BUCK型DC-DC變換器電路設(shè)計

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué) 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 課程設(shè)計（論文）課程設(shè)計（論文）題目：題目： BUCKBUCK型型DC-DCDC-DC變換器電路設(shè)計變換器電路設(shè)計 院（系）：院（系）： 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 自自131131班班 學(xué)學(xué) 號：號： 130302011130302011 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 李君奧李君奧 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： （簽字）起止時間：起止時間：2016.1.04-2016.01.15本科生課程設(shè)計（論文）課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：自動化 本科生課程設(shè)計（論文）I注：成績：平

2、時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算學(xué) 號 130302011 學(xué)生姓名李君奧專業(yè)班級 131課程設(shè)計（論文）題目BUCK型DC-DC變換器電路設(shè)計課程設(shè)計（論文）任務(wù)實現(xiàn)功能實現(xiàn)功能 設(shè)計一個將 600VDC 降低到 220VDC 的 DC-DC 變換器。設(shè)計任務(wù)及要求設(shè)計任務(wù)及要求（1）根據(jù)給出的技術(shù)參數(shù)指標，確定系統(tǒng)總體設(shè)計方案及系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖。（2）設(shè)計主電路，并對主電路中包含的元器件進行參數(shù)設(shè)計。（3）設(shè)計驅(qū)動電路和控制電路。（4）設(shè)計保護電路，電路具有過流保護功能。（5）進行 matlab 軟件仿真分析。（6）撰寫、打印課程設(shè)計說明書，字數(shù)在 4000 字以上（論文

3、）。技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)輸入電壓為 600VDC，輸出電壓為 220VDC，輸出額定電流為 2.5A，當(dāng)輸入電壓在小范圍變化時，電壓調(diào)整率5%,變換器在滿載時效率90%。進度計劃（1）布置任務(wù)，查閱資料，確定系統(tǒng)的組成（1 天）（2）計算參數(shù)，選擇器件（2 天）（3）設(shè)計主電路和驅(qū)動電路、控制電路、保護電路（2 天）（4）仿真分析（2 天）（5）撰寫、打印設(shè)計說明書（2 天）（6）答辯（1 天）指導(dǎo)教師評語及成績平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日本科生課程設(shè)計（論文）II摘 要 直流斬波電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調(diào)電壓的 DC-DC 變換器 ,在直流傳動系

4、統(tǒng)、充電蓄電電路、開關(guān)電源、電力電子變換裝置及各種用電設(shè)備中得到普通的應(yīng)用.隨之出現(xiàn)了諸如降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、復(fù)合斬波電路等多種方式的變換電路。斬波電路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。BUCK 降壓斬波電路就是直流斬波中最基本的一種電路，是用IGBT 作為全控型器件的降壓斬波電路，用于直流到直流的降壓變換。全控型電力電子器件 IGBT 在牽引電傳動電能傳輸與變換、有源濾波等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。所以用IGBT 作為全控型器件的降壓斬波電路就有了 IGBT 易驅(qū)動，電壓、電流容量大的優(yōu)點。 直流斬波電路由控制電路，驅(qū)動電路，保護電路和以電力

5、電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷來完成整個系統(tǒng)的功能，當(dāng)控制電路所產(chǎn)生的控制信號能夠足以驅(qū)動電力電子開關(guān)時就無需驅(qū)動電路。在 Matlab 仿真實驗中，當(dāng)輸入電壓為 600VDC 時，輸出電壓為 220VDC，輸出額定電流為 2.5A，當(dāng)輸入電壓在小范圍變化時，電壓調(diào)整率5%,變換器在滿載時效率90%。關(guān)鍵詞：直流；降壓斬波；電力電子；變換電路； 本科生課程設(shè)計（論文）III目 錄第 1 章 緒論 .1第 2 章 課程設(shè)計的方案 .22.1 概述 .22.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) .

