电力电子课程设计-参考模板.doc

1、课 程 设 计 说 明 书题 目 名 称 ： 10 40V 降 压 直 流 斩 波 电 路 实 验 装置系 部 ： 电 力 工 程 系 专 业 班 级 ： 学 生 姓 名 ： 学 号 ： 指 导 教 师 ： 张 海 丽 完 成 日 期 ： 新 疆 工 程 学 院课 程 设 计 评 定 意 见设 计 题 目 10 40V 降 压 直 流 斩 波 电 路 实 验 装 置 系 部 电 力 工 程 系 专 业 班 级 学 生 姓 名 学 生 学 号 评 定 意 见 ：评 定 成 绩 ： 指 导 教 师 （ 签 名 ） ： 年 月 日评 定 意 见 参 考 提 纲 ：1、 学 生 完 成 的 工 作 量

2、 与 内 容 是 否 符 合 任 务 书 的 要 求 。2、 学 生 的 勤 勉 态 度 。3、 设 计 或 说 明 书 的 优 缺 点 ， 包 括 ： 学 生 对 理 论 知 识 的 掌 握 程 度 、 实 践 工 作能 力 、 表 现 出 的 创 造 性 和 综 合 应 用 能 力 等 。新 疆 工 程 学 院电 力 工 程 系 (部 )课 程 设 计 任 务 书学 年 第 学 期 年 月 日专 业 班 级 课 程 名 称 电 力 电 子 技 术设 计 题 目 指 导 教 师 张 海 丽起 止 时 间 周 数 1 周 设 计 地 点 实 验 楼 A305设 计 目 的 ：电 力 电 子 技

3、 术 是 利 用 电 力 电 子 器 件 、 电 路 理 论 和 控 制 技 术 实 现 对 电 能 的 控 制 、变 换 和 传 输 的 学 科 。 通 过 电 力 电 子 技 术 的 课 程 设 计 达 到 以 下 几 个 目 的 ：1.培 养 学 生 文 献 检 索 能 力 ， 特 别 是 如 何 利 用 网 络 检 索 需 要 的 文 献 资 料 。2.培 养 学 生 综 合 运 用 所 学 电 力 电 子 技 术 相 关 知 识 的 能 力 和 工 程 设 计 解 决 问 题 的能 力 。3.培 养 学 生 确 立 正 确 的 设 计 和 学 科 研 究 的 思 想 ， 树 立 实

4、事 求 是 、 严 肃 认 真 的 科学 工 作 态 度 。4.提 高 学 生 课 程 设 计 报 告 的 撰 写 水 平 。设 计 任 务 或 主 要 技 术 指 标 ：1.明 确 设 计 任 务 :对 所 要 设 计 任 务 进 行 具 体 分 析 ， 充 分 了 解 系 统 性 能 ， 指 标 要 求 。2.制 定 设 计 方 案 。3.进 行 具 体 设 计 ： 单 元 电 路 的 设 计 ； 器 件 的 选 择 ； 电 路 原 理 图 。4.撰 写 课 程 设 计 报 告 ： 对 电 力 电 子 课 程 设 计 全 过 程 进 行 系 统 总 结 。设 计 进 度 与 要 求 ：第

5、1 天 ： 根 据 设 计 要 求 搜 集 资 料 ， 查 阅 相 关 设 计 要 求 ；第 2 天 ： 确 定 设 计 电 路 进 行 相 关 器 件 的 选 择 ；第 3-4 天 ： 综 合 运 用 所 学 知 识 完 成 主 电 路 及 相 关 控 制 电 路 的 设 计 ；第 5-6 天 ： 撰 写 课 程 设 计 报 告 ， 进 行 查 缺 补 漏 。第 7 天 ： 修 改 报 告 ， 进 行 答 辩 。主 要 参 考 书 及 参 考 资 料 ： 1 王 楠 ， 沈 倪 勇 .电 力 电 子 应 用 技 术 M.4 版 .北 京 ： 机 械 工 业 出 版 社 ， 20132 王 兆

