电力电子变流报告

1、 课程名称： 班号： 学号： 姓名： 成绩： 目 录1 摘 要32 引 言33 直流斩波电路3 3.1斩波器分类3 3.2斩波电路的控制方式4 3.3直流斩波电路工作原理及分析54降压斩波电路7 4.1电路及波形8 4.2工作原理8 4.3数值关系8 4.4降压斩波电路解析85 升压斩波器（详细阐述） 9 5.1电路及波形9 5.2工作原理10 5.3数量关系10 5.4典型应用116 控制电路原理与设计 12 6.1 控制电路功能12 6.2 控制电路设计方法12 6.3 SG3525芯片的介绍13 6.4控制电路工作原理13 6.5 驱动电路功能14 6.6 驱动和控制电路14 6.7控制

2、和驱动电路的工作原理147 保护电路158 电路的仿真16课程设计直流升压斩波电路的设计与制作主要内容： 对直流斩波电路进行简单的介绍，包括它的分类以及介绍等。介绍了降压、升压斩波器的工作原理、波形图，其中对升压斩波器又进行了更加详细地分析。然后再介绍一下绝缘栅极双极型晶闸管（IGBT)的驱动电路和保护电路，最后完成直流升压斩波电路的设计与制作。一、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

3、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，使其控制获得加速平稳、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。二、引言 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年代兴起的电动汽车的控制。从而使上述控制获得加速平稳、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图所示。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

4、波电流的作用。图为 直流变换系统结构图三、直流斩波电路 3.1 斩波器分类 （1）按直流电源与负载进行能量交换的形式 =A型斩波器 它只能在单象限内工作，此时输出的直流电压极性不变，电流平均值也只能维持在一个方向。 = B型斩波器 能在双象限内工作，这里指输出直流电压的极性不变，电流平均值的极性可变，既有电源向负载输送能量，又有负载向电源反送能量的能力。 =C型斩波器 在B型斩波器的基础上，若输出电压和电流平均值的极性均可改变， 即能在四象限内工作。 （2）按输出电压的量值 =降压斩波器 =升压斩波器 =复合斩波器 3.2 斩波电路的控制方式 斩波电路的控制方式通常有三种 第一种：时间比例控制

5、方式（1）脉冲调宽主开关通断的周期T保持不变，而每次通电时间可变。此控制方式中，定频也就是指电力电子器件的通断频率（即开关周期T）一定，调宽是指通过改变斩波电路的开关元件导通时间来改变导通比，从而改变输出电压的平均值。 定频调宽控制（PWM） （2）调频 通电时间不变，而通断周期可变。此控制方式中定宽也就是指斩电路的开关元件导通时间固定不变，调频是指通过改变开关元件的通断周期T来改变导通比，从而改变输出电压的平均值。 定宽调频控制（PFM） （3）混合调制 通电时间和通断周期均可变。此种方式是PWM方式和PFM方式的综合，是指在控制过程中，即既改变电力电子元件的开关周期T，又改变开关元件的导通

6、时间。 第二种：瞬时值和平均值控制方式 瞬时值控制方式 此种控制方式是将输出电流（或电压）反馈的瞬时值，与预先设定电流（或电压）的上限值和下限值相比较，如果电流（或电压）的瞬时值小于电流（或电压）的下限值，就控制斩波电路的开关元件导通；如果电流（或电压）的瞬时值大于电流（或电压）的上限值就关断斩波电路的开关元件 。 瞬时值控制方式波形此种控制方式具有瞬时响应快的特点，适宜采用开关频率高的全控型器件来作为斩波电路的主功率开关元件，并且电流脉动要求愈小，斩波电路的开关元件的开关频率要求就愈高。第三种：时间比与瞬时值混合控制方式 此种控制方式是前面两种控制方式的结合，适用于要求电流（或电压）按时间比

7、方式输出，同时又要求控制输出电流（或电压）瞬时值的场合。 3.3 直流斩波电路工作原理及分析 3.3.1 电阻性负载 （1）电路及波形图 斩波原理电路及波形(a) 电路原理图 (b)波形图 （2）工作原理 斩波电路输出直流平均电压 式中 称为导通占空比，简称为占空比或导通比。改变占空比，即可改变输出到负载R上的直流平均电压。 3.3.2 R-L负载（1）电路及波形 R-L负载的斩波电路及波形 （a)电路 （b)电流、电压波形四、降压斩波电路 41 电路及波形 4.2 工作原理 状态一（b图） （1） 当t=0时刻，驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo等于电源电压E，因负载中有电阻和电感，

