目：基于单片机集成电路的桥式可逆降压斩波仿真（电源：220V.申M 48V,4A,IGBT）完成期限：自2016 年6 月卫日至 2016年 6

2、 月 17日共 J 周设计依据、要求及主要内容一、设计依据设计参数：输出电压48V、电流4A二、要求及主要内容1 .主电路、保护电路、控制电路设计；2 .主电路元件的参数计算与选择；3 .计算整流变压器参数、选择其容量和规格；4 .主电路中过电压过电流保护电路的选择及相应电路元件的计算与选择；5 .绘制主电路、保护电路、控制电路设计电气系统原理图；6 .写出课程设计报告。其中设计报告要包括有设计 的目的，设计原理，设计参数的计算，元器件选型， 器件表，电路图的设计说明以及设计的心得等；设计 报告3000字以上；教师（签字）：批准日期：2016年6月1日成绩:15评阅人：日期:摘要本次电力电子技

3、术课程设计的题目是基于单片机集成电路的桥式可逆斩波电路仿真设计（电源：220V,电机48V,4A,IGBT）。以单片机为核心的桥式可逆斩波 电路实现直-直电压的斩波控制，有利于提高变换器的 功率密度和功率效率。文章给出其工作模态和工作原 理，讨论了三种P W M调制策略，并指出单性调制策 略可降低开关损耗。斩波开关元件采用电力电子器件 I GB To系统具有控制灵活、外围器件少、结构简单、 精度高、可靠性高等特点，通过仿真得到了验证。直流斩波电路是城市轨道交通车辆电力牵引系统 中广泛应用的电力电子电路，主要用于构成驱动直流 电机的调压调速主电路和辅助电路的前级。直流斩波 基本电路主要有：降压斩

4、波电路、升压斩波电路、再 生斩波电路、多象限斩波电路、多相多重斩波电路和G T O斩波电路等。而桥式可逆斩波电路的特点，具 有反应速度快、效率高、开关元件承受反压小的特点 本文给出了桥式可逆斩波电路详细的分析和仿真。关键词：斩波器直-直变换器微控制器目录1、目的与意义2、原理2.1 设计要求 82.2 设计方案 错误！未定义书签。2.3 电路拓扑图 82.3.1 主电路 82.3.2 控制电路 102.3.3 驱动电路 112.3.4 保护电路 123、器件选型 133.1 555定时芯片简述 133.2 主电路参数计算 153.2.1 占空比 153.2.2 主电路 153.2.3 IGBT

5、 154.1 仿真平台 184.1.1 仿真平台 184.1.2 仿真过程 194.2 仿真波形 194.2.1 输入电压、输出电压 204.2.2 波形输出 205、心得体会 216、参考文献 247、附录 257.1 器件表 257.2 主电路 267.3 控制电路 267.4 驱动电路 277.5 保护电路 277.6 总电路图 281、目的与意义电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、 电子学和控制理论三个学科交叉而成的，已成为现代 电气 工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课， 在培养本专业人才中占有重要地位。电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大 分支。通常所说的模拟电子技

6、术和数字电子技术都属 于信息电子技术。电力电子技术是应用于电力领域的 电子技术。具体的说，就是使用电力电子器件对电能 进行变换和控制的技术。所用的电力电子器件均用半 导体制成，故也称为电力半导体器件。电力电子技术 所变换的“电力”，功率可以大到数百MWg至GW也 可以小到数W甚至1W以下。信息电子技术主要用于信 息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换。随着电力电子技术应用的不断发展，对电力电子 器件性能指标和可靠性的要求也日益苛刻。 具体而言， 要求电力电子器件具有更大的电流密度、更高的工作 温度、更强的散热能力、更高的工作电压、更低的通 态压降、更快的开关时间，而对于航天和军事应用， 还要

7、求有更强的抗辐射能力和抗振动冲击能力。电力电子课程设计的目的在于进一步巩固和加深 所学的电力电子基础知识。使学生能综合运用相关课程的基本知识，培养学生检索文献的能力，特别是利 用网络检索需要的文献资料，培养学生综合分析问题、 发现问题，解决问题的能力。以及方案选择等。树立 既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合 理性，并注意提高分析和解决实际问题的能力；迅速 准确的进行工程计算的能力，计算机应用能力；用简 洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。通过课程实际使学生认识到理论与实践相结合的 重要性，只靠从书本上学到的知识是远远不够的，显 示的生活中需要更为丰富的知识，只有把硕学的理