6、 安 ， 黄 俊 .电 力 电 子 技 术 M.5 版 .北 京 ： 机 械 工 业 出 版 社 ， 20093 叶 斌 .电 力 电 子 应 用 技 术 M.北 京 ： 清 华 大 学 出 版 社 ， 20064 陈 伯 时 .电 力 拖 动 自 动 控 制 系 统 M.2 版 .北 京 ： 机 械 工 业 出 版 社 ， 20055 陈 哲 .电 力 电 子 技 术 习 题 解 答 、 实 验 与 课 程 设 计 指 导 M.东 北 大 学 出 版 社 ,2007教 研 室 主 任 （ 签 名 ） 系 （ 部 ） 主 任 （ 签 名 ） 摘 要直 流 斩 波 电 路 作 为 将 直 流 电

7、 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

8、 、 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 的 应 用 。 TDC-1 型 学 习 机 是 为 了 配 合 高 等 工 科 院 校 及 高 等 专 科 技 术 学 校 的 “电力 电 子 ”或 “半 导 体 变 流 技 术 ”等 课 程 中 的 直 流 斩 波 电 路 实 验 并 根 据 当 今 电力 电 子 技 术 的 发 展 方 向 及 应 用 而 设 计 的 新 型 实 验 装 置 。 该 学 习 机 面 板 上 画 有原 理 图 。 各 测 试

9、点 均 装 有 测 试 探 头 可 以 钩 住 的 端 子 。 测 试 电 压 及 波 形 十 分 方便 。 使 学 生 在 实 验 课 中 安 全 、 方 便 、 直 观 地 观 察 到 各 种 电 压 、 电 流 的 波 形 及数 据 。关键词：直流 电力电子 变换电路 目 录1 绪 论 .11.1 直 流 斩 波 电 路 的 介 绍 11.2 直 流 斩 波 电 路 的 发 展 前 景 .12 降 压 直 流 斩 波 电 路 设 计 .22.1 降 压 斩 波 电 路 工 作 原 理 .22.2 主 电 路 元 器 件 参 数 选 择 .53 驱 动 电 路 的 设 计 .73.1 IG

10、BT 驱 动 电 路 选 择 74 整 流 电 路 的 设 计 .94.1 整 流 电 路 94.2 工 作 原 理 104.3 参 数 计 算 114.4 整 流 电 路 的 选 定 .125 控 制 电 路 的 设 计 .135.1 芯 片 介 绍 135.2 IGBT 控 制 电 路 的 设 计 .146 保 护 电 路 的 设 计 .156.1 保 护 电 路 设 计 基 本 原 则 156.2 保 护 电 路 的 设 计 .156.2.1 过 电 压 保 护 电 路 156.2.2 过 电 流 保 护 电 路 167 生 成 总 的 电 路 图 .187.1 总 原 理 图 187.

11、2 此 电 路 的 主 要 功 能 .18总 结 19致 谢 20参 考 文 献 2110 40V 降 压 直 流 斩 波 电 路 实 验 装 置01 绪 论1.1 直 流 斩 波 电 路 的 介 绍直 流 变 换 技 术 已 被 广 泛 的 应 用 于 开 关 电 源 及 直 流 电 动 机 驱 动 中 ， 如 不间 断 电 源 （ UPS） 、 无 轨 电 车 、 地 铁 列 车 、 蓄 电 池 供 电 的 机 动 车 辆 的 无 级 变 速及 20 世 纪 80 年 代 兴 起 的 电 动 汽 车 的 控 制 。 从 而 使 上 述 控 制 获 得 加 速 平 稳 、快 速 响 应 的

12、性 能 ， 并 同 时 收 到 节 约 电 能 的 效 果 。 直 流 变 换 系 统 的 结 构 如 下 图1.1 所 示 。 由 于 变 速 器 的 输 入 是 电 网 电 压 经 不 可 控 整 流 而 来 的 直 流 电 压 ， 所以 直 流 斩 波 不 仅 能 起 到 调 压 的 作 用 ， 同 时 还 能 起 到 有 效 地 抑 制 网 侧 谐 波 电 流的 作 用 。图 1.1 直 流 变 换 系 统 结 构1.2 直 流 斩 波 电 路 的 发 展 前 景 直 流 传 动 是 斩 波 电 路 应 用 的 传 统 领 域 ， 而 开 关 电 源 则 是 斩 波 电 路 应 用 的