8、负载电流io按指数曲线上升。 （2） 当 t=t1时，通过换流电路的作用，使晶闸管V关断，负载电路通过二极管VD续流，负载电流按指数曲线下降，负载电压uo近似为零。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小，到一周T再触发V，重复上述工作。到稳态时，一周期内电流的初值与终值应相等，如上图b所示。 这种负载电流连续的状态称作状态一。 状态二（c图） 如果L值较小，当负载电流按指数曲线下降到tx时，负载电流已衰减到零，如图c。tk<t<tx期间，V导电，负载电压为零，tx<t<T，负载电流为零，但此时的负载电压等于负载反电动势Em。t=T时，完成一个通断周期并开始下一个工作周

9、期，把负载电流断续的状态称为状态2. 4.3 数值关系 （1）电流连续时 负载电压的平均值为 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，a为导通占空比，简称占空比或导通比。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。此电路采用PWM方式控制IGBT的通断。负载电流平均值为 （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。 4.4 基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析从能量传递关系出发进行的推导=由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变=电源只在V处于通态时提供能量，为E=在整个周期T中，负载消耗

10、的能量为（RT+T） 一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等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。该电路使用一个全控器件V，途中为IGBT，也可使用其他器件，若采用晶闸管，需设置晶闸管关断的辅助电路。为在V关断是给负载的电杆电流提供通道，设置了续流二极管VD。斩波电路的典型用途之一个拖动直流电动机，也可以带蓄电池负载，两种情况句会出现反电动势。五、升压斩波器（详细阐述） 5.1 电路及波形 5.2 工作原理 = 假设L和C值很大= V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。= V处于断态时，电源E和电感L同时向电容

11、C充电，并向负载提供能量。5.3 数量关系= 设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为：= 设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为：= 稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：化简得：T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路 升压比；升压比的倒数记作，即 和a的关系：因此，上式可表示为 ： 分析：（1）电压升高的原因：电感L储能使电压泵升的作用 电容C可将输出电压保持住 （2）如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即 ： 。 与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器 （3）输出电流的平均值Io为：（4）电源电流的平均值Io

12、为： 5.4 典型应用 = 用于直流电动机传动. = 用作单相功率因数校正（PFC）电路. = 用于其他交直流电源中.分析说明-用于直流电动机传动5.4.1 基础知识a）再生制动时把电能回馈给直流电源。 b）电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。C）直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器 5.4.2 电路及波形图： 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 电路图 b） 电流连续时 c） 电流断续时 5.4.3 数量关系（1） 当V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得式：（2） 当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得式：（3） 当电流连续时，考虑到初始条件，近似L无穷大时电枢电流

13、的平均值Io，即（4）该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压看作是被降低到了 。 5.4.4 以电流断续分析 如图，当电枢电流断续时： 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形当t=0时刻i1=I10=0，I10=0即可求出I20，进而可写出 i2的表达式。另外，当t=t2时，i2=0，可求得i2持续的时间tx，即 -电流断续的条件六、控制电路原理与设计6.1 控制电路功能 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。6.2 控制电路的设计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

14、生芯片来控制。当要求输出电压连续可调，选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。6.3 SG3525芯片的介绍（1）引脚图如下图所示，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。（2）各引脚作用其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

15、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。 图示如下 6.4 控制电路工作原理 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，如下图所示。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，而当其没有过流时，10脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM波。 图示如下： 控制电路部分电路图 6.5 驱动电路的功能 驱动部分是连接控制部分和主

16、电路的桥梁，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。6.6 驱动和控制电路 6.7控制和驱动电路的工作原理 通过R2、R3、C3结合SG3525产生锯齿波输入 到SG3525的 振荡器。其产生的PWM信号由OUTA、OUTB输出，调节R5可以改变占空比。输出的PWM信号通过二极管D6、D7送至光电耦合器U2，光耦后通过驱动电路对信

17、号进行放大。放大后的电压可以直接驱动IGBT。此电路具有信号稳定，安全可靠等优点。因此他适用于中小容量的PWM斩波电路。七、保护电路Ø 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

18、如下图所示。 RC阻容过电压保护电路图Ø 过电流保护 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。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。过电流保护电路如下图所示，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