電力電子降壓斬波電路課程設(shè)計

年4月19日電力電子降壓斬波電路課程設(shè)計文檔僅供參考，不當(dāng)之處，請聯(lián)系改正?！峨娏﹄娮蛹夹g(shù)》課程設(shè)計說明書直流降壓斬波電路的設(shè)計與仿真院、部：電氣與信息工程學(xué)院學(xué)生姓名：劉貝貝指導(dǎo)教師：胡小娣職稱助教專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：電氣本1305學(xué)號：完成時間：6月湖南工學(xué)院《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計課題任務(wù)書學(xué)院：電氣與信息工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化指導(dǎo)教師胡小娣學(xué)生姓名劉貝貝課題名稱直流降壓斬波電路的設(shè)計與仿真內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個直流降壓斬波電路二、設(shè)計內(nèi)容1、主電路的設(shè)計、原理分析和器件的選擇2、控制電路的設(shè)計3、保護(hù)電路的設(shè)計4、利用MATLAB軟件對自己的設(shè)計進(jìn)行仿真5、系統(tǒng)總圖為標(biāo)準(zhǔn)的三號CAD圖三、設(shè)計要求1、直流輸入電壓100V；2、電阻負(fù)載；(R=40Ω)；3、控制電路頻率10KHZ4、輸出電壓紋波系數(shù)：0.2%；5、仿真出占空比α分別為0.1，0.2，0.5，0.8的電感電壓、電感電流、開關(guān)管電流、二極管電流和輸出電壓的波形。主要參考資料[1]王兆安.電力電子技術(shù)[M].第5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，.5.[2]李傳琦.電力電子技術(shù)計算機(jī)仿真實驗[M].電子工業(yè)出版社.[3]洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M].機(jī)械工業(yè)出版社.[4]鐘炎平.電力電子電路設(shè)計.華中科技大學(xué)出版社[M].[5]李維波.MATLAB在電氣工程中的應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,教研室意見教研室主任：年月日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.直流斬波技術(shù)已被廣泛用于開關(guān)電源及直流電動機(jī)驅(qū)動中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)、節(jié)約電能的效果。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。關(guān)鍵字：直流斬波，降壓斬波ABSTRACTDCchopperasDCintoanotherfixedvoltageDCvoltageoradjustableinDCconverter,andDC-regenerativepowertransmissionsystem,chargingcircuit,switchpower,powerelectronicsdeviceandallsortsofelectricalequipmenttransformationinordinaryapplication.Thenappearedsuchasstep-downchopper,boosterchopper,liftpressurechoppercompositechopper,etc..thecommutationcircuitDCchoppertechnologyhasbeenwidelyusedinswitchingpowersupplyandDCdriver,makeitssmoothaccelerationcontrol,andobtainthefastresponse,managingelectricenergyeffect.All-controllingpowerelectronicsdeviceIGBTintractionpowertransmissionandtransformationofpowertransmissionandactivefilteretcwidelyapplication.Keywords:DCchopping;Buckchopper

目錄TOC\o"1-3"\u緒論 11設(shè)計意義及要求 21.1設(shè)計意義 22方案設(shè)計分析 22.1方案確定 23主電路與控制電路設(shè)計 533.1主電路設(shè)計 33.2控制電路設(shè)計 54驅(qū)動電路與保護(hù)電路設(shè)計 94.1驅(qū)動電路設(shè)計 94.2保護(hù)電路設(shè)計 115經(jīng)過MATLAB仿真 145.1MATLAB軟件簡介 145.2電路仿真 14結(jié)束語 18參考文獻(xiàn) 19謝辭 20附錄A原理圖 21附錄B系統(tǒng)總圖 22緒論現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué),向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時代。直流斬波電路（DCChopper）的功能是將直流電變?yōu)榱硪环N固定的或可調(diào)的直流電，也稱為直流-直流變換器（DC/DCConverter），直流斬波電路（DCChopper）一般是指直接將直流變成直流的情況，不包括直流-交流-直流的情況；直流斬波電路的種類很多，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斬波電路，Sepic斬波電路，Zeta斬波電路，前兩種是最基本電路。而直流斬波器（DCChopper）是一種把恒定直流電壓變換成為另一固定電壓或可調(diào)電壓的直流電壓，從而滿足負(fù)載所需的直流電壓的變流裝置。也稱為直接直流-直流變換器（DC/DCConverter）。它經(jīng)過周期性地快速通、斷，把恒定直流電壓斬成一系列的脈沖電壓，而改變這一脈沖列的脈沖寬度或頻率就可實現(xiàn)輸出電壓平均值的調(diào)節(jié)。直流斬波器除可調(diào)節(jié)直流電壓的大小外，還能夠用來調(diào)節(jié)電阻的大小和磁場的大小。直流傳動、開關(guān)電源是斬波電路應(yīng)用的兩個重要領(lǐng)域，是電力電子領(lǐng)域的熱點。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，具有良好的特性。當(dāng)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。前者是斬波電路應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域后者則是斬波電路應(yīng)用的新領(lǐng)域。直流斬波器的種類較多，包括6種基本斬波器：降壓斬波器（BuckChopper）、升壓斬波器（BoostChopper）、升降壓斬波器(Boost-BuckChopper)、Cuk斬波器、Sepic斬波器和Zeta斬波器，前兩種是最基本的類型。因此，課程設(shè)計的選題為：設(shè)計使用全控型器件為IGBT的降壓斬波電路。1設(shè)計意義及要求1.1設(shè)計意義整流電路是出現(xiàn)最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟?，電路形式多種多樣。當(dāng)整流負(fù)載容量較大，或要求直流電壓脈動較小時，應(yīng)采用三相整流電路。其交流側(cè)由三相電源供電。三相可控整流電路中，最基本的是三相半波可控整流電路，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路、以及雙反星形可控整流電路、十二脈波可控整流電路等，均可在三相半波的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析。設(shè)計條件：1.電源電壓：三相交流U2：100V/50Hz2.輸出功率：500W3.觸發(fā)角4.阻感負(fù)載根據(jù)課程設(shè)計題目和設(shè)計條件，說明主電路的工作原理、計算選擇元器件參數(shù)。設(shè)計內(nèi)容包括：1.整流變壓器額定參數(shù)的計算2.晶閘管電流、電壓額定參數(shù)選擇3.