电力电子课程设计 - 直流斩波

来源:互联网 编辑:王志 手机版

电力电子课程设计说明书

DC/DC变换器的设计

系 、 部: 电气与信息工程系

学生姓名: 单 能 文

指导教师: 桂 友 超

专 业: 自 动 化

班 级: 0 7 0 3 班

完成时间: 2010年6月13日

前 言

直流斩波电路(DC Chopper)的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电,也称为直接直流-直流变换器(DC/DC Converter)。直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况,不包括直流-交流-直流的情况。

习惯上,DC-DC变换器包括以上两种情况。

直流斩波电路的种类较多,包括6种基本斩波电路:降压斩波电路,升压斩波电路,升降压斩波电路,Cuk斩波电路,Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,其中前两种是最基本的电路。一方面,这两种电路应用最为广泛,另一方面,理解了这两种电路可为理解其他的电路打下基础。

利用不同的基本斩波电路进行组合,可构成复合斩波电路,如电流可逆斩波电路、桥式可逆斩波电路等。利用相同结构的基本斩波电路进行组合,可构成多相多重斩波电路。

直流斩波电路广泛应用于直流传动和开关电源领域,是电力电子领域的热点。全控型器件选择绝缘栅双极晶体管(IGBT)综合了GTR和电力MOSFET的优点,具有良好的特性。目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场,应用领域迅速扩展,成为中小功率电力电子设备的主导器件。

所以,此课程设计选题为:设计使用全控型器件为IGBT的降压斩波电路。主要讨论电源电路、降压斩波主电路、控制电路、驱动电路和保护电路的原理与设计。

目 录

1 设计要求与方案…………………………………………………………………3

2 直流电源设计……………………………………………………………………3

2.1 设计原理 ………………………………………………………………… 3

2.2 参数计算……………………………………………………………………4

3 降压斩波主电路设计…………………………………………………………5

3.1 BUCK电路工作原理………………………………………………………5

3.2 主电路参数分析……………………………………………………………6

4 控制电路原理与设计……………………………………………………………6

4.1 控制电路方案选择…………………………………………………………7

4.2 控制电路工作原理…………………………………………………………8

5 驱动电路原理与设计……………………………………………………………8

5.1 驱动电路方案选择…………………………………………………………8

5.2 驱动电路分析设计…………………………………………………………8

6 保护电路原理与设计……………………………………………………………9

6.1 过电压保护…………………………………………………………………9

6.2 过电流保护…………………………………………………………………11

设计心得……………………………………………………………………………12

参考文献……………………………………………………………………………12

致 谢………………………………………………………………………………12

附 录………………………………………………………………………………13

1.设计要求与方案

设计要求是输出电压Uo=50V-200V可调的DC/DC变换器,这里为降压斩波电路。由于这些电路中都需要直流电源,所以这部分由以前所学模拟电路知识可以由整流器解决。IGBT的通断用PWM控制,用PWM方式来控制IGBT的通断需要使用脉宽调制器SG3525来产生PWM控制信号。降压斩波主电路原理图如图1.1所示:

图1 .1 降压斩波主电路的原理图

2.直流电源设计

2.1 设计原理

小功率直流电源由电源变压器、整流电路、滤波电路三个部分组成,其原理框图如图2.1所示,其各电压波形如图2.2所示:

图2.1 直流电源原理框图

图2.2 直流电源波形图

电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压变换为整流电路所需要的交流电压。电源变压器的效率为:,其中:是变压器副边的功率,是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表2.1 所示:

表2.1 小型变压器效率

因此,当算出了副边功率后,就可以根据上表算出原边功率

在直流电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路,整流电路的作用是将交流电压变换成脉动的直流电压。滤波电路一般由电容组成,其作用是把脉动直流电压中的大部分纹波加以滤除,以得到较平滑的直流电压与交流电压的有效值的关系为:;在整流电路中,每只二极管所承受的最大反向电压为:;流过每只二极管的平均电流为:

2.1

2.2 参数计算

根据滤波电路的输出电压UI,确定电源变压器副边电压的有效值;根据滤波电路的最大输出电流,确定流过电源变压器副边的电流和电源变压器副边的功率;根据,从表2.1 查出变压器的效率η,从而确定电源变压器原边的功率。然后根据所确定的参数,选择电源变压器。

