电力电子课程设计直流斩波电路.docx

电力电子课程设计直流斩波电路.docx

《电力电子课程设计直流斩波电路.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力电子课程设计直流斩波电路.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

电力电子课程设计直流斩波电路

直流斩波电路设计方案和方案实施

2.1设计方案选择

斩波电路有三种控制方式

（1）脉冲宽度调制（PWM）：

开关周期T不变，改变开关导通时间ton。

（2）频率调制：

开关导通时间ton不变，改变开关周期T。

（3）混合型：

开关导通时间ton和开关周期T都可调，改变占空比。

本次设计采用的是脉宽调制的方法，开关选用全控型器件IGBT，它集中了电力MOSFET和GTR得优点。

2.2升压斩波电路的设计原理

原理图如图3-5所示：

假设L值、C值很大，V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压

为恒值,记为

。

设V通的时间为

，此阶段L上积蓄的能量为

V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。

设V断的时间为

，则此期间电感L释放能量为

（2-1）

稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等

化简得：

（2-2）

（2-3）

，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。

也称之为boostchooper变换器。

——升压比，调节其即可改变

。

将升压比的倒数记作β，即

。

和导通占空比，有如下关系：

（2-4）

因此，式（2-2）可表示为

（2-5）

升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因：

L储能之后具有使电压泵升的作用

电容C可将输出电压保持住

2.3IGBT驱动电路选择

对IGBT驱动电路提出以下要求和条件：

（1）由于是容性输出输出阻抗；因此IBGT对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路。

（2）用低内阻的驱动源对门极电容充放电，以保证门及控制电压

有足够陡峭的前、后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。

另外，IGBT开通后，门极驱动源应提供足够的功率，使IGBT不至退出饱和而损坏。

（3）门极电路中的正偏压应为+12～+15V；负偏压应为-2V～-10V。

（4）IGBT驱动电路中的电阻

对工作性能有较大的影响，RG较大，有利于抑制IGBT的电流上升率及电压上升率，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗；RG较小，会引起电流上升率增大，使IGBT误导通或损坏。

RG的具体数据与驱动电路的结构及IGBT的容量有关，一般在几欧～几十欧，小容量的IGBT其RG值较大。

（5）驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的自保护功能。

IGBT的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防静电措施情况下，IGBT的G～E极之间不能为开路。

一般数字信号处理器构成的控制系统，IGBT驱动信号由处理器集成的PWM模块产生的。

而PWM接口驱动能力及其与IGBT的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。

因此本文采用SG3525设计出了一种可靠的IGBT驱动方案。

第3章单元电路的设计

3.1直流供电电路

生活中现有的都为交流电，所以斩波电路的输入电压需由交流电经整流得到。

本设计采用桥式电路整流：

由四个二极管组成一个全桥整流电路.由整流电路出来的电压含有较大的纹波，电压质量不太好，故需要进行滤波。

本电路采用RL低通滤波器（通过串联一个电感，滤除电流的高次谐波，并联一个电容滤除电压的高次谐波），以减小纹波。

protell原理图如下图3-1所示：

图3-1直流供电电路

输入端接220V、50Hz的市电，进过变压器T1（原线圈/副线圈为4/1）后输出55V、50Hz。

当同名端为正时D2、D5导通，D3、D4截止，电压上正下负。

当同名端为负时D2、D5截止，D3、D4导通，电压同样是上正下负，从而实现整流。

电感具有电流不能突变，通直流阻交流特性，因此串联一个电感可以提高直流电压品质。

而电容具有电压不能突变，通交流阻直流特性，因此并联一个大电容可以滤除杂波，减小纹波。

结合两种元器件的特性，组成上图整流电路，可以得到比较理想的直流电压（幅值为50V左右）。

3.2升压斩波主电路

本设计为直流升压斩波（boostchopper）电路，该电路是本系统的核心。

应为输出电压比较大，故斩波器件选用能够承受大电压和导通内阻小，开关频率高，开关时间小的大功率IGBT管。

主电路图如下图3-2所示：

图3-2升压斩波主电路原理图

左边接经整流之后的50V电压。

右边为斩波电压输出，J2为测试点。

V-G为SG3525输出的PWM斩波信号。

G1为IGBT，D1为电力二极管，L2为电感，C1为电容，R1为负载。

3.3控制和驱动电路

3.3.1芯片SG3525简介

PWM控制芯片SG3525具体的内部引脚结构如图3-3及图3-4所示。

其中，脚16为SG3525的基准电压源输出，精度可以达到（5.1±1％）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。

脚5、脚6、脚7内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525的振荡器。

振荡器还设有外同步输入端（脚3）。

脚1及脚2分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。

该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70dB左右。

根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络。

图3-3SG3525的引脚

图3-4SG3525的内部框图

3.3.2控制和驱动电路原理图

此电路主要用来驱动IGBT斩波。

产生PWM信号有很多方法，但归根到底不外乎直接产生PWM的专用芯片、单片机、PLC、可编程逻辑控制器等本电路采用直接产生PWM的专用芯片SG3525.该芯片的外围电路只需简单的连接几个电阻电容，就能产生特定频率的PWM波，通过改变IN+输入电阻就能改变输出PWM波的占空比，故在IN+端接个可调电阻就能实现PWM控制。

