西南交大电力电子与电力传动实训报告Word文件下载.docx
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电压...................................................
1.2
采用的技术..................................................
2、项目的主电路设计
.............................................
4
2.1
主电路结构..................................................
2.2
工作原理....................................................
2.3
器件参数....................................................
6
3、项目控制电路设计
7
3.1
控制电路设计基本原理........................................
3.2
控制电路原理图
..............................................
3.3
8
3.4
参数选择...................................................
17
4、系统仿真......................................................
4.1PSIM软件介绍...............................................
4.2
主电路和控制电路模型.......................................
18
4.3
系统仿真...................................................
4.3.1
开环仿真
4.3.2
闭环仿真
21
4.3.3
开环与闭环对比........................................
24
5、实验分析......................................................
25
5.1
电力电子与电力传动开发平台介绍..............................
5.2
采用模块...................................................
5.2.1
PESX-02
三相逆变桥....................................
5.2.2
PESX-03
单相/三相整流桥...............................
26
5.2.3
PESX-04
电容组件......................................
27
5.2.4
PESX-T
高频变压器.....................................
5.2.5
PESX-L1
高频滤波电抗器................................
28
5.2.6
PESX-21
控制电源箱....................................
5.2.7
PESX-22
电压传感器箱..................................
29
5.2.8
PESX-23IGBT驱动箱...................................
5.2.9PESX-25PWM控制箱....................................
30
5.3
实验过程...................................................
5.3.1
开环实验..............................................
5.3.2
闭环实验..............................................
32
6、结论、问题和体会............................................
35
6.1
结论
.......................................................