8、论 知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真 正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立 思考的能力。在在课程设计工程中查阅资料，了解查 阅资料的重要性，鼓励他们克服心理上的不良情绪， 不断的学习和解决难题，不断磨练学生意志的过程。 通过课程设计是学生所学的基础理论知识得到巩固， 并使学生可以运用所学理论知识解决实际问题的初步 训练。进一步提高学生的分析、综合能力以及工程设 计中分析设计的基本能力，为今后的毕业设计做必要 的准备，并为毕业后的工作学习打下了很好的基础。2、原理2.1 设计要求利用可关断晶闸管（IGBT）、电源电压：1000V、 电机电压220V,电流600A2.2 电

9、路拓扑图2.2.1 主电路桥式可逆斩波电路原理图，如图二所示。设电动 机 感应电动势为EM电感电流正方向为 Af Bo桥式 可逆斩波电路包括四个工作模态。图二：主电路1、工作模态1斩波器工作在第一象限，VT4始终处于导通 状态, VT3为关断状态。VT1导通，VT2关断。电动机工作于 第一象限作正转电动运行，同时给电感L充电，电路作为降压斩波器运行。VT1关断时，电流不能突变， 导致VD2导通，电感向电动机供电。2、工作模态2斩波器工作在第三象限，VT2始终处于导通 状态， VT1于关断状态。VT3导通，VT4关断。电动机工作于 第三象限做反转电动运行，同时给电感 L充电，电路 作为降压斩波器

10、运行。工作原理与第一象限运行时完 全相同。VT3关断时，电流不能突变，导致 VD4导通， 电感向电动机供电。3、工作模态3斩波器工作在第二象限，VT4始终处于导通状态， VT3于关断状态。VT2导通，VT1关断。电动机工作于 第二象限正转再生制动运行，速方向不变，电流改变 方向，同时给电感L充电，电路作为降压斩波器运行。 VT2关断时，电流不能突变，导致 VD1导通，Eg UL 叠加向直流电源反馈能量。4、工作模态4斩波器工作在第四象限，电动机作为反转再生制 动时，电流反向，VT4导通，EM首先向电感L充电。 当VT4关断时，又因为电感电流不能突变，导致 VD3 导通，Eg UL叠加向直流电源

11、反馈能量，工作原理和 第二象限完全相同。5、控制方式桥式可逆斩波电路从控制方式上区分有双极性调 制、单极性调制和受限单极性调制三种方式。主要基于双极性调制开关损耗较大，受限单极性调制当电动 机电流较小的时候会出现电流断续现象。而单极性调 制方式具有开关损耗少，而且很少出现电流断流现象。对于单极性调制方式，四个开关器件中 VT1和VT2工作于互补的PW昉式，处导通状态；VT3和VT4则根据 电动机的转向采取不同的驱动信号，电动机正转时，VT4导通，VT3关断；电动机反转时，VT3导通，VT4 关断。由于减少了 VT3和VT4的开关次数，开关损耗 减少，故在此采用单极性调制方式。2.2.2控制电路

12、控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的 调节达到控制输出电压大小的目的。555定时器设计的方案555定时器是一种应用纪委广泛的中规模集成电路，改电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容原 件就可以构成单稳触发器。根据555定时器的这种原理改变阈值电压的值使 之输出高电平或低电平，就可以产生仿真电路图，如 图三所示：图三：控制电路2.3.3 驱动电路一般电气隔离采用光隔离或磁隔离。光隔离一般 采用光耦合器，光耦合器由发光二极管和光敏晶体管 组成，封装在一个外壳内。本电路中采用的隔离方法 是，先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。驱动电路原理控