13、新 领 域 ， 前 者 的 应 用 是 逐 渐 萎 缩 ， 而 后 者 的 应 用 方 兴 未 艾 、 欣 欣 向 荣 ， 是 电力 电 子 领 域 的 一 大 热 点 。DC/DC 变 换 是 将 固 定 的 直 流 电 压 变 换 成 可 变 的 直 流 电 压 ， 也 称 为 直 流 斩波 。 直 流 变 换 电 路 的 用 途 非 常 广 泛 ， 包 括 直 流 电 动 机 传 动 、 开 关 电 源 、 单 相功 率 因 数 校 正 ， 以 及 用 于 其 他 领 域 的 交 直 流 电 源 。 斩 波 器 的 工 作 方 式 有 ： 脉宽 调 制 方 式 （ 不 变 ， 改 变 ）

14、 和 频 率 调 制 方 式 （ 不 变 ， 改 变 ） 两 种 。Tont ontT前 者 较 为 通 用 ， 后 者 容 易 产 生 干 扰 。 当 今 世 界 软 开 关 技 术 使 得 DC/DC 变 换器 发 生 了 质 得 变 化 和 飞 跃 。 美 国 VICOR 公 司 设 计 制 造 得 多 种 ECI 软 开 关DC/DC 变 换 器 ， 最 大 输 出 功 率 有 300W、 600W、 800W 等 ， 相 应 得 功 率 密 度 为（ 6.2、 10、 17） ， 效 率 为 （ 8090） %。 日 本 NemicLambda 公 司 最3/cm新 推 出 得 一

15、种 采 用 软 开 关 技 术 得 高 频 开 关 电 源 模 块 RM 系 列 ， 其 开 关 频 率 为200300KHz,功 率 密 度 已 达 27 ， 采 用 同 步 整 流 器 （ MOS-FET 代 替 肖3/c特 基 二 极 管 ） ， 使 整 个 电 路 效 率 提 高 到 90%。10 40V 降 压 直 流 斩 波 电 路 实 验 装 置12 降 压 直 流 斩 波 电 路 设 计 2.1 降 压 斩 波 电 路 工 作 原 理完 整 的 降 压 斩 波 电 路 除 起 降 压 器 作 用 的 主 电 路 之 外 还 要 有 驱 动 电 路 ， 控制 电 路 和 保 护

16、电 路 。 其 结 构 框 图 如 图 2.1 所 示 。图 2.1 电 路 结 构 框 图在 图 2.1 结 构 框 图 中 ， 控 制 电 路 是 用 来 产 生 IGBT 的 控 制 信 号 的 ， 控 制电 路 产 生 的 信 号 传 到 驱 动 电 路 ， 驱 动 电 路 把 控 制 信 号 转 换 成 电 压 信 号 加 在IGBT 的 控 制 端 跟 公 共 端 之 间 ， 使 其 开 通 或 关 断 ， 达 到 控 制 主 电 路 的 目 的 。电 路 的 原 理 图 及 工 作 波 形 如 图 2.2 所 示 。 10 40V 降 压 直 流 斩 波 电 路 实 验 装 置2

17、图 2.2 降 压 斩 波 电 路 主 电 路 及 工 作 波 形此 电 路 使 用 一 个 全 控 型 器 件 IGBT， 图 中 为 V， 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 IGBT 关 断 时 给 负10 40V 降 压 直 流 斩 波 电 路 实 验 装 置3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

18、 势 ， 如 图 2.2中 Em 所 示 。 工 作 原 理 ： 当 时 刻 驱 动 IGBT 导 通 ， 电 源 E 向 负 载 供 电 ， 负 载 电 压0t， 负 载 电 流 按 指 数 曲 线 上 升 。uooi当 时 控 制 IGBT 关 断 ， 二 极 管 VD 续 流 ， 负 载 电 压 近 似 为 零 ，1t ou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 连 续 且 脉 动 小 。基 于 分 时 段 线 性 电 路 这 一 思 想 ， 按 IGBT 处 于 通 态 和 处 于 断 态 两 个 过 程来 分 析 ， 初

