電力電子及變頻器直流降壓斬波電路設(shè)計(jì)

電力電子與變頻器直流降壓斬波電路設(shè)計(jì)專業(yè)：自動化班級：10306202學(xué)生姓名：廖先任學(xué)號:1030620230指導(dǎo)教師：胡開明、羅先喜院系：機(jī)械與電子工程學(xué)院時間：2013-11-27摘要直流-直流變流電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，包括直接直流電變流電路和間接直流電變流電路。直接直流電變流電路也稱斬波電路，它的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，這種情況下輸入與輸出之間不隔離。間接直流變流電路是在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)，在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實(shí)現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱帶隔離的直流-直流變流電路或直-交-直電路。直流斬波電路的種類有很多，包括六種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路,Cuk斬波電路，Sepic斬波電路和Zeta斬波電路，利用不同的斬波電路的組合可以構(gòu)成符合斬波電路，如電流可逆斬波電路，橋式可逆斬波電路等。利用相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路進(jìn)行組合，可構(gòu)成多相多重?cái)夭娐?。關(guān)鍵字：直流斬波，降壓斬波目錄一、課程目的1、任務(wù)2、目的二、課程設(shè)計(jì)的總體要求三、課程設(shè)計(jì)的任務(wù)1、設(shè)計(jì)課題任務(wù)2、功能要求說明3、設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)原理四、電路總體設(shè)計(jì)方案1、直流電源設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)原理1.2參數(shù)計(jì)算2、電路的設(shè)計(jì)2.1IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)3、電路各元件的參數(shù)設(shè)定及元件型號選擇3.1各元件的參數(shù)設(shè)定3.2元件型號選擇4、控制電路原理與設(shè)計(jì)4.1控制電路方案選擇4.2控制電路工作原理5、驅(qū)動電路原理與設(shè)計(jì)5.1驅(qū)動電路方案選擇5.2驅(qū)動電路分析與設(shè)計(jì)6、保護(hù)電路的原理與設(shè)計(jì)6.1過電壓保護(hù)6.2過電流保護(hù)五、系統(tǒng)仿真及結(jié)論1、仿真軟件的介紹2、仿真電路及其仿真結(jié)果3、仿真結(jié)果分析六、心得體會七、參考文獻(xiàn)附圖：降壓斬波電路原理圖附表：降壓斬波電路元器件清單一、課程目的1、任務(wù)：培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用《模擬電子技術(shù)》《數(shù)字電子技術(shù)》《單片機(jī)原理與應(yīng)用》《電力電子技術(shù)》和《變頻器及其應(yīng)用》所學(xué)知識分析、解決工程或科研實(shí)際問題的能力。2、目的：訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用學(xué)過的變流電路原理的基礎(chǔ)知識，獨(dú)立進(jìn)行查找資料、選擇方案、設(shè)計(jì)電路、撰寫報告，進(jìn)一步加深對變流電路基本理論的理解，提高運(yùn)用基本技能的能力，為今后的學(xué)習(xí)和工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題的能力；提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)，這對于工科學(xué)生貫徹工程思想起到十分重要的作用。二、課程設(shè)計(jì)的總體要求1、熟悉變流和觸發(fā)電路的原理，能夠運(yùn)用所學(xué)的理論知識分析設(shè)計(jì)任務(wù)。2、掌握基本電路的數(shù)據(jù)分析、處理；描繪波形并加以判斷。3、能正確設(shè)計(jì)電路，畫出線路圖，分析電路原理。4、廣泛收集相關(guān)技術(shù)資料。鼓勵有興趣有條件的同學(xué)仿真和制作實(shí)物。5、獨(dú)立思考，刻苦鉆研，嚴(yán)禁抄襲。6、按時完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)，認(rèn)真、正確地書寫課程設(shè)計(jì)報告。三、課程設(shè)計(jì)的任務(wù)1、設(shè)計(jì)課題任務(wù)設(shè)計(jì)一個直流降壓斬波電路。2、功能要求說明將220V交流電壓降壓輸出并且平均電壓可調(diào)，范圍為50-220V。