电力电子课程设计直流斩波电路

来源:互联网 编辑: 张倩 手机版

《电力电子技术》课程设计说明书

直流斩波电路

院 、 部: 电气与信息工程学院

学生姓名: 何峰

学 号: 09401040238

指导教师: 桂友超

专 业: 自动化

班 级: 自本0902

完成时间: 2012年5月1日

设计任务书

一 设计课题:直流斩波电路设计

二 设计目的任务

学生通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题,巩固和运用在《电力电子技术》中所学的理论知识和实验技能,掌握应用直流斩波电路的一般设计方法,提高设计能力和实践动手能力,为以后从事电力电子电路设计、研发电力电子产品打下良好的基础。

三 设计要求

1 可取直流输入电压=50V, =350V

2 电力电子课程设计说明书一份

3设计时间一周

4 一人一组一课题

四 参考资料

[1] 王兆安.黄俊.电力电子技术,第4版,机械工业出版社,2000

[2] 张乃国.电源技术.北京:中国电力出版社,1998

[3] 何希才.新型开关电源设计与应用.北京:科学出版社,2001

目 录

1 直流斩波电路设计方案和方案实施

1

1.1 设计方案选择

1

1.2 升压斩波电路的设计原理

1

2 单元电路设计

2

2.1 直流供电电路

2

2.2 升压斩波主电路

2

2.3 控制和驱动电路

3

2.3.1 芯片SG3525简介

3

2.3.2 控制和驱动电路原理图

4

2.4 保护电路

5

2.5 参数计算

5

3 实验仿真分析

7

3.1 仿真电路

7

3.2 仿真结果与误差分析

7

结束语

9

致 谢

10

参考文献

11

原件清单

12

1 直流斩波电路设计方案和方案实施

1.1 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。

1.2 升压斩波电路的设计原理

原理图如图2所示: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:

(1-1)

当电路工作于稳态时,一个周期T中电感L的能量与释放的能量相等,即:

(1-2)

化简得:

(1-3)

式中,,输出电压高于电源电压,故称该电路为升压斩波电路。式中,表示升压比,调节其大小,即可改变输出电压的大小,将升压比的倒数记作,即。则和占空比有如下关系:

(1-4)

因此,(1-3)式可以表示为:

(1-5)

2 单元电路设计

2.1 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。protel原理图如下图1所示:

图 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)。

2.2 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2所示:

图 2 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,V-G为SG3525输出的PWM斩波信号。G1为IGBT,D5为电力二极管,L2为电感,C1为电容,R1为负载。

2.3 控制和驱动电路

2.3.1 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 SG3525引脚图

2.3.2 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4所示:

图 4 驱动和控制电路

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。

2.4 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5,6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 5 过电压保护电路

图 6 过电流保护电路

2.5 参数计算

由设计要求可取直流输入电压=50V, =350V, 则:

(1)占空比α=1-50/350=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130W,所以负载电阻R==942.30Ω,取900Ω;

负载电流=/ =0.39,电源电流=(α)/β=2.20 A。

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=0.19, 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 μF以上。因该系统负载不大,故取=2200 μF,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,

=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.

3 实验仿真分析

3.1 仿真电路

打开仿真参数窗口,选择ode23tb算法,按图8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.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。

图 8 升压斩波电路仿真电路图

3.2 仿真结果与误差分析

参数设置完毕后,启动仿真,得到图9的仿真结果,输出电压为350V

图9 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10所示,理论输出电压为100V.

图10 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,可以得到下列结(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。

结束语

经过将近两周的电力电子课程设计,终于完成了我的直流斩波电路的设计,虽然耗费了我很多的时间.但是是我学会不少知识。

这次课程设计终于顺利完成了,在设计中遇到了很多编程问题,在老师和同学们的一一解答下度过重重难关取得成功!在此,对给过我帮助的所有同学和陆老师表示忠心的感谢,通过这一周的电力电子课程设计,我既对MATLAB7.0软件有了进一步的了解,对BOOST CHOPPER电路也有的深入的认识和理解。刚开始,对很多元件的选择都不清楚,通过老师的知道和同学的帮助,学会了如何更好的设计电路选择正确的元器件。把实验室测得的波形和仿真的波形进行对比,虽然存在一些差异,但是基本上还是一致的。

经过这次的课程设计,发现MATLAB软件功能非常强大。平时在学习中不能够透彻理解的知识,通过动手,会有更好的认知。本次课程设计虽然不长,但是它给我们带来了很多收获。

本设计还有很多做的不够好的地方,还望老师批评指正。

致 谢

在这次课程设计的撰写过程中,我得到了许多人的帮助。首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助,这是我能顺利完成这次报告的主要原因,更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题,让我能把这个直流斩波电路设计做得更加完善。在此期间,我不仅学到了许多新的知识,而且也开阔了视野,提高了自己的设计能力。其次,我要感谢帮助过我的同学,他们也为我解决了不少我不太明白的设计商的难题。同时也感谢湖南工学院为我提供良好的电力电子设计的环境。最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学,我感谢在这这么多天以来给过我帮助和关注的所有人,更加感谢给过我挫折的所有人。你们用不同的方式给了我成长,也是你们促使我在走过的大学时光里一直努力,终可以在课程设计的最后那一天无愧的说一声:我成功了。

参考文献

[1] 王兆安.黄俊.电力电子技术,第4版,机械工业出版社,2000

[2] 张乃国.电源技术.北京:中国电力出版社,1998

[3] 何希才.新型开关电源设计与应用.北京:科学出版社,2001

[4] 阮新波,严仰光.直流开关电源的软开关技术.北京:科学出版社,2000

[5] 陈汝全.电子技术常用器件应用手册【M】.机械工业出版社

[6] 陈礼明.实际直流斩波电路中若干问题的浅析.梅山科技,2005.

[7] 康华光,陈大钦.电子技术基础(第四版). 北京: 高等教育出版社,1998

[8] 张义和.Protel DXP电路设计快速入门.北京:中国铁道出版社,2003

[9] 张乃国.电源技术.北京:中国电力出版社,1998

[10] 何希才.新型开关电源设计与应用.北京:科学出版社,2001

[11] 邱关源主编.电路.第3版上、下册.北京:人民教育出版社,1981

原件清单

名称

数量

备注

电阻

2个

10KΩ

电阻

1个

900Ω

电阻

1个

5.1KΩ

电阻

6个

200Ω

极性电容

1个

2200μF

极性电容

2个

22pF

电容

3个

22pF

变压器

一个

220V/42V

三极管

4个

D44H8

IGBT

1个

GT9Q101

集成运放741

2个

SG3525

1块

光耦合器

1个

电力二极管

7个

1N4003

插座

2个

直流电源

1个

15V

电感

2个

0.3mH,50m H

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