19、 始 条 件 分 电 流 连 续 和 断 续 。 电 流 连 续 时 得 出 ： 负 载 电 压 的 平 均 值 为 ： 式 中 为 IGBT 处 于 通 态 的 时 间 ， 为 IGBT 处 于ETttUonofnOont oft断 态 的 时 间 ， 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 。 RUImo； 。 式 中 ，EeI110min REmeI120ax Tton， , 。 把 上 式 用 泰 勒 级 数 近 似 ， 可 得TLm。 平 波 电 抗 器 L 为 无 穷 大 ， 此 时 负 载 电 流

20、最 大 值 、 最oIRI201小 值 均 等 于 平 均 值 。 从 能 量 传 递 关 系 简 单 地 推 得 ， 一 个 周 期 中 ， 忽 略 电 路 中的 损 耗 ， 则 电 源 提 供 的 能 量 与 负 载 消 耗 的 能 量 相 等 ， 即。 则 。 假 设 电 源 电 流 平 均 值 为 ， 则 有TIEtIomono2 REImo1I其 值 小 于 等 于 负 载 电 流T1 0I电 流 断 续 的 条 件 ： 。 输 出 电 压 平 均 值 为 ：1eTEttUMxonon负 载 电 流 平 均 值 为 ： 。 电 流 断 续 时 ， 负 载 电 压 平 均 值 会 被R

21、UImo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 ： 10 40V 降 压 直 流 斩 波 电 路 实 验 装 置4（ 1） 脉 冲 宽 度 调 制 ： 保 持 开 关 周 期 不 变 ， 调 节 开 关 导 通 时 间Tont（ 2） 频 率 调 制 ： 保 持 开 关 导 通 时 间 不 变 ， 改 变 开 关 周 期 。 ont T（ 3） 混 合 型 ： 和 都 可 调 ， 使 占 空 比 改 变 。 ontT2.2 主 电 路 元 器 件 参 数 选 择 主 电 路 中 需 要 确 定 参 数 的 元 器 件

22、有 直 流 电 源 、 IGBT、 二 极 管 、 电 感 、电 容 、 电 阻 ， 其 参 数 选 择 如 下 说 明 ： 1、 直 流 电 源 。 由 直 流 电 源 提 供 。 VUd102、 电 阻 R。 取 导 通 占 空 比 ， 则 ， 已 知 输 出 功 率%9VUo90300W， 则 。APIo3027oIR3、 IGBT。 当 时 ， ， 取 2 倍 裕9o90ARo3.90max量 ， 。 IGBT 承 受 的 最 大 截 止 电 压 为 输 入 电 压N6.2.， 取 2 倍 裕 量 则 。 由 此 两 数 据 选 择 IGBT 型VUd10 VUN21号 为 GT8Q1

23、01。 4、 二 极 管 VD。 VD 承 受 最 大 反 相 电 压 为 100V， 即 为 其 最 大 工 作 电 压 。最 大 工 作 电 流 为 由 于 需 要 瞬 间 导 通 ， 二 极N ARIN7.32管 的 开 关 速 度 大 ， 则 选 择 续 8A/200V 型 号 SF84 的 快 速 恢 复 二 极 管 。 其 开 关频 率 为 5KHZ。 5、 电 感 L。 选 择 大 电 感 ， 使 得 电 路 能 够 续 流 。 此 时 的 临 界 电 感 为 （ 设 输出 电 压 为 60V） ：， 考 虑 裕 量 后 取mHIfUod 36.016.3.10524 .mHL1

24、6、 电 容 C。 由 输 出 电 压 脉 率 要 求 小 于 10%， 选 择 电 容 （ 输 出 电 压 为60V）， 所 以 选 择 常 用FULfdCoo 2.2.1.05868 622 电 容 。F.10 40V 降 压 直 流 斩 波 电 路 实 验 装 置57、 整 流 桥 二 极 管 的 选 择 。 在 桥 式 整 流 电 路 中 ， 每 只 二 极 管 只 在 输 入 电压 的 半 个 周 期 内 导 通 ， 因 此 二 极 管 的 平 均 电 流 只 有 负 载 电 阻 上 平 均 电 流 的 一半 ， 即 。 在 二 极 管 不 导 通 期 间 ， 承 受 反 压 的 最