6.2
问题
36
6.3
体会
1、项目技术目标
本项目半桥开关电压源输入为直流电，经变换电路输出可调直流电。
闭环系
统下能稳定输出给定电压。
1.1指标
1.1.1电压
输入电压：
DC408V，电压波动±
15%
输出电压：
DC75.1V
恒压精度：
优于5%
电压调整率：
负载调整率：
输出功率：
200W
1.2采用的技术
1）输入直流电由三相交流电经二极管整流桥得到；
2）控制系统为电压单闭环控制；
3）PWM控制板以专用PWM控制芯片SG3525为核心，可用于多种DC/DC
电源变换器控制（升压斩波器、降压斩波器、反激开关电源、正激开关电源、半
桥开关电源和桥式开关电源）和直流电机调速系统控制，可以实现各种信号的监
测、保护和反馈，控制板上有多种跳线，可实现开环、单闭环和双闭环多种控制
功能；
4）IGBT驱动电路以2SD315-AI专用IGBT驱动模块为核心，外加工作电源过
欠压检测、短路保护设置、上下桥臂信号互锁以及故障信号恒流源变换等功能；
5）电压传感器采集输出电压，使用的传感器是NV25-P，它采用霍尔感应原
理，可测量任意波形电压。
2.1主电路结构
图2-1主电路
主电路变压器输入两个桥臂一个是电容桥臂，另一个是IGBT桥臂，变压器
二次侧串联。
电容两端输出电压。
2.2工作原理
当S1关断、S2导通时，电源及电容C2上储能经变压器传递到二次侧，同时电源经变压器、S2向C1充电，C1储能增加；
反之，S1开通、S2关断时，电
源及C1上储能经变压器传递到二次侧，此时电源经S1、变压器向C2充电，C2
储能增加。
S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压，
变压器二次侧电压经D1、D2整流，L、C滤波后即得到直流输出电压。
改变开关
的占空比，就可改变二次侧整流电压Ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。
S1、S2断态时承受的峰值电压均为Ui。
电流连续时工作过程：
工作状态1：
开关S1导通时，二极管D1处于通态，电感电流流经变压器绕组2、二极管D1和滤波电容C及负载R，电感电流增长。
工作状态2：
开关S1、S2都处于断态，变压器绕组1中的电流为零，根据变压器的磁动势平衡方程，绕组2和绕组2’中的电流大小相等、方向相反，所以D1和D2都处于通态，各分担一半的电流。
电感L的电流逐渐下降。
工作状态3：
开关S2导通时，二极管D2处于通态，电感电流流经变压器绕
组2’、二极管D2和滤波电容C及负载R，电感电流增长。
工作状态4：
与工作状态2相同。
图2-2工作原理波形
由于电容的隔直作用，半桥型电路对由于两个开关导通时间不对称而造成
的变压器一次侧典雅的直流分量有自动平衡的作用，因此，该电路不容易发生
变压器偏磁个直流磁饱和的问题。
为了避免上下两开关在换相过程中发生短暂的同时导通而造成短路损坏开
关，每个开关各自的占空比不能超过50%，并留有裕量。
当滤波电感电流连续时
Uo=w2*ton/（w1*Ts）*Ui
2.3器件参数
快恢复二极管：
由于半桥开关电源电压变化快，所以为了使输出电压恒定，
减少纹波，选用快恢复二极管。
根据实验室的现有设备，
选用的型号如下：
型号：
DSEI2×
101
V_RRM：
1200V
I_FAVM：
2×
91A
Trr：
40ns
普通三相整流桥：
MDS100-12
V_RRM：
I_D：
100A
输入桥臂电容：
输入电压为650V，桥臂电容对称，每个电容需承受
650/2=325V的电压。
根据实验室的现有的器件，选用电
容为：
930C12W3-3K
额定电压：
DC1200V
额定容量：
3uF
额定纹波电流：
5.6A（20kHz，85℃）
IGBT型号：
输入电压为650V，在半桥开关电源中，IGBT工作时所需
承受的最大电压为输入电压为Ui，即为650V，所以根据
实验室的条件，IGBT选用型号如下：
BSM50GB120DN2
最高输入直流电压：
≤700V
门极控制电压：
≤±
20V
高频变压器：
由于半桥开关电源属于高频变换电源，开关电压较高，所
以需要高频变压器，根据实验室现有条件，选用型号如下：
额定功率：
3kW（频率≥16KHZ）
额定输入电压：
265V（方波幅值）
输入电压范围：
265V±
10%
额定输入电流：
16A
次边输出电压1：
DC110V（次边并联）
次边输出电流1：
32A（次边并联）
次边输出电压2：
DC220V（次边串联）
