電力電子技術(shù)課程設(shè)計報告

1、 目 錄1 選題背景211 指導思想212 方案論證213 基本設(shè)計任務(wù)314 發(fā)揮設(shè)計任務(wù)315電路特點32 電路設(shè)計32.1 總電路圖32.2 工作原理43 各主要電路及部件工作原理53.1 主控電路63.2 驅(qū)動電路63.3控制芯片的介紹74 元器件清單95 者仿真結(jié)果106 小結(jié)117 設(shè)計體會及今后的改進意見117.1 體會117.2 本方案特點及存在的問題127.3 改進意見12參考文獻13 正 文1 選題背景隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子設(shè)備的種類也越來越多，電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源向輕、薄和高效率方向發(fā)展。開關(guān)電源因其體積小、重量輕和效率高的優(yōu)點在各種電子設(shè)備中得到廣

2、泛的應(yīng)用。伴隨著開關(guān)電源的進一步升級，低電壓大電流的開關(guān)電源成為研究趨勢。11 指導思想 IGBT降壓斬波電路是直流斬波電路中最基本的一種，用于直流到直流的降壓變換。有電壓、電流容量大，易驅(qū)動等優(yōu)點，可工作在較大頻率范圍內(nèi)。設(shè)計基本思路如下： 圖1降壓斬波電路結(jié)構(gòu)框圖在圖1結(jié)構(gòu)框圖中，控制電路是用來產(chǎn)生降壓斬波電路的控制信號，控制電路產(chǎn)生的控制信號傳到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路把控制信號轉(zhuǎn)換為加在開關(guān)控制端，可以使其開通或關(guān)斷的信號。通過控制開關(guān)的開通和關(guān)斷來控制降壓斬波電路的主電路工作?？刂齐娐分械谋Ｗo電路是用來保護電路的，防止電路產(chǎn)生過電流現(xiàn)象損害電路設(shè)備。12 方案論證1.2.1 驅(qū)動電路方案論

3、證方案一：采用PWM控制方式來控制IGBT的通斷這種電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓。改變脈沖的占空比就是對脈沖寬度進行調(diào)制，只是因為輸入電壓和所需要的輸出電壓都是直流電壓，因此脈沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對脈沖的占空比進行控制。選用SG3525芯片作為PWM發(fā)生芯片，它是一款專用的PWM控制集成電路芯片，它采用恒頻調(diào)寬控制方案，內(nèi)部包括精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護電路等。方案二：由分立元件組成驅(qū)動電路，采用脈沖變壓器組成的柵極驅(qū)動電路。綜合考慮，方案二截止時沒有門極反向電壓，抗干擾能力不強。這種電路適用于驅(qū)動占空比小于

4、50%的高頻場合。所以選擇方案一。13 基本設(shè)計任務(wù)1. 分析降壓斬波電路的基本結(jié)構(gòu)及工作原理。2. 設(shè)計主電路及控制結(jié)構(gòu)。3. 選擇原件完成整個電路連接。4. 要求：（1）輸入直流電壓：Ud=15V； (2）輸出直流電壓：3-12V之間任意調(diào)節(jié)； （3）輸出電壓紋波：小于10%；1.4 發(fā)揮設(shè)計任務(wù) 設(shè)計過壓,過流保護電路15 電路特點運用電力電子開關(guān)來控制電路的通斷即改變占空比，從而獲得我們所想要的電壓。這就可以根據(jù)所學的buck降壓電路作為主電路，這個方案是較為簡單的方案，直接進行直直變換簡化了電路結(jié)構(gòu)。而另一種方案是先把直流變交流降壓，再把交流變直流，這種方案把本該簡單的電路復雜化，不

5、可取。至于開關(guān)的選擇，選用比較熟悉的全控型的IGBT管，而不選半控型的晶閘管，因為IGBT控制較為簡單，且它既具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快、驅(qū)動電路簡單等特點，又用通態(tài)壓降小、耐壓高、電流大等優(yōu)點。2 電路設(shè)計2.1 總電路圖 圖2 降壓斬波電路圖2.2 工作原理電路使用一個全控型器件V，圖中為IGBT，若采用晶閘管，需設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路。并設(shè)置了續(xù)流二極管VD，在V關(guān)斷時給負載中電感電流提供通道。主要用于電子電路的供電電源，也可拖動直流電動機或帶蓄電池負載等，后兩種情況下負載中均會出現(xiàn)反電動勢，如圖中Em所示。 工作原理：當t=0時刻驅(qū)動V導通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E，負載

