电力电子及变频器直流降压斩波电路设计

1、 电力电子与变频器电力电子与变频器 直流降压斩波电路设计直流降压斩波电路设计专专 业：业：自动化自动化班班 级：级：10306202学生姓名：学生姓名：廖先任廖先任学学 号号: 1030620230指导教师：指导教师：胡开明、罗先喜胡开明、罗先喜院院 系：系：机械与电子工程学院机械与电子工程学院 时时 间：间： 2013-11-271摘摘 要要直流-直流变流电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流电变流电路和间接直流电变流电路。直接直流电变流电路也称斩波电路，它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输

2、出之间不隔离。间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。直流斩波电路的种类有很多，包括六种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路,Cuk 斩波电路，Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路，利用不同的斩波电路的组合可以构成符合斩波电路，如电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路等。利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。关键字：直流斩波，降压斩波2目目 录录一、课程目的一、课程目的1、任务、任务2、目的、目的二、课程设计的总体要求二、课程设计的总体要求三

3、、课程设计的任务三、课程设计的任务1、设计课题任务、设计课题任务2、功能要求说明、功能要求说明3、设计方案和设计原理、设计方案和设计原理四、电路总体设计方案四、电路总体设计方案1、直流电源设计、直流电源设计1.1 设计原理设计原理1.2 参数计算参数计算2、电路的设计、电路的设计2.1 IGBT 驱动电路的设计驱动电路的设计3、电路各元件的参数设定及元件型号选择、电路各元件的参数设定及元件型号选择3.1 各元件的参数设定各元件的参数设定3.2 元件型号选择元件型号选择4、控制电路原理与设计、控制电路原理与设计4.1 控制电路方案选择控制电路方案选择4.2 控制电路工作原理控制电路工作原理5、驱

4、动电路原理与设计、驱动电路原理与设计5.1 驱动电路方案选择驱动电路方案选择5.2 驱动电路分析与设计驱动电路分析与设计6、保护电路的原理与设计、保护电路的原理与设计6.1 过电压保护过电压保护6.2 过电流保护过电流保护五、系统仿真及结论五、系统仿真及结论1、仿真软件的介绍、仿真软件的介绍2、仿真电路及其仿真结果、仿真电路及其仿真结果3、仿真结果分析、仿真结果分析六、六、 心得体会心得体会七、参考文献七、参考文献3附图：降压斩波电路原理图附图：降压斩波电路原理图附表：降压斩波电路元器件清单附表：降压斩波电路元器件清单一、课程目的一、课程目的1、任务任务：培养学生综合运用模拟电子技术 数字电子

5、技术 单片机原理与应用 电力电子技术和变频器及其应用所学知识分析、解决工程或科研实际问题的能力。2、目的目的：训练学生综合运用学过的变流电路原理的基础知识，独立进行查找资料、选择方案、设计电路、撰写报告，进一步加深对变流电路基本理论的理解，提高运用基本技能的能力，为今后的学习和工作打下坚实的基础。培养学生提出问题、分析问题、解决问题的能力；提高学生的专业素质，这对于工科学生贯彻工程思想起到十分重要的作用。二、课程设计的总体要求二、课程设计的总体要求1、熟悉变流和触发电路的原理，能够运用所学的理论知识分析设计任务。2、掌握基本电路的数据分析、处理；描绘波形并加以判断。3、能正确设计电路，画出线路

6、图，分析电路原理。4、广泛收集相关技术资料。鼓励有兴趣有条件的同学仿真和制作实物。5、独立思考，刻苦钻研，严禁抄袭。6、按时完成课程设计任务，认真、正确地书写课程设计报告。三、课程设计的任务三、课程设计的任务1、 设计课题任务设计课题任务设计一个直流降压斩波电路。2 、功能要求说明、功能要求说明将 220V 交流电压降压输出并且平均电压可调，范围为 50-220V。3、 设计方案和设计原理设计方案和设计原理设计要求是输出电压 Uo=50V-200V 可调的 DC/DC变换器，这里为降压斩波电路。由于这些电路中都需要直流电源，所以这部分由以前所学模拟电路知识可以由整流器解决。IGBT 的通断用

