升壓斬波電路.doc

目錄引言21 升壓斬波工作原理21.1 主電路工作原理22 升壓斬波電路的典型應(yīng)用43 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求631輸出值的計(jì)算74 硬件電路74.1控制電路74.2 觸發(fā)電路和主電路94.3.元器件的選取及計(jì)算105.仿真116結(jié)果分析147小結(jié)148.參考文獻(xiàn)14引言隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，高壓開關(guān)穩(wěn)壓電源已廣泛用于計(jì)算機(jī)、通信、工業(yè)加工和航空航天等領(lǐng)域。所有的電力設(shè)備都需要良好穩(wěn)定的供電，而外部提供的能源大多為交流，電源設(shè)備擔(dān)負(fù)著把交流電源轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備所需的各種類別直流任務(wù)。但有時(shí)所供的直流電壓不符合設(shè)備需要，仍需變換，稱為DC/DC變換。直流斬波電路作為直流電變成另一種固定電壓的DC-DC變換器，在直流傳動(dòng)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)已被廣泛運(yùn)用開關(guān)電源及直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電能傳輸與變換、有源濾波能領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但以IGBT為功率器件的直流斬波電路在實(shí)際應(yīng)用中需要注意以下問(wèn)題：（1）系統(tǒng)損耗的問(wèn)；（2）柵極電阻；（3）驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)過(guò)流過(guò)壓保護(hù)的問(wèn)題。直流斬波電路實(shí)際上采用的就是PWM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(lái)獲得所需要的輸出電壓。PWM控制方式是目前才用最廣泛的一種控制方式，它具有良好的調(diào)整特性。隨電子技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)已發(fā)展各種集成式控制芯片，這種芯片只需外接少量元器件就可以工作，這不但簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，還大幅度的減少元器件數(shù)量、連線和焊點(diǎn)1 升壓斬波工作原理1.1 主電路工作原理1)工作原理假設(shè)L和C值很大。V處于通態(tài)時(shí)，電源E向電感L充電，電流恒定I1，電容C向負(fù)載R供電，輸出電壓Uo恒定。V處于斷態(tài)時(shí)，電源E和電感L同時(shí)向電容C充電，并向負(fù)載提供能量。圖1.1 升壓斬波電路主電路圖首先假設(shè)電感L值很大，電容C值也很大。當(dāng)V-G為高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，12V電源向L充電，充電基本恒定為,同時(shí)電容C上的電壓向負(fù)載R供電，因C值很大，基本保持輸出電壓為恒值，記為。設(shè)V處于通態(tài)的時(shí)間為，此階段電感L上積儲(chǔ)的能量為。當(dāng)V處于段態(tài)時(shí)E和L共同向電容C充電，并向負(fù)載R提供能量。設(shè)V處于段態(tài)的時(shí)間為，則在此期間電感L釋放的能量為。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中電感L積儲(chǔ)的能量于釋放的能量相等，即 （1-1）化簡(jiǎn)得 （1-2）上式中的，輸出電壓高于電源電壓。式（1-1）中為升壓比，調(diào)節(jié)其大小即可改變輸出電壓的大小。2)數(shù)量關(guān)系設(shè)V通態(tài)的時(shí)間為t，此階段L上積蓄的能量為：EIT設(shè)V斷態(tài)的時(shí)間為t，則此期間電感L釋放能量為：（E-E）IT穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等： （1-3）T/t1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路。T/t升壓比;升壓比的倒數(shù)記為，即=。又因?yàn)?=1。所以： U=E=E （1-4）電壓升高得原因：電感L儲(chǔ)能使電壓泵升的作用，電容C可將輸出電壓保持住。2 升壓斬波電路的典型應(yīng)用圖2.1用于直接電動(dòng)機(jī)回饋能量的升壓斬波電路圖通常用于直流電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)時(shí)把電能回饋給直流電源實(shí)際L值不可能為無(wú)窮大，因此有電動(dòng)機(jī)電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)相當(dāng)于圖1.1中的電源，此時(shí)直流電源相當(dāng)于圖1.1中的負(fù)載。由于直流電源的電壓基本是恒定的，因此不必并聯(lián)電容器?；凇胺侄尉€性”的思想進(jìn)行解析V處于通態(tài)時(shí)，設(shè)電動(dòng)機(jī)電樞電流為i1，得下式 （2-1）式中R為電機(jī)電樞回路電阻與線路電阻之和。