6、電流io按指數(shù)曲線上升。 當 t=t1時控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降，通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。 圖2 降壓斬波電路圖圖2 降壓斬波電路圖此電路的基本數(shù)量關(guān)系為： （1）電流連續(xù)時 負載電壓的平均值為 (1-1)式中，ton為V處于通態(tài)的時間，toff為V處于斷態(tài)的時間，T為開關(guān)周期，a為導通占空比，簡稱占空比或?qū)ū?。負載電流平均值為 (1-2) （2）電流斷續(xù)時，負載電壓uo平均值會被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。 斬波電路有三種控制方式： 脈沖寬度調(diào)制（PWM）：保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導通時間ton， 頻率調(diào)制：保持

7、開關(guān)導通時間ton不變，改變開關(guān)周期T?；旌闲停簍on和T都可調(diào)，使占空比改變。3 各主要電路及部件工作原理 3.1 控制電路控制電路需要實現(xiàn)的功能是產(chǎn)生控制信號，用于控制斬波電路中主功率器件的通斷，通過對占空比的調(diào)節(jié)達到控制輸出電壓大小的目的。題目要求輸出電壓連續(xù)可調(diào)，所以我選用一般的PWM發(fā)生芯片來進行連續(xù)控制。對于PWM發(fā)生芯片，我選用了SG3525芯片，其引腳圖如圖2所示，它是一款專用的PWM控制集成電路芯片，它采用恒頻調(diào)寬控制方案，內(nèi)部包括精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護電路等。其11和14腳輸出兩個等幅、等頻、相位互補、占空比可調(diào)的PWM信號。腳6、腳7

8、內(nèi)有一個雙門限比較器，內(nèi)設(shè)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成SG3525 的振蕩器。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1 及腳2 分別為芯片內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個兩級差分放大器。根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳9和腳1之間一般要添加適當?shù)姆答佈a償網(wǎng)絡(luò)，另外當10腳的電壓為高電平時，11和14腳的電壓變?yōu)?0輸出。 圖3 SG3525引腳圖 3.2驅(qū)動電路 IGBT是電力電子器件，控制電路產(chǎn)生的控制信號一般難以以直接驅(qū)動IGBT。因此需要信號放大的電路。另外直流斬波電路會產(chǎn)生很大的電磁干擾，會影響控制電路的正常工作，甚至導致電力電子

9、器件的損壞。因而還設(shè)計中還學要有帶電氣隔離的部分。該驅(qū)動部分是連接控制部分和主電路的橋梁，驅(qū)動電路的穩(wěn)定與可靠性直接影響著整個系統(tǒng)變流的成敗。具體來講IGBT的驅(qū)動要求有一下幾點：1）動態(tài)驅(qū)動能力強，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動脈沖。否則IGBT會在開通及關(guān)延時，同時要保證當IGBT損壞時驅(qū)動電路中的其他元件不會被損壞。2）能向 IGBT提供適當?shù)恼蚝头聪驏艍?，一般?15 V左右的正向柵壓比較恰當，取-5V反向柵壓能讓IGBT可靠截止。3）具有柵壓限幅電路，保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為土20 V，驅(qū)動信號超出此范圍可能破壞柵極。4）當 IGBT處于負載短路或過流

10、狀態(tài)時，能在IGBT允許時間內(nèi)通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流，實現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。驅(qū)動電路的軟關(guān)斷過程不應(yīng)隨輸入信號的消失而受到影響。針對以上幾個要求，對驅(qū)動電路進行以下設(shè)計。針對驅(qū)動電路的隔離方式，有以下2種驅(qū)動電路，下面對其進行比較選擇。方案1：采用光電耦合式驅(qū)動電路，該電路雙側(cè)都有源。其提供的脈沖寬度不受限制，較易檢測IGBT的電壓和電流的狀態(tài)，對外送出過流信號。另外它使用比較方便，穩(wěn)定性比較好。但是它需要較多的工作電源，其對脈沖信號有1us的時間滯后，不適應(yīng)于某些要求比較高的場合。方案2：采用變壓器耦合驅(qū)動器，其輸入輸出耐壓高，電路結(jié)構(gòu)簡單，延遲小。但是它不能實現(xiàn)自動過流保護，不能