3、設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)要求是輸出電壓Uo=50V-200V可調(diào)的DC/DC變換器，這里為降壓斬波電路。由于這些電路中都需要直流電源，所以這部分由以前所學(xué)模擬電路知識可以由整流器解決。IGBT的通斷用PWM控制，用PWM方式來控制IGBT的通斷需要使用脈寬調(diào)制器SG3525來產(chǎn)生PWM控制信號。降壓斬波主電路原理圖如圖1.1所示：四、電路總體設(shè)計(jì)方案1、直流電源設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)原理小功率直流電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路三個部分組成，其原理框圖如圖2.1所示，其各電壓波形如圖2.2所示：直流電源原理框圖直流電源波形圖電源變壓器的作用是將來自電網(wǎng)的220V交流電壓變換為整流電路所需要的交流電壓。電源變壓器的效率為：，其中：是變壓器副邊的功率，是變壓器原邊的功率。一般小型變壓器的效率如表2.1所示：表2.1小型變壓器效率因此，當(dāng)算出了副邊功率后，就可以根據(jù)上表算出原邊功率。在直流電源中一般用四個二極管組成橋式整流電路，整流電路的作用是將交流電壓變換成脈動的直流電壓。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動直流電壓中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓。與交流電壓的有效值的關(guān)系為：；在整流電路中，每只二極管所承受的最大反向電壓為：；流過每只二極管的平均電流為：2.11.2參數(shù)計(jì)算根據(jù)濾波電路的輸出電壓UI，確定電源變壓器副邊電壓的有效值；根據(jù)濾波電路的最大輸出電流，確定流過電源變壓器副邊的電流和電源變壓器副邊的功率；根據(jù)，從表2.1查出變壓器的效率η，從而確定電源變壓器原邊的功率。然后根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇電源變壓器。確定整流二極管的正向平均電流ID、整流二極管的最大反向電壓和濾波電容的電容值和耐壓值。根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇整流二極管和濾波電容。依據(jù)上述設(shè)計(jì)步驟，對本次課程的直流電源進(jìn)行設(shè)計(jì)，輸出電壓為。最大輸出電流假設(shè)為1A,則由可知：2.2變壓器副邊電流：因此，變壓器副邊輸出功率：。由于變壓器的效率，變壓器原邊輸入功率，所以選用功率為300W的變壓器。再選用整流二極管和濾波電容，由于：，。IN4004的反向擊穿電壓，額定工作電流，故整流二極管選用IN4004。由于電路對紋波無要求，而電容的耐壓要大于，故濾波電容C取容量為500μF，耐壓為300V的電解電容。2、電路的設(shè)計(jì)2.1IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)IGBT的驅(qū)動是矩形波，所以我選擇了由比較器LM358產(chǎn)生矩形波。圖2.1LM358的引腳圖LM358簡介：LM358內(nèi)部包括有兩個獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合。描述：運(yùn)放類型:低功率放大器數(shù)目:2針腳數(shù):8工作溫度范圍:0°Cto-70°C封裝類型:SOIC-3dB帶寬增益乘積:1.1MHz變化斜率:0.6V/μs器件標(biāo)號:358電源電壓最大:32V電源電壓最小:3V安裝器件:表面安裝圖2.2比較器產(chǎn)生方波電路圖其中2、3口是輸入口4、6接直流電源電壓1為輸出口。3、電路各元件的參數(shù)設(shè)定及元件型號選擇3.1各元件的參數(shù)設(shè)定1.IGBT的參數(shù)設(shè)定圖3.1IGBT的簡化等效電路以及電氣圖形符號術(shù)語符號定義及說明（測定條件參改說明書）集電極、發(fā)射極間電壓VCES柵極、發(fā)射極間短路時的集電極，發(fā)射極間的最大電壓柵極發(fā)極間電壓VGES集電極、發(fā)射極間短路時的柵極，發(fā)射極間最大電壓集電極電流IC集電極所允許的最大直流電流耗散功率PC單個IGBT所允許的最大耗散功率結(jié)溫Tj元件連續(xù)工作時芯片溫廈關(guān)斷電流ICES柵極、發(fā)射極間短路，在集電極、發(fā)射極間加上指定的電壓時的集電極電流。表3.1IGBT模塊的術(shù)語及其說明圖3.2降壓斬波電路電路圖圖3.3降壓斬波總電路圖由圖3.2所示此次設(shè)計(jì)的電源電壓為220V，當(dāng)二極管VD導(dǎo)通時V的C和E兩端承受的電壓為電源電壓，因此UCE=220V。圖3.4IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性UGE(th)隨溫度的升高略有下降，溫度每升高1°C，其值下降5mV左右。在+25°C時，UGE(th)的值一般為2-6V。參考電力電子技術(shù)課本可得：式3.1式3.2式中，；；。若取為10，則：2.續(xù)流二極管VD的參數(shù)設(shè)定VD所承受的最大反向電壓是當(dāng)IGBT導(dǎo)通是的電源電壓100V。