电力电子课程设计

-亮度可连续调节直流斩波电路设计-1概论电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展，新技术的出现又会使许多应用产品更新换代，还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现，将标志着这些技术的成熟，实现高效率用电和高品质用电相结合。伴随着人们对开关电源的进一步升级，低电压、大电流和高效率的开关电源成为研究趋势。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。直流斩波电路(DCChopper)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，也称为直接直流一直流变换器(DC/DCConverter)o直流斩波电路一般指的是直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流一交流一直流的情况，直流斩波电路的种类较多，包括6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。上述其中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GTR的复合器件。它既有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。其频率特性介于MOSFET与功率品体管之间，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，因此发展很快。这里将进行对直流降压斩波电路的设计，且其输出电压可连续可调。2设计要求及设计方案2.1设计要求1、 采用不控整流进行AC/DC转换；2、 负载（灯泡）要求0〜100V直流电压，最大负载电流3A；3、 确定变压器的容量和参数；4、 设计主电路，选择主电路的参数；5、 确定输入电源的功率因数。2.2设计方案根据要求设计，先进行降压处理，降压到100V的三相交流电，频率50HZ，然后采用桥式不控整流，将交流变为直流，通过滤波处理。负载灯泡要求0〜100V直流电压，这里主电路采用直流降压斩波电路，通过芯片SG3525组成电路产生脉冲波来控制直流斩波电路的全控型器件IGBT，使脉冲占空比从％0〜％50变化来控制输出，进而来控制直流电压是连续变化，通过输出来进行参数计算来确定电路中元件的参数。下图是设计原理方框图:图2-1设计原理图3电路设计总体的电路的设计主要包括整流电路、直流降压斩波电路和控制电路的设计。3.1整流电路

整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器，整流主电路和滤波器等组成，其原理图如下图所示。图3-1整流电路习惯将其中阴极连接在一起的3个二极管称为共阴极组；阳极连接在一起的3个二极管称为共阳极组。此电路为不可控整流电路，假设将电路中的二极管换作品闸管，这种情况也就相当于品闸管触发角a=0o时的情况。此时，对于共阴极组的3个二极管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个二极管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个二级管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。此时电路工作波形如图3-2所示。将二极管换成品闸管，相当于a=0o，此时各品闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析ud的波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组二极管导通时，整流输出电压ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压ud=ud1—ud2是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的二极管对应的最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的二极管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压ud波形为线电压在正半周的包络线，其中输出电压Ud的平均值为：Ud=2.34U2cosa=2.34U2。3.2直流降压斩波电路降压斩波电路的原理图以及工作波形如图3-2所示。该电路使用一个全控型器件V，图中为IGBT。为在V关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。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，后两种情况负载中均会出现反电动势，如图e所示。若负载中无反电动势时，只需令E=0即可，以下的分析及表达式均可适用。G 口 _Ud UC ― Em图3-3直流降压斩波电路（1）工作原理如图3-3中V的栅极电压uGE波形所示，在t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压u°=E，负载电流i°按指数上升。当t=t1时刻，控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压uo近似为零负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常是串联的电感L值较大。至一个周期T结束，在驱动V导通，重复上一周期的过程。当工作处于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。

数量关系负载电压平均值:t——V通的时间on负载电流平均值：C)电流断续时的波形图3-4波形图数量关系负载电压平均值:t——V通的时间on负载电流平均值：C)电流断续时的波形图3-4波形图t-offE=+tofE=aEV断的时间该设计是要实现灯泡亮度可连续调节，所以将负载电阻和反电动势改为灯泡并联电容即可，如图3-5所示。图3-5图3-5斩波电路3.3控制电路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。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。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。因为斩波电路有三种控制方式，又因为PWM控制技术应用最为广泛，所以采用PWM控制方式来控制IGBT的通断。PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制.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，我选用了SG3525芯片，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。SG3525是定频PWM电路，采用16引脚标准DIP封装。其各引脚功能如图3-6所示，内部框图如图3-7所示。反相垢人匚11G二|观垢K匚215二^同圻编匚314□E曾E振毓垢出匚415ZUA.E^-CCT匚512二1谜RT匚611二1A^-E版电稔匚710二1闭伽控制软启动瑞匚89二1补偿图3-6SG3525的引脚图3-7内部框图引脚功能：（1） Inv.input（引脚1）：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。（2） Noninv.input（引脚2）：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。（3） Sync（引脚3）:振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。（4） OSC.Output（引脚4）：振荡器输出端。（5） CT（引脚5）：振荡器定时电容接入端。（6） RT（引脚6）：振荡器定时电阻接入端。（7） Discharge（引脚7）：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。（8） Soft-Start（引脚8）：软启动电容接入端。该端通常接一只5的软启动电容。（9） Compensation（引脚9）:PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。（10） Shutdown（引脚10）:外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。