觸發(fā)電路的設(shè)計降壓斬波電路設(shè)計要求：1、輸入直流電壓：Ud=100V2、開關(guān)頻率5KHz3、輸出電壓20V4、最大輸出電流：20A5、L=100mH6、輸出功率：400W7、占空比，，，，2方案設(shè)計分析2.1方案確定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(hù)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，經(jīng)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)降壓斬波電路設(shè)計任務(wù)要求設(shè)計結(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，能夠使其開通或關(guān)斷的信號。經(jīng)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(hù)電路是用來保護(hù)電路的，防止電路產(chǎn)生過電流現(xiàn)象損害電路設(shè)備。3主電路與控制電路設(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改變占空比，從而獲得我們所想要的電壓。這就能夠根據(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(jìn)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)的知識，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(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(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(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；α為導(dǎo)通占空比。經(jīng)過調(diào)節(jié)占空比α使輸出到負(fù)載的電壓平均值最大為E，若減小占空比α，則隨之減小。由此可知，輸出到負(fù)載的電壓平均值Uo最大為Ui，若減小占空比α，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100V。(2)電阻由歐姆定律可得負(fù)載電阻值為40歐姆。(3)IGBT由圖3.2易知當(dāng)IGBT截止時，回路經(jīng)過二極管續(xù)流，此時IGBT兩端承受最大正壓為100V；而當(dāng)=1時，IGBT有最大電流，其值為5A。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。(4)二極管其承受最大反壓100V，其承受最大電流趨近于20A，考慮2倍裕量，故需選擇，的二極管。(5)開關(guān)頻率f=5KHz（6）電容設(shè)計要求輸出電壓紋波0.2%3.2控制電路設(shè)計3.2.1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，經(jīng)過對占空比的調(diào)節(jié)達(dá)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，因此采用PWM控制方式來控制IGBT的通斷。PWM控制就是對脈沖寬度進(jìn)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(jìn)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(jìn)行控制。對于控制電路的設(shè)計其實能夠有很多種方法，能夠經(jīng)過一些數(shù)字運算芯片如單片機(jī)、CPLD等等來輸出PWM波，也能夠經(jīng)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)，因此我選用一般的PWM發(fā)生芯片來進(jìn)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3.3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腳輸出兩個等幅、等頻、相位互補(bǔ)、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)、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，11和14腳的電壓變?yōu)?0輸出。圖3.3SG3525引腳圖3.2.2工作原理由于SG3525的振蕩頻率可表示為：4.1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相連的放電端電阻值。根據(jù)任務(wù)要求需要頻率為10kHz，因此由上式可取=0.01μF,=,=?？傻胒=10kHz，滿足要求。圖3.4控制電路SG3525有過流保護(hù)的功能，能夠經(jīng)過改變10腳電壓的高低來控制脈沖波的輸出。因此能夠?qū)Ⅱ?qū)動電路輸出的過流保護(hù)電流信號經(jīng)一電阻作用，轉(zhuǎn)換成電壓信號來進(jìn)行過流保護(hù)，同理也能夠用10端進(jìn)行過壓保護(hù)，如圖3.4所示10端外接過壓過流保護(hù)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(fù)載輸出電壓，經(jīng)過1端的變位器得到它的一個基準(zhǔn)電位，從而當(dāng)負(fù)載電位發(fā)生變化時能夠經(jīng)過1、2所接的誤差放大器來控制輸出脈寬的占空比，若負(fù)載電位升高則輸出脈寬占空比減小，使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(zhǔn)電位，控制輸出脈寬的占空比，從而可使得輸出電壓為50-80V范圍。3.2.3控制芯片介紹本控制電路是以SG3525為核心構(gòu)成,SG3525為美國SiliconGeneral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3.5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(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.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信號).然后，將脈沖信號送往芯片HL402，對微信號進(jìn)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3.5SG3525A芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（1）基準(zhǔn)電壓調(diào)整器基準(zhǔn)電壓調(diào)整器是輸出為5.1V，50mA，有短路電流保護(hù)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(zhǔn)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。把充電和放電回路分開，有利于經(jīng)過RD來調(diào)節(jié)死區(qū)的時間，因此是重大改進(jìn)。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(biāo)稱值為80dB，其大小由反饋或輸出負(fù)載決定，輸出負(fù)載能夠是純電阻，也能夠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1.8~3.4V，需要將基準(zhǔn)電壓分壓送至誤差放大器1腳（正電壓輸出）或2腳（負(fù)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(bǔ)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(hù)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50μA恒流源充電。