中北大学IGBT降压斩波课程设计.docx

1、中北大学IGBT降压斩波课程设计中北大学电子技术课程设计任务书 2013/2014 学年第 一 学期学 院：计算机与控制工程专 业：电气工程及其自动化学 生 姓 名：学 号：课程设计题目：IGBT降压斩波电路设计起 迄 日 期: 2013年 12月16日 2013年12月27 日指 导 教 师:高丽珍 张晓明课程设计地点:中北大学下达任务书日期: 2013 年 12 月 16日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：1.加深理解电力电子技术课程的基本理论2.掌握电力电子电路的一般设计方法，具备初步的独立设计能力3.学习MATLAB仿真软件及各模块参数的确定2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数

2、、条件、设计要求等）：设计条件：1.电源电压：直流Ud=100V 2.输出功率：400W 3.占空比 4.开关频率5KHz 5.L=100mH根据课程设计题目和设计条件，说明主电路的工作原理、计算选择元器件参数。设计内容包括：1.电力二极管额定参数的计算 2.IGBT电流、电压额定参数选择 3. 控制电路的设计3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：1.根据设计题目要求的指标，通过查阅有关资料分析其工作原理，确定各器件参数，设计电路原理图；2.利用MATLAB仿真软件绘制主电路结构模型图，设置相应的参数。3.用示波器模块观察和记录电源电压、控制信号、电力二

3、极管电压、电感电压，负载电流和电压的波形图。 4主要参考文献：1.王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.20092.张润和.电力电子技术及应用.北京大学出版社.2008.83.曲学基，曲敬铠，于明杨等.电力电子整流技术及应用.电子工业出版社.2008.44.何此昂，周渡海.变压器与电感器设计方法及应用实例.人民邮电出版社.2011.25.洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社.20066.美Willianm Shepherd，沈经，张正南译.电力变流器电路.机械工业出版社.2008.105设计成果形式及要求：1.电路原理图及各器件参数计算2. MATLAB或其他仿

4、真软件仿真3.编写课程设计报告。6工作计划及进度：2013年 12月16日 12 月19日 设计电路计算参数12月20 日 12月23日 对设计的电路进行MATLAB或其他仿真软件仿真 12月24日 12月27日 编写课程设计说明书，答辩或成绩考核系主任审查意见： 签字： 年 月 日中北大学电子技术课程设计说明书IGBT降压斩波电路设计计算机与控制工程学生姓名： 学号： 电气工程及其自动化学 院： 高丽珍 张晓明专 业： 指导教师： 学科管理部主任 王忠庆 2013年 12月27 日 目 录 1 引言22 降压斩波电路主电路设计思路 22.1 主电路的工作原理 22.2 主电路的设计 32.3

5、 主电路的仿真 43 降压斩波电路控制电路设计思路 73.1 控制电路的工作原理 73.2 控制电路的设计 84 心得体会 10参考文献 10致谢 111引言 直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的 DC-DC 变换器 ,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用.随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路 . 直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛

6、的应用。2 降压斩波电路主电路设计思路 2.1 主电路的工作原理 电路的原理图如图1所示， 图1 降压斩波电路主电路 此电路使用一个全控型器件V，图中为IGBT，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。并设置了续流二极管VD，在V关断时给负载中电感电流提供通道。主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中Em所示。 工作原理：当t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。 当 t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo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

7、连续且脉动小。 此电路的基本数量关系为：（1）电流连续时 负载电压的平均值为 (2-1)式中，ton为V处于通态的时间，toff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。负载电流平均值为 (2-2)（2）电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。 斩波电路有三种控制方式： 脉冲宽度调制（PWM）：保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton， 频率调制：保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T。混合型：ton和T都可调，使占空比改变。2.2 主电路的设计设计内容和要求 设计条件：1.电源电压：直流Ud=100V 2.输出功率：400W 3.

