降压斩波电路的设计文档格式.docx
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4.3驱动电路设计方案比较
4.4IGBT驱动电路原理图
4.5IGBT的驱动性能
5保护电路的设计
6MATLAB仿真
6.1MATLAB简介
6.2MATLAB发展历程
6.3主电路仿真
7心得体会
三.参考文献
一引言
高频开关稳压电源已广泛运用于基础直流电源、交流电源、各种工业电源,通信电源、通信电源、逆变电源、计算机电源等。
它能把电网提供的强电和粗电,它是现代电子设备重要的“心脏供血系统”。
BUCK变换器是开关电源基本拓扑结构中的一种,BUCK变换器又称降压变换器,是一种对输入输出电压进行降压变换的直流斩波器,即输出电压低于输入电压,由于其具有优越的变压功能,因此可以直接用于需要直接降压的地方。
二正文
1降压斩波电路的设计目的
(1)通过对降压斩波电路(buckchopper)的设计,掌握buckchopper电路的工作原理,综合运用所学知识,进行buckchopper电路和系统设计的能力。
(2)了解与熟悉buckchopper电路拓扑、控制方法。
(3)理解和掌握buckchopper电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法,掌握元器件的选择计算方法。
(4)具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。
2降压斩波电路的设计内容及要求
1)设计内容:
对BuckChopper电路的主电路和控制电路进行设计,参数如下:
直流电压E=200V,负载中R=10,L值极大,反电动式E1=30V。
2)设计要求
(a)理论设计
了解掌握BuckChopper电路的工作原理,设计BuckChopper电路的主电路和控制电路。
包括:
IGBT电流,电压额定的选择
驱动,保护电路的设计
画出完整的主电路原理图和控制电路原理图
列出主电路所用元器件的明细表
(b)仿真实验
利用MATLAB仿真软件对BuckChopper电路主电路和控制电路进行仿真建模,并进行仿真实验
(c)实际制作
利用PROTEL软件绘出原理图,结合具体所用元器件管脚数,外型尺寸,考虑散热和抗干扰等因素,设计PCB印制电路板。
最后完成系统电路的组装,调试。
3降压斩波电路主电路基本原理
降压斩波电路主电路原理图如图1所示
图1降压斩波电路主电路原理图
t=0时刻驱动V导通,电源E向负载供电,负载电压,负载电流按指数曲线上升。
t=t1时控制V关断,二极管VD续流,负载电压近似为零,负载电流呈指数曲线下降。
通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。
当电路工作稳定时,负载电流在一个周期的初值和终值相等,如图2
所示,负载电压的平均值为:
式中,为V处于通态的时间,为V处于断态的时间;
T为开关周期;
为导通占空比,简称占空比或导通比。
负载电流的平均值为:
若负载中L值较小,则在V关断后,到了时刻,如图3所示,负载电流已衰减至零,会出现负载电流断续的情况。
由波形可见,负载电压平均值会被抬高,一般不希望出现电流断续的情况。
4IGBT驱动电路
1)IGBT的栅极驱动
(a)栅极驱动电路对IGBT的影响
正向驱动电压+V增加时,IGBT输出级晶体管的导
通压降和开通损耗值将下降,但并不是说+V值越高越
好。
IGBT在关断过程中,栅射极施加的反偏压有利于
IGBT的快速关断。
栅极驱动电路最好有对IGBT的完整
保护能力。
为防止造成同一个系统多个IGBT中某个的
误导通,要求栅极配线走向应与主电流线尽可能远,且
不要将多个IGBT的栅极驱动线捆扎在一起。
(b)IGBT栅极驱动电路应满足的条件
栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大。
在
IGBT导通后,栅极驱动电路提供给IGBT的驱动电
压和电流要具有足够的幅度。
栅极驱动电路的输出
阻抗应尽可能地低。
栅极驱动条件与IGBT的特性
密切相关。
设计栅极驱动电路时,应特别注意开通特性、负载短路能力和引起的误触发等问题。
2)IGBT驱动电路
IGBT驱动电路主要有3种典型的电路
(a)阻尼滤波门极驱动电路
为了消除可能的振荡现象,IGBT的栅射极间接上RC网
络组成阻尼滤波器且连线采用双绞线。
(b)光耦合器门极驱动电路
驱动电路的输出级采用互补电路的型式以降低驱动源内
阻,同时加速IGBT的关断过程。
(c)脉冲变压器直接驱动IGBT的电路
由于是电磁隔离方式,驱动级不需要专门直流电源,简化了
电源结构。
在这里采用光耦合门极驱动电路,如图4所示
图4光耦合门极驱动电路
5主电路的保护电路设计
1)过电压保护
所谓过电压保护,即指流过IGBT两端的电压值超过IGBT在正常工作时所能承受的最大峰值电压Um都称为过电压。
产生过电压的原因一般由静电感应、雷击或突然切断电感回路电流时电磁感应所引起。
其中,对雷击产生的过电压,需在变压器的初级侧接上避雷器,以保护变压器本身的安全;
