1、电力电子技术课程设计1目录一、 引言2二、 设计要求与方案22.1 设计要求22.2 方案确定.3三、 主电路设计.33.1 主电路方案33.2 工作原理43.3 参数分析5四、 控制电路设计.54.1 控制电路方案选择54.2 工作原理64.3 控制芯片介绍7五、 驱动电路设计.95.1 驱动电路方案选择.95.2 工作原理10六、 保护电路设计.116.1 过压保护电路116.2 过流保护电路12七、 系统仿真及结论.13八、 结论.16九、 参考文献.16十、 致谢.17电力电子技术课程设计2一、引言随着电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。电子
2、设备的小型化和低成本化使电源向轻，薄，小和高效率方向发展。开关电源因其体积小，重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。伴随着人们对开关电源的进一步升级，低电压，大电流和高效率的开关电源成为研究趋势。开关电源分为 AC/DC 和 DC/DC，其中 DC/DC 变换已实现模块化，其设计技术和生产工艺已相对成熟和标准化。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。斩波电路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。IGBT 降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用 IGBT 作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变
3、换。IGBT 是 MOSFET 与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET 易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET 与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。所以用 IGBT 作为全控型器件的降压斩波电路就有了 IGBT 易驱动，电压、电流容量大的优点。IGBT 降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了 IGBT 降压斩波电路的发展。二、 设计要求与方案2.1 设计要求2.1.1 课程设计目的1、培养
4、文献检索的能力，特别是如何利用 Internet 检索需要的文献资料。2、培养综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3、培养运用知识的能力和工程设计的能力。4、提高课程设计报告撰写水平。2.1.2 课程设计要求降压斩波电路设计要求：1、输入直流电压：U d=100V2、开关频率 5KHz3、输出电压 20V4、最大输出电流：20A电力电子技术课程设计35.L=100mH6.输出功率：400W7.占空比 2.02.2 方案确定电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过
5、驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断来完成整个系统的功能，当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路，设计出降压斩波电路的结构框图如图 1 所示。图 1 降压斩波电路结构框图在图 1 结构框图中，控制电路是用来产生降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在开关控制端，可以使其开通或关断的信号。通过控制开关的开通和关断来控制降压斩波电路的主电路工作。控制电路中的保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象损害电路设备。三、 主电路设计3.1 主电
6、路方案根据所选课题设计要求设计一个降压斩波电路，可运用电力电子开关来控制电路的通断即改变占空比，从而获得我们所想要的电压。这就可以根据所学的 buck 降压电路作为主电力电子技术课程设计4电路，这个方案是较为简单的方案，直接进行直直变换简化了电路结构。而另一种方案是先把直流变交流降压，再把交流变直流，这种方案把本该简单的电路复杂化，不可取。至于开关的选择，选用比较熟悉的全控型的 IGBT 管，而不选半控型的晶闸管，因为 IGBT 控制较为简单，且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大等优点。3.2 工作原理根据所学的知识，直流降压斩波主电路如图 2
7、所示：图 2 主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0u按指数曲线上升。电路工作时波形图如图 3 所示：0i图 3 降压电路波形图当 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1t DV0u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。tOOOE O tttEMiGttTiGtontofioi1i2I10I20t1uo a) b)OOTE EiGtontofo txi1 i2I20t