确定整流二极管的正向平均电流ID、整流二极管的最大反向电压和滤波电容的电容值和耐压值。根据所确定的参数,选择整流二极管和滤波电容。依据上述设计步骤,对本次课程的直流电源进行设计,输出电压为。最大输出电流假设为1A,则由可知:

2.2

变压器副边电流:

因此,变压器副边输出功率:

由于变压器的效率,变压器原边输入功率 ,所以选用功率为300W的变压器。

再选用整流二极管和滤波电容,由于:

。IN4004 的反向击穿电压,额定工作电流,故整流二极管选用IN4004。由于电路对纹波无要求,而电容的耐压要大于,故滤波电容C取容量为500μF,耐压为300V的电解电容。

3.降压斩波主电路设计

3.1 BUCK电路工作原理

图3.1 BUCK电路图

直流降压斩波主电路使用一个全控器件IGBT控制导通。用控制电路和驱动电路来控制IGBT的通断,当t=0时,驱动IGBT导通,电源E向负载供电,负载电压=E,负载电流按指数曲线上升。电路工作时波形图如图3.2所示:

图3.2 电流持续时波形图

时刻,控制IGBT关断,负载电流经二极管续流,负载电压近似为零,负载电流指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小,故串联L值较大的电感。

至一个周期T结束,再驱动IGBT导通,重复上一周期的过程。当电力工作于稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等,负载电压的平均值为

3.1

为IGBT处于通态的时间;为处于断态的时间;T为开关周期;α为导通占空比。

通过调节占空比α使输出到负载的电压平均值最大为E,若减小占空比α,则随之减小。此电路采用PWM方式控制IGBT的通断。

3.2 主电路参数分析

主电路中需要确定参数的元器件有IGBT、二极管、直流电源、电感、电阻值的确定,其参数确定如下:

(1)电源 要求输入电压为200V。其直流稳压电源模块前面已完成,以该直流稳压电源作为系统电源。

(2)电阻 因为当输出电压为200V时,假设输出电流为0.1-1A。所以由欧姆定律可得负载电阻值为 ,可得到电路电阻应该在

(3)IGBT 由图3.1易知当IGBT截止时,回路通过二极管续流,此时IGBT两端承受最大正压为200V;而当=1时,IGBT有最大电流,其值为1A。故需选择集电极最大连续电流>,反向击穿电压的IGBT。而一般的IGBT都满足要求。

(4)二极管 当=1时,其承受最大反压200V;而当趋近于1时,其承受最大电流趋近于1A,故需选择的二极管。

(5)电感 选择大电感L(为700mL)。

4.控制电路原理与设计

4.1控制电路方案选择

IGBT控制电路的功能有:给逆变器的电子开关提供控制信号;以及对保护信号作出反应,关闭控制信号。脉宽调节器的基本工作原理是用一个电压比较器,在正输入端输入一个三角波,在负输入端输入一直流电平,比较后输出一方波信号,改变负输入端直流电平的大小,即可改变方波信号的脉宽。

图4.1 SG3525引脚图

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。因为题目要求输出电压连续可调,所以我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。

对于PWM发生芯片,我选用了SG3525芯片,其引脚图如图4.1所示,它是一款专用的PWM控制集成电路芯片,它采用恒频调宽控制方案,内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。

其11和14脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的PWM信号。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。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,另外当10脚的电压为高电平时,11和14脚的电压变为10输出。

4.2控制电路工作原理

由于SG3525的振荡频率可表示为 :

4.1

式中:,分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻;是与脚7相连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为50kHz,所以由上式可取=1μF, =,=。可得f=49.02kHz,基本满足要求。

图4.2控制电路部分电路图

SG3525有过流保护的功能,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,如图4.2所示。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11、14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。

5.驱动电路原理与设计

5.1驱动电路方案选择

该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁,该部分主要完成以下几个功能:(1)提供适当的正向和反向输出电压,使IGBT可靠的开通和关断;(2)提供足够大的瞬态功率或瞬时电流,使IGBT能迅速建立栅控电场而导通;(3)尽可能小的输入输出延迟时间,以提高工作效率;(4) 足够高的输入输出电气隔离性能,使信号电路与栅极驱动电路绝缘;(5)具有灵敏的过流保护能力。针对以上几个要求,对驱动电路进行以下设计。针对驱动电路的隔离方式:

