直流斬波電路性能研究-副本

1、電力電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告直流斬波電路的性能研究學(xué) 院： 物理與電氣工程學(xué)院 班 級： 13級自動化 1班 姓 名： XXX 學(xué) 號： XXX 指導(dǎo)教師： 陳永超 成 績： 日期： 2015.5.27 一、 buck斬波電路工作原理直流斬波電路（DC Chopper）的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，也稱為直接直流-直流變換器（DC/DC Converter）。直流斬波電路一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姷那闆r，不包括直流-交流-直流的情況。習(xí)慣上，DC-DC變換器包括以上兩種情況。直流斬波電路的種類較多，包括6種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，Cuk斬

2、波電路，Sepic斬波電路和Zeta斬波電路，其中前兩種是最基本的電路。一方面，這兩種電路應(yīng)用最為廣泛，另一方面，理解了這兩種電路可為理解其他的電路打下基礎(chǔ)。直流斬波電路廣泛應(yīng)用于直流傳動和開關(guān)電源領(lǐng)域，是電力電子領(lǐng)域的熱點(diǎn)。全控型器件選擇絕緣柵雙極晶體管（IGBT）綜合了GTR和電力MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的特性。目前已取代了原來GTR和一部分電力MOSFET的市場，應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)展，成為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。所以，此課程設(shè)計(jì)選題為：設(shè)計(jì)使用全控型器件為電力MOSFET的降壓斬波電路。主要討論電源電路、降壓斬波主電路、控制電路、驅(qū)動電路和保護(hù)電路的原理與設(shè)計(jì)。1.1主電路工作原

3、理 圖1.1 BUCK斬波電路電路圖直流降壓斬波主電路使用一個Power MOSFET IRF640N控制導(dǎo)通。用控制電路和驅(qū)動電路來控制IRF640N的通斷，當(dāng)t=0時，驅(qū)動IRF640N導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓=E，負(fù)載電流按指數(shù)曲線上升。電路工作時波形圖如圖.2所示：圖1.2 電流持續(xù)時波形圖當(dāng)時刻，控制IRF640N關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管續(xù)流，負(fù)載電壓近似為零，負(fù)載電流指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小，故串聯(lián)L值較大的電感。至一個周期T結(jié)束，再驅(qū)動IRF640N導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。當(dāng)電力工作于穩(wěn)態(tài)時負(fù)載電流在一個周期的初值和終值相等，負(fù)載電壓的平均值為： 在圖中，

4、為電力MOSFET處于通態(tài)的時間；為其處于斷態(tài)的時間；T為開關(guān)周期；為導(dǎo)通占空比。通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓Em。當(dāng)=1時，輸出到負(fù)載的電壓平均值最大為E，若減小占空比，則隨之減小。此電路采用PWM方式控制IRF640N的通斷。1.2 控制電路選擇 在實(shí)現(xiàn)對Power MOSFET IRF640N進(jìn)行控制的控制電路中，考慮采用脈沖發(fā)生器TL494或者SG3525。二者區(qū)別如下：1 SG3525,驅(qū)動電路簡單,但其驅(qū)動電流小,適合于500W以下逆變器,比如直接驅(qū)動8個IRF3205,IC會發(fā)熱高,TL494驅(qū)動能力強(qiáng),合適驅(qū)動1000W以下機(jī)子,如果要更大功率,兩IC都要抗流來增大驅(qū)動能力；2

5、 工作電壓在15V左右,SG3525要比TL494能更穩(wěn)定工作,但電壓上到20V,TL494穩(wěn)定性更強(qiáng)SG3525不能直接用于24V電壓,而TL494在30V的條件下依然能穩(wěn)定運(yùn)行,所以在24V電路中,TL494更簡單；3 在低頻逆變中,從理論上說,TL494更能穩(wěn)定50HZ輸出,但電路設(shè)計(jì)得當(dāng),TL494在50HZ上也易實(shí)現(xiàn),由于TL494死驅(qū)受控于5,7腳間電阻,所以對于AC輸出電壓變換比不上TL494實(shí)用。綜合以上原因，在控制電路部分，我們采用抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高以及價格便宜TL494作為脈沖觸發(fā)器。二、硬件調(diào)試2.1、電源電路本設(shè)計(jì)采用電容濾波的二極管不可控整流電路獲得所需

6、的直流電源。2.1.1 工作原理：圖1.1 整流電路原理圖用變壓器降壓后，由四個二極管組成一個全橋整流電路，由于整流電路出來的電壓含有較大的紋波，電壓質(zhì)量不太好，故需要進(jìn)行濾波。本電路采用RC濾波器,因?yàn)殡娙轂V波的直流輸出電壓與變壓器副邊電壓的比值比較大，而且適用于小電流、整流管的沖擊電流比較大的電路中，因此本電路選用電容濾波。圖1.2 電源電路圖輸入端接220V/50Hz的交流電，經(jīng)過變壓器T1（變壓比為240/12*2）后輸出24V/50Hz。當(dāng)同名端為正時，、導(dǎo)通，、截止，電壓上正下負(fù)；當(dāng)同名端為負(fù)時，、截止，、導(dǎo)通，電壓同樣是上正下負(fù)，從而實(shí)現(xiàn)整流。仿真測量結(jié)果如下：圖1.4 整流電路

