电力电子课程设计直流斩波电路.docx

1、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

2、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boost chooper变换器。升压比，调节其即可改变。将升压比的倒数记作，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2.3 IGBT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

3、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

4、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GE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

5、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

6、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（boost chopper）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.

7、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（5.11）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3-3 SG35

8、25的引脚图3-4 SG3525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

9、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SG3

10、525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=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=1156，取1200；负载电流=/ =0.28,电源电流=()/=1.59 A。二极管承受反向最大电压 =1.414=1.41441.759V(4)

11、 考虑3倍裕量，则=359V=177V; 平均电流=0.5I2=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2000 F以上。因该系统负载不大，故取=2200 F，耐1.5=1.578.6=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，=50m H。(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

12、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

13、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“Matrix Laboratory”（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

14、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

15、间设置为O，停止仿真时间设置为O.02 s，控制脉冲周期设置为O.0001 s(频率为1 0000Hz)，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