7、PWM 控制，用 PWM 方式来控制 IGBT 的通断需要使用脉宽调制器 SG3525 来产生 PWM 控制信号。降压斩波主电路原理图如图 1.1 所示：4四、电路总体设计方案四、电路总体设计方案1 1、直流电源设计、直流电源设计1.11.1 设计原理设计原理小功率直流电源由电源变压器、整流电路、滤波电路三个部分组成，其原理框图如图 2.1 所示，其各电压波形如图 2.2 所示： 直流电源原理框图5 直流电源波形图电源变压器的作用是将来自电网的 220V 交流电压变换为整流电路所需1U要的交流电压。电源变压器的效率为：，其中：是变压器副2U12PP2P边的功率，是变压器原边的功率。一般小型变压

8、器的效率如表 2.1 所示：1P表2.1 小型变压器效率因此，当算出了副边功率后，就可以根据上表算出原边功率。2P1P在直流电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压变换成脉动的直流电压。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉2U3U动直流电压中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压。与3UIUIU交流电压的有效值的关系为：；在整流电路中，每只二极2U2)2 . 11 . 1 (UUI管所承受的最大反向电压为：；流过每只二极管的平均电流为：22UURM 2.1RUIIRD245. 02 1.21.2 参数计算参数计算 根据滤波电路的输出电压 UI，确定电源变压器副边

9、电压的有效值；根2u2U据滤波电路的最大输出电流，确定流过电源变压器副边的电流和电源变maxoI2I压器副边的功率；根据，从表 2.1 查出变压器的效率 ，从而确定电源2P2P变压器原边的功率。然后根据所确定的参数，选择电源变压器。1P确定整流二极管的正向平均电流 ID、整流二极管的最大反向电压和滤RMU波电容的电容值和耐压值。根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容。依据上述设计步骤，对本次课程的直流电源进行设计，输出电压为。VU20016最大输出电流假设为 1A,则由可知：2)2 . 11 . 1 (UUI 2.2VVU1811662变压器副边电流：AIAIIo5 . 1,12max2取

10、因此，变压器副边输出功率：。WUIP181222由于变压器的效率，变压器原边输入功率 ，所以选用85. 0功率为 300W 的变压器。再选用整流二极管和滤波电容，由于：，VUURM253181222。IN4004 的反向击穿电压，额定工作电流AI1max0VURM253，故整流二极管选用 IN4004。由于电路对纹波无要求，而电容max01IAID的耐压要大于，故滤波电容 C 取容量为 500F，耐压为 300V 的电VU25322解电容。2、电路的设计、电路的设计2.1 IGBT 驱动电路的设计驱动电路的设计IGBT 的驱动是矩形波，所以我选择了由比较器 LM358 产生矩形波。图图 2.1

11、 LM358 的引脚图的引脚图WPP213217LM358 简介：LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。描述：运放类型:低功率放大器数目:2针脚数:8工作温度范围:0C to -70C封装类型:SOIC-3dB 带宽增益乘积:1.1MHz变化斜率:0.6V/s器件标号:358电源电压 最大:32V电源电压 最小:3V安装器件:表面安装图图 2.2 比较器产生方波电路图比较器

12、产生方波电路图其中 2、3 口是输入口 4、6 接直流电源电压 1 为输出口。83、电路各元件的参数设定及元件型号选择、电路各元件的参数设定及元件型号选择3.1 各元件的参数设定各元件的参数设定1. IGBT 的参数设定图图 3.1 IGBT 的简化等效电路以及电气图形符号的简化等效电路以及电气图形符号术语符号定义及说明（测定条件参改说明书）集电极、发射极间电压VCES栅极、发射极间短路时的集电极，发射极间的最大电压栅极发极间电压VGES集电极、发射极间短路时的栅极，发射极间最大电压集电极电流IC集电极所允许的最大直流电流耗散功率PC单个 IGBT 所允许的最大耗散功率结温Tj元件连续工作时芯