6、2第 3 章 電路設(shè)計 .33.1 主電路設(shè)計 .33.1.1 主電路方案 .33.1.2 工作原理 .33.1.3 參數(shù)分析 .43.2 驅(qū)動電路設(shè)計 .53.2.1 驅(qū)動電路方案選擇 .53.2.2 工作原理 .63.3 控制電路設(shè)計 .63.3.1 控制電路方案選擇 .73.3.2 工作原理 .83.3.3 控制芯片介紹 .93.4 保護電路設(shè)計 .113.4.1 過壓保護電路 .113.4.2 主電路器件保護 .113.4.3 負載過壓保護 .113.4.4 過流保護電路 .12第 4 章 仿真設(shè)計 .144.1 仿真軟件說明 .144.2 仿真模型搭建 .154.3 仿真分析 .17

7、第 5 章 課程設(shè)計總結(jié) .18參考文獻 .19本科生課程設(shè)計（論文）第 1 章 緒論 結(jié)合課程設(shè)計題目及任務(wù)要求，概括敘述與之相關(guān)的發(fā)展技術(shù)。該部分內(nèi)容隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，電子設(shè)備的種類也越來越多。 斬波電路分為 AC/DC 和 DC/DC，其中 DC/DC 變換已實現(xiàn)模塊化，其設(shè)計技術(shù)和生產(chǎn)工藝已相對成熟和標準化。DC/DC 變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波電路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。BUCK 降壓斬波電路就是直流斬波中最基本的一種電路，是用 IGBT 作為全控型器件的降壓斬波電路

8、，用于直流到直流的降壓變換。IGBT 是 MOSFET 與雙極晶體管的復(fù)合器件。它既有 MOSFET 易驅(qū)動的特點，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點。其頻率特性介于 MOSFET 與功率晶體管之間，可正常工作于幾十千赫茲頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。所以用 IGBT 作為全控型器件的降壓斬波電路就有了 IGBT 易驅(qū)動，電壓、電流容量大的優(yōu)點。BUCK 降壓斬波電路由于易驅(qū)動，電壓、電流容量大在電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中有廣闊的發(fā)展前景，也由于開關(guān)電源向低電壓，大電流和高效率發(fā)展的趨勢，促進了BUCK 降壓斬波電路的發(fā)展。直流降壓斬波電路主要分為三個部分，分別為主

9、電路模塊，控制電路模塊，驅(qū)動電路模塊，除了上述主要模塊之外，還必須考慮電路中電力電子器件的保護，以及控制電路與主電路的電氣隔離。但以 IGBT 為功率器件的直流斬波電路在實際應(yīng)用中需要注意以下問題:系統(tǒng)損耗的問，柵極電阻，驅(qū)動電路實現(xiàn)過流過壓保護的問題。此斬波電路中 IGBT 的驅(qū)動信號由集成脈寬調(diào)制控制器 SG3525 產(chǎn)生，由于它簡單可靠及使用方便靈活，大大簡化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計及調(diào)試。BUCK 降壓斬波電路由于易驅(qū)動，電壓、電流容量大在電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中有廣闊的發(fā)展前景，也由于開關(guān)電源向低電壓，大電流和高效率發(fā)展的趨勢，促進了 BUCK 降壓斬波電路的發(fā)展。直流變換技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用

10、于開關(guān)電源及直流電動機驅(qū)動中，如不間斷電源無軌電車、地鐵列車、蓄電池供電的機動車輛的無級變速及二十世紀八十年代興起的電動汽車的控制。從而使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能，并同時收到節(jié)約電能的效果。由于變速器的輸入是電網(wǎng)電壓經(jīng)不可控整流而來的直流電壓，所以直流斬波不僅能起到調(diào)壓的作用，同時還能起到有效地抑制網(wǎng)側(cè)諧波電流的作用。本科生課程設(shè)計（論文）第 2 章 課程設(shè)計的方案2.1 概述本次設(shè)計主要是綜合應(yīng)用所學(xué)知識，設(shè)計出 BUCK 型 DC-DC 變換器電路設(shè)計 ，并在實踐的基本技能方面進行一次系統(tǒng)的訓(xùn)練。能夠較全面地鞏固和應(yīng)用“電力電子技術(shù)”課程中所學(xué)的基本理論和基本方法，并初步掌握電