次边输出电流2：
16A（次边串联）
输出滤波电感：
0.9mH
输出滤波电容：
560uF
3.1控制电路设计基本原理
给定电压PI控制器限幅器PWM电路
驱动电路
主电路
输出电压
电压传感
图3-1控制电路基本原理
控制系统为电压单闭环控制。
给定电压与输出电压比较输入PI控制器，得
到占空比信号，与三角波比较后得到PWM信号，PWM信号经驱动电路输出到主电
路控制开关。
PI能根据输出电压变化自动调节占空比，从而控制输出电压达到
给定电压值。
3.2控制电路原理图
电路图由电源指示和保护单元、给定单元、给定积分器、电压/速度调节
器、PWM控制器、输出电压检测和保护单元、故障锁定单元、直流电压检测和
保护单元、电流检测和保护单元组成。
如图3-2所示。
图3-2控制电路原理图
3.3工作原理
电源指示和保护单元
图3-3电源指示和保护单元原理图
电源指示和保护单元的原理如图3-3所示。
输入VCC（+15V）和VSS（-15V）
都经F1和F2可恢复保险后有两个防反二极管D8和D9，电源接反时，电源经防反二极管短路，保险断开，保护了控制板和电源。
电源接线正常时，电源指示灯L1和L2亮。
控制板出现短路或过载时，保险断开，保护电源。
给定单元：
图3-4是给定单元的原理图。
给定单元的电压是由SG3525内部
产生一个稳定性能稳定的5V电压源，有板上给定和面板给定两个，两个给定通过两个二极管取大输出。
当调试时，可采用板上给定，调节电位器RP1调节给定的大小，给定由D1输出。
采用外部给定时，可将PR1的输出调到0V，外部给定由V-ref通过D2输出为给定。
外部给定可以用一个电位器接上JK1上调节。
图3-4给定单元
给定积分单元：
给定积分器的功能是让给定信号按一定的上升或下降斜率加
到调节器的输入作为参考指令Ur，以防止上升指令变化太快对大惯性系统的冲
击。
上升斜率小，上升时参考指令慢慢增大，下降斜率大，下降指令快速减小。
这样既能限制指令上升速度，减小上升时的电流冲击，又能保证减速时的安全。
图3-5给定积分器
给定积分器的原理可以由上升和下降两个过程来分析。
其中三个运行放大器分别用作比较器（U1A）、积分器（U1C）和反向器（U1A）。
给定为0时，三个放大器输出都0V，当给定为某一值U1时运行放大器U1A输出最小值-13.8V，二极
管D3导通，电容C1经D3、R8恒流充电，放大器U1C的输出由0线性增大，放大器U1B是反向器，其输出将由0V线性减小。
当U1B的输出与给定大小相等方
向相反时，U1A的输入为0，输出也为0V，对C1的充电流停止，C1两端电压不变，输出Ur也不变，此时输出Ur与给定相等。
只要给定不变，输出一直不变。
二极管导通电压按0.7V计算，则上升斜率可计算为：
给定减小到0V时，放大器U1A的输出为最大值13.8V，C1由D4和R7反充电，开始下降过程。
放大器U1C的输出线性减小，放大器U1B的输出负线性增大，当U1B的输出为0V时，U1A的输出为0V，C1反充电停止，U1C的输出维持为0不变。
下降斜率可计算为：
可见下降速度上升速度的10倍。
图3-5中R13与WD1构成输出电压限位，将输出电压限制在-0.7～5V。
电压/速度调节器：
电压/速度调节器是PI调节器，将给定信号Ur和和反馈
信号Uf之差通过比例积分运算，生成控制量UC去控制电压/速度达到给定值。
图3-6中R14、R17和C3构成PI参数，R14与R17之比为比例系数，R14和C13之积的倒数为积分系数。
图3-6PI调节器
图中R16的电阻值很大，主要是控制运放的增益，抑制振荡，C4容值很小起到高频滤波作用，输出R18和稳压管WD2构成输出电压限位，让其控制在-0.7～5V之间。
PWM控制器：
PWM控制器采用的是常用SG3525，是PWM控制器的典型代表。
其能生产100kH-500Hz双路互补PWM脉冲信号，开关频率和两路脉冲死区可调节。
SG3525的内部结构如图3-7所示，内部集成输入电压欠压保护、5.1V精密参考电源、频率振荡器、误差放大器、PWM信号生成和分配器、推挽输出，还集成了软起动端和电源开关控制功能。
SG3525的这些结构和功能可满足多种DC/DC变换器用途（半桥、全桥、正激、反激、斩波控制），应用非常广泛。
其应用电路如图3-7。
误差放大器：
误差放大器实际是一个单电源高宽带的运算放大器，可以连接成一个PI调节器。
图3-8中构成一个PI调节器，图中在误差放大的输出端增加了一个电容C13用作频率补偿，相当于积分器的作用。
图3-7SG3525的内部结构