設(shè)i1的初值為I10，解上式得 （2-2） 當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)，設(shè)電動(dòng)機(jī)電樞電流為i2，得下式： （2-3） 設(shè)i2的初值為I20，解上式得： （2-4）用于直流電動(dòng)機(jī)回饋能量的升壓斬波電路波形：圖2.2電流連續(xù)升壓斬波電路波形 圖2.3電流斷續(xù)升壓斬波電路波形當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，從圖1.3的電流波形可看出，t=ton時(shí)刻i1=I20，t=toff時(shí)刻i2=I10，由此可得： （2-5） （2-6） 把上面兩式用泰勒級(jí)數(shù)線性近似，得 （2-7） 該式表示了L為無(wú)窮大時(shí)電樞電流的平均值Io，即 （2-8） 對(duì)電流斷續(xù)工作狀態(tài)的進(jìn)一步分析可得出：電流連續(xù)的條件為 （2-9） 根據(jù)此式可對(duì)電路的工作狀態(tài)作出判斷。3 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1、輸入直流電壓：Ud=50V；2、輸出功率：150W；3、開關(guān)頻率：10kHz；4、占空比：0.10.5；5、電阻性負(fù)載；6、輸出電壓脈率：小于10%。31輸出值的計(jì)算由電路原理分析可知：考慮10的裕量: 4 硬件電路4.1控制電路 圖4.1 SG35251 腳：誤差放大器的反相輸入端； 2 腳：誤差放大器的同相輸入端； 3 腳：同步信號(hào)輸入端， 同步脈沖的頻率應(yīng)比振蕩器頻率fS要低一些； 4 腳：振蕩器輸出； 5 腳：振蕩器外接電容CT端，振蕩器頻率fs1CT（0.7RT+3R0）,R0為5腳與7腳之間跨接的電阻，用來(lái)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間，定時(shí)電容范圍為0.0010.1 F； 6 腳：振蕩器外接定時(shí)電阻RT端，RT值為2150 k； 7 腳：振蕩器放電端，用外接電阻來(lái)控制死區(qū)時(shí)間，電阻范圍為0500 ； 8 腳：軟啟動(dòng)端，外接軟啟動(dòng)電容，該電容由內(nèi)部Vref的50A恒流源充電； 9 腳：誤差放大器的輸出端； 10腳：PWM信號(hào)封鎖端， 當(dāng)該腳為高 電平時(shí)， 輸出驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)被封鎖，該腳主要用于故障保護(hù)； 11腳：A路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出； 12腳：接地； 13腳：輸出集電極電壓； 14腳：B路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出； 15腳：電源， 其范圍為835 V； 16腳：內(nèi)部5 V基準(zhǔn)電壓輸出?？刂齐娐沸枰獙?shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生PWM信號(hào)，用于可控制斬波電路中主功率器件的通斷，通過(guò)對(duì)占空比的調(diào)節(jié)，達(dá)到控制輸出電壓大小的目的。此外，控制電路還具有一定的保護(hù)功能。被實(shí)驗(yàn)裝置的控制電路采用控制芯片SG3525為核心組成。芯片的輸入電壓為8V到35V。它的振蕩頻率可在100HZ到500KHZ的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在芯片的CT端和放電端間串聯(lián)一個(gè)電阻可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間。此外此外，其軟起動(dòng)電路非常容易設(shè)計(jì)，只需外部接一個(gè)軟起動(dòng)電容即可。圖4.2 控制電路的protel設(shè)計(jì)4.2 觸發(fā)電路和主電路外接220V交流電壓經(jīng)過(guò)變壓器T1和不控整流電路得到50V的直流電壓E作為Boost Chopper 的輸入電壓給Boost Chopper供電。為使IGBT在過(guò)壓時(shí)不至于損害和抑制IGBT的電流變化過(guò)快及其兩端電壓變化過(guò)快而給IGBT帶來(lái)的損害，在主電路中為其加入緩沖電路和過(guò)壓保護(hù)電路是必要的。觸發(fā)電路以專用的PWM控制芯片SG3525為核心構(gòu)成，控制電路輸出占空比可調(diào)的矩形波形，占空比受Uco的控制（如圖1-13）。觸發(fā)電路輸出的矩形波經(jīng)光耦合驅(qū)動(dòng)電路控制主電路中I GBT的開通和關(guān)斷。電路設(shè)計(jì)好后主電路中的電感電容值已確定，此時(shí)只要調(diào)節(jié)觸發(fā)波形的占空比即可調(diào)節(jié)Boost Chopper輸出電壓。電路設(shè)計(jì)好后主電路中的電感電容值已確定，此時(shí)只要調(diào)節(jié)觸發(fā)波形的占空比即可調(diào)節(jié)Boost Chopper輸出電壓。占空比越大，Boost Chopper的輸出電壓值越大.圖4.3 boost chopper觸發(fā)電路及主電路圖4.3 元器件的選取及計(jì)算本硬件試驗(yàn)中緩沖電路選取的是充放電型RCDH緩沖電路，也是一種耗能型緩沖電路。