13、片温厦关断电流ICES栅极、发射极间短路，在集电极、发射极间加上指定的电压时的集电极电流。表表 3.1 IGBT 模块的术语及其说明模块的术语及其说明图图 3.2 降压斩波电路电路图降压斩波电路电路图9图图 3.3 降压斩波总电路图降压斩波总电路图由图 3.2 所示此次设计的电源电压为 220V，当二极管 VD 导通时 V 的 C和 E 两端承受的电压为电源电压，因此 UCE=220V。图图 3.4 IGBT 的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性UGE(th)随温度的升高略有下降，温度每升高 1C，其值下降 5mV 左右。在+25C 时，UGE(th)的值一般为 2-6V。参考电力电子技术

14、课本可得： 式式 3.1REmeeREREeeImTt)11()11(/min1 式式 3.2REmeeREREeeImTt)11()11(/max1式中，；。/TEEmm/TTtt11/若取为 10，则：R10ARI22/220max2. 续流二极管 VD 的参数设定VD 所承受的最大反向电压是当 IGBT 导通是的电源电压 100V。所承受的最大电流是当 IGBT 关断瞬间电感 L 作用在 VD 上的电流，此电流为。AI22max3. 电感的参数设定由于电感 L 要尽量大一些否则会出现负载电流断续的情况，所以选择 L 的值为1。mH3.2 元件型号选择元件型号选择考虑其安全裕度则 IGBT

15、 的额定电压可以为 2-3 倍峰值电压，所以额定电压可为 440-660.额定电流 33-44，二极管 VD 与其类似，VD 的最大反VVAA向电压为 220。V选择 IGBT 的型号为IRG4PC40U 其额定电压为 600，额定电流为 40。VA选择续流二极管的型号为 HFA25TB60，其而定电压为 600，额定电流为 25。VA4 4、控制电路原理与设计、控制电路原理与设计4.14.1 控制电路方案选择控制电路方案选择IGBT 控制电路的功能有：给逆变器的电子开关提供控制信号；以及对保护信号作出反应，关闭控制信号。脉宽调节器的基本工作原理是用一个电压比较器，在正输入端输入一个三角波，在

16、负输入端输入一直流电平，比较后输出一方波信号，改变负输入端直流电平的大小，即可改变方波信号的脉宽。图 4.1 SG3525 引脚图对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、CPLD 等等来输出 PWM 波，也可以通过特定的 PWM 发生芯片来控制。因为题目要求输出电压连续可调，所以我选用一般的 PWM 发生芯片来进行11连续控制。对于 PWM 发生芯片，我选用了 SG3525 芯片，其引脚图如图 4.1 所示，它是一款专用的 PWM 控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。其 11 和

17、14 脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的 PWM 信号。脚 6、脚 7 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成 SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚 3)。脚 1 及脚 2 分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9 和脚 1 之间一般要添加适当的反馈补偿网络，另外当 10 脚的电压为高电平时，11 和 14 脚的电压变为 10 输出。4.24.2 控制电路工作原理控制电路工作原理由于 SG3525 的振荡频率可表示为 ： 4.1)37 . 0(

18、1dttRRCf式中:, 分别是与脚 5、脚 6 相连的振荡器的电容和电阻；是与脚 7 相tCtRdR连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为 50kHz，所以由上式可取=1F, tC= ,=。可得 f=49.02kHz，基本满足要求。tR12dR4图 4.2 控制电路部分电路图SG3525 有过流保护的功能，可以通过改变 10 脚电压的高低来控制脉冲波的输出。因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压信号来进行过流保护，如图 4.2 所示。当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将 10 脚的电位抬高，从而 11、14 脚输出低电平，而当12其没有过流时，10