所承受的最大電流是當(dāng)IGBT關(guān)斷瞬間電感L作用在VD上的電流，此電流為。3.電感的參數(shù)設(shè)定由于電感L要盡量大一些否則會出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況，所以選擇L的值為1。3.2元件型號選擇考慮其安全裕度則IGBT的額定電壓可以為2-3倍峰值電壓，所以額定電壓可為440-660.額定電流33-44，二極管VD與其類似，VD的最大反向電壓為220。選擇IGBT的型號為IRG4PC40U其額定電壓為600，額定電流為40。選擇續(xù)流二極管的型號為HFA25TB60，其而定電壓為600，額定電流為25。4、控制電路原理與設(shè)計(jì)4.1控制電路方案選擇IGBT控制電路的功能有：給逆變器的電子開關(guān)提供控制信號；以及對保護(hù)信號作出反應(yīng)，關(guān)閉控制信號。脈寬調(diào)節(jié)器的基本工作原理是用一個電壓比較器，在正輸入端輸入一個三角波，在負(fù)輸入端輸入一直流電平，比較后輸出一方波信號，改變負(fù)輸入端直流電平的大小，即可改變方波信號的脈寬。圖4.1SG3525引腳圖對于控制電路的設(shè)計(jì)其實(shí)可以有很多種方法，可以通過一些數(shù)字運(yùn)算芯片如單片機(jī)、CPLD等等來輸出PWM波，也可以通過特定的PWM發(fā)生芯片來控制。因?yàn)轭}目要求輸出電壓連續(xù)可調(diào)，所以我選用一般的PWM發(fā)生芯片來進(jìn)行連續(xù)控制。對于PWM發(fā)生芯片，我選用了SG3525芯片，其引腳圖如圖4.1所示，它是一款專用的PWM控制集成電路芯片，它采用恒頻調(diào)寬控制方案，內(nèi)部包括精密基準(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護(hù)電路等。其11和14腳輸出兩個等幅、等頻、相位互補(bǔ)、占空比可調(diào)的PWM信號。腳6、腳7內(nèi)有一個雙門限比較器，內(nèi)設(shè)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成SG3525的振蕩器。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1及腳2分別為芯片內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個兩級差分放大器。根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳9和腳1之間一般要添加適當(dāng)?shù)姆答佈a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，另外當(dāng)10腳的電壓為高電平時，11和14腳的電壓變?yōu)?0輸出。4.2控制電路工作原理由于SG3525的振蕩頻率可表示為：4.1式中:,分別是與腳5、腳6相連的振蕩器的電容和電阻；是與腳7相連的放電端電阻值。根據(jù)任務(wù)要求需要頻率為50kHz，所以由上式可取=1μF,=,=。可得f=49.02kHz，基本滿足要求。圖4.2控制電路部分電路圖SG3525有過流保護(hù)的功能，可以通過改變10腳電壓的高低來控制脈沖波的輸出。因此可以將驅(qū)動電路輸出的過流保護(hù)電流信號經(jīng)一電阻作用，轉(zhuǎn)換成電壓信號來進(jìn)行過流保護(hù)，如圖4.2所示。當(dāng)驅(qū)動電路檢測到過流時發(fā)出電流信號，由于電阻的作用將10腳的電位抬高，從而11、14腳輸出低電平，而當(dāng)其沒有過流時，10腳一直處于低電平，從而正常的輸出PWM波。5、驅(qū)動電路原理與設(shè)計(jì)5.1驅(qū)動電路方案選擇該驅(qū)動部分是連接控制部分和主電路的橋梁，該部分主要完成以下幾個功能：(1)提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷海笽GBT可靠的開通和關(guān)斷；(2)提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時電流，使IGBT能迅速建立柵控電場而導(dǎo)通；(3)盡可能小的輸入輸出延遲時間，以提高工作效率；(4)足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號電路與柵極驅(qū)動電路絕緣；(5)具有靈敏的過流保護(hù)能力。針對以上幾個要求，對驅(qū)動電路進(jìn)行以下設(shè)計(jì)。針對驅(qū)動電路的隔離方式：采用光電耦合式驅(qū)動電路，該電路雙側(cè)都有源。其提供的脈沖寬度不受限制，較易檢測IGBT的電壓和電流的狀態(tài)，對外送出過流信號。另外它使用比較方便，穩(wěn)定性比較好。但是它需要較多的工作電源，其對脈沖信號有1μs的時間滯后，不適應(yīng)于某些要求比較高的場合。本系統(tǒng)中，對電壓要求不高，而且只有一個全控器件需要控制，又有一些全控器件專用的驅(qū)動芯片，所以選擇此方案。5.2驅(qū)動電路分析與設(shè)計(jì)針對以上分析，我選取了EXB841驅(qū)動芯片。