电力电子技术课程设计升压斩波电路的实现Word下载.docx
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1实现的功能………………………………………………………………2
2设计目的…………………………………………………………………2
3设计依据…………………………………………………………………2
二.正文…………………………………………………………3
1总体的电路设计………………………………………………………3
2主电路设计及原理………………………………………………………4
3参数计算………………………………………………………5
4驱动电路的设计及原理………………………………………………6
4-1IGBT对驱动电路的选择及要求………………………………6
4-2驱动电路图及工作原理………………………………10
5保护电路的设计及原理……………………………………………12
5-1过电压保护………………………………………………12
5-2过电流保护………………………………………………12
6电源电路的设计……………………………………………………13
7元器件清单………………………………………………………13
8仿真电路…………………………………………………14
三.设计总结………………………………………………………15
四.参考资料…………………………………………………15
一、设计说明
1、实现的功能
通过升压DC-DC变换电路实现低输入电压30V~80到高斩波电路输出电压为380V,输出功率1500W
2、设计的目的
直流升压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电路、升降压电路、复合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。
通过此次的课程设计是自己掌握以下内容:
1、通过对升压斩波电路的设计,掌握升压斩波电路的工作原理。
2、理解和掌握升压斩波电路及系统的主电路,驱动电路,保护电路的设计方法,掌握元器件的选择计算方法。
3、了解电力电子电路及系统实验和调试的方法。
3设计依据
(1)IGBT的选择
(2)IGBT过流,过压保护
(3)升压斩波电路的设计
(4)驱动电路设计,驱动电路采用EXB841
(5)触发电路供电电源设计
二.正文
1总体的电路设计
如图1总体实现电路设计所示。
电路由升压电路,驱动模块、保护模块电路组成。
图1总体实现电路
由EXB841芯片为核心构成的驱动电路,控制IGBT的导通和关断时间,从而控制电路的升压比β,使其达到:
进而使输出电压达到目的值。
升压电路时整个电路的核心,由一个IGBT和电容、电感值都很大的电容电感各一个。
R为输出负载,电压由此输出。
因为输出功率是一定的150W,从而R为定值963Ω。
其中保护电路包括过电压保护和过电流保护。
2直流升压斩波主电路图及原理
2-1主电路
直流升压变流器用于需要提升直流电压的场合,其原理图如图下所示
图1主电路
2-2原理
在电路中V导通时,电流由E经升压电感L和V形成回路,电感L储能;
当V关断时,电感产生的反电动势和直流电源电压方向相同互相叠加,从而在负载侧得到高于电源的电压,二极管的作用是阻断V导通是,电容的放电回路。
调节开关器件V的通断周期,可以调整负载侧输出电流和电压的大小。
假设L值、C值很大
处于通态时,电源E向电感L充电,电流恒定,电容C向负载R供电,输出电压恒定。
断态时,电源E和电感L同时向电容C充电,并向负载提供能量。
设V通态的时间为,此阶段L上积蓄的能量为
设V断态的时间为,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:
,输出电压高于电源电压,故称升压斩波电路。
也称之为boost变换器
—升压比,调节其即可改变Uo。
将升压比的倒数记作β,即。
β和导通占空比α有如下关系:
(3)
因此,式(3)可表示为
升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压,关键有两个原因:
一是L储能之后具有使电压泵升的作用,二是电容C可将输出电压保持住。
在以上分析中,认为V处于通态期间因电容C的作用使得输出电压Uo不变,但实际上C值不可能为无穷大,在此阶段其向负载放电,U。
必然会有所下降,故实际输出电压会略低于理论所得结果,不过,在电容C值足够大时,误差很小,基本可以忽略。
3参数计算
由直流斩波电路的原理可知
又输入电压为输入直流电压范围:
30V~80V,要求输出直流电压:
380V。
所以只要根据输入的电压控制全控晶闸管IGBT关断的时间和开通的时间比就可,即升压比就可得到所需电压。
由计算得:
~80)
又因为要求输出功率P=1500W,=380V
得:
=
又由
,
当时L0.002731H当时L0.016H
所以选择L=0.01H
C>
:
最大纹波电压、最大纹波电压在输出电压的2%
当时C100F当时C87F
所以选择C=90F
4驱动电路
4-1IGBT对驱动电路的选择及要求
根据IGBT的特性,其对驱动电路的要求如下:
(1)提供适当的正反向输出电压,使IGBT能可靠的开通和关断。
当正偏电压(+)增大时,IGBT通态压降和开通损耗均下降,但若过大,则负载短路时其随增大而增大,对其安全不利,一般+UGE选+12—+15V为最佳;