8、1 t2uo电力电子技术课程设计5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iiittUUTononf为 IGBT 处于通态的时间； 为处于断态的时间； T 为开关周期； 为导通占空比。ont oft通过调节占空比 使输出到负载的电压平均值 最大为 E，若减小占空比 ，则0随之减小。由此可知，输出到负载的电压平均值 Uo 最大为 U i，若减小占空比 ，则0UUo 随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。3.3 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
9、、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 100V。(2)电阻 因为当输出电压为 200V 时，假输出电流为 20A。所以由欧姆定律可得负载电阻值为 1 欧姆。(3)IGBT 由图 3 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 100V；而当 =1 时，IGBT 有最大电流，其值为 5A。故需选择集电极最大连续电流 = cI，反向击穿电压 的 IGBT，而一般的 IGBT 都满足要求。A10VBvceo20(4)二极管 其承受最大反压 100V，其承受最大电流趋近于 20A，考虑 2 倍裕量，故需选择 ， 的二极管。VUN2AIN
10、(5)电感 L=100mH;（6）开关频率 f=5KHz（7）电容 设计要求输出电压纹波小于 1%四、 控制电路设计4.1 控制电路方案选择控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。斩波电路有三种控制方式：1.保持开关周期 T 不变，调节开关导通时间 ton，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型；2.保持导通时间不变，改变开关周期 T，成为频率调制或调频型；3.导通时间和周期 T 都可调，是占空比改变，称为混合型。o0IUR电力电子技术课程设计6因为斩波电路有这三种控制方式，又因为 PWM 控制技术应用最为广泛，所以采用PW
11、M 控制方式来控制 IGBT 的通断。PWM 控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。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
12、 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
13、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 工作原理由于 SG3525 的振荡频率可表示为 ：4.1)37.0(1dttRCf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tCtR d端电阻值。根据任务要求需要频率为 40kHz，所以由上式可取 =0.01F, = , =t tRk1d。可得 f=40kHz，满足要求。60电力电子技术课程设计7图 4.2 控制电路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
14、，转换成电压信号来进行过流保护，同理也可以用 10 端进行过压保护，如图 4.2 所示 10 端外接过压过流保护电路。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。SG3525 还有稳压作用。1 端接芯片内置电源，2 端接负载输出电压，通过 1 端的变位器得到它的一个基准电位，从而当负载电位发生变化时能够通过 1、2 所接的误差放大器来控制输出脉宽的占空比，若负载电位升高则输出脉宽占空比减小，使得输出电压减小从而稳定了输出电压，反之则然。调节变位器使得 1 端得到不
15、同的基准电位，控制输出脉宽的占空比，从而可使得输出电压为 50-80V 范围。4.3 控制芯片介绍本控制电路是以 SG3525 为核心构成,SG3525 为美国 Silicon General 公司生产的专用，它集成了 PWM 控制电路,其内部电路结构及各引脚功能如图 4.3 所示, 它采用恒频脉宽调制控制方案,内部包含有精密基准源,锯齿波振荡器, 误差放大器, 比较器,分频器和保护电路等.调节 Ur 的大小,在 11,14 两端可输出两个幅度相等,频率相等, 相位相差, 占空比可调的矩形波( 即 PWM 信号).然后，将脉冲信号送往芯片 HL402，对微信号进行升压处理，再把经过处理的电平信
16、号送往 IGBT，对其触发，以满足主电路的要求。电力电子技术课程设计8图 4.3 SG3525A 芯片的内部结构（1）基准电压调整器基准电压调整器是输出为 5.1V，50mA，有短路电流保护的电压调整器。它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。若输入电压低于 6V 时，可把 15、16 脚短接，这时 5V 电压调整器不起作用。（2）振荡器3525A 的振荡器，除 CT、RT 端外，增加了放电 7、同步端 3。RT 阻值决定了内部恒流值对 CT 充电，CT 的放电则由 5、7 端之间外接的电阻值 RD 决定。把充电和放电回路分开，有利于通过 RD 来调节死区的时间，因此是重大改进。这