8、占空比a=0.8 4.开关频率5KHz 5.L=100mH.有题目知P=400W，E=100V，a=0.8,U。=*E=80V，所以R=U。*U。/P=16所以负载电阻R=16，有频率f=5KHZ，所以T=1/f=0.0002S，反电动势Em=01 IGBT的选择：因为本电路设计的E=100V, 因此根据P=400W，U=100V，i=5A，由于考虑安全域量可知所选IGBT的额定电压与额定电流分别为200-300V、7.5A-10A。IGBT选定额定电压为250V，额定电流为8.75A。2 其他元器件的选择标准如下：二极管额定电压100V，电感L=100mL，电流有有公式 判断得电流连续。输出

9、电压平均值为 得U0=80V 负载电流平均值为 得I0=5.0A2.3 主电路的仿真 图2 主电路仿真图 图3 电源电压 图4 输出电压 图5 负载电流 图6 控制信号 图7 IGBT电流，电压 图8 续流二极管电压结果分析：周期T=1/f=0.0002s，高电平导通时ton=0.00016s,U=100V，低电平导通时间toff=0.00004s,U=0V，可知平均电压U。=80V。电流幅值范围为，I=4.9254.955，理论I。=5A，实验结果与理论差别在允许误差内。3 降压斩波电路控制电路设计思路3.1 控制电路的工作原理对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片

10、如单片机、CPLD等等来输出PWM波，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。因为设计课题要求，所以选用一般的SG3525作为PWM发生芯片来进行连续控制。SG3525 其原理图如图9下： 图 91.Inv.input(引脚1)：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。2.Noninv.input(引脚2)：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。3.Sync(引脚3)：振荡器外接同步

11、信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。4.OSC.Output(引脚4)：振荡器输出端。5.CT(引脚5)：振荡器定时电容接入端。6.RT（引脚6）：振荡器定时电阻接入端。7.Discharge(引脚7)：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。8.Soft-Start(引脚8)：软启动电容接入端。该端通常接一只5 的软启动电容。9.Compensation(引脚9)：PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。10.Shutdown(引脚10)：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输

12、出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。11.Output A（引脚11）：输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。12.Ground(引脚12)：信号地。13.Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。14.Output B（引脚14）：输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。15.Vcc（引脚15）：偏置电源接入端。16.Vref(引脚16)：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。3.2 控制电路的设计SG3525的工作原理由于SG3525的振荡频率可表示为： （3-1）式中:Ct,Rt分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；Rd是与脚7相连的放电端电

13、阻值。要求SG3525有保护的功能，可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压信号来进行过流保护。当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将10脚的电位抬高，从而13脚输出低电平，而当其没有过流时，10脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM波。SG3525 内置了5.1V精密基准电源，微调至 1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在CT 5 引脚和Discharge 7 引脚之间加入一个电

14、阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个5 的软启动电容。上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时， SG3525才开始工作。由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载

15、的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当 Shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启

16、动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。控制电路如下 图10 控制电路图4 心得体会这次电力电子课程设计是对我们学过的知识重新熟悉与积累，也有对一些新知识的了解与掌握。书本上有我们本次课题的相关例题，所以我们花了大量的时间温习课本，收获很大，课程设计部分的仿真进行得很顺利。同时，在仿真的过程中也了解到，理论上可行的东西，实际上执行起来还是有困难的，开始按理论参数进行设置，得出的仿真结果与理论差距较大。但是通过我们一遍一遍的修改参数，最终得到了最佳仿真结果。在这个过程中，让我们重新温习使用MATLAB软件，同时这个过程也要足够的耐心和细心。通过这次课程设计

17、，提高了我对电力电子技术知识的掌握和相关的动手能力，更重要的是增强的自己的信心，坚定了自己信念，明确了以后的方向，收获了许多在教室在课堂很难体会到的东西，让我知道了的不只是这个简单的课题，它让我知道的是面对一个问题时应该从哪下手，怎样才能更好的解决问题。这对与我们使一次很好的锻炼，我坚信，这对于以后我们的工作有很大的帮助。参 考 文 献1.王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.20092.张润和.电力电子技术及应用.北京大学出版社.2008.83.曲学基，曲敬铠，于明杨等.电力电子整流技术及应用.电子工业出版社.2008.44.何此昂，周渡海.变压器与电感器设计方法及应用实例.人民邮电出版社.2011.25.洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社.20066.美Willianm Shepherd，沈经，张正南译.电力变流器电路.机械工业出版社.2008.10致谢本课程设计是在指导老师高丽珍 张晓明的亲切关怀和悉心指导下完成的。他们严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到最终完成，两位老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持，在此谨向高老师和张老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。