西南交大电力电子与电力传动实训报告.docx
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西南交大电力电子与电力传动实训报告
电气工程学院2011级
电力电子与电力传动实训报告
项目名称：
75.1V/200W半桥DC/DC开关电压源
项目负责人：
**涛
项目成员：
负责老师：
指导老师：
2014年12月11日
项目成绩：
评阅人：
指导老师：
年月日
项目负责人：
姓名学号
项目成员：
姓名学号
项目成员：
姓名学号
摘要
电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。
由于开关电源本身消耗的能量低，电源效率比普通线性稳压电源提高一倍，被广泛用于电子计算机、通讯、家电等各个行业。
它的效率可达85％以上，稳压范围宽，除此之外，还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点，是一种较理想的稳压电源。
本项目对半桥开关电压源进行了主电路、控制电路设计，进行了开、闭环特性研究。
项目根据电力电子技术课程对半桥DC/DC电压源主电路进行了建模，采用控制策略为电压单闭环PI控制。
在建模的基础上在PSIM软件中搭建模块进行了开、闭环仿真，开环仿真占空比变化，输出电压平均值变化，通过改变占空比能线性调节输出电压；闭环仿真下，输入电压变化时，半桥开关电源能恒定输出给定电压值，PWM占空比有变化，负载变化时，能输出给定电压值。
在PESX-Ⅱ电力电子与电力传动开发平台上构建整个电路，在不同条件下研究了开关电源开、闭环性能，完成了实物实验。
在实物实验下，开环系统能输出稳定的直流电压，输出电压线性可调，闭环系统对输入电压变化能稳定输出电压，对负载变化能稳定输出电压，验证了闭环系统的稳定性。
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：
优于5%
负载调整率：
优于5%
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、项目的主电路设计
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：
型号：
MDS100-12
V_RRM：
1200V
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：
型号：
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、项目控制电路设计
3.1控制电路设计基本原理
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。
电流保护单元：
电流保护单元原理如图3-11所示，由比例放大、限流单元、过流比较、过流故障输出四部分组成，其功能是实现输出限流和过电流保护。
图3-11电流保护单元
比例放大：
电流检测是通过电流传感器，其输出的是电流信号，经过电阻RF转化为电压信号，再经过R44和C20进行滤波。
运放U2C、电阻R45、R46和R47组成放大器对电流信号放大同时有阻抗变换的作用。
放大后和电流信号可以用作电流反馈、电流限制和过电流保护。
限流控制：
放大后的电流信号经过电位器POT1分压，经过稳压管和电阻R45控制Q3开通和关断。
当POT1分压大于稳压管的稳压值时，稳压管击穿Q3开通，Q3开通将PWM控制器的软起动端的电压拉低，减小PWM宽度，减小输出电流，实现限流控制。
过流比较：
如果电流限制没有起作用，电流会上升，这时过流保护要起作用。
放大电电流信号和由R52和R51分压后的电压基准进行比较，当电流放大信号大于基准电压时，运放U2D输出+13.5V，控制故障开关输出为低电平。
过流故障输出：
过流故障输出和显示由三极管Q5、电阻R55、LED指示L6组成。
当U2D输出+13.5时，Q5通过，输出低电平，同时过流指示L6亮。
故障封锁单元：
当故障发生后要能封锁PWM信号，关断IGBT，否则为使功率器损坏。
故障封锁单元原理图如图3-12所示，由RS触发器和故障封锁开关两部分构成，功能是在输出过压、过流和短路信号发生后能封存故障，关闭PWM信号，关断IGBT。
图3-12故障封锁单元原理图
RS触发器：
输出过流信号、输出过压信号及从驱动板来的IGBT短路信号（都是低电平）经过U5A和U5B加在由U5C和U5D组成的RS触发器的置一端，使RS触发器输出为高电平开通故障开关Q2。
采用RS触发器能在故障信号消除后仍能保持PWM信号封锁状态，以避免频繁故障和保护动作对功率器件及其它器件的损坏。
故障封锁：
故障封锁由三极管Q2及电阻R54、R60和R61组成。
当故障封存的RS触发器输出高电平时，Q2导通将PWM控制器的软起动端接为低电平，封锁PWM输出。
此外输入过压信号也可直接控制Q2，在输入过压时封锁PWM信号。
多闭环转换：
在研发和调试过程中，要对开环、单闭环和双闭环进行调试。
电路PCB板上有不同跳线实现不同环的转换。
开环控制：
当跳线器JUP2和JUP4接通时，PWM控制器的误差放大器工作在电压跟状态，调节给定电位器，可以调节PWM发生器的比较电压，调节PWM输出信号的宽度，实现开环控制。
跳线设置如下：
单闭环控制：
断开跳线器JUP4，合上JUP2和JUP3可实现电流环控制；断开跳线器PU2，合上JPU1和JPU4可实现电压环控制；
双闭环控制：
断开跳线器JUP4和JPU2，合上JUP1和JUP3可实现电压/速度与电流环的双闭环控制。