负偏电压(-)可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通,但是受G、E极间最大反向耐压限制,一般取-5—-10V。
(2)IGBT的开关时间应综合考虑。
快速开通和关断有利于提高工作效率,减小开关损耗。
但在大电感负载下,IGBT的开关时间不宜过短,原因在于高速开通和关断会产生很高的尖峰电压dic/dt,极有可能造成IGBT自身或其他元件击穿。
(3)IGBT开通后,驱动电路应提供足够的电压、电流幅值,使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和而损坏。
(4)IGBT驱动电路中的电阻对工作性能有较大影响。
较大,有利于抑制IGBT的电流上升率及电压上升率du/dt,但会增加IGBT的开关时间和开关损耗;
较小,会引起增大,使IGBT误导通或损坏。
的选择原则是应在开关损耗不太大的情况下,选择略大的。
的具体数值还与驱动电路的结构及IGBT的容量有关,一般在几欧至几十欧,小容量的IGBT其值较大。
(5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的保护功能。
IGBT为压控型元件,当集射极加高压时很容易受外界干扰,使栅射电压超过(th)引起器件误导通。
为了提高抗干扰能力,除驱动IGBT的触发引线应尽量短且应采用双绞线,在栅射极间务必并联栅射电阻,一般取=(1000—5000),应并在栅射极最近处。
V1,V2是为防止驱动电路出现高压尖峰而并联的两只稳压管,稳压值应与正偏栅压与负偏栅压大小相同而方向相反。
信号控制电路与驱动电路之间应采用抗干扰能力强,传输时间短的高速光耦合器件加以隔离。
(6)IGBT在使用时除了采取静电防护措施外,还必须注意以下事项:
1、IGBT的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配。
2、当G-E端在开路的情况下,不要给C-E端家电压。
3、在未采取适当的防静电措施情况下,G-E端不能开路。
图3栅射电阻与反串稳压管的并联电路
4最有参数选择
O
E
图3-1电流连续
图3-2电流断续
当IGBT处于导通时,得
设的初值为,解上式得
当IGBT处于关断时,设电动机电枢电流为,得
当电流连续时,从图3-2的电流波形可看出,=时刻=,=时刻=,由此可得
故由上两式求得:
把上面两式用泰勒级数线性近似,得
该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值,即
当电流断续时的波形如图3-2所示。
当=0时刻==0,令式(1-10)中=0即可求出,进而可写出的表达式。
另外,当=时,=0,可求得持续的时间,即
当时,电路为电流断续工作状态,是电流断续的条件,即
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驱动电路图及工作原理
图4EXB841的功能原理图
图5EXB841的电路原理图
EXB841驱动器的各引脚功能如下:
脚1:
连接用于反向偏置电源的滤波电容器;
脚
2:
电源(
+
20V);
脚3:
驱动输出;
脚4:
用于连接外部电容器,以防止过流保护电路误动作(大多数场合不需要该电容器);
脚5:
过流保护输出;
脚6:
集电极电压监视;
脚7、8:
不接;
脚9:
电源;
10、
11:
14、
15:
驱动信号输入(一,+);
工作原理:
(1)开通过程:
当输入端和脚流过10mA的电流时,光耦合器B导通,A点电位迅速下降使晶闸管V1,V2截止,V2截止使B点电位上升,V4管导通,V5管截止,电源通过②脚、V4及电阻Rc向IGBT提供电源,使之迅速导通。
(2)关断过程:
当输入端和脚的电流为零时,光电耦合器B点截止,A点电位上升使V1和V2导通,V2导通使B点电位下降,V5导通,V4截止,IGBT的栅极电荷通过V5迅速放电,使EXB841的③脚电位下降至0V,由于此时③脚电位比①脚电位低5V,即=v,所以IGBT可靠关断。
(3)保护动作:
IGBT正常导通时,稳压管V6不被击穿,V3管不导通,充电使E点电位保持在20V。
若发生短路,IGBT承受大电流而退饱和,上升,二极管截止则EXB841的⑥脚“悬空”,C点和F点电位开始上升,当上升至一定值时,被击穿,使管导通,电容通过和放电,E点电位逐步下降,从而EXB841的③脚电位也逐步下降,慢慢关断IGBT。
图1-3是EXB841实际应用电路。
由于EXB841的脚接高电平,故控制脉冲输入脚为低电平时,IGBT导通,脚高电平时,IGBT截止。
稳压管、为栅极电压的正向限府保护,电容、为正、反向电源的滤波电容,①脚还外接发射极的衔位二极管。
此外,当集电极电流过大时IGBT的饱和压降将明显增加,使集电极电位升高,过高的集电极电位作为过流信号送至⑥脚,通过EXB841内部的保护电路,使栅极电位下降,IGBT截止。
与此同时,⑤脚输出低电平,使光耦合器B导通,输出过电流保护动作信号。
IGBT在发生短路后是不允许立即过快的关断,因为此时短路电流相当大,如果立即关断会造成很大的di/dt,这在线路杂散电感作用下会在IGBT上产生过高的冲击电压,损坏元件。
EXB841慢关断时间约8us。
EXB841的④脚用于连接外