它具有單電源、正負(fù)偏壓、過流檢測、保護(hù)、軟關(guān)斷等主要特性，其功能完善，控制簡便可靠。下面簡單介紹一下它的工作原理。如圖5.1所示，其工作電源為獨(dú)立電源20±1V，內(nèi)部含有-5V穩(wěn)壓電路，為ICBT的柵極提供+15V的驅(qū)動電壓，關(guān)斷時提供-5V的偏置電壓，使其可靠關(guān)斷。當(dāng)腳15和腳14有10mA電流通過時，腳3輸出高電平而使IGBT導(dǎo)通；而當(dāng)腳15和腳14無電流通過時，腳3輸出低電平使ICBT關(guān)斷；若ICBT導(dǎo)通時，若承受短路電流，則其電壓隨電流的增大迅速上升，腳6懸空，腳3電位開始下降，從而逐漸關(guān)斷ICBT。圖5.1EXB841內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖利用EXB841驅(qū)動芯片設(shè)計(jì)其驅(qū)動電路原理圖如圖5.2所示，兩個47uf電容用于吸收噪音，在腳3輸出脈沖的同時，通過快速二極管VD1檢測IGBT的CE間的電壓。當(dāng)Vce>7V時，過流保護(hù)電流控制運(yùn)算放大器，使其輸出軟關(guān)斷信號，將腳3輸出電平降為O。因EXB841無過流自鎖功能，所以外加過流保護(hù)電路，一旦產(chǎn)生過流，可通過外接光耦TLP521將過流保護(hù)信號輸出至控制電路，經(jīng)過一定延時，以防止誤動作和保證進(jìn)行軟關(guān)斷，然后由觸發(fā)器鎖定，實(shí)現(xiàn)保護(hù)，將圖4.2與圖5.2聯(lián)系起來即可得到電路的控制驅(qū)動部分。圖5.2驅(qū)動電路原理圖6、保護(hù)電路的原理與設(shè)計(jì)在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適、驅(qū)動電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過電壓、過電流、保護(hù)和保護(hù)也是必要的。6.1過電壓保護(hù)過壓保護(hù)要根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的保護(hù)電路，當(dāng)達(dá)到—定電壓值時，自動開通保護(hù)電路，使過壓通過保護(hù)電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關(guān)器件上，保護(hù)了電力電子器件。為了達(dá)到保護(hù)效果，可以使用阻容保護(hù)電路來實(shí)現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過電壓保護(hù)電路如圖6.1所示。圖6.1RC阻容過電壓保護(hù)電路圖6.2過電流保護(hù)當(dāng)電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。當(dāng)器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低、缺相等，均可引起過流。由于電力電子器件的電流過載能力相對較差，必須對變換器進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^流保護(hù)。采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種的過流保護(hù)措施。過電流保護(hù)電路如圖6.2所示，其中交流側(cè)接快速熔斷器能對晶閘管元件短路及直流側(cè)短路起保護(hù)作用。器件直接串接快速熔斷器才對元件的保護(hù)作用最好，因?yàn)樗鼈兞鬟^同—個電流．因而被廣泛使用。電子電路作為第一保護(hù)措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時動作。圖6.2過電流保護(hù)電路圖五、系統(tǒng)仿真及結(jié)論1、仿真軟件的介紹此次仿真使用的是MATLAB軟件。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。Simulink®是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測試。.2、仿真電路及其仿真結(jié)果2.1仿真電路圖降壓斬波的MATLAB電路的模型2.2MATLAB的.仿真結(jié)果如下：=0.2時的仿真結(jié)果=0.4時的仿真結(jié)果=0.6時的仿真結(jié)果=0.8時的仿真結(jié)果=0.99時的仿真結(jié)果3、仿真結(jié)果分析由公式可得：當(dāng)時，=44=0.4時，=88。=0.6時，=132。=0.8時，=176。=0.99時，=217.8。上面的數(shù)據(jù)與理論值相同，由于使用的是仿真軟件所以沒有誤差。六、心得體會通過這次直流降壓斬波電路設(shè)計(jì)，鞏固了我對電力電子與變頻器的知識，增加了我對直流降壓斬波的理解，同時也提高了我對MATLAB軟件仿真的應(yīng)用。經(jīng)過這段時間的課程設(shè)計(jì)，不僅學(xué)到很多知識，而且也發(fā)現(xiàn)自己知識上存在的缺漏和設(shè)計(jì)的問題。比如：由于對設(shè)計(jì)知識