直流開(kāi)關(guān)電源buck型

設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)摘要引言一、設(shè)計(jì)要求及參數(shù)1、交流輸入：?jiǎn)蜗?20V/50HZ(整流后提供直流電源)2、直流輸出：?jiǎn)蜗?0V3、輸出功率：1KW(阻性負(fù)載)4、輸出電壓穩(wěn)定度：＜5%5、主電路設(shè)計(jì)：Buck斬波電路，阻性負(fù)載；主功率管參數(shù)計(jì)算和選擇。6、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：電壓閉環(huán)控制7、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)8、保護(hù)功能：⑴過(guò)流保護(hù)：電流截止保護(hù)及過(guò)流封鎖；熔斷器保護(hù)。⑴緩沖電路設(shè)計(jì)。9、電氣操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)：⑴控制電路與主電路通、斷電邏輯互鎖；⑴連接導(dǎo)線截面積計(jì)算機(jī)與選擇；⑴配置必要的電壓、電流儀表指示。二、設(shè)計(jì)基本原理1、電源設(shè)計(jì)原理直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路四部分組成，其原理框圖如圖2.1所示。電網(wǎng)供給的交流電壓U1(220V,50Hz)經(jīng)電源變壓器降壓后，得到符合電路需要的交流電壓U2,然后由整流電路變換成方向不變、大小隨時(shí)間變化的脈動(dòng)電壓U3,再用濾波器濾去其交流分量，就可得到比較平直的直流電壓UI。但這樣的直流輸出電壓，還會(huì)隨交流電網(wǎng)電壓的波動(dòng)或負(fù)載的變動(dòng)而變化。在對(duì)直流供電要求較高的場(chǎng)合，還需要使用穩(wěn)壓電路，以保證輸出直流電壓更加穩(wěn)定。濾波昧寬調(diào)制控制(PWM)驅(qū)動(dòng)□瀏ALk整流濾波保護(hù)電路降壓斬波電路濾波昧寬調(diào)制控制(PWM)驅(qū)動(dòng)□瀏ALk整流濾波保護(hù)電路降壓斬波電路這樣的直流輸出電壓，還會(huì)隨交流電網(wǎng)電壓的波動(dòng)或負(fù)載的變動(dòng)而變化。在對(duì)直流供電要求較高的場(chǎng)合，還需要使用穩(wěn)壓電路，以保證輸出直流電壓更加穩(wěn)定。3、降壓斬波電路基本原理BUCK電路工作原理圖5BUCK電路圖降壓斬波電路(BuckChopper)的原理圖如上所示。該電路使用一個(gè)全控器件V，圖中為IGBT，也可使用其他器件，若采用晶閘管，需要設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路。在圖5中，為在V關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中的電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管VD。斬波電路的典型用途之一是拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載，兩種情況下負(fù)載中均會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)。電路的工作波形如下所示：圖6電流連續(xù)時(shí)波形圖由圖6中的V的柵射電壓UgE波形可知，在t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓U0=E，負(fù)載電流，。按指數(shù)曲線上升。當(dāng)t二\時(shí)刻，控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓U0近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小，通常串接L值很大的電感。至一個(gè)周期T結(jié)束，再驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過(guò)程。當(dāng)電路工作與穩(wěn)態(tài)時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等。tt負(fù)載電壓的平均值為Uo=t胃E=芋E=aE；式中，匕為v處于通noff態(tài)的時(shí)間；前為V處于斷態(tài)的時(shí)間；T為開(kāi)關(guān)周期；以為導(dǎo)通占空比。由此式知，輸出到負(fù)載的電壓平均值U0最大為E，若減小占空比以，則氣隨之減小。因此將該電路稱為降壓斬波電路。U-E負(fù)載電流的平均值為10=0RM，若負(fù)載中的L值較小，則在V關(guān)斷后，到了12時(shí)亥L如圖7所示，負(fù)載電流已衰減至零，會(huì)出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況。由波形可見(jiàn)，負(fù)載電壓U0平均值會(huì)被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同，斬波電路可有三種控制方式：1）保持開(kāi)關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間tn，稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM方式）。