电力电子课程设计论文

1、电力电子变流技术课程设计报告直流降压斩波电路的设计姓 名 学 号 年 级 2012级 专 业 自动化 学 院 电子信息工程学院 指导教师 聂茹 2014年 10月05日一、 设计目的直流斩波器(DC Chopper)又称为截波器，它是将电压值固定的直流电，转换为电压值可变的直流电源装置，是一种直流对直流的转换器(DC/DC Converter)已被被广泛使用，如直流电机之速度控制、交换式电源供应器(Switching-Power-Supply)等。直流斩波是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为DC/DC变换。 斩波电路有三种控制方式：保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲

2、宽度调制或脉冲调宽型；保持导通时间不变，改变开关周期T，成为频率调制或调频型；导通时间和周期T都可调，是占空比改变，称为混合型。一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流交流直流的情况，其中IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT作为全控器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。IGBT是MOSFET与GTR的复合器件，它既是MOSFET易驱动的特点，输入阻抗高，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。通过直流降压斩波电路的设计我们需要做到以下四点：（1） 掌握直流降压斩波电路的工作原理，综合运用所学知识，进行直流降压斩波电路和系统设计的能力。（2） 了解

3、和熟悉直流降压斩波电路拓扑、控制方法。（3） 理解和掌握直流降压斩波电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择和参数计算方法。（4） 具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。二、 设计任务2.1设计的任务（1）输入直流电压为100V；输出电压范围为50V80V（2）最大输出电流：5A；开关频率40KHz（3）L=1mH2.2设计指标内容及要求，应完成的工作（1）明确设计任务，对设计任务进行具体分析，充分了解系统性能、指标内容及要求。（2）制定设计方案。（3）进行具体设计，包括：单元电路的设计；参数计算；器件选择；绘制电路原理图。（4）利用MATLAB仿真软件对电路

4、进行仿真建模，并进行仿真实验与调试，对结果进行分析（5）撰写课程设计报告说明书三、 设计方案选择及论证在实际应用中，电子电路的设计一般由控制电路、驱动电路、保护电路等组成整个稳定的系统。一般当控制电路产生的控制信号足够驱动是就不需要驱动电路，如果控制电路产生的控制信号是微信号等不够驱动主电路是就要加驱动电路。为了防止电路受到冲击等影响，经常需要加保护电路。根据直流降压斩波电路设计任务要求，设计方案中需进行选择的主要是控制电路方案和驱动电路方案。3.1控制电路方案选择通过控制电路产生的控制信号，能让斩波电路中的主功率器件开通或关断，斩波电路有三种控制方式：1.保持开关周期T不变，调节开关导通时间

5、ton，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型；2.保持导通时间不变，改变开关周期T，成为频率调制或调频型；3.导通时间和周期T都可调，是占空比改变，称为混合型。通过这三种方法，能够调节电压的大小。在斩波电路的设计中，PWM的控制方式非常广泛，在本设计中，将采用PWM方式控制IGBT器件的导通和关断，从而将输入的电压的一部分波形“去掉”，从而降低最终的输出电压。当PWM占空比越小时，输出电压就越小。这种方法就是对脉冲宽度进行调整，改变脉冲的占空比控制所需的电压。在控制电路中，可以使用很多种方法产生PWM波，考虑了几种比如说常用的TL494、SG3524、SG3525等芯片。本设计决定使用SG3525芯片

6、设计控制电路产生PWM波来控制IGBT的通断，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

7、电平时，11和14脚的电压变为10输出。SG3525在SG3524的基础上，主要作了以下改进：1）增设欠压锁定电路 电路主要作用是当IC输入电压<8V时，集成块内部电路锁定，停止工作（基准源及必要电路除外），使之消耗电流降至很小（约2mA）。2）有软起动电路 比较器的反相端即软起动控制端脚8可外接软起动电容。该电容由内部5V基准参考电压的50A恒流源充电，使占空比由小到大（50）变化。3）比较器有两个反相输入端 SG3524的误差放大器、电流控制器和关闭控制3个信号共用一个反相输入端，现改为增加一个反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相端。这样，便避免了彼此相互影响，有利于

8、误差放大器和补偿网络工作精度的提高。4）增加PWM锁存器使关闭作用更可靠 比较器（脉冲宽度调制）输出送到PWM锁存器，锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。这样，当关闭电路动作，即使过电流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一个周期时钟信号使锁存器复位为止。5）振荡器作了较大改进 SG3524中的振荡器只有CT及RT两引脚，充电和放电回路是相同的。SG3525的振荡器，除了CT及RT引脚外，增加了放电引脚7、同步引脚3。RT阻值决定对CT充电的内部恒流值，CT的放电则由脚5及脚7之间外接的电阻值RD决定。把充电和放电回路分开，有利于通过RD来调节死区的时间，这是重大