7、仿真電路圖整流橋二極管的選擇:在橋式整流電路中，每只二極管只在輸入電壓的半個周期內(nèi)導(dǎo)通，因此二極管的平均電流只有負(fù)載電阻上平均電流的一半，即(AV)=(AV)/2=0.45/R。在二極管不導(dǎo)通期間，承受反壓的最大值就是變壓器二次測電壓的最大值，即 =1.414，根據(jù)上面的選擇原則可知選擇二極管的最大整流電流I(1.1)/20.5(/R);最大反向電壓1.1=1.1×55=37.34V。濾波電容的選擇：C=(5T/2)/RL。圖1.5 整流電路仿真結(jié)果電路圖2.2 buck斬波電路降壓斬波電路圖如下圖所示，仿真時電路如下（以24V直流電源代替整流電源，以脈沖發(fā)生器代替驅(qū)動電路和控制電路

8、）：圖2.1 降壓斬波電路原理圖圖2.2 降壓斬波電路仿真結(jié)果圖2.3、 控制電路TL494的內(nèi)部電路(如圖3.1)由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。圖3.1 TL494內(nèi)部電路圖其中1、2腳是誤差放大器1的同相和反相輸入端；3腳是相位校正和增益控制；4腳為間歇期調(diào)理，其上加033V電壓時可使截止時間從2變化到100。5、6腳分別用于外接振蕩電阻和振蕩電容，以確定振蕩器產(chǎn)生鋸齒波的頻率； 式中，和的取值范圍：=5100kQ，=0.0010.1uF。7腳為接地端；8、9腳和11、10腳分別為TL494內(nèi)部兩個末級輸出三極管集電極和發(fā)射

9、極；12腳為電源供電端；13腳為輸出控制端，該腳接地時為并聯(lián)單端輸出方式，接14腳時為推挽輸出方式；14腳為5V基準(zhǔn)電壓輸出端，最大輸出電流10 mA)；15、16腳是誤差放大器2的反相和同相輸入端。TL494脈寬調(diào)制控制電路見下：圖3.2 TL494脈寬調(diào)制控制電路2.4、 驅(qū)動電路如圖4.1所示，Power MOSFET降壓斬波電路的驅(qū)動電路提供電氣隔離環(huán)節(jié)。一般電氣隔離采用光隔離或磁隔離。光隔離一般采用光耦合器，光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，封裝在一個外殼內(nèi)。本電路中采用的隔離方法是，先加一級光耦隔離，再加一級推挽電路進(jìn)行放大。圖4.1 光耦驅(qū)動電路驅(qū)動電路的multisim仿真

10、電路及其結(jié)果如下：圖4.2 驅(qū)動電路仿真圖 原理：控制電路所輸出的信號通過TLP521-1光耦合器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，再經(jīng)過推挽電路進(jìn)行放大，從而把輸出的控制信號放大2.5 過壓保護(hù)電路過壓保護(hù)要根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的保護(hù)電路，當(dāng)達(dá)到定電壓值時，自動開通保護(hù)電路，所以可分為主電路器件保護(hù)和負(fù)載保護(hù)。2.5.1 主電路器件保護(hù)當(dāng)達(dá)到定電壓值時，自動開通保護(hù)電路，使過壓通過保護(hù)電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關(guān)器件上，保護(hù)了電力電子器件。保護(hù)電路如圖5.1所示。圖5.1 RC阻容過電壓保護(hù)電路圖2.5.2 負(fù)載過壓保護(hù)如圖5.2所示 比較器同相端接到負(fù)

11、載端，反相端接到一個基準(zhǔn)電壓上，輸出端接控制芯片10端，當(dāng)負(fù)載端電壓達(dá)到一定的值，比較器輸出Uom抬高10端電位，從而使10端上的信號為高電平時，PWM瑣存器將立即動作，禁止SG3525的輸出，同時，軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關(guān)斷信號結(jié)束，才重新進(jìn)入軟啟動過程，從而實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)。電阻的取值，比較器反相端接5.1V電源經(jīng)變位器后為可調(diào)基準(zhǔn)電壓，比較器同相端電壓應(yīng)在5V以內(nèi)，取負(fù)載輸出電壓最大值80V來算R20/R18=80/3左右 ，所以R20=100K，R18=4K，R17=10k，R19=2k。圖 5.2 負(fù)載過壓保護(hù)2.5.3 過流保護(hù)電路當(dāng)電力電子

12、電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。當(dāng)器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低、缺相等，均可引起過流。由于電力電子器件的電流過載能力相對較差，必須對變換器進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^流保護(hù)。 圖6.2 過流保護(hù)電路2.6 元器件列表表2.6.1 元器件列表元件名稱數(shù)目220/24V變壓器1個整流二極管5個220uF電容1個1uF電容1個IRF640N1個RF16 1001個電感1個TL494CN1個白熾燈1個光耦二極管1個運(yùn)算放大器3個電阻若干電容若干導(dǎo)線若干三、總結(jié)這次降壓直流斬波電路的課程設(shè)計(jì)，不僅使我們對斬波電路有了更加清晰的認(rèn)識，同時也對IGBT的驅(qū)動電路和保護(hù)電路也有了更深刻的認(rèn)識，此外，在做設(shè)計(jì)的過程中我們也學(xué)會了用一些基本元部件進(jìn)行建模的基本方法，加深了對課本知識的進(jìn)一步理解。此次課程設(shè)計(jì)，從理論到實(shí)踐，在有限的時間里，我們遇到了很多問題，在解決這些問題的同時，我們也學(xué)到了很多東西。我們不僅鞏固了以前所學(xué)的電力電子的理論知識，也復(fù)習(xí)了模擬電子和數(shù)字電子部分的相關(guān)知識，更使我們知道了理論結(jié)合實(shí)踐的基本方法，鍛煉了自己解決實(shí)際問題的能力?？傊?，這次課程設(shè)計(jì)不僅增加了我們的知識積累，讓我們有機(jī)會將課堂上所學(xué)的電力電子