OutputA(引脚11):输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。Ground(引脚12):信号地。Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。OutputB(引脚14):输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。Vcc(引脚15):偏置电源接入端。Vref(引脚16):基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。控制电路图如图3-8所示图3-8控制电路原理图该电路为直流降压斩波电路的控制电路，发出脉冲波控制全控器件IGBT的导通与关闭来调节输出电压平均值的变化，该控制电路的最大占空比为0.5。总设计原理图如图3-9所示，驱动15VV-S驱动地，驱动15VV-S驱动地图3-9设计总原理图3.4主电路元器件参数选择整流电路中U2=100V，所以整流电路中二极管能承受的最大反向电压Vc>173V,I>3A,适当取滤波电容的值。斩波电路中（1）对于电源，因为题目要求输入直流电压为234V，所以该直流稳压电源可直接作为系统电源。（2）IGBT由图3-9易知当IGBT截止时，回路通过二极管续流，此时IGBT两端承受最大正压为100V；而当a=0.5时，IGBT有最大电流，其值为3A。故需选择集电极最大连续电流I>3A，反向击穿电压Bvceo>117v的IGBT。如果考虑2倍的安全裕量需选择C集电极最大连续电流I>6A，反向击穿电压Bvceo>234V的IGBT。C（3）二极管当a=0.5时，其承受最大反压117V；而当a趋近于0.5时，其承受最大电流趋近于3A，故需选择Vc>117v,I>3A的二极管。考虑2倍的安全裕量：U=2xU=234V1m.n=2x1^=2x3=6A（4）电感选择大电感L，使得电路能够续流，此时的临界电感为：L=U0x（Ud—U0）/2fUdI。设输出电压为100V，=0.06mH则L=100x(117-100)2x1000x40x117x3=0.06mH所以电感L>=0.06mH，取L=0.1mH。（5）电容选择的电容既要使得输出的电压纹波小于1%，也不能取的太大，否则会使电路的速度变得很慢。电容的选择：也取输出电压为100V时来算C=U。①d-U〃MUffU=143mF- cd这里取C=1.2mF。（脉冲波频率为40KHZ）总电路中一级和次级变压器的线圈数之比：n1/n2=380/100=19/5当占空比最大为0.5时，灯泡两端电压为UO=100V，流过它的电流为I。=3A，则可得电路的输出功率即有用功为：P=UxI=100x3=300W流过变压器二次侧电流有效值为：1广,%1。所以变压器的容量为：S=3UXI=.囱XI=519.6W则输入电源的功率因数为：cos卜P/s=3°%19.6=0.58通过上述计算可确定电路中的原件参数。4小结与体会作了一周的课程设计，使我有了很多的心得体会，可以说这次直流斩波电路的性能研究的课程设计是在大家共同努力和在老师的精心指导下共同完成的。通过这次设计加深了我对这门课程的了解，也加深了对这门课程的设计。以前总是觉得理论结合不了实际，但通过这次设计使我认识到了理论结合实际的重要性。但由于我知识的限制，设计还有很多不足之处，希望老师指出并教导。通过对电路图的研究，也增强了我们的思考能力。知道了大概的模块之后，我对认真地设计每个模块，在设计过程中发现问题后，可以再加于完善。实在不懂的问题，可以和团队交流，再者就是查资料。也正因此，我对直流降压斩波电路有了更深的认识和了解，同时，也加强了自己的文件检索能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。为了能够是设计更加合理，对很多实际问题也进行了比较深入的思考。比如，保护电路这个模块。所以在很大程度上提高