9、的改进。在SG3525中增加了同步引脚3专为外同步用，为多个SG3525的联用提供了方便。6）输出级作了结构性改进 电路结构改为确保其输出电平处于高电平，或低电平状态。另外，为了适应驱动MOSFET的需要，末级采用了推挽式电路，使关断速度更快。SG3525增加的工作性能在实际应用中具有重要意义。例如，脚8增加的软起动功能，避免了开关电源在开机瞬间的电流冲击，可能造成的末级功率开关管的损坏。控制电路是开关电源的核心部分，控制环节的好坏直接影响电路的整体性能，电路中以SG3525芯片为核心的控制电路，采用恒频脉宽调制控制方式。误差放大器的输入信号是电压反馈信号,是由输出电压经分压电路获取,与普通误

10、差放大器的接法不同的是该电压反馈接成射极跟随器形式，反馈信号比较精确，因而可以精确地制占空比调节输出电压，提高了稳压精度。图（3-1）SG3525的引脚图（3-2）SG3525内部框图 3.2驱动电路方案选择SG3525的输出级采用推挽电路，双通道输出，每一通道的驱动电流最大值达500mA，能够直接驱动功率GTR和功率MOSFET，但是难以以直接驱动IGBT。所以需要加信号放大电路。控制电路是电源电路中工作电压最低的地方，在主电路中的正常和非正常电压或电流都可能破坏控制电路。在控制电路中要作好过电压、过电流和电压尖峰三种情况的防护，保护控制电路不受损坏。所以控制电路的保护和其与主电路的隔离至关

11、重要，采用外加驱动隔离电路，增强了驱动能力和电源的可靠性，使得系统能够正常稳定的运行，输出稳定的电压。具体来讲IGBT的驱动要求有一下几点：1）动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。否则IGBT会在开通及关延时，同时要保证当IGBT损坏时驱动电路中的其他元件不会被损坏。2）能向 IGBT提供适当的正向和反向栅压，一般取+15 V左右的正向栅压比较恰当，取-5V反向栅压能让IGBT可靠截止。3）具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为土20 V，驱动信号超出此范围可能破坏栅极。4）当 IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间内通过逐渐降

12、低栅压自动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。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，有以下2种驱动电路，下面对其进行比较选择。方案1：采用光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有源。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1us的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。方案2：采用变压器耦合驱动器，其输入输出耐压高，电路结构简单，延迟小。但是它不能实现自动过流保护，不能实现任意脉宽输出，而且其对变压器的绕制要

13、求严格。通过以上比较，结合本系统中，对电压要求不高，而且只有一个全控器件需要控制，使用光耦电路，使用方便，所以选择方案1。四、 总体电路设计完整的降压斩波电路除起降压器作用的主电路之外还要有驱动电路，控制电路和保护电路。其结构框图如图4.1所示。 图（4-1）电路结构框图五、 各功能模块电路设计5.1主电路设计5.1.1主电路方案根据所选课题设计要求设计一个直流降压斩波电路，可以运用电力电子开关来控制电路的通断即改变占空比，从而获得我们所想要的电压。这就可以根据所学的直流斩波电路作为主电路，这个方案是较为简单的方案，直接进行DC-DC变换简化了电路结构。至于开关的选择，选用较为熟悉的全控型的I

14、GBT管，而不选半控型的晶闸管，因为IGBT控制较为简单，且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单等特点，又用通态降压小、耐压高、电流大等优点。5.1.2工作原理 根据所学的知识，直流降压斩波主电路如图5.1所示： 图（5-1） 主电路图直流降压斩波主电路使用一个全控器件IGBT控制导通。用控制电路和驱动电路来控制IGBT的通断，当t=0时，驱动IGBT导通，电源E向负载供电，负载电压=E，负载电流按指数曲线上升。电路工作时波形图如图5.2所示： 图（5-2） 降压电路波形图当时刻，控制IGBT关断，负载电流经二极管续流，负载电压近似为零，负载电流指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小

15、，故串联L值较大的电感。至一个周期T结束，再驱动IGBT导通，重复上一周期的过程。当电力工作于稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为 为IGBT处于通态的时间；为处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比。通过调节占空比使输出到负载的电压平均值最大为E，若减小占空比，则随之减小。由此可知，输出到负载的电压平均值Uo 最大为U i，若减小占空比，则Uo 随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。5.1.2工作原理主电路中需要确定参数的元器件有直流电源、IGBT、二极管、电感、电容、电阻，其参数选择如下说明：1、 直流电源。V由直流电源提供。2、 电阻R。

16、取导通占空比=80%，则U。=80V，额定电流为5A，则,。3、 IGBT。当=80%时，V，额定电流为5A。取2倍裕量，。IGBT承受的最大截止电压为输入电压V，取2倍裕量则V。由此两数据选择IGBT型号为GT8Q101。4、 二极管VD。VD承受最大反相电压为100V，即为其最大工作电压。V。最大工作电流为I=5A。由于需要瞬间导通，二极管的开关速度大，则选择续8A / 200V型号SF84的快速恢复二极管。5、 电感L。选择大电感，使得电路能够续流。此时的临界电感为L=1mH 6、 电容 C。 由输出电压脉率要求小于10%，选择电容（输出电压为60V），所以选择电容C=0.3F5.2控制

