电力电子课程设计

1、电力电子技术课程设计前言直流直流变流电路(DC-DC Converter)的功能是将直流电变为另一固定电压或者可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。其中，直接直流变流电路也称斩波电路（DC Chopper），斩波电路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。直流斩波电路的种类很多，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。利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，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。其中，升压斩波电路和降压斩波电路是最基本的电

2、路，这次课程设计对降压斩波变换技术的工程应用进行研究。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作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。IGBT降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于

3、开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展。降压斩波电路结构框图目录前言1摘要3第一章 设计说明41.1设计作用41.2设计目的41.3设计依据4第二章 降压直流斩波电路的设计4 2.1 主电路的设计4 2.1.1 降压斩波电路的原理图及工作波形4 2.1.2 降压斩波电路的工作原理5 2.1.3 降压斩波电路的控制方式6 2.2 IGBT驱动电路设计 6 2.3 整流电路7 2.4 斩波信号产生电路8 2.4.1 EXB841芯片介绍8 2.4.2 EXB84芯片电路原理图及工作原理分析92.5 保护电路112.5.1 驱动电路部分112.5.1.1过流保护

4、112.5.1.2限流与限幅保护112.5.2 整流桥电路部分11第三章 总电路图及其工程应用123.1 总电路图123.2 降压斩波技术的工程应用13第四章 参数分析134.1 降压斩波主电路部分134.2 整流电路部分15第五章 元器件清单15第六章 课程设计总结16第七章 参考文献16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

5、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。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。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。关键词：直流斩波电路 IGBT 开关电源第一章 设计说明 1.1 设计作用直流变换电路

6、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，以及用于其他领域的交直流电源。而开关电源分为AC/DC和DC/DC，其中DC/DC 变换已实现模块化，其设计技术和生产工艺已相对成熟和标准化。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。随着电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻，薄，小和高效率方向发展。开关电源因其体积小，重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。 1.2 设计目的 通过对降压斩波电路的设计，掌握整流电路的工作原理，学习降压斩波电路中驱动电路的选

7、择，了解斩波信号产生电路，由分立元件组成的驱动电路和集成驱动电路，学会通过计算得出最优参数。最终，通过课程设计这一实践教学环节，锻炼学生自主探索自主思考和自主创新的能力，提高学生运用科学理论知识能力，让学生在设计的实践过程中不断积累经验。1.3 设计依据1) 通过学习和了解降压斩波电路的原理图以及工作原理，设计出降压斩波电路的主电路部分。2) 根据IGBT的门极驱动条件与它的静态特性和动态特性之间的关系，确定IGBT驱动电路的选择。3) 通过电力电子电路实质上是分时段线性电路这一思想，对降压斩波电路进行解析、计算得到最优参数。4) 最后通过分析总结给电路设置相应的保护电路。第二章 降压直流斩波

8、电路（Buck Converter）的设计2.1 主电路的设计2.1.1 降压斩波电路的原理图及工作波形2.1.2 降压斩波电路的工作原理降压斩波电路的主电路使用一个全控型器件V，图中为IGBT，若采用晶闸管，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所示。 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时控制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

9、下降，通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小，通常使串联的电感L值较大。至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如上图b所示。此时电流是连续的，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。此时，负载电流平均值为若负载中L值较小，在V关断后，到了t2时刻，如上图c所示，负载电流已衰减至零，出现负载电流断续的情况，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。 2.1.3 降压斩波电路的控制方式根据对输出电压平均值进行调制的方式不

10、同，斩波电路可有三种控制方式：1) 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。2) 频率调制：保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T。3) 混合型：ton和T都可调，使占空比改变。2.2 IGBT驱动电路设计IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流

11、密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。IGBT的门极驱动条件密切地关系到它的静态和动态特性。门极电路的正偏压uGS、负偏压-uGS和门极电阻RG的大小，对IGBT的通态电压、开关、开关损耗、承受短路能力及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，负载短路能力和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，负载短路能力和由duGS/dt电流引起的误触发等问题。IG

12、BT门极驱动条件与器件特性的关系见下面的图片：为此，对IGBT驱动电路提出以下要求和条件：1) 向IGBT提供适当的正向栅压。并且在IGBT导通后。栅极驱动电路提供给IGBT的驱动电压和电流要有足够的幅度，使IGBT的功率输出级总处于饱和状态。瞬时过载时，栅极驱动电路提供的驱动功率要足以保证IGBT不退出饱和区。IGBT导通后的管压降与所加栅源电压有关，在漏源电流一定的情况下，VGE越高，VDS就越低，器件的导通损耗就越小，但是， VGE并非越高越好，一般不允许超过20 V。2) 能向IGBT提供足够的反向栅压，在IGBT关断期间，给处于截止状态的IGBT加一反向栅压f幅值（一般为515 V)

13、，使IGBT在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。3) 具有栅极电压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为+20 V，驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。4) 由于IGBT多用于高压场合。要求有足够的输人、输出电隔离能力。所以驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离，一般采用高速光耦合隔离或变压器耦合隔离。5) IGBT的栅极驱动电路应尽可能的简单、实用。应具有IGBT的完整保护功能，很强的抗干扰能力，且输出阻抗应尽可能的低。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。本次设计的电路采用的是专用集成块驱动电路。下面将在斩

14、波信号产生电路中对选择EXB841驱动芯片进行介绍。2.3 整流电路整流电路原理图如下：由原理图可以看出，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： ，由整流电路出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RC滤波器,因为电容滤波的直流输出电压Uo与变压器副边电压U2的比值比较大，而且适用在小电流、整流管的冲击电流比较大的电路中。因此本电路选用电容滤波.因为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。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