11、力電子系統(tǒng)設(shè)計的基本方法。應(yīng)用場合:直流電動機傳動、開關(guān)電源、單相功率因數(shù)校正，以及用于其他領(lǐng)域的交直流電源 。系統(tǒng)功能介紹: 由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷來完成整個系統(tǒng)的功能。2.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)電力電子器件在實際應(yīng)用中，一般是由控制電路，驅(qū)動電路，保護電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷來完成整個系統(tǒng)的功能，當(dāng)控制電路所產(chǎn)生的控制信號能夠足以驅(qū)動電力電子開關(guān)時就無需驅(qū)動電路。根據(jù)降

12、壓斬波電路設(shè)計任務(wù)要求設(shè)計主電路、控制電路、驅(qū)動及保護電路，設(shè)計出降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.1 所示。圖2.1 降壓斬波電路結(jié)構(gòu)框圖 在圖 2.1 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。本科生課程設(shè)計（論文）第 3 章 電路設(shè)計3.1 主電路設(shè)計3.1.1 主電路方案根據(jù)所選課題設(shè)計要求設(shè)計一個降壓斬波電路，可運用電力電子開關(guān)來控制電路的通斷即

13、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(xué)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(fù)雜化，不可取。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。3.1.2 工作原理 根據(jù)所學(xué)知識，直流降壓斬波主電路如圖 3.1 所示：圖3.1 主電路圖直流降壓斬波主電路使用一個全控器件 IGBT 控制導(dǎo)通。用控制電路和驅(qū)動電

14、路來控制 IGBT 的通斷，當(dāng) t=0 時，驅(qū)動 IGBT 導(dǎo)通，電源 E 向負載供電，負載電壓 U=E，負載本科生課程設(shè)計（論文）電流 I 按指數(shù)曲線上升。電路工作時波形圖如圖 3.2 所示： 圖3.2 降壓電路波形圖當(dāng)時刻，控制 IGBT 關(guān)斷，負載電流經(jīng)二極管續(xù)流，負載電壓近似為零，1tt DV0u負載電流指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(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 IGBT 導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。當(dāng)電力工作于穩(wěn)態(tài)時負載電流在一個周期的初值和終值相等，負載電壓的平均值為 （3-1）為 IGBT 處于通態(tài)的時間；為處于斷態(tài)的時間；T 為開關(guān)周期； 為

15、導(dǎo)通占空比。ontofft通過調(diào)節(jié)占空比 使輸出到負載的電壓平均值 Uo 最大為 E，若減小占空比 ，則 Uo隨之減小。由此可知，輸出到負載的電壓平均值 Uo 最大為 U i，若減小占空比 ，則Uo 隨之減小，由于輸出電壓低于輸入電壓，故稱該電路為降壓斬波電路。3.1.3 參數(shù)分析主電路中需要確定參數(shù)的元器件有 IGBT、二極管、直流電源、電感、電阻值的確定，其參數(shù)確定如下：(1)電源 要求輸入電壓為 600V。(2)電阻 因為當(dāng)輸出電壓為 220V 時，假輸出電流為 2.5A。所以由歐姆定律 （3-2）可得負載電阻值為 88 歐姆。(3)IGBT 由圖 3 易知當(dāng) IGBT 截止時，回路通過

16、二極管續(xù)流，此時 IGBT 兩端承受最大正壓為 600V；而當(dāng)=1 時，IGBT 有最大電流，其值為 6.8A。故需選擇集電極最大連續(xù)電流=，反向擊穿電壓的 IGBT，而一般的 IGBT 都滿足要求。cIA6 .13VBvceo1200tOOOEOtttEMiGttTiGtontoffioi1i2I10I20t1uoa)b)OOTEEiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoo0IUR iiittUUUUttTononoonoff本科生課程設(shè)計（論文）(4)二極管 其承受最大反壓 600V，其承受最大電流趨近于 27.2A，考慮 2 倍裕量，故需選擇，的二極管。VUN1200AIN2