11、實現(xiàn)任意脈寬輸出，而且其對變壓器的繞制要求嚴格。通過以上比較，結(jié)合本系統(tǒng)中，對電壓要求不高，而且只有一個全控器件需要控制，使用光耦電路，使用方便，所以選擇方案1。3.2.1工作原理如圖5.2所示，IGBT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行放大。采用的光耦是TLP521-1。為得到最佳的波形，在調(diào)試的過程中對光耦兩端的電阻要進行合理的搭配。 圖4 驅(qū)動電路原理：控制電路所輸出的信號通過TLP521-1光耦合器實現(xiàn)電氣

12、隔離，再經(jīng)過推挽電路進行放大，從而把輸出的控制信號放大。3.3 控制芯片的介紹 對于方案1可以用EXB841驅(qū)動芯片來實現(xiàn)也可以直接用光耦電路進行主電路與控制電路隔離，再把驅(qū)動信號加一級推挽電路進行放大使得驅(qū)動信號足以驅(qū)動IGBT管。由于我所設(shè)計的過流保護電路是利用控制芯片10端來設(shè)計的，且直接用光耦電路比較簡單，所以我沒有用驅(qū)動芯片而是直接用光耦電路?？刂齐娐芬許G3525 為,它集成了PWM 控制電路,其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)及各引腳功能如圖3所示,它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案,內(nèi)部包含有精密基準源,鋸齒波振蕩器,誤差放大器,比較器,分頻器和保護電路等.調(diào)節(jié)Ur 的大小,在11,14兩端可輸出兩個幅度

13、相等,頻率相等,相位相差, 占空比可調(diào)的矩形波(即PWM信號).然后，將脈沖信號送往芯片HL402，對微信號進行升壓處理，再把經(jīng)過處理的電平信號送往IGBT，對其觸發(fā)，以滿足主電路的要求。 圖5 SG3525A 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu) （1）基準電壓調(diào)整器基準電壓調(diào)整器是輸出為5.1V，50mA，有短路電流保護的電壓調(diào)整器。它供電給所有內(nèi)部電路，同時又可作為外部基準參考電壓。若輸入電壓低于6V時，可把15、16腳短接，這時5V電壓調(diào)整器不起作用。（2）振蕩器3525A的振蕩器，除CT、RT端外，增加了放電7、同步端3。RT阻值決定了內(nèi)部恒流值對CT充電，CT的放電則由5、7端之間外接的電阻值RD決定。

14、把充電和放電回路分開，有利于通過RD來調(diào)節(jié)死區(qū)的時間，因此是重大改進。這時3525A的振蕩頻率可表為： （3.1）在3525A中增加了同步端3專為外同步用，為多個3525A的聯(lián)用提供了方便。同步脈沖的頻率應(yīng)比振蕩頻率fs要低一些。(3)誤差放大器誤差放大器是差動輸入的放大器。它的增益標稱值為80dB，其大小由反饋或輸出負載決定，輸出負載可以是純電阻，也可以是電阻性元件和電容的元件組合。該放大器共模輸入電壓范圍在1.83.4V，需要將基準電壓分壓送至誤差放大器1腳（正電壓輸出）或2腳（負電阻輸出）。3524的誤差放大器、電流控制器和關(guān)閉控制三個信號共用一個反相輸入端，3525A改為增加一個反相輸

15、入端，誤差放大器與關(guān)閉電路各自送至比較器的反相端。這樣避免了彼此相互影響。有利于誤差放大器和補償網(wǎng)絡(luò)工作精度的提高。(4)閉鎖控制端10利用外部電路控制10腳電位，當10腳有高電平時，可關(guān)閉誤差放大器的輸出，因此，可作為軟起動和過電壓保護等。(5)有軟起動電路比較器的反相端即軟起動控制端8，端8可外接軟起動電容。該電容由內(nèi)部Vref的50A恒流源充電。達到2.5V所經(jīng)的時間為。點空比由小到大（50）變化。(6)增加PWM鎖存器使關(guān)閉作用更可靠比較器（脈沖寬度調(diào)制）輸出送到PWM鎖存器。鎖存器由關(guān)閉電路置位，由振蕩器輸出時間脈沖復位。這樣，當關(guān)閉電路動作，即使過流信號立即消失，鎖存器也可維持一個