達(dá)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(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(zhǔn)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(hù)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，末級采用推拉式電路，使關(guān)斷速度更快。11端（或14端）的拉電流和灌電流，達(dá)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(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0.1μf電容能夠濾去尖峰。另一個不足處是吸電流時，如負(fù)載電流達(dá)到50mA以上時，管飽和壓降較高（約1V）。4驅(qū)動電路與保護(hù)電路設(shè)計4.1驅(qū)動電路設(shè)計4.1.1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(qiáng)，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(dāng)IGBT損壞時驅(qū)動電路中的其它元件不會被損壞。2）能向IGBT提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪驏艍?，一般?15V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(hù)柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為土20V，驅(qū)動信號超出此范圍可能破壞柵極。4）當(dāng)IGBT處于負(fù)載短路或過流狀態(tài)時，能在IGBT允許時間內(nèi)經(jīng)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(jìn)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(jìn)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?？墒撬枰^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。可是它不能實現(xiàn)自動過流保護(hù)，不能實現(xiàn)任意脈寬輸出，而且其對變壓器的繞制要求嚴(yán)格。經(jīng)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，因此選擇方案1。對于方案1能夠用EXB841驅(qū)動芯片來實現(xiàn)也能夠直接用光耦電路進(jìn)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(jìn)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(hù)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，因此我沒有用驅(qū)動芯片而是直接用光耦電路。4.1.2工作原理如圖4.1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(jìn)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(jìn)行合理的搭配。圖4.1驅(qū)動電路原理：控制電路所輸出的信號經(jīng)過TLP521-1光耦合器實現(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4.2保護(hù)電路設(shè)計4.2.1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，因此可分為主電路器件保護(hù)和負(fù)載保護(hù)。4.2.2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，使過壓經(jīng)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。為了達(dá)到保護(hù)效果，能夠使用阻容保護(hù)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，能夠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(hù)電路如圖4.2所示。圖4.2RC阻容過電壓保護(hù)電路圖4.2.3負(fù)載過壓保護(hù)如圖4.3所示，比較器同相端接到負(fù)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，因此R20=100K，R18=4K，R17=10k，R19=2k。圖4.3負(fù)載過壓保護(hù)4.2.4過流保護(hù)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(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^流保護(hù)。過流保護(hù)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它元件的保護(hù)。如圖1在主電路串接一個快速熔斷絲。還有一種方法如圖4.4所示，也是利用控制電路芯片的第10端。在主電路的負(fù)載端串接一個很小取樣電阻，把它接到放大器進(jìn)行放大，后再利用比較器，運用過壓保護(hù)原理同樣能實現(xiàn)過流保護(hù)。電阻的取值，一般取樣電阻端所獲得的電壓為零點幾伏，需要經(jīng)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,因此取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(hù)一樣原理，因此R13=2K，R14=2K，R15=10K，R16=2K。圖4.4過流保護(hù)電路5經(jīng)過MATLAB仿真5.1MATLAB軟件簡介此次仿真使用的是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，而只需要經(jīng)過簡單直觀的鼠標(biāo)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(xì)、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。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)字信號處理的建模和仿真中。Simulink能夠用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進(jìn)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)立動態(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)立過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶能夠立即看到系統(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(jìn)行設(shè)計、仿真、執(zhí)行和測試。.構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其它產(chǎn)品擴(kuò)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(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB®緊密集成，能夠直接訪問MATLAB大量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)立、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。5.2電路仿真5.2.1仿真電路圖5.1圖5.1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(fù)載，則負(fù)載理論阻值應(yīng)該為1Ω。至于負(fù)載回路中的大電感，我在這里取的100mH。設(shè)定好元器件的參數(shù)之后,還需要設(shè)置仿真算法和仿真時間。我的設(shè)置如下圖5.2所示