25、 大 值 就LAVODRUI245.0是 变 压 器 二 次 测 电 压 的 最 大 值 ， 即 ， 根 据 上 面 的 选 择 原 则2 2URM可 知 选 择 二 极 管 的 最 大 整 流 电 流 ， 最 大 反 向 电 压LoFI5.01.。 21.UR8、 滤 波 电 容 的 选 择 ： LRTC2510 40V 降 压 直 流 斩 波 电 路 实 验 装 置63 驱 动 电 路 的 设 计3.1 IGBT 驱 动 电 路 选 择PWM 控 制 信 号 由 于 强 度 不 够 ， 不 能 够 直 接 去 驱 动 IGBT， 因 此 需 要 信 号放 大 的 电 路 。 另 外 直 流

26、 斩 波 电 路 会 产 生 很 大 的 电 磁 干 扰 ， 会 影 响 控 制 电 路 的正 常 工 作 ， 甚 至 导 致 电 力 电 子 器 件 的 损 坏 。 因 而 设 计 中 还 需 要 有 带 电 器 隔 离的 部 分 。 所 以 我 采 用 光 电 耦 合 式 驱 动 电 路 。 一 、 驱 动 电 路 原 理 如 图 3.1 所 示 ， IGBT 降 压 斩 波 电 路 的 驱 动 电 路 提 供 电 气 隔 离 环 节 。 光耦 合 器 由 发 光 二 极 管 和 光 敏 晶 体 管 组 成 ， 封 装 在 一 个 外 壳 内 。 本 电 路 中 采 用的 隔 离 方 法

27、是 ， 先 加 一 级 光 耦 隔 离 ， 再 加 一 级 推 挽 电 路 进 行 放 大 。 采 用 推 挽电 路 进 行 放 大 的 原 因 是 因 为 驱 动 IGBT 的 电 压 叫 高 ， 约 为 12V 左 右 ， 而SG3525 芯 片 提 供 的 电 压 只 有 5V 左 右 ， 直 接 连 入 无 法 驱 动 IGBT。 并 且 推 挽式 电 路 简 单 实 用 ， 故 用 推 挽 式 进 行 电 压 放 大 。 IGBT 是 电 压 控 制 型 器 件 ， 在它 的 栅 极 -发 射 极 间 施 加 十 几 V 的 直 流 电 压 ， 只 有 级 的 漏 电 流 流 过 ，

28、 基A本 上 不 消 耗 功 率 。 但 IGBT 的 栅 极 -发 射 极 间 存 在 着 较 大 的 寄 生 电 容 （ 几 千至 上 万 ） ， 在 驱 动 脉 冲 电 压 的 上 升 及 下 降 沿 需 要 提 供 数 安 电 流 ， 才 能 满 足pF开 通 和 关 断 的 动 态 要 求 ， 这 使 得 它 的 驱 动 电 路 也 必 须 输 出 一 定 的 峰 值 电 流 。图 3.1 IGBT 驱 动 电 路二 、 IGBT 的 门 极 驱 动 条 件 密 切 地 关 系 到 他 的 静 态 和 动 态 特 性 。 门 极 电 路的 正 偏 压 、 负 偏 压 和 门 极 电

29、阻 RG 的 大 小 ， 对 IGBT 的 通 态 电 压 、SuGSu开 关 、 开 关 损 耗 、 承 受 短 路 能 力 及 电 流 等 参 数 有 不 同 程 度 的 影 响 。 其dtu/中 门 极 正 电 压 的 变 化 对 IGBT 的 开 通 特 性 ， 负 载 短 路 能 力 和 电S dtuS/流 有 较 大 的 影 响 ， 而 门 极 负 偏 压 对 关 断 特 性 的 影 响 较 大 。 同 时 ， 门 极 电 路 设10 40V 降 压 直 流 斩 波 电 路 实 验 装 置7计 中 也 必 须 注 意 开 通 特 性 ， 负 载 短 路 能 力 和 由 电 流 引