2）保持開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間tn不變，改變開(kāi)關(guān)周期T，稱為頻率調(diào)制。3）tn和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。本次設(shè)計(jì)電路采用PWM方式控制IGBT的通斷。圖7電流斷續(xù)時(shí)波形TOC\o"1-5"\h\z以上的電壓電流關(guān)系還可以從能量傳遞關(guān)系簡(jiǎn)單地推得。由于L為無(wú)窮大，故負(fù)載電流維持為I不變。電源只在V處于通態(tài)時(shí)提供能量，為EIt。從負(fù)載看，00如在整個(gè)周期T中負(fù)載一直在消耗能量，消耗的能量為(RI2T+EmIT)。一個(gè)周期中，忽略電路中的損耗，則電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等，即：EIt=RI2T+EIT0onoMo則：，aE-EI=M-0R與上述結(jié)論一致。在上述情況中，均假設(shè)L值為無(wú)窮大，且負(fù)載電流平直。在這種情況下，假設(shè)電源電流平均值為11，則有：I=-onI=aI其值小于等于負(fù)載電流Io，由上式得EI1=aEI=UI即輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器。5、PWM控制IGBT控制電路的功能有：給逆變器的電子開(kāi)關(guān)提供控制信號(hào)；對(duì)電流反饋信號(hào)進(jìn)行放大處理，并根據(jù)反饋、給定信號(hào)調(diào)節(jié)電子開(kāi)關(guān)控制信號(hào)的脈寬；以及對(duì)保護(hù)信號(hào)作出反應(yīng)，關(guān)閉控制信號(hào)。脈寬調(diào)節(jié)器的的基本工作原理是用一個(gè)電壓比較器，在正輸入端輸入一個(gè)三角波，在負(fù)入端輸入一直流電平，比較后輸出一方波信號(hào)，改變負(fù)輸入端直流電平的大小，即可改變方波信號(hào)的脈寬。圖8SG3525引腳圖對(duì)于控制電路的設(shè)計(jì)其實(shí)可以有很多種方法，可以通過(guò)一些數(shù)字運(yùn)算芯片如單片機(jī)、CPLD等等來(lái)輸出PWM波，也可以通過(guò)特定的PWM發(fā)生芯片來(lái)控制。因?yàn)轭}目要求輸出電壓、電流連續(xù)可調(diào)，所以我選用一般的PWM發(fā)生芯片來(lái)進(jìn)行連續(xù)控制。對(duì)于PWM發(fā)生芯片，我選用了SG3525芯片，其引腳圖如圖8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(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護(hù)電路等。其11和14腳輸出兩個(gè)等幅、等頻、相位互補(bǔ)、占空比可調(diào)的PWM信號(hào)。腳6、腳7內(nèi)有一個(gè)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(gè)兩級(jí)差分放大器。根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)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(dāng)?shù)姆答佈a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，另外當(dāng)10腳的電壓為高電平時(shí)，11和14腳的電壓變?yōu)?0輸出。PWM控制原理與波形本次課程設(shè)計(jì)采用的是PWM方式控制全控型器件IGBT的通斷，主要使用的是脈寬調(diào)制器SG3525產(chǎn)生PWM波形，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，由于輸出電壓Ui是直流可調(diào)電壓，而輸出是恒定電壓，電路需采用電壓閉環(huán)的方式設(shè)計(jì)；于是我考慮到使用負(fù)反饋的思想，通過(guò)電路輸出電壓的大小，反饋給脈寬調(diào)制器SG3525,脈寬調(diào)制器SG3525通過(guò)反饋來(lái)的電壓值來(lái)產(chǎn)生PWM波形，而反饋電壓值的大小決定了PWM波形的脈寬，從而實(shí)現(xiàn)IGBT的通斷。PWM原理波形如圖13所示。在電路設(shè)計(jì)中，脈寬調(diào)制器SG3525的正向輸入端1接入載波信號(hào)，為三角波；在其反向輸入端2接入主電路輸出電壓，即為信號(hào)波。SG3525通過(guò)這2個(gè)端口的電壓值比較產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，可以設(shè)定好三角波的幅值以及斜率，輸出