采用光电耦合式驱动电路,该电路双侧都有源。其提供的脉冲宽度不受限制,较易检测IGBT的电压和电流的状态,对外送出过流信号。另外它使用比较方便,稳定性比较好。但是它需要较多的工作电源,其对脉冲信号有1μs的时间滞后,不适应于某些要求比较高的场合。

本系统中,对电压要求不高,而且只有一个全控器件需要控制,又有一些全控器件专用的驱动芯片,所以选择此方案。

5.2驱动电路分析与设计

针对以上分析,我选取了EXB841驱动芯片。它具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性,其功能完善,控制简便可靠。下面简单介绍一下它的工作原理。

如图5.1所示,其工作电源为独立电源20±1V,内部含有-5V稳压电路,为ICBT的栅极提供+15V的驱动电压,关断时提供-5V的偏置电压,使其可靠关断。当脚15和脚14有10mA电流通过时,脚3输出高电平而使IGBT导通;而当脚15和脚14无电流通过时,脚3输出低电平使ICBT关断;若ICBT导通时,若承受短路电流,则其电压随电流的增大迅速上升,脚6悬空,脚3电位开始下降,从而逐渐关断ICBT。

图5.1 EXB841内部结构图

利用EXB841驱动芯片设计其驱动电路原理图如图5.2所示,两个47uf电容用于吸收噪音,在脚3输出脉冲的同时,通过快速二极管VD1检测IGBT的CE间的电压。当Vce>7V时,过流保护电流控制运算放大器,使其输出软关断信号,将脚3输出电平降为O。因EXB841无过流自锁功能,所以外加过流保护电路,一旦产生过流,可通过外接光耦TLP521将过流保护信号输出至控制电路,经过一定延时,以防止误动作和保证进行软关断,然后由触发器锁定,实现保护,将图4.2与图5.2联系起来即可得到电路的控制驱动部分。

图5.2驱动电路原理图

6.保护电路的原理与设计

在电力电子电路中,除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外,采用合适的过电压、过电流、保护和保护也是必要的。

6.1 过电压保护

过压保护要根据电路中过压产生的不同部位,加入不同的保护电路,当达到—定电压值时,自动开通保护电路,使过压通过保护电路形成通路,消耗过压储存的电磁能量,从而使过压的能量不会加到主开关器件上,保护了电力电子器件。

为了达到保护效果,可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中,当电路中出现电压尖峰电压时,电容两端电压不能突变的特性,可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量,同时抑制电路中的电感与电容产生振荡,过电压保护电路如图6.1所示。

图6.1 RC阻容过电压保护电路图

6.2 过电流保护

当电力电子电路运行不正常或者发生故障时,可能会发生过电流。当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败,以及交流电源电压过高或过低、缺相等,均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差,必须对变换器进行适当的过流保护。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种的过流保护措施。

过电流保护电路如图6.2所示,其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用。器件直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好,因为它们流过同—个电流.因而被广泛使用。电子电路作为第一保护措施,快熔仅作为短路时的部分区段的保护,直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护,过电流继电器整定在过载时动作。

图6.2 过电流保护电路图设计心得

此次课程设计,从理论到实践,在短短一星期的时间里,我遇到了很多问题,也学到了很多东西。它不仅巩固了我以前所学的理论知识,更使我们知道了由理论结合实践的基本方法,锻炼了自己解决实际问题的能力。

在此次课程设计过程中,碰到的问题比较多,靠自己所学的知识根本解决不了,借鉴了很多网上资料,解决了这些问题,也学到了很多课本上没有的东西。在做设计的过程中我学到了很多东西,也知道了自己的哪些不足之处,知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固,以后仍需努力。通过这次课程设计,看到了自己的不足之处,同时也锻炼了自己将理论知识运用到实际中的能力,加强了自己的实际运用能力,也学会了怎么样去分析问题和解决问题。参考文献

[1]王兆安,黄俊, 《电力电子技术》北京:机械工业出版社, 2000附 录

附图:降压斩波电路原理图

附表:降压斩波电路元器件清单

器件名称

规格型号

数量(单位)

变压器

300KV/A

1个

整流二极管

IN4004

5个

大电感

700mH

2个

电解电容

500μF/300V

1个

IGBT

200V/1A

1个

电阻

500Ω,5.1KΩ

各1个

电阻

10KΩ,10Ω

各2个

芯片

SG3525,EXB841

各1块

滑动变阻器

10KΩ

1个

二极管

IN4148

3个

电容

0.01μF,100μF

各2个

反向二极管

IN4002

2个

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