30、起 的 误 触 发 等dtuGS/问 题 。 根 据 上 述 分 析 ， 对 IGBT 驱 动 电 路 提 出 以 下 要 求 和 条 件 ： 由 于 是 容 性 输 出 输 出 阻 抗 ； 因 此 IBGT 对 门 极 电 荷 集 聚 很 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GSu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

31、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 ， 较 大 ，gRgR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 ； 较 小 ， 会 引 起 电 流 上 升 率 增 大 ， 使 IGBT 误 导 通 或 损 坏 。gR的 具 体 数 据 与

32、驱 动 电 路 的 结 构 及 IGBT 的 容 量 有 关 ， 一 般 在 几 欧 几 十gR欧 ， 小 容 量 的 IGBT 其 值 较 大 。 g(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 G E 极 之 间 不 能 为 开 路 。 IGBT 驱 动 电 路 分 类 驱 动 电 路 分 为 ： 分 立 插 脚 式 元 件 的

33、驱 动 电 路 ； 光 耦 驱动 电 路 ； 厚 膜 驱 动 电 路 ； 专 用 集 成 块 驱 动 电 路 。 本 文 设 计 的 电 路 采 用 的 是 专用 集 成 块 驱 动 电 路 。 IGBT 驱 动 电 路 分 析 随 着 微 处 理 技 术 的 发 展 (包 括 处 理 器 、 系 统 结 构 和 存储 器 件 )， 数 字 信 号 处 理 器 以 其 优 越 的 性 能 在 交 流 调 速 、 运 动 控 制 领 域 得 到了 广 泛 的 应 用 。 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

34、 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 。 为 此 ， 目 前 已 经 研 制 出 多 种 专 用 的IGBT 集 成 驱 动 电 路 。 这 些 集 成 块 速 度 快 ， 为 了 提 高 安 全 性 ， 内 部 设 有 保 护 电路 。 它 还 具 有 高 抗 干 扰 能 力 ， 可 实 现 IGBT 的 最 优 驱 动 。10 40V 降 压 直 流 斩 波 电 路 实 验 装 置84 整 流 电 路 的 设 计4.1 整 流 电 路整 流 电 路 是 把 交 流

35、 电 能 转 换 为 直 流 电 能 的 电 路 。 大 多 数 整 流 电 路 由 变 压器 、 整 流 主 电 路 和 滤 波 器 等 组 成 。 它 在 直 流 电 动 机 的 调 速 、 发 电 机 的 励 磁 调节 、 电 解 、 电 镀 等 领 域 得 到 广 泛 应 用 。 整 流 电 路 通 常 由 主 电 路 、 滤 波 器 和变 压 器 组 成 。 20 世 纪 70 年 代 以 后 ， 主 电 路 多 用 硅 整 流 二 极 管 和 晶 闸 管 组 成 。滤 波 器 接 在 主 电 路 与 负 载 之 间 ， 用 于 滤 除 脉 动 直 流 电 压 中 的 交 流 成 分

36、 。 变 压器 设 置 与 否 视 具 体 情 况 而 定 。 变 压 器 的 作 用 是 实 现 交 流 输 入 电 压 与 直 流 输 出电 压 间 的 匹 配 以 及 交 流 电 网 与 整 流 电 路 之 间 的 电 隔 离 。按 组 成 器 件 可 分 为 不 可 控 电 路 、 半 控 电 路 、 全 控 电 路 三 种 ：（ 1） 不 可 控 整 流 电 路 完 全 由 不 可 控 二 极 管 组 成 ， 电 路 结 构 一 定 之 后 其直 流 整 流 电 压 和 交 流 电 源 电 压 值 的 比 是 固 定 不 变 的 。（ 2） 半 控 整 流 电 路 由 可 控 元 件

37、 和 二 极 管 混 合 组 成 ， 在 这 种 电 路 中 ， 负载 电 源 极 性 不 能 改 变 ， 但 平 均 值 可 以 调 节 。（ 3） 在 全 控 整 流 电 路 中 ， 所 有 的 整 流 元 件 都 是 可 控 的（ SCR、 GTR、 GTO 等 ） ， 其 输 出 直 流 电 压 的 平 均 值 及 极 性 可 以 通 过 控 制 元 件的 导 通 状 况 而 得 到 调 节 ， 在 这 种 电 路 中 ， 功 率 既 可 以 由 电 源 向 负 载 传 送 ， 也可 以 由 负 载 反 馈 给 电 源 ， 即 所 谓 的 有 源 逆 变 。按 电 路 结 构 可 分