電壓恒定為40V，當(dāng)輸出電壓高于這個(gè)值時(shí)，產(chǎn)生的PWM信號(hào)脈寬會(huì)減小，從而占空比減小，輸出電壓降低；當(dāng)輸出電壓低于這個(gè)值時(shí)，產(chǎn)生的PWM信號(hào)脈寬會(huì)增加，從而占空比加大，輸出電壓增加，最終維持在40V恒定的水平，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。圖13PWM方式波形圖根據(jù)原理，將電路圖進(jìn)行連接:6、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路選取m57962芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過(guò)查閱資料，進(jìn)行連接電路:7、保護(hù)電路的原理及設(shè)計(jì)過(guò)電壓保護(hù)對(duì)于IGBT開(kāi)關(guān)速度較高，IGBT關(guān)斷時(shí)及FWD逆向恢復(fù)時(shí)，產(chǎn)生很高的di/dt,由于模塊周圍的接線的電感，就產(chǎn)生了Ldi/dt電壓.關(guān)斷浪涌電壓關(guān)斷浪涌電壓，因IGBT關(guān)斷時(shí)，主電路電流急劇變化，在主電路分布電感上，就會(huì)產(chǎn)生較高的電壓，抑制方法的方法主要有：1）在IGBT中裝有保護(hù)電路（二緩沖電路）可吸浪涌電壓。緩沖電路的電容，采用薄膜電容，并靠近IGBT配置，可使高頻浪涌電壓旁路。2）調(diào)整IGBT的驅(qū)動(dòng)電路的Vce或％，使di/dt最小3）盡量將電件電容靠近IGBT安裝，以減小分布電感，采用低阻抗型的電容效果更佳4）為降低主電路及緩沖電路的分布電感，接線越短越粗越好，用銅片作接線效果更佳在此基礎(chǔ)上選擇緩沖電路，由于緩沖電路的種類繁多，在這里我選用RCD緩沖電路（如圖14），作為對(duì)IGBT的保護(hù)，其特點(diǎn)如下：1）關(guān)斷浪涌電壓抑制效果好。2）與Rc緩沖電路不同。因加了緩沖二極管使緩沖電阻變大，因而避開(kāi)了開(kāi)通時(shí)IGBT功能受到限制的問(wèn)題。3）緩沖電路中的損耗（主要由緩沖電阻產(chǎn)生）非常大，因而不適用于高頻開(kāi)關(guān)用途。圖14保護(hù)緩沖電路圖過(guò)電流保護(hù)一旦發(fā)生短路，IGBT的集電極增加到既定的直，則C-E間的電壓急劇增加。根據(jù)這種特性，可以將短路時(shí)的集電極電流降到一定數(shù)值以下，但是在IGBT上還有外加的高電壓，大電流的大負(fù)載，必須在盡量短的時(shí)間內(nèi)解除。從發(fā)生短路起到電源切斷的時(shí)間也受限制，其產(chǎn)生的原因主要有:1）晶體管或二極管的破壞2）控制電路，驅(qū)動(dòng)電路的故障或由于雜波產(chǎn)生的誤動(dòng)作3）配線工作等人為失誤以及負(fù)荷絕緣的破壞過(guò)流保護(hù)的方法比較多，比較簡(jiǎn)單的方法是一般采用添加FU熔斷器來(lái)限制電流的過(guò)大，防止IGBT的破壞和對(duì)電路中其他元件的保護(hù)。在電路的輸出端，利用sg3525的10號(hào)引腳設(shè)計(jì)查分放大器進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)，電路圖：設(shè)計(jì)電路的總體分析通過(guò)對(duì)直流穩(wěn)壓電源部分，BUCK主電路，控制電路以及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，得到了設(shè)計(jì)的總體電路，圖參見(jiàn)附錄。在總電路圖中，直流穩(wěn)壓電源部分輸出20-30V的直流電供給BUCK電路，在BUCK主電路里，負(fù)載輸出恒定為15V，全控型器件選用IGBT；電路采用的是PWM控制方式，控制脈沖由集成脈寬調(diào)制器SG3525產(chǎn)生，BUCK電路輸出電壓反饋給控制電路，起到控制占空比的目的；控制信號(hào)需要經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路才能起到控制IGBT的目的，驅(qū)動(dòng)電路是由驅(qū)動(dòng)芯片EXB841構(gòu)成；電路中還包括了【GBT的緩沖保護(hù)電路，對(duì)電路的過(guò)電流與過(guò)電壓起到了很好的抑制作用。8、主要參數(shù)計(jì)算:9、輔助電源設(shè)計(jì)三、總結(jié)回顧此次電力電子課程設(shè)計(jì)的一個(gè)星期，我感慨很多。從理論到時(shí)踐，在整整一個(gè)星期的日子里，我遇到了很多困難，但是同時(shí)也學(xué)到了好多東西。它不僅鞏固了以前所學(xué)的理論知識(shí)，更是學(xué)到了很多課外的東西，鍛煉了自己解決實(shí)際問(wèn)題的能力。在此次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我遇到的問(wèn)題還是很多的。剛開(kāi)始拿到這個(gè)題目時(shí)，不知道如何下手，課本上涉及這部分的原理知識(shí)比較少，光靠自己所學(xué)的知識(shí)根本解決不了，于是我去圖書(shū)館以及網(wǎng)站找了很多資料，學(xué)習(xí)了很多課本上沒(méi)有的東西，感覺(jué)特別充實(shí)。然后在做設(shè)計(jì)的過(guò)程中我學(xué)到了很多東西，也知道了自己的不足之處，知道自己對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，以后還要努力。通過(guò)這次課設(shè)，發(fā)現(xiàn)了自己的不足和缺陷，也鍛煉了自己將理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中的能力，受益良多。電力電子課程設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)一