19、 脚一直处于低电平，从而正常的输出 PWM 波。5 5、驱动电路原理与设计、驱动电路原理与设计5.15.1 驱动电路方案选择驱动电路方案选择该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，该部分主要完成以下几个功能：(1)提供适当的正向和反向输出电压，使 IGBT 可靠的开通和关断；(2)提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使 IGBT 能迅速建立栅控电场而导通；(3)尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率；(4) 足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；(5)具有灵敏的过流保护能力。针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。针对驱动电路的隔离方式：采用光电耦合式驱动电路，该电路双

20、侧都有源。其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测 IGBT 的电压和电流的状态，对外送出过流信号。另外它使用比较方便，稳定性比较好。但是它需要较多的工作电源，其对脉冲信号有 1s 的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。本系统中，对电压要求不高，而且只有一个全控器件需要控制，又有一些全控器件专用的驱动芯片，所以选择此方案。5.25.2 驱动电路分析与设计驱动电路分析与设计针对以上分析，我选取了 EXB841 驱动芯片。它具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，其功能完善，控制简便可靠。下面简单介绍一下它的工作原理。如图 5.1 所示，其工作电源为独立电源 201V，内部含有-5V

21、 稳压电路，为 ICBT 的栅极提供+15V 的驱动电压，关断时提供-5V 的偏置电压，使其可靠关断。当脚 15 和脚 14 有 10mA 电流通过时，脚 3 输出高电平而使 IGBT 导通；而当脚 15 和脚 14 无电流通过时，脚 3 输出低电平使 ICBT 关断；若 ICBT 导通时，若承受短路电流，则其电压随电流的增大迅速上升，脚 6 悬空，脚 3 电ceV位开始下降，从而逐渐关断 ICBT。13图 5.1 EXB841 内部结构图利用 EXB841 驱动芯片设计其驱动电路原理图如图 5.2 所示，两个 47uf 电容用于吸收噪音，在脚 3 输出脉冲的同时，通过快速二极管 VD1 检测

22、 IGBT 的CE 间的电压。当 Vce7V 时，过流保护电流控制运算放大器，使其输出软关断信号，将脚 3 输出电平降为 O。因 EXB841 无过流自锁功能，所以外加过流保护电路，一旦产生过流，可通过外接光耦 TLP521 将过流保护信号输出至控制电路，经过一定延时，以防止误动作和保证进行软关断，然后由触发器锁定，实现保护，将图 4.2 与图 5.2 联系起来即可得到电路的控制驱动部分。图 5.2 驱动电路原理图146 6、保护电路的原理与设计、保护电路的原理与设计在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压、过电流、保护和 保护也是必要的。dtdu/

23、dtdi/6.16.1 过电压保护过电压保护过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，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，保护了电力电子器件。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掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图 6.1 所示。图 6.1 RC 阻容过电压保护电路图6.26.2 过电流保护过电流保护 当电力电子电路运行

24、不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种的过流保护措施。过电流保护电路如图 6.2 所示，其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用。器件直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为它们流过同个电流因而被广泛使用。电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动

25、作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。15图 6.2 过电流保护电路图五、系统仿真及结论五、系统仿真及结论1、 仿真软件的介绍仿真软件的介绍此次仿真使用的是 MATLAB 软件。Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于

26、Simulink。 Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink 提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.2、仿真电路及其仿真结果、仿真电路及其仿真结果162.1 仿真电路图仿真电路图降压斩波的降压斩波的 MATLAB 电路的模型电路的模型172.2MATLAB 的的.仿真结果如下仿真结果如下：=0.2=0.2 时的仿真结果时的仿真结果=0.4=0.4 时的仿真结果时的仿真结果=0.6=0.6 时的仿真结果时的仿真结果=0.8=0.8 时的仿真结果时的仿真结果18 =0.99=0.99 时的仿真结果时的仿真结果3、 仿真结果分析仿真结果分析由公式可得：EETtEtttUoonoffonon当时，=442 . 0OUV=0.4 时，=88。OUV=0.6 时，=132。OUV=0.8 时，=176。OUV=0.99 时，=217.8。OU上面的数据与理论值相同，由于使用的是仿真软件所以没有误差。19六、六、 心得体会心得体会通过这次直流降压斩波电路设计，巩固了我对电力