16、周期的關(guān)閉控制，直到下一周期時鐘信號使倘存器復位為止。另外，由于PWM鎖存器對比較器來的置位信號鎖存，將誤差放大器上的噪音、振鈴及系統(tǒng)所有的跳動和振蕩信號消除了。只有在下一個時鐘周期才能重新置位，有利于可靠性提高。(7)增設(shè)欠壓鎖定電路電路主要作用是當IC塊輸入電壓小于8V時，集成塊內(nèi)部電路鎖定，停止工作（其準源及必要電路除外），使之消耗電流降到很?。s2mA）。(8)輸出級由兩個中功率NPN管構(gòu)成，每管有抗飽和電路和過流保護電路，每組可輸出100mA。組間是相互隔離的。電路結(jié)構(gòu)改為確保其輸出電平或者是高電平或者是低電平的一個電平狀態(tài)中。為了能適應(yīng)驅(qū)動快速的場效應(yīng)功率管的需要，末級采用推拉式電

17、路，使關(guān)斷速度更快。11端（或14端）的拉電流和灌電流，達100mA。在狀態(tài)轉(zhuǎn)換中，由于存在開閉滯后，使流出和吸收間出現(xiàn)重迭導通。在重迭處有一個電流尖脈沖，其持續(xù)時間約100ns。使用時VC接一個0.1f電容可以濾去尖峰。另一個不足處是吸電流時，如負載電流達到50mA以上時，管飽和壓降較高（約1V）。4 元器件清單名稱個數(shù)G3525芯片10.01uF陶瓷電容1100uF電解電容15.1K 電阻101K電阻210電阻310K電位器1100K電位器2二極管1N414848050三極管18550三極管1光耦1IRF540N340Mos管15 仿真結(jié)果 6 小結(jié)通過課程設(shè)計拓寬了知識面，學到了很多課本

18、上沒有的知識，報告只有自己去做能加深對知識的理解，任何困難只有自己通過努力去克服才能收獲成功的喜悅。本次課程設(shè)計還讓我明白了理論聯(lián)系實際的重要性，只有通過實際的動手才能加深對于理論知識的理解。在做課程設(shè)計的過程中我發(fā)現(xiàn)自己對課本知識的理解不夠深刻，掌握的不太牢靠，以后一定會努力地溫習以前的知識。 7 設(shè)計體會及今后改進意見7.1體會回顧起此次電力電子課程設(shè)計，感慨頗多，在兩個星期的日子里可以說是整天都充滿著壓力與忙碌，自己也的確從此次安排的課程設(shè)計中學到了很多東西。這次設(shè)計，使我加深了對書本知識的理解，特別是對升壓斬波電路與降壓斬波電路相關(guān)內(nèi)容有了更深刻的認識和理解，另外，此次設(shè)計內(nèi)容不僅僅只

19、涉及了直流斬波系列電路，還有與主電路相配套的觸發(fā)電路、保護電路設(shè)計，擴大了我的知識面，為以后課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計打下知識基礎(chǔ)。在設(shè)計初期由于缺少經(jīng)驗，有很多問題沒有考慮到，例如觸發(fā)電路中所用的光電隔離保護環(huán)節(jié)，對IGBT的過壓過流保護環(huán)節(jié)，其實這些內(nèi)容在書本上都有提到，也有相應(yīng)的介紹和處理電路。這次課程設(shè)計做得比較成功，雖然沒有每個人按要求做出實物，但仿真實驗還是得到了理想的波形，與理論結(jié)果基本相似，其可能出現(xiàn)誤差的原因也在前面給出了分析。通過這個設(shè)計，我明白了要做成一個可用的、實際的實物靠得是細節(jié)。以前課本上所學的東西只是理論上的，要把理論變?yōu)閷嶋H還需要很多大量細節(jié)的東西，如何使你設(shè)計出來的電路是最簡單的 ，最容易實現(xiàn)的；所用的器件應(yīng)該用什么型號的才合適等等，都是需要我們在設(shè)計過程中要好好考慮的。此次課程設(shè)計過程中使我學到了很多各方面的知識，是我今后深入學習的基礎(chǔ)和動力，以后我一定會珍惜這種機會好好學習。7.2 本方案特點及存在問題特點：這個方案是較為簡單的方案，直接進行直直變換簡化了電路結(jié)構(gòu)。既具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快、驅(qū)動電路簡單等特點，又用通態(tài)壓降小、耐壓高、電流大等優(yōu)點。存在問題：未加入過壓保護、過流保護電路。7.3 改進意見當達到定電壓值時，自動開通保護電