17、时 3525A 的振荡频率可表为：（3.1 ）)R37.0(C1fDTS在 3525A 中增加了同步端 3 专为外同步用，为多个 3525A 的联用提供了方便。同步脉冲的频率应比振荡频率 fs 要低一些。(3)误差放大器误差放大器是差动输入的放大器。它的增益标称值为 80dB，其大小由反馈或输出负载决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容的元件组合。该放大器共模输入电压范围在 1.83.4V，需要将基准电压分压送至误差放大器 1 脚（正电压输出）或 2 脚（负电阻输出） 。电力电子技术课程设计93524 的误差放大器、电流控制器和关闭控制三个信号共用一个反相输入端，3525A 改为
18、增加一个反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相端。这样避免了彼此相互影响。有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。(4)闭锁控制端 10利用外部电路控制 10 脚电位，当 10 脚有高电平时，可关闭误差放大器的输出，因此，可作为软起动和过电压保护等。(5)有软起动电路比较器的反相端即软起动控制端 8，端 8 可外接软起动电容。该电容由内部 Vref 的50A 恒流源充电。达到 2.5V 所经的时间为 。点空比由小到大（50）变化。8CA50V.2t(6)增加 PWM 锁存器使关闭作用更可靠比较器（脉冲宽度调制）输出送到 PWM 锁存器。锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出时间脉冲
19、复位。这样，当关闭电路动作，即使过流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一周期时钟信号使倘存器复位为止。另外，由于 PWM 锁存器对比较器来的置位信号锁存，将误差放大器上的噪音、振铃及系统所有的跳动和振荡信号消除了。只有在下一个时钟周期才能重新置位，有利于可靠性提高。(7)增设欠压锁定电路电路主要作用是当 IC 块输入电压小于 8V 时，集成块内部电路锁定，停止工作（其准源及必要电路除外） ，使之消耗电流降到很小（约 2mA） 。(8)输出级由两个中功率 NPN 管构成，每管有抗饱和电路和过流保护电路，每组可输出 100mA。组间是相互隔离的。电路结构改为确保其输出电平或者是
20、高电平或者是低电平的一个电平状态中。为了能适应驱动快速的场效应功率管的需要，末级采用推拉式电路，使关断速度更快。11 端（或 14 端）的拉电流和灌电流，达 100mA。在状态转换中，由于存在开闭滞后，使流出和吸收间出现重迭导通。在重迭处有一个电流尖脉冲，其持续时间约 100ns。使用时VC 接一个 0.1f 电容可以滤去尖峰。另一个不足处是吸电流时，如负载电流达到 50mA 以上时，管饱和压降较高（约 1V） 。五、 驱动电路设计5.1 驱动电路方案选择IGBT 是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以以直接驱动 IGBT。因此需要信号放大的电路。另外直流斩波电路会产生很大的电磁干扰，
21、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。因而还设计中还学要有带电气隔离的部分。电力电子技术课程设计10该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，驱动电路的稳定与可靠性直接影响着整个系统变流的成败。具体来讲 IGBT 的驱动要求有一下几点：1）动态驱动能力强，能为 IGBT 栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。否则 IGBT 会在开通及关延时，同时要保证当 IGBT 损坏时驱动电路中的其他元件不会被损坏。2）能向 IGBT 提供适当的正向和反向栅压，一般取+15 V 左右的正向栅压比较恰当，取-5V 反向栅压能让 IGBT 可靠截止。3）具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT 栅
22、极极限电压一般为土 20 V，驱动信号超出此范围可能破坏栅极。4）当 IGBT 处于负载短路或过流状态时，能在 IGBT 允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现 IGBT 的软关断。驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。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，有以下 2 种驱动电路，下面对其进行比较选择。方案 1：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 1us 的时间滞后，不适应于某些
23、要求比较高的场合。方案 2：采用变压器耦合驱动器，其输入输出耐压高，电路结构简单，延迟小。但是它不能实现自动过流保护，不能实现任意脉宽输出，而且其对变压器的绕制要求严格。通过以上比较，结合本系统中，对电压要求不高，而且只有一个全控器件需要控制，使用光耦电路，使用方便，所以选择方案 1。对于方案 1 可以用 EXB841 驱动芯片来实现也可以直接用光耦电路进行主电路与控制电路隔离，再把驱动信号加一级推挽电路进行放大使得驱动信号足以驱动 IGBT 管。由于我所设计的过流保护电路是利用控制芯片 10 端来设计的，且直接用光耦电路比较简单，所以我没有用驱动芯片而是直接用光耦电路。5.2 工作原理如图