15、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高直流电压品质。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，可以得到比较理想的直流电压（幅值为50V左右）。2.4 斩波信号产生电路斩波信号产生电路主要用来驱动IGBT斩波。随着电力电子技术的发展，各种开关器件如power MOSFET、IGBT（绝缘栅双极晶体管）等功率开关器件得到越来越广泛的应用，同时各种开关器件的驱动芯片也同

16、样得到了高度的重视。目前大多数的驱动集成电路采用直接驱动或隔离驱动的方式。隔离驱动的集成驱动芯片，如EXB841系列、TLP250等，这种芯片的特点是能驱动单个功率管，且每路驱动都要一组独立的电源。这些集成块速度快，为了提高安全性，内部设有保护电路。它还具有高抗干扰能力，可实现IGBT的最优驱动。2.4.1 EXB841芯片介绍EXB841芯片是单列直插式结构，如图1所示，各引脚的功能见表1。图1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，防止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

17、否发生短路或集电极电流过大，从而进行自动保护。图2为IGBT 驱动模块EXB841的工作原理图。图-1 EXB841 芯片引脚图表1 EXB841的引脚功能表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（+20V）9电源地3驱动输出端10、11悬空4用于连接外部电容，以防止过流保护电路的误动作（绝大部分场合不需要此电路）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集电极电压输出端图-2 IGBT 驱动模块EXB841的工作原理图2.4.2 EXB84芯片电路原理图及工作原理分析图3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

18、准电源三部分。隔离放大部分由光电耦合器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。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、C2C4组成过电流保护部分，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.。 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VT

19、1、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

20、截止，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，并使用双绞线以提高抗干扰能力。若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。表2推荐的栅极串联电阻Rg的参考值IGBT额定值600A10A15A30A50A75A100A15

21、0A200A300A400A1200V8V15V25V50V75V100V150V200VRg/欧姆250150825033251512825图-3 EXB841的电路原理图2.5 保护电路2.5.1 驱动电路部分2.5.1.1过流保护当集电极电流过大时，管子的饱和电压UCE将明显增加，使集电极电位升高，过高的集电极电位将使二极管VD1截止，它作为过电流信号，送至6脚，通过模块中的保护电路，会使栅极电位下降，IGBT截止，从而起到过电流保护作用。此外，当出现过电流时，5脚将输出低电平信号，使光电耦合器LE导通（见图-4），输出过电流保护动作信号（送至显示或报警或其他保护环节）。在图-4中，是在

22、R2与LE间，串接一发光二极管LED，作为过电流显示。图-4 IGBT驱动电路接线图2.5.1.2限流与限幅保护图-4中RG为栅极限流电阻，对6A /500V元件，取RG=250。图-4中VST1为栅极正向限幅保护，VST1稳压值为14V15V（因EXB841输出高电平电压为14.5V）。图-4中 VST2为栅极反向限幅保护，VST2稳压值为-5V（因为EXB841输出低电平电压为-4.5V）。2.5.2 整流桥电路部分在桥式整流电路中，为了防止二极管受到电压的瞬间冲击，在每个二极管上并联一个电容。如图-5所示。图-5 整流二极管的保护电路第三章 总电路图及其工程应用3.1 总电路图图-6 I

23、GBT直流斩波电路3.2 降压斩波技术的工程应用斩波电路原来是指在电力运用中,出于某种需要,将正弦波的一部分"斩掉"(例如在电压为50V的时候,用电子元件使后面的500V部分截止,输出电压为0.)。后来借用到DC-DC开关电源中,主要是在开关电源调压过程中,原来一条直线的电源,被线路"斩"成了一块一块的脉冲。直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开关电源则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

24、括直流电动机传动、开关电源、单相功率因数校正，以及用于其他领域的交直流电源。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(2030)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源)， 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。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、17）W/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

25、，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90%。第四章 参数分析4.1 降压斩波主电路部分由电力电子电路实质上是分时段线性电路这一思想，以及前面第二章中降压斩波电路的原理图及工作波形，对降压斩波电路进行解析：按V处于通态和处于断态两个过程来分析，初始条件分电流连续和断续。（1）电流连续时得出：（1-1）（1-2）式中：，I10和I20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。把式（1-1）和式（1-2）用泰勒级数近似，可得（1-3）平波电抗器L为无穷大，负载电流完全平直时的负载电流平均值Io,此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。公式（1-3）所示的关系还可从能量

26、传递关系简单地推得，由于L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。一个周期中，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即 则在上述情况中，均假设L值为无穷大，负载电流平直的情况。这种情况下，假设电源电流平均值为I1，则有其值小于等于负载电流Io，由上式得即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。（2）电流断续时有I10=0，且t=ton+tx时，i2=0，可以得出 当时，电路为电流断续工作状态，是电流断续的条件，即对于电路的具体情况，可根据此式判断负载电流是否连续。在负载电流断续工作的情况下，负载电流一降到零，续流二极管VD即关断，负载两

27、端电压等于Em。输出电压平均值为Uo不仅和占空比a有关，也和反电动势Em有关。此时负载电流平均值为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。4.2 整流电路部分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，根据上面的选择原则可知选择二极管的最大整流电流IF(1.1IO)/20.5(U2/RL);最大反向电压UR1.12U2=1.12×55=84.7V。滤波电容的选择：C=(5T/2)/RL第五章 元器件清单器件名称规格型号数量（单位）大电感1mH1