17、电路设计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发生芯片来进行连续控制，对于PWM发生芯片，我们选用了SG3525芯片。5.2.1工作原理由于SG3525的振荡频率可表示为 ： 4.1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相连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为40kHz，所以由上式可取=0.01F, = ,=。可得f=40kHz，满足要求。图（5-3） 控制电路SG3525有过流保护的功能，可以通过改变10脚电压的高

18、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，同理也可以用10端进行过压保护，如图4.2所示10端外接过压过流保护电路。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，而当其没有过流时，10脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM波。SG3525还有稳压作用。1端接芯片内置电源，2端接负载输出电压，通过1端的变位器得到它的一个基准电位，从而当负载电位发生变化时能够通过1、2所接的误差放大器来控制输出脉宽的占空比，若负载电位升高则输出脉宽占空比减小，使得输出电压减小从而稳定了输出电压，反之

19、则然。调节变位器使得1端得到不同的基准电位，控制输出脉宽的占空比，从而可使得输出电压为50-80V范围。5.2.1 控制芯片介绍SG3525 是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。特点：1)工作电压范围宽： 835V。2)内置 51 V±10%的基准电压源。3)芯片内振荡器工作频率宽 100Hz400 kHz。4)具有振荡器外部同步功能。5)死区时间可调。为了适应驱动快速场效应管的需要，末级采用推拉

20、式工作电路，使开关速度更快，末级输出或吸入电流最大值可达400mA。6)内设欠压锁定电路。当输入电压小于 8V 时芯片内部锁定，停止工作(基准源及必要电路除外)，使消耗电流降至小于 2mA。7)有软启动电路。比较器的反相输入端即软启动控制端芯片的引脚 8，可外接软启动电容。该电容器内部的基准电压 Uref由恒流源供电，达到25V的时间为t=(25V/50A)C，占空比由小到大(50%)变化。8)内置PWM(脉宽调制)。锁存器将比较器送来的所有的跳动和振荡信号消除。只有在下一个时钟周期才能重新置位，系统的可靠性高。管脚功能：直流电源 Vs 从脚 15 接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准

21、电压稳压器的输入端，产生稳定的元器件作为电源。振荡器脚 5 须外接电容 CT，脚 6 须外接电阻 RT。振荡器频率由外接电阻RT 和电容CT决定， 振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出，误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。双稳态触发器的两个输出互补，交替输出高低电平，将PwM脉冲送至三极管VT1 及 VT2的基极，锯齿波的作用是

22、加入死区时间，保证 VT1 及VT2不同时导通。最后，VTl及VT2分别输出相位相差为 180°的 PWM波。图（5-3） SG3525内部原理框图5.3驱动电路设计PWM控制信号由于强度不够，不能够直接去驱动IGBT，因此需要信号放大的电路。另外直流斩波电路会产生很大的电磁干扰，会影响控制电路的正常工作，甚至导致电力电子器件的损坏。因而设计中还需要有带电器隔离的部分。所以我采用光电耦合式驱动电路5.3.1 驱动电路原理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

23、挽电路进行放大。本设计运用东芝的光耦芯片TLP521-1将PWM波产生电路和斩波电路隔离开来，尽量减少干扰，并将信号放大输出到ICBT以控制输出电压。为得到最佳的波形，在调试的过程中对光耦两端的电阻要进行合理的搭配。 图（5-4） TLP521-1引脚及内部结构 图（5-5） 光耦隔离放大电路2、 负载过压保护 本设计的负载过压保护电路采用的是将LM393比较器同相端接到负载端，反相端接到一个基准电压上，输出端接控制芯片10端，当负载端电压达到一定的值，比较器输出Uom抬高10端电位，从而使10端上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如

24、果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程，从而实现过压保护。电阻的取值，比较器反相端接5.1V电源经变位器后为可调基准电压，比较器同相端电压应在5V以内，取负载输出电压最大值80V来算R20/R18=80/3左右 ，所以R20=100K，R18=4K，R17=10k，R19=2k。LM393 是双电压比较器集成电路。但是本电路中只用到其中的一路，LM393输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上，不受 Vcc端电压值的限制.此输出能作为一个简单的对地SPS开路(当不用负载电阻没被运用)，输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的值所限制.当达到

25、极限电流(16mA)时，输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升。图（5-6） LM393引脚及内部结构图（5-7） 过压保护电路图5.4.2过流保护电路当电力电子电路运行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。过流保护的方法比较多，比较简单的方法是一般采用添加FU熔断器来限制电流的过大，防止IGBT的破坏和对电路中其他元件的保护， 在主电路串接一个快速熔断丝，如图5-1所示。六、 总体电路 图（6-1） 总电路图七、 总结7.1仿真电路及其仿真结果7.1.1 仿真电路图1、仿真模型如图7-1所示。图（7-1） 降压斩波的MATLAB电路的模型2、参数设置图（7-2） 电感设置为1mH图（7-3） 电阻设置为16欧图（7-4） 电容设置为0.3uf占空比设置，通过改变占空比，就可模拟出控制电路（PWM可调）产生的PWM波，从而在matlab中模拟出占波电路占空比为50%80%的情况，进而输出50V80V的输出电压，在本次报告中，只附有占空比50%、60%、70%、80%四种占空