24、5.2 所示，IGBT 降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。一般电气隔离采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器，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是，先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。采用的光耦是 TLP521-1。为得到最佳的波形，在调试的过程中对光耦两端的电阻要进行合理的搭配。电力电子技术课程设计11图 5.2 驱动电路原理：控制电路所输出的信号通过 TLP521-1 光耦合器实现电气隔离，再经过推挽电路进行放大，从而把输出的控制信号放大六、 保护电路设计6.1 过压保护电路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
25、电路，当达到定电压值时，自动开通保护电路，所以可分为主电路器件保护和负载保护。6.1.1 主电路器件保护当达到定电压值时，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 6.1.1 所示。图 6.1.1 RC 阻容过电压保护电路图电力电子技术课程设计126.1.2 负载过压保
26、护如图 6.1.1 所示 比较器同相端接到负载端，反相端接到一个基准电压上，输出端接控制芯片 10 端，当负载端电压达到一定的值，比较器输出 Uom 抬高 10 端电位，从而使 10端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，从而实现过压保护。电阻的取值，比较器反相端接 5.1V 电源经变位器后为可调基准电压，比较器同相端电压应在 5V 以内，取负载输出电压最大值 80V 来算 R20/R18=80/3 左右 ，所以R20=100K， R18=4K，R17
27、=10k，R19=2k。图 6.1.2 负载过压保护6.2 过流保护电路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。过流保护的方法比较多，比较简单的方法是一般采用添加 FU 熔断器来限制电流的过大，防止 IGBT 的破坏和对电路中其他元件的保护。如图 1 在主电路串接一个快速熔断丝。还有一种方法如图 6.2 所示，也是利用控制电路芯片的第 10 端。在主电路的负
28、载端串接一个很小取样电阻，把它接到放大器进行放大，后再利用比较器，运用过压保护原理同样电力电子技术课程设计13能实现过流保护。电阻的取值，一般取样电阻端所获得的电压为零点几伏，需要通过放大器把电压放大到几伏左右，由放大器运算公式：Uo= （1+R12/R10 ）*Ui，取放大 10 倍，即 1+R12/R10=10 , 所以取 R12=9K，R10=1K 。放大后把它接到比较器中比较使得比较器输出端电位升高，与过压保护一样原理，所以 R13=2K，R14=2K，R15=10K，R16=2K。图 6.2 过流保护电路七：系统仿真及结论7.1 仿真软件的介绍此次仿真使用的是 MATLAB 软件。S
29、imulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点 Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于 Simulink。 Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具，是一种基于 MATLAB 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统
30、、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对电力电子技术课程设计14各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink 提供了交互式图
31、形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.构架在 Simulink 基础之上的其他产品扩展了 Simulink 多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink 与 MATLAB 紧密集成，可以直接访问 MATLAB 大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。4.2 仿真电路及其仿真结果1.仿真电路图电力电子技术课程设计15图 7.1 降压斩波的 MATLAB 电路的模型根据题目要求输出电压平均值为 100V，电流为 20A。这里是首先指定电源为 100V 直流。则最大占空比为
32、20%。先用纯电阻负载，则负载理论阻值应该为 1。至于负载回路中的大电感，我在这里取的 100mH。设定好元器件的参数之后,还需要设置仿真算法和仿真时间。我的设置如下图所示电力电子技术课程设计16图 7.2 仿真设置界面2：MATLAB 的.仿真结果如下：结论：上面的数据与理论值相同，由于使用的是仿真软件所以没有误差。主要参考文献：1.王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.20092.李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.电子工业出版社.20053.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.20064.钟炎平.电力电子电路设计.华中科技大学出版社.2010电力电子技术课程设计17致谢感谢老师的认真指导和同学们的热心帮助！