图3-8SG3525的应用电路
振荡器和死区：
电阻R19、R21和电容C11决定开关频率，近似计算公式
为：
两路输出脉冲间设有一个互锁时间或叫死区，以防止用作桥式开关电源驱动时一个桥臂上的两个功率管直通短路。
脉冲死区时间大约为：
软启动：
软起动端外接一个电容器C12，电源通电起动时，内部一个恒流源给电容充电，控制输出脉冲慢慢由窄变宽。
软起动的功能是防止起动时引起的电流冲击，在用于开关电源控制时，软起动还可防止起动过程引起的磁通饱和。
软起动端也可用作故障保护对电源实施关闭。
此控制板的电压、电压保护信号都是在软起动端进行保护的。
当故障要保护时，将软起动端拉为低电平。
采用软起动端对电源进行关断可在故障清除后下次电源重新起动时实现软起动。
电源欠压保护：
由一个带有回滞的电源比较器对输入电源进行监控，当输入电压低于7V时，电源停止工作。
参考电源：
将外部供电电源稳压在8~35V时，片内内置一个电压5.1V，精度±
1%的低温漂精密电压源，可向外提供50mA电流。
此电源经常作为输出电压的给定信号，外接一个滤波电容C9滤除谐波，保证电源给定脉动小。
电源控制端：
对电源进行起停控制，在保护电源控制端加上高电平时，电源停止工作，当加上低电平时，电源开始工作。
由电源控制端对电源进行控制起动时，没有软起动过程，因此控制板中没有用电源控制控制电源起停，直接用一个电阻R22接地。
PWM输出极：
两个PWM输出极采用图腾柱结构，输出信号是互补，并且有死区，输出峰值电流达500mA。
输出极的这种结构形式使其用于驱动MOSFET时十分方便，同时对小功率应用，通常不要外接驱动器，由PWM控制器直接驱动或加隔离脉冲变压器驱动。
当然也可为大功率IGBT驱动器提供控制信号。
控制板是用于给IGBT驱动器提供PWM信号，电路中分别电阻R25和R26，其输出的是10mA电流信号给驱动器的光耦输入极。
两个PWM输出极还各串有一个二极管，这样两个输出极可以分别驱动IGBT驱动器，也可以直接并联驱动一个IGBT驱动器（斩波器时用一个驱动器）。
二极管的作用上防止两输出直接并联时，两个PWM信号间电流，增加了电源的损耗。
输出电压保护单元
图3-9电压检测和保护单元
图3-9是输入电压检测和保护的原理图，其用于DC/DC控制时对输出电压进行过电压保护。
电路分电压检测、电压比输和故障信号输出三个部分组成。
电压检测：
电压检测由运算放大器U2A、电阻R30、R31、R32和R33构成一个差模放大器，其中R30=R31，R32=R33。
输出电压直接检测是通过大阻值电阻
R31和R31先将电电压转化为电流信号，再利用运算放大器原理进行转换。
U2A
的输出电压为：
其中Uin是加在+OUT和-OUT间的电压差。
二极管D10和D11将运算放大器的输出电压嵌位在±
0.7V，对运放进行保护。
电压比较：
比较器由运算放大器U2B、电阻R34、R36、R37、R35、R38和R39
组成，是一个带有滞环的比较器。
R36和R37将电源电压VCC进行分压，U2A的输出是负信号，U2B的输入6和5间的电压大小决定出决定了其输出。
当输出电压低时，6脚电位较5脚高，U2B输出为负饱和（电源电压15V时，负饱和输出
为-13.5V，正负饱和的+13.5V）,当输出电压增大时，6脚电位下降，当低于5脚时，U2B输出正饱和，给故障输出极提供13.5V电压。
R38和R39构成电压滞环，使5脚的电位在输出正饱和和负饱和时有一个差，构成为比较转换点的回差，防止比较器在比较转换点的来回振荡。
故障输出：
故障输出级由三极管Q1、电阻R41、R43和LED指示L3组成，其功能完成故障信号的电平转换和显示故障。
当没有过压时，U2B输出为-13.5V，Q1发射极受到负电压而关断，故障输出为高电平；
当输出过电压时，U2B输出为+13.5V，Q1发发射极有电流流过而导通，故障输出为0电平，同时指示灯L3亮。
电阻R4限制Q1发射结电流，D1将Q1发射结电压限制在-0.7V以上。
R42用于限制LED的电流。
输入直流电压保护单元：
输入电压保护单元的原理如图3-10所示，由电压检测和过压比较两个部分构成，其功能是对输入电压的过压保护和指示。
当输入
电压高于设定值时，比较器输出高电平去控制故障开关封锁PWM信号。
图3-10输入电压保护单元
输入电压保护单元的电压检测和比较器的原理可以参见输出电压保护单元
的说明，只是在此用的比较器没有设滞环
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