38、为 零 式 电 路 和 桥 式 电 路 ：（ 1） 零 式 电 路 指 带 零 点 或 中 性 点 的 电 路 ， 又 称 半 波 电 路 。 它 的 特 点 所有 整 流 元 件 的 阴 极 (或 阳 极 )都 接 到 一 个 公 共 接 点 向 直 流 负 载 供 电 负 载的 另 一 根 线 接 到 交 流 电 源 的 零 点 。（ 2） 桥 式 电 路 实 际 上 是 由 两 个 半 波 电 路 串 联 而 成 ， 故 又 称 全 波 电 路 。按 电 网 交 流 输 入 相 数 可 分 为 单 相 电 路 、 三 相 电 路 和 多 相 电 路 ：（ 1） 对 于 小 功 率 整 流

39、 器 常 采 用 单 相 供 电 ； 单 相 整 流 电 路 分 为 半 波 整 流 ，全 波 整 流 ， 桥 式 整 带 平 衡 电 抗 器 的 双 反 星 型 可 控 整 流 电 路 流 及 倍 压 整 流 电路 等 。（ 2） 三 相 整 流 电 路 是 交 流 测 由 三 相 电 源 供 电 ， 负 载 容 量 较 大 ,或 要 求直 流 电 压 脉 动 较 小 ， 容 易 滤 波 。 三 相 可 控 整 流 电 路 有 三 相 半 波 可 控 整 流 电 路 ，三 相 半 控 桥 式 整 流 电 路 ， 三 相 全 控 桥 式 整 流 电 路 。 因 为 三 相 整 流 装 置 三

40、相 是平 衡 的 输 出 的 直 流 电 压 和 电 流 脉 动 小 ， 对 电 网 影 响 小 ， 且 控 制 滞 后 时 间 短 ，采 用 三 相 全 控 桥 式 整 流 电 路 时 ， 输 出 电 压 交 变 分 量 的 最 低 频 率 是 电 网 频 率的 6 倍 ， 交 流 分 量 与 直 流 分 量 之 比 也 较 小 ， 因 此 滤 波 器 的 电 感 量 比 同 容 量10 40V 降 压 直 流 斩 波 电 路 实 验 装 置9的 单 相 或 三 相 半 波 电 路 小 得 多 。 另 外 ， 晶 闸 管 的 额 定 电 压 值 也 较 低 。 因 此 ，这 种 电 路 适

41、用 于 大 功 率 变 流 装 置 。（ 3） 多 相 整 流 电 路 随 著 整 流 电 路 的 功 率 进 一 步 增 大 (如 轧 钢 电 动 机 ，功 率 达 数 兆 瓦 )， 为 了 减 轻 对 电 网 的 干 扰 特 别 是 减 轻 整 流 电 路 高 次 谐 波 对电 网 的 影 响 ， 可 采 用 十 二 相 十 八 相 二 十 四 相 ， 乃 至 三 十 六 相 的 多 相 整流 电 路 。 采 用 多 相 整 流 电 路 能 改 善 功 率 因 数 ， 提 高 脉 动 频 率 ， 使 变 压 器 初 级电 流 的 波 形 更 接 近 正 弦 波 ， 从 而 显 著 减 少

42、谐 波 的 影 响 。 理 论 上 ， 随 着 相 数 的增 加 ， 可 进 一 步 削 弱 谐 波 的 影 响 。 多 相 整 流 常 用 在 大 功 率 整 流 领 域 ， 最 常 用的 有 双 反 星 中 性 点 带 平 衡 电 抗 器 接 法 和 三 相 桥 式 接 法 。按 控 制 方 式 可 分 为 相 控 式 电 路 和 斩 波 式 电 路 （ 斩 波 器 ） ：（ 1） 通 过 控 制 触 发 脉 冲 的 相 位 来 控 制 直 流 输 出 电 压 大 小 的 方 式 称 为 相位 控 制 方 式 ， 简 称 相 控 方 式 。（ 2） 斩 波 器 就 是 利 用 晶 闸 管