13、制电路所输出的信号通过TLP521光耦合器实现 电气隔离，在经过推挽电路进行放大，从而把输出的 控制信号放大。如图四所示：图四：驱动电路2.3.4 保护电路阻容保护：当达到一定电压值时，自动开通保护 电路，使过压保护电路形成通路，消耗过压储存的电 磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上， 保护了电力电子设备。为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实 现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电 压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑 制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗到部分过 压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生的振荡， 过电压保护电路图如图五所示：图五：过电压保护电路

14、图3、器件选型3.1 555定时芯片简述555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电 阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及 施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定 时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自 动控制等方面。555定时器的内部电路框图如右图所 示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻， 一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。它提 供两个基准电压 VCC /3和2VCC /3555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个 比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。在 电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较 器C1的同相输入端的电压为2VC

15、C/3 , C2的反相输 入端的电压为VCC /3。若触发输入端TR的电压小于 VCC /3,则比较器C2的输出为0,可使RS触发器 置1 ,使输出端OUT=1。如果阈值输入端TH的电压 大于2VCC/3,同时TR端的电压大于 VCC /3,则C1 的输出为0 , C2的输出为1 ,可将RS触发器置0 ,使输出为低电平它的各个引脚功能如下:1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。2脚：低触发端TR3脚：输出端Vo4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电 路不工作，此时不论TR TH处于何电平，时基电路输 出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可

16、 改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应 将该端串入一只0.01 “F电容接地，以防引入干扰。6脚：高触发端TH7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定 时小时电容的放电。8脚：外接电源VCC双极型日基电路VCC勺范围是4.516V, CMO型时基电路VCC勺范围为318V。般用5V。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器 A1、A2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表 如表所不555定时器的功能表清零端高触发端TH低触发端TRQ放电管T功能0XX0导通直接清零101x保持上一状态保持上一状态1101截止置11001截止置11110导通清零3.2主电路参数计算3.2.1

17、占空比占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比 率。方波的占空比为50%占空比为0.5,说明正电平 所占时间为0.5个周期3.2.2 主电路ton _Uo E E ton toffUo - Em I03.2.3 IGBT可关断晶闸管也属于PNPNB1层三端器件，其结构 及等效电路和普通晶闸管相同，因此图 1仅绘出IGBT 典型产品的外形及符号。大功率IGBT大都制成模块形 式。尽管IGBT与SCR勺触发导通原理相同，但二者的 关断原理及关断方式截然不同。这是由于普通晶闸管 在导通之后即外于深度饱和状态， 而IGBT在导通后只 能达到临界饱和，所以IGBT门极上加负向触发信号即可关断。IGBT

18、的一个重要参数就是关断增益，3 off , 它等于阳极最大可关断电流IATM与门极最大负向电流 IGM之比，有公式3 off =IATM/IGM3 off 一般为几倍至几十倍。3 off值愈大，说明 门极电流对阳极电流的控制能力愈强。很显然，3 off 与昌盛 的hFE参数颇有相似之处。1 .判定IGBT的电极将万用表拨至RX 1档，测量任意两脚间的电阻， 仅当黑表笔接G极，红表笔接K极时，电阻呈低阻值， 对其它情况电阻值均为无穷大。由此可迅速判定G K极，剩下的就是A极。2 .检查触发能力首先将表I的黑表笔接 A极，红表笔接K极，电 阻为无穷大；然后用黑表笔尖也同时接触 G极，加上 正向触发

19、信号，表针向右偏转到低阻值即表明IGBT已 经导通；最后脱开G极，只要IGBT维持通态，就说明 被测管具有触发能力。3 .检查关断能力现采用双表法检查IGBT的关断能力，如图2(b) 所示，表I的档位及接法保持不变。将表口拨于RX 10 档，红表笔接G极，黑表笔接K极，施以负向触发信 16号，如果表I的指针向左摆到无穷大位置，证明 IGBT 具有关断能力。4 .估测关断增益3 off进行到第3步时，先不接入表n,记下在IGBT导 通时表I的正向偏转格数 n1;再接上表II强迫IGBT 关断，记下表口的正向偏转格数 n2。最后根据读取电 流法按下式估算关断增益：5 off=IATM/IGM 弋