其中應(yīng)用元件需要要結(jié)合實(shí)際的情況進(jìn)行選擇。其中的吸收電容Cs的選擇可以采用一下公式：Cs=LsIo2(UPK+U）2（4-1）電路中的電阻Rs不宜過(guò)大，如太大CS放電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，電不能完全放掉。但Rs太小，在器件導(dǎo)通時(shí)，RsCS 放電電流過(guò)大、過(guò)快，可能危及器件的安全，也可能引起振蕩。一般的，電阻選擇參考下面的公式：Rs=16CSfsw （4-2）其中 Ls主電路電感，主要是沒(méi)有續(xù)流時(shí)的雜散電感；UPK- Cs上的最大充電電壓； U電源電壓； Io-負(fù)載電流;fsw開關(guān)頻率。需要注意的是，電容應(yīng)該選擇無(wú)感電容；電阻要注意它的功耗，應(yīng)選擇相應(yīng)的功率電阻；吸收模塊的制作要注意絕緣。IGBTG過(guò)壓保護(hù)電路、觸發(fā)電路和驅(qū)動(dòng)電路中元器件的選取可才參照電力電子設(shè)備設(shè)計(jì)和應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)等相關(guān)電力電子設(shè)計(jì)手冊(cè)也可以在后面參考文獻(xiàn)列出的相關(guān)手冊(cè)中查找。5 仿真主電路原理圖如圖5.1所示其工作原理，前言中已說(shuō)明，這里再補(bǔ)充說(shuō)明電路中的幾個(gè)模塊。IGBT用理想的方波發(fā)生器觸發(fā)，周期設(shè)為0.0001s，最大值設(shè)為10V，通過(guò)調(diào)占空比來(lái)調(diào)輸出電壓。其保護(hù)電路，觸發(fā)電路將在protel中實(shí)現(xiàn)。示波器用來(lái)觀察電感電流，電源電壓波形和負(fù)載電壓輸出波形。圖5.1主電路原理圖占空比為30%，電感為27eH,電容為375eF,電阻為81：圖5.2 脈沖、電感電流和負(fù)載電壓仿真圖1占空比為40%，電感為27eH,電容為375eF,電阻為81： 圖5.3 脈沖、電感電流和負(fù)載電壓仿真圖2占空比為50%，電感為27eH,電容為375eF,電阻為81： 圖5.4 脈沖、電感電流和負(fù)載電壓仿真圖36 結(jié)果分析從計(jì)算公式及仿真圖分析得出：1) 占空比越大負(fù)載輸出電壓越大，調(diào)節(jié)時(shí)間越長(zhǎng)；2) 電容C值越大峰值時(shí)間越大，第一個(gè)峰值越大；3) 電感L值越大峰值時(shí)間越大，調(diào)節(jié)時(shí)間越大。7 小結(jié)一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)，使我有了很多的心得體會(huì)，可以說(shuō)這次直流電機(jī)斬波電路的課程設(shè)計(jì)是在大家共同努力和在老師的精心指導(dǎo)下共同完成的。通過(guò)這次設(shè)計(jì)加深了我對(duì)這門課程的了解，以前總是覺(jué)得理論結(jié)合不了實(shí)際，但通過(guò)這次設(shè)計(jì)使我認(rèn)識(shí)到了理論結(jié)合實(shí)際的重要性。但由于我知識(shí)的限制，設(shè)計(jì)還有很多不足之處，希望老師指出并教導(dǎo)。通過(guò)對(duì)電路圖的研究，也增強(qiáng)了我們的思考能力。另外，在使用protel軟件繪制電路圖的過(guò)程中，我學(xué)到了很多實(shí)用的技巧，這也為以后的工作打下了很好的基礎(chǔ)。從開始任務(wù)到查找資料，到設(shè)計(jì)電路圖，到最后的實(shí)際接線過(guò)程中，我學(xué)到了課堂上學(xué)習(xí)不到的知識(shí)。上課時(shí)總覺(jué)得所學(xué)的知識(shí)太抽象，沒(méi)什么用途，現(xiàn)在終于認(rèn)識(shí)到它的重要性。課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問(wèn)題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程。很感激學(xué)校給了我們這次動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，讓我們學(xué)生有了一個(gè)共同學(xué)習(xí)，增長(zhǎng)見(jiàn)識(shí)，開拓視野的機(jī)會(huì)。也感謝老師對(duì)我們無(wú)私忘我的指導(dǎo)，我會(huì)以這次課程設(shè)計(jì)作為對(duì)自己的激勵(lì)，繼續(xù)學(xué)習(xí)。8 參考文獻(xiàn)1王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)(第四版).北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,20002康華光,陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版). 北京: 高等教育出版社,19983張義和.Protel DXP電路設(shè)計(jì)快速入門.北京:中國(guó)鐵道出版社,20034 張乃國(guó)電源技術(shù)北京：中國(guó)電力出版社，19985何希才新型開關(guān)電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用北京：科學(xué)出版社，20016