为了提高安全性，该芯片内部还设有保护电路。

它还具有高抗干扰能力，是一款性价比相当不错的工业级芯片。

为了减少不同电源之间的相互干扰，SG3525输出的PWM经过光电耦合之后才送至驱动电路。

其电路图如下图3-5所示：

图3-5控制和驱动电路原理图

工作原理：

通过R2、R3、C3结合SG3525产生锯齿波输入到SG3525的振荡器。

其产生的PWM信号由OUTA、OUTB输出，调节R7可以改变占空比。

输出的PWM信号通过二极管D6、D7送至光电耦合器U2，光耦后通过驱动电路对信号进行放大。

放大后的电压可以直接驱动IGBT。

此电路具有信号稳定，安全可靠等优点。

因此他适用于中小容量的PWM斩波电路。

3.4保护电路

升压斩波电路需同时具有过压和过流保护功能，分别如图3-6，3-7所示，均采用反馈控制,将过流过压信号反馈到芯片SG3525的输入，从而起到调节保护作用。

同时芯片SG3525也可完成一定的保护功能，例如，脚8软起动功能，避免了开关电源在开机瞬间的电流冲击，可能造成的末级功率开关管的损坏。

图3-6过压保护电路

图3-7过压保护电路

3.5参数计算

由设计要求可取直流输入电压

=50V,

=340V,则:

（1）占空比α=1-50/340=0.85.

（2）交流侧二次电压有效值

=

/1.2=41.7V;

取交流一次电压有效值

=220V

变压器变比K=

/

=220/41.7=5.3。

（3）输出功率为100W,所以负载电阻R=

=1156Ω，取1200Ω；

负载电流

=

/

=0.28,电源电流

=（

α）/β=1.59A。

二极管承受反向最大电压

=1.414

=1.414×41.7＝59V

（4）考虑3倍裕量，则

=3×59V=177V;平均电流

=0.5×I2=0.14,选取1N4003，其参数为最大反向峰值电压为200V，平均电流为1A.

（5）滤波电容选择

一般根据放电的时间常数计算，负载越大，要求纹波系数越小，一般不做严格计算，多取2000μF以上。

因该系统负载不大，故取

=2200μF，耐1.5

=1.5×78.6=117.9V取120V即选用2200uF、120V电容器。

（6）电感值一般选择极大值，以保证电流连续且脉动很小，所以取

=0.3mH，

=50mH。

（7）IGBT的选择

因为

=41.7V，取3倍裕量，选耐压为150V以上的IGBT。

由于IGBT是以最大标注且稳定电流与峰值电流间大致为4倍关系，故应选用大于4倍额定负载电流的IGBT为宜，因此选用7A,额定电压600V左右的IGBT，选GT8Q101，其参数为最高耐压为1200V,最大电流为8A.

第4章实验仿真与分析

4.1仿真软件Matlab简介

在科学研究和工程应用中，往往要进行大量的数学计算，其中包括矩阵运算。

这些运算一般来说难以用手工精确和快捷地进行，而要借助计算机编制相应的程序做近似计算。

目前流行用Basic、Fortran和c语言编制计算程序,既需要对有关算法有深刻的了解，还需要熟练地掌握所用语言的语法及编程技巧。

对多数科学工作者而言，同时具备这两方面技能有一定困难。

通常，编制程序也是繁杂的，不仅消耗人力与物力,而且影响工作进程和效率。

为克服上述困难，美国Mathwork公司于1967年推出了“MatrixLaboratory”（缩写为Matlab）软件包，并不断更新和扩充。

目前最新的5.x版本（windows环境）是一种功能强、效率高便于进行科学和工程计算的交互式软件包。

其中包括：

一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等应用程序，并集应用程序和图形于一便于使用的集成环境中。

在此环境下所解问题的Matlab语言表述形式和其数学表达形式相同，不需要按传统的方法编程。

不过，Matlab作为一种新的计算机语言，要想运用自如，充分发挥它的威力，也需先系统地学习它。

但由于使用Matlab编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不象学习其它高级语言--如Basic、Fortran和C等那样难于掌握。

实践证明，你可在几十分钟的时间内学会Matlab的基础知识，在短短几个小时的使用中就能初步掌握它.从而使你能够进行高效率和富有创造性的计算。

Matlab大大降低了对使用者的数学基础和计算机语言知识的要求，而且编程效率和计算效率极高，还可在计算机上直接输出结果和精美的图形拷贝，所以它的确为一高效的科研助手。

自推出后即风行美国，流传世界。

4.2仿真电路

打开仿真参数窗口，选择ode23tb算法，按图4-1连接好仿真电路图。

相对误差设置为1e-03，开始仿真时间设置为O，停止仿真时间设置为O.02s，控制脉冲周期设置为O.0001s（频率为10000Hz），控制脉冲占空比为85％。

各元器件参数按计算出来的参数设置。

4-1升压斩波电路仿真电路图

4.3仿真结果及误差分析

参数设置完毕后，启动仿真，得到图4-2的仿真结果，输出电压为340V。

图4-2升压斩波电路占空比85%时仿真结果

在原电路的基础上，改变占空比为50%时的仿真结果如图4-3所示,理论输出电压为100V.

图4-3升压斩波电路占空比50%时仿真结果

通过以上的仿真过程分析，仿真结果基本符合理论计算值，本次设计取得成功。

可以得到下列结论：

（1）直流变换电路主要以全控型电力电子器件作为开关器件，通过控制主电路的接通与断开，将恒定的直流斩成断续的方波，经滤波后变为电压可调的直流输出电压。

利用Simulink对升降压斩波的仿真结果进行了详细分析，与采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。

存在误差，但在误差允许范围之类，分析误差原因有以下两点：

第一