43、和 自 关 断 器 件 来 实 现 通 断 控 制 ， 将 直 流 电源 电 压 断 续 加 到 负 载 上 ， 通 过 通 、 断 的 时 间 变 化 来 改 变 负 载 电 压 平 均 值 ， 亦称 直 流 -直 流 变 换 器 。 它 具 有 效 率 高 、 体 积 小 、 重 量 轻 、 成 本 低 等 优 点 ， 广泛 应 用 于 直 流 牵 引 的 变 速 拖 动 中 ， 如 城 市 电 车 、 地 铁 、 蓄 点 池 车 等 。 斩 波器 一 般 分 降 压 斩 波 器 ， 升 压 斩 波 器 和 复 合 斩 波 器 三 种 。4.2 工 作 原 理单 相 桥 式 整 流 电 路

44、 是 最 基 本 的 将 交 流 转 换 为 直 流 的 电 路 ， 其 电 路 如 图4.1 所 示 。图 4.1 单 相 桥 式 整 流 电 路10 40V 降 压 直 流 斩 波 电 路 实 验 装 置10图 4.1 单 相 桥 式 整 流 电 路在 分 析 整 流 电 路 工 作 原 理 时 ， 整 流 电 路 中 的 二 极 管 是 作 为 开 关 运 用 ， 具 有 单向 导 电 性 。 根 据 图 4.1 的 电 路 图 可 知 ： 当 正 半 周 时 二 极 管 、 导 通 ，1VD4在 负 载 电 阻 上 得 到 正 弦 波 的 正 半 周 。 当 负 半 周 时 二 极 管

45、 、 导 通 ，23在 负 载 电 阻 上 得 到 正 弦 波 的 负 半 周 。 在 负 载 电 阻 上 正 负 半 周 经 过 合 成 ， 得 到的 是 同 一 个 方 向 的 单 向 脉 动 电 压 。 单 相 桥 式 整 流 电 路 的 波 形 图 见 图 4.2。4.3 参 数 计 算根 据 图 8（ b） 可 知 ， 输 出 电 压 是 单 相 脉 动 电 压 。 通 常 用 它 的 平 均 值 与直 流 电 压 等 效 。输 出 平 均 电 压 为 ： ；2202 9.0sin1UtdUo 流 过 负 载 的 平 均 电 流 为 ： ；RIo9.流 过 二 极 管 的 平 均 电

46、 流 为 ；VD245二 极 管 所 承 受 的 最 大 反 向 电 压 ： 。2UTM10 40V 降 压 直 流 斩 波 电 路 实 验 装 置114.4 整流电路的选定本 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 . 对整 流 出 来 的 电 压 进 行 傅 里 叶 变 换 得 .6cos354cos1542cos342 tttUio 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 RC 滤 波 器 ,因 为 电 容

47、滤 波 的 直 流 输 出 电 压 Uo 与 变 压 器副 边 电 压 U2 的 比 值 比 较 大 ， 而 且 适 用 在 小 电 流 、 整 流 管 的 冲 击 电 流 比 较 大的 电 路 中 。 因 此 本 电 路 选 用 电 容 滤 波 .因 为 本 电 路 要 求 有 稳 定 的 输 出 因 此 还需 用 到 稳 压 二 极 管 进 行 稳 压 。 整 流 电 路 的 原 理 图 如 图 4.3 所 示 ：图 4.3 整 流 电 路 原 理 图输 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、

48、 50Hz。 当 同 名 端 为 正 时 、 导 通 ， 、 截 止 ，VD42VD3电 压 上 正 下 负 。 当 同 名 端 为 负 时 、 截 止 ， 、 导 通 ， 电 压 同1423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 ） 。10 40V 降 压 直 流 斩 波 电 路 实 验 装 置125 控 制 电 路 的 设 计 5.1 芯 片 介 绍 SG3525 芯 片 图 如 下 图 5.1：图 5.1 SG3525 芯 片 图SG3525 各 引 脚 具 体 功 能 ： （ 1） 引 脚 1：