而对突然切断电感回路电流时电磁感应所引起的过电压,一般发生在交流侧、直流侧和器件上,因而,下面介绍直流斩波电路主电路的过电压保护方法。
其电路如图5所示
图5过电压保护电路
2)过电流保护
所谓过电流保护,即指流过IGBT的电压值超过IGBT在正常工作时所能承受的最大峰值Im都称为过电流。
这里采用图6所示的电路
图6过电流保护电路
3)IGBT的保护
(a)静电保护IGBT的输入级为MOSFET,所以IGBT也存在静电击穿的问题。
防静电保护极为必要。
在静电较强的场合,MOSFET容易静电击穿,造成栅源短路。
采用以下方法进行保护:
应存放在防静电包装袋、导电材料包装袋或金属容器中。
取用器件时,应拿器件管壳,而不要拿引线。
工作台和烙铁都必须良好接地,焊接时电烙铁功率应不超过25W,最好使用12V~24V的低电压烙铁,且前端作为接地点,先焊栅极,后焊漏极与源极。
在测试MOSFET时,测量仪器和工作台都必须良好接地,MOSFET的三个电极未全部接入测试仪器或电路前,不要施加电压,改换测试范围时,电压和电流都必须先恢复到零。
(b)过电流保护
IGBT过电流可采用集射极电压状态识别保护方法,电路如图7所示
图7集射极电压状态识别保护电路
(c)短路保护
图8短路保护电路
4)缓冲电路缓冲电路(吸收电路)的作用主要是抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt,减小器件的开关损耗。
这里采用由RLC组成的电路来吸收电压、电流,如图9
图9缓冲电路
6MATLAB仿真
1)按原理图在MATLAB中搭建模块,搭建好的模型图如下
图10MATLAB仿真图
2)按设计要求设定参数
(a)直流电压E=200V,即将DCVoltageSource中的值设为200V,设定如图11所示
图11电压参数设定图
(b)电阻R=10,电感L的值极大,即将R_load和L_load分别设定为10和2mh,设定如图12所示
图12电阻电感设定图
(c)IGBT的参数设定如图13所示
图13IGBT的参数设定图
(d)示波器(scope)的参数设定如图14所示
图14示波器(scope)的参数设定图
3)调试与结果分析
逐步改变其占空比进行调试,运行可得如下结果(E=200V)
(a)设定=1%,得出输出电流,和电压及其波形如图15所示
图15=1%时和波形
(b)设定=20%,得出输出电流和电压及其波形如图16所示
图16=20%时和波形
(c)设定=40%,得出输出电流,和电压及其波形如图17所示
图17=40%时和波形
(d)设定=60%,得出输出电流和电压及其波形如图18所示
图18=60%时和波形
(e)设定=80%,得出输出电流和电压及其波形如图19所示
图19=80%时和波形
(f)设定=99%,得出输出电流和电压及其波形如图20所示
图20=99%时和波形
当设定=20%,逐不改变其L,分别得出输出电流和电压及其波形。
(a)设定L=5h,得出输出电流和电压及其波形如图21所示
图21L=5h时和波形
(b)设定L=3h,得出输出电流和电压及其波形如图22所示
图22L=3h时和波形
(c)设定L=2h,得出输出电流和电压及其波形如图23所示
图23L=2h时和波形
(d)设定L=1.5h,得出输出电流和电压及其波形如图24所示
图24L=1.5h时和波形
(e)设定L=1h,得出输出电流和电压及其波形如图25所示
图25L=1h时和波形
(f)设定L=0.5h,得出输出电流和电压及其波形如图26所示
图26L=0.5h时和波形
(g)设定L=0.05h,得出输出电流和电压及其波形如图27所示
图27L=0.05h时和波形
7心得体会
这次的课程设计是我收获比较大的一次,虽然中途遇到了不少困难,但易灵芝老师的指导,问题被我基本上解决了。
做课程设计比较棘手,因为它不单是要求你单纯地完成一个题目,而是要求你对所学的知识都要弄懂,并且能将其贯穿起来,是综合性比较强的。
但是重要的是首先要把设计任务搞清,不能盲目地去做,如果连任务都不清楚从何做起呢,接下来就是找相关资料,然后对资料进行整理,找资料说起来好像很简单,但真正做起来是需要一定的耐心的,不是你所找的就一定是有用的,所以这个过程中要花费一些时间做看似无用功的事,其实不尽然,这其中也拓展了你的知识面。
当然每次的课程设计都离不开老师平时的耐心教导,没有他们的指导以及平时灌输给我们的知识,我们根本就无从动手,是老师的教导和我们自己的努力才能一次次地顺利完成课程设计。
三参考文献
【1】孙树朴等.电力电子技术(第一版).徐州:
中国矿业大学出版社.1999
【2】邵丙衡.电力电子技术(第一版).北京:
铁道出版社.1997
【3】王兆安、黄俊.电力电子技术(第四版).北京:
机械工业出版社.2008
【4】张立.现代电力电子技术(第一版).北京:
科学出版社.1995
【5】周明宝.电力电子技术(第一版).北京:
机械工业出版社.1997
【6】叶斌.电力电子技术习题集(第一版).北京:
铁道出版社.1995
【7】林渭勋.现代电力电子电路(第二版).杭州:
浙江大学出版社.2002
【8】赵良炳.现代电力电子技术基础(第一版).北京:
清华大出版社.1995