上述闭环转换时，PI调节器控制参数要根据控制对象不同而调节。
3.4参数选择
控制电源：
+15V/0.5A、-15V/0.3A
外部给定电压：
DC0-5V
电流传感器取样电阻：
100欧
电压传感器取样电阻：
100欧
速度反馈输入：
DC0-5V
PWM驱动输出信号：
14mA
IGBT故障输入信号：
5-20mA
OUT+与OUT-电流：
〈1mA
UC+与UC-电流：
〈1mA
4、系统仿真
4.1PSIM软件介绍
PSIM是趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件。
PSIM全称PowerSimulation。
PSIM是由SIMCAD和SIMVIEM两个软件来组成的。
PSIM具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能，为电力电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。
它将半导体功率器件等效为理想开关，能够进行快速的仿真，对于初学者来说更容易掌握。
是专门针对电力电子及电机拖动开发的专用仿真软件。
4.2主电路和控制电路模型
图4-1仿真模型
仿真参数：
主电路部分：
输入直流电压：
408V
输入支撑电容：
3uF
滤波电感：
0.9mH
滤波电感：
560uF
负载电阻：
27.8Ω
控制电路部分：
输入R（x）=75.1
Kp=0.05
Ki=100
4.3系统仿真
4.3.1开环仿真
1）输入电压为408V，PWM波占空比为0.4787时，预期得到的输出电压为105V。
经仿真，得到输出电平均值为104.84V，恒压精度为|105-104.84|/105=0.152%
。
输出电压的有效值为104.84V，输出电流的有效值为4.194A，所以输出的功率为104.84*4.194=439.7W。
图4-2输入电压为408V，PWM波占空比为0.4787时输出电压
图4-3输入电压为408V，PWM波占空比为0.4787时双路PWM波
图4-4输入电压为408V，PWM波占空比为0.4787时IGBTCE间电压
图4-5输入电压为408V，PWM波占空比为0.4787时变压器原边、次边电压
2）输入电压为408V，PWM波占空比为0.4285时，预期的输出电压平均值为94V，经系统仿真可以知道输出电压的平均值为93.858。
恒压精度为（94-93.858）/94=0.151%。
图4-6输入电压为408V，PWM波占空比为0.4285时输出电压
图4-7输入电压为408V，PWM波占空比为0.4285时双路PWM波
我们可以看到，当占空比变化时，输出电压的值也变化了。
所以开环仿真占空比变化，输出电压平均值变化，通过改变占空比能线性调节输出电压。
4.3.2闭环仿真
1）输入电压为408V，负载为27.8Ω，给定电压为75.1V，输出电压平均值为75.099V，输出电压非常接近给定电压，恒压精度为|75.1-75.099|/75=0.00133%。
输出电压的有效值为75.099V，输出电流有效值为2.7A，所以输出功率为75.099*2.7=202.76W，符合设计条件。
图4-8输入电压为408V时输出电压电流
图4-9输入电压为408V时PWM波
2）减少输入电压为372V，给定电压为75.1V，输出电压平均值为75.0996V，输出电压仍能非常接近给定电压。
恒压精度为|75.1-75.0996|/75.1=0.000532%。
输出电压的有效值为75.0997V，输出电流的有效值为2.7A，所以输出功率为75.0997*2.7=202.76W，符合设计要求。
由于输入减少，为使输出不变，PI控制器输出PWM波占空比略有变大。
图4-10输入电压为372V时输出电压电流
图4-11输入电压为372V时PWM波
3）输入电压为408V，给定电压为75.1V，负载由27.8Ω增加为56.5Ω，输出电压为平均值为75.0997V，恒压精度为|75.1-75.0997|/75.1=0.000399%。
输出电压有效值为75.0997V，输出电流有效值为1.33A，所以输出功率为99.88W。
PWM占空比减小。
图4-12负载增加时输出电压电流
图4-13负载增加时PWM波
闭环仿真下，输入电压变化时，半桥变换器能恒定输出给定电压值，PWM占空比有变化；电压调整率为|75.099-75.0996|/75.099=0.000799%。
优于5%，恒压精度非常好！
负载变化时，能输出给定电压值，说明闭环系统性能良好，能稳定工作。
负载调整率为75.099-75.0997|/75.099=0.000932%。
优于5%，恒压精度非常好！
根据仿真我们可以看到，符合设计要求。
4.3.3开环与闭环对比
通过对系统进行开环和闭环的控制，我们可以知道，在开环时，输出电压为75.1V的情况下，开环的恒压精度为0.146%，闭环的恒压精度为0.0003478%，远远小于开环，证明闭环情况下，输出电压波动更小，输出更精确。
当负载变化时，为使得输出电压不变，PWM占空比会跟着变化，始终使得电压恒定。
开环时则没有这项功能。
加入PI控制后，系统更加稳定，输出电压的恒压精度更高了。
5、实验分析
5.1电力电子与电力传动开发平台介绍
实验室共有两种类型的开发平台“PESX-I电力电子与电力传动开发平台”和“PESX-Ⅱ电力电子与电力传动开发平台”
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