17、 .27(5)電感 L=100mH （6）開關(guān)頻率 f=5KHz （7）電容 設(shè)計要求輸出電壓紋波小于 13.2 驅(qū)動電路設(shè)計3.2.1 驅(qū)動電路方案選擇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(dǎo)致電力電子器件的損壞。因而還設(shè)計中還學(xué)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 IG

18、BT會在開通及關(guān)延時，同時要保證當(dāng) 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(dāng)?shù)恼蚝头聪驏艍?，一般?15 V 左右的正向柵壓比較恰當(dāng)，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(dāng) IGBT 處于負載短路或過流狀態(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，

19、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。本科生課程設(shè)計（論文）對于方案 1 可以用 EX

20、B841 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。3.2.2 工作原理如圖 3.3 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

21、中對光耦兩端的電阻要進行合理的搭配。圖3.3 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 控制電路設(shè)計3.3.1 控制電路方案選擇控制電路需要實現(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，本科生課程設(shè)計（論文）通過對占空比的調(diào)節(jié)達到控制輸出電壓大小的目的。斬波電路有三種控制方式：1.保持開關(guān)周期 T 不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間 ton，稱為脈沖寬度調(diào)制或脈沖調(diào)寬型；2.保持導(dǎo)通時間不變，改變開關(guān)周期 T，成為頻率調(diào)制或調(diào)頻型；3.導(dǎo)通時間和周期 T 都可調(diào)，是占空比改變，稱為混合型。因為斬

22、波電路有這三種控制方式，又因為 PWM 控制技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，所以采用PWM 控制方式來控制 IGBT 的通斷。PWM 控制就是對脈沖寬度進行調(diào)制的技術(shù)。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。圖3.4 SG3525引腳圖對于控制電路的設(shè)計其實可以有很多種方法，可以通過一些數(shù)字運算芯片如單片機、CPLD 等等來輸出 PWM 波，也可以通過特定的 PWM 發(fā)生芯片來控制。因為題目要求輸出電壓連續(xù)可調(diào)，所以我選用一

23、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 3.4 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 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)、

24、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(dāng)?shù)姆答佈a償網(wǎng)本科生課程設(shè)計（論文）絡(luò)，另外當(dāng) 10 腳的電壓為高電平時，11 和 14 腳的電壓變?yōu)?10 輸出。3.3.2 工作原理由于 SG3525 的振蕩頻率可表示為 ： （3-3）)37 . 0(1dttRRCf式中:, 分別是與腳 5、腳 6 相連的振蕩器的電容和電阻；是與腳 7 相連的放電端tCtRdR電阻值。根據(jù)任務(wù)要求需要頻率為 40kHz，所以由上式可取=0.01F, = ,=tCtRk1dR?？傻?f=40kHz，滿足要求。600圖3.5 控制電路SG3525 有過流保護的功能，可以通過改變 10 腳電壓的

25、高低來控制脈沖波的輸出。因此可以將驅(qū)動電路輸出的過流保護電流信號經(jīng)一電阻作用，轉(zhuǎn)換成電壓信號來進行過流保護，同理也可以用 10 端進行過壓保護，如圖 3.5 所示 10 端外接過壓過流保護電路。當(dāng)驅(qū)動電路檢測到過流時發(fā)出電流信號，由于電阻的作用將 10 腳的電位抬高，從而11、14 腳輸出低電平，而當(dāng)其沒有過流時，10 腳一直處于低電平，從而正常的輸出PWM 波。SG3525 還有穩(wěn)壓作用。1 端接芯片內(nèi)置電源，2 端接負載輸出電壓，通過 1 端的變位器得到它的一個基準電位，從而當(dāng)負載電位發(fā)生變化時能夠通過 1、2 所接的誤差放大器來控制輸出脈寬的占空比，若負載電位升高則輸出脈寬占空比減小，使