20、IAT/IG=K1n1/ K2n2式中K1一表I在RX 1档的电流比例系数；K2一表H在RX 10档的电流比例系数。6 off 七 10Xnl/ n2此式的优点是，不需要具体计算IAT、IG之值， 只要读出二者所对应的表针正向偏转格数，即可迅速 估测关断增益值。注意事项：(1)在检查大功率IGBT器件时，建议在RX 1档 外边串联一节1.5V电池E',以提高测试电压和测试 电流，使IGBT可靠地导通。(2)要准确测量IGBT的关断增益3 off ,必须有 专用测试设备。但在业余条件下可用上述方法进行估 测。由于测试条件不同，测量结果仅供参考，或作为 相对比较的依据。4、仿真4.1 仿真

21、平台4.1.1 仿真平台Multisim 是一款著名的电子设计自动化软件，与 NI Ultiboard同属美国国家仪器公司的电路设计软件套件。是入选伯克利加大 SPICE项目中为数不多的几 款软件之一。Multisim在学术界以及产业界被广泛地 应用于电路教学、电路图设计以及 SPICE模拟。NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDACC具软件。作为Windows下运行的个人 桌面电子设计工具，NI Multisim是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术 可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这 一问题。学员可以很方便地把刚刚学

22、到的理论知识用 计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技 术创造出真正属于自己的仪表。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原 理图，并对电路进行仿真。Multisim 提炼了 SPICE仿 真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这 也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器 技术，PC瞰计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一 个完整的综合设计流程。NI Multisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。NI Multisim 软件是一个专门用于电子电路仿真 与设计

23、的EDACC具软件。作为Windows下运行的个人 桌面电子设计工具，NI Multisim是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术 可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这 一问题。学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用 计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技 术创造出真正属于自己的仪表。NI Multisim 软件绝对 是电子学教学的首选软件工具。4.1.2 仿真过程第一步：添加原器件第二步：根据已经设计好的图纸，在电路中将各 个原器件连接好线，完成电路连接。第三步：启动仿真，观察运行状态，由仿真中出 现的问题来排查线路错误，故障。第四步：观

24、察输出波形，调整器件参数，从而使 仿真运行在最佳状态。4.2 仿真波形4.2.1 输入电压、输出电压如图六、图七所示万用表-XMM1 口图六、输出电压图七、输出电流4.2.2波形输出1、占空比为75%勺波形，如图八所示图八：占空比为75%勺波形252、输出波形，如图九所示图九：输出波形3、总波形，如图十所示小波器-XSC1出波形图十：输5、心得体会理论的学习使我们掌握了有关近现代的电力电子 器件的原理和功能。随着科技的不断发展进步电力电 子器件也同我们的生活息息相关，在我们的生活中扮 演的角色也越来越重要。对于一个电路的设计，首先 应该对它的理论知识很了解，这样才能设计出性能好 的电路。整流电

25、路中，开关器件的选择和触发电路的 选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对 整流电路的性能指标影响很大。在做电力电子课程设计的过程中我们更能认真和 全面的对所学知识有一个全面和系统更深刻的了解和 掌握。在这个过程中我们认真的查阅了大量的资料和 工具书增长了我们的知识，开阔了我们的视野，是一 种让学生更加接近社会和生活的有效方法。这就要求 我们在学习和生活得过程中每个人都要学会应用资源 和我们自身的优势，让自己有能面对任何苦难都不认 输的豪情。还要有过硬的技术水平，在走出大学的时 候能让自己成为有用之人。不要自己成为大学包装的 绣花枕头。通过课程设计让自己明白自己所差的还很 多很多，在接下来的日子里一定要努力学习以备将来 走入社会能不让人用轻飘飘的眼神看自己。也用自己 的所学来证明自己的尊严和人格。在这次设计中，由于我们知识的欠缺，设计的并 不详细，知识的衔接也不理想，错误应该是有的，但 我们已经努力了，设计中错误的地方希望老师能谅解, 加以指点。6、参考文献1王兆安，黄俊主编.电力电子技木.第四版.北京： 机械工业出版社，2王云亮主编.电力电子技术.第一版.北京：电子工 业出版社，3梁廷贵主编.现代集成电路实用手册