26、得輸出電壓減小從而穩(wěn)定了輸出電壓，反之則然。調(diào)節(jié)變位器使得 1 端得到不同的基準電位，控制輸本科生課程設(shè)計（論文）出脈寬的占空比，從而可使得輸出電壓為 50-80V 范圍。3.3.3 控制芯片介紹本控制電路是以 SG3525 為核心構(gòu)成,SG3525 為美國 Silicon General 公司生產(chǎn)的專用，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 4.3 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相等,頻率相等,相位相差, 占空比可調(diào)的矩形波(即 PWM

27、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 3.6 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。把充電和

28、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： （3-4） 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)R3R7 . 0(C1fDTTS本科生課程設(shè)計（論文）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

29、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(dāng) 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 （3-5）占空比由小到大（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

30、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(fù)位。這樣，當(dāng)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周期的關(guān)閉控制，直到下一周期時鐘信號使倘存器復(fù)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(dāng) 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小（約 2mA）。(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10

31、0mA。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8CA50V5 . 2t本科生課程設(shè)計（論文）于存在開閉滯后，使流出和吸收間出現(xiàn)重迭導(dǎo)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）。3.4 保護電路設(shè)計3.4.1 過壓保護電路過壓保護要根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同

32、部位，加入不同的保護電路，當(dāng)達到定電壓值時，自動開通保護電路，所以可分為主電路器件保護和負載保護。3.4.2 主電路器件保護當(dāng)達到定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓通過保護電路形成通路，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，保護了電力電子器件。為了達到保護效果，可以使用阻容保護電路來實現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過電壓保護電路如圖 3.7 所示。圖3.7 RC阻容過電壓保護電路圖3.4.3 負載過壓保護如圖 3.8

33、所示 比較器同相端接到負載端，反相端接到一個基準電壓上，輸出端接控D9C0CapR0Q0IGBT本科生課程設(shè)計（論文）制芯片 10 端，當(dāng)負載端電壓達到一定的值，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，才重新進入軟啟動過程，從而實現(xiàn)過壓保護。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)基準電壓，比較器同相端電壓應(yīng)在 5V 以內(nèi)，取負載輸出電壓最大值 80V 來算 R20/R18=80/3 左右 ，所R20=1

34、00K，R18=4K，R17=10k，R19=2k。圖 3.10 負載過壓保護 圖 3.8 負載過壓保護3.4.4 過流保護電路當(dāng)電力電子電路運行不正常或者發(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，必須對變換器進行適當(dāng)?shù)倪^流保護。過流保護的方法比較多，比較簡單的方法是一般采用添加 FU 熔斷器來限制電流的過大，防止 IGBT 的破壞和對電路中其他元件的保護。如圖 1 在主電路串接一個快速熔斷絲。還有一種方法如圖 3.9

35、 所示，也是利用控制電路芯片的第 10 端。在主電路的負載端串接一個很小取樣電阻，把它接到放大器進行放大，后再利用比較器，運用過壓保護原理同樣能實現(xiàn)過流保護。本科生課程設(shè)計（論文）電阻的取值，一般取樣電阻端所獲得的電壓為零點幾伏，需要通過放大器把電壓放大到幾伏左右，由放大器運算公式：Uo=（1+R12/R10）*Ui，取放大 10 倍，即 1+R12/R10=10 , 所以取 R12=9K，R10=1K。放大后把它接到比較器中比較使得比較器輸出端電位升高，與過壓保護一樣原理，所以 R13=2K，R14=2K，R15=10K，R16=2K。圖3.9 過流保護電路本科生課程設(shè)計（論文）第 4 章

36、仿真設(shè)計4.1 仿真軟件說明此次仿真使用的是 MATLAB 軟件。Simulink 是 MATLAB 最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink 具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點 Simulink 已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。 MatLab 控制系統(tǒng)仿真軟件是當(dāng)今國際控制界公認的標準計算軟件，1999 年春MatLab 5.3

37、 版問世，使 MATLAB 擁有更豐富的數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)、更友善的面向?qū)ο?、更加快速精良的圖形可視、更廣博的數(shù)學(xué)和數(shù)據(jù)分析資源、更多的應(yīng)用開發(fā)工具。特別是Simulink 這一個交互式操作的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境的出現(xiàn)，使人們有可能考慮許多以前不得不做簡化假設(shè)的非線性因素、隨機因素，從而即使學(xué)生沒有對非線性動態(tài)系統(tǒng)進行分析研究的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，仍可通過仿真來認知非線性對系統(tǒng)動態(tài)的影響。 Simulink 是 MATLAB 中的一種可視化仿真工具，是一種基于 MATLAB 的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模

38、和仿真中。Simulink 可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink 提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink®是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink 提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設(shè)計、仿真、執(zhí)行

39、和測試。構(gòu)架在 Simulink 基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴展了 Simulink 多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計、執(zhí)行、驗證和確認任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink 與 MATLAB® 緊密集成，可以直接訪問 MATLAB 大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。本科生課程設(shè)計（論文）4.2 仿真模型搭建圖4.1 降壓斬波的MATLAB電路的模型根據(jù)題目要求輸出電壓平均值為 100V，電流為 20A。這里是首先指定電源為 100V直流。則最大占空比為 20%。先用純電阻負載，則負載理論阻值應(yīng)該為 1。至于負載回路中

40、的大電感，這里取的 100mH。在仿真中要用到的仿真器件名稱及用途如下表4.1所示：表 4.1 仿真器件序號元器件（模塊名） 用途1DC Voltage Source直流電壓源2Series of RLC branch串聯(lián) RLC 支路，設(shè)置負載類型3Pulse Generator脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖4Scope示波器5IGBT絕緣柵雙極型晶體管6Diode二極管7Current Measurement電流表，電壓表本科生課程設(shè)計（論文）圖4.3 仿真設(shè)置界面MATLAB的.仿真結(jié)果如下：圖4.4 觸發(fā)信號本科生課程設(shè)計（論文） 圖4.5 負載電流 圖 4.6 負載電壓4.3 仿真分析結(jié)論

41、：輸入電壓為 600VDC，輸出電壓為 220VDC，輸出額定電流為 2.5A，當(dāng)輸入電壓在小范圍變化時，電壓調(diào)整率5%,變換器在滿載時效率90%。上面的數(shù)據(jù)與理論值相同，由于使用的是仿真軟件所以沒有誤差。本科生課程設(shè)計（論文）第 5 章 課程設(shè)計總結(jié)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(xué)到了很多東西。從開始得到老師給定課題時的一臉茫然到老師講解后內(nèi)容的初步了解再到自己通過查資料、與同學(xué)共同探討、經(jīng)過老師指導(dǎo)后，自己設(shè)計并寫出這份課程報告，心中充滿了成就感。通過課程設(shè)計還拓寬了知識面，學(xué)到了很多課本上沒有的知識

42、，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(xí)以前的知識。雖然這次課程是那么短暫的 2 周時間，我感覺到這些天我的所學(xué)勝過我這一學(xué)期所學(xué)，這次任務(wù)原則上是設(shè)計，其實就是一次大的作業(yè)，是讓我對課本知識的鞏固和對基本公式的熟悉和應(yīng)用，降壓斬波原理中的那些繁瑣的數(shù)據(jù)，使我做事的耐心和仔細程度得以提高。課程設(shè)計是培訓(xùn)學(xué)生運用本專業(yè)所學(xué)的理論知識和專業(yè)知識來分析解決實際問題的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是對所學(xué)知識的復(fù)習(xí)和鞏固。同樣，也促使了同學(xué)們的相互探討，相互學(xué)習(xí)。因此，我們必須認真、謹慎、踏實、一步一步的完成設(shè)計。如果時間可以重來，我可能會認真的去學(xué)習(xí)和研究，也可能會自己獨立的完成一個項目，我相信無論是誰看到自己做出的成果時心里一定會很興奮。此次設(shè)計讓我明白了一個很深刻的道理：團隊精神固然很重要，擔(dān)人往往還是要靠自己的努力，自己親身去經(jīng)歷，這樣自己的心里才會踏實