IGBT升壓斬波電路的設計.doc

目 錄第1章 緒 論11.1 電力電子技術(shù)的介紹11.2 電力電子技術(shù)的應用11.3 電力電子技術(shù)中的直流變化技術(shù)2第2章 系統(tǒng)總體方案及主電路設計22.1 系統(tǒng)的方案及其流程圖32.2 主電路的設計32.3 參數(shù)的計算4第3章 控制和驅(qū)動電路的設計63.1 芯片SG3525簡介63.2 控制和驅(qū)動電路原理圖73.3 保護電路8第4章 系統(tǒng)仿真與實測94.1 仿真軟件Matlab簡介94.2 仿真模型的建立104.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析12設計心得體會15參考文獻16附錄A17第1章 緒 論1.1 電力電子技術(shù)的介紹電力電子技術(shù)是一門新興的應用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電能進行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)所變換的“電力”功率可大到數(shù)百MW甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至1W以下，和以信息處理為主的信息電子技術(shù)不同電力電子技術(shù)主要用于電力變換。電力電子技術(shù)分為電力電子器件制造技術(shù)和變流技術(shù)（整流，逆變，斬波，變頻，變相等）兩個分支。 現(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣工程與自動化專業(yè)不可缺少的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)該專業(yè)人才中占有重要地位。 電力電子學（Power Electronics）這一名稱是在上世紀60年代出現(xiàn)的。1974年，美國的W.Newell用一個倒三角形（如圖）對電力電子學進行了描述，認為它是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而形成的。這一觀點被全世界普遍接受。“電力電子學”和“電力電子技術(shù)”是分別從學術(shù)和工程技術(shù)2個不同的角度來稱呼的。1.2 電力電子技術(shù)的應用電力電子技術(shù)是一門新興技術(shù)，它是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而成的，在電氣自動化專業(yè)中已成為一門專業(yè)基礎(chǔ)性強且與生產(chǎn)緊密聯(lián)系的不可缺少的專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程體現(xiàn)了弱電對強電的控制，又具有很強的實踐性。能夠理論聯(lián)系實際，在培養(yǎng)自動化專業(yè)人才中占有重要地位。它包括了晶閘管的結(jié)構(gòu)和分類、晶閘管的過電壓和過電流保護方法、可控整流電路、晶閘管有源逆變電路、晶閘管無源逆變電路、PWM控制技術(shù)、交流調(diào)壓、直流斬波以及變頻電路的工作原理。在電力電子技術(shù)中，可控整流電路是非常重要的內(nèi)容，整流電路是將交流電變?yōu)橹绷麟姷碾娐?，其應用非常廣泛。工業(yè)中大量應用的各種直流電動機的調(diào)速均采用電力電子裝置；電氣化鐵道（電氣機車、磁懸浮列車等）、電動汽車、飛機、船舶、電梯等交通運輸工具中也廣泛采用整流電力電子技術(shù)；各種電子裝置如通信設備中的程控交換機所用的直流電源、大型計算機所需的工作電源、微型計算機內(nèi)部的電源都可以利用整流電路構(gòu)成的直流電源供電，可以說有電源的地方就有電力電子技術(shù)的設備。1.3 電力電子技術(shù)中的直流變化技術(shù)直流變換技術(shù)已被廣泛的應用于開關(guān)電源及直流電動機驅(qū)動中，如不間斷電源（UPS）、無軌電車、地鐵列車、蓄電池供電的機動車輛的無級變速及20世紀80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。第2章 系統(tǒng)總體方案及主電路設計2.1 系統(tǒng)的方案及其流程圖 電力電子器件在實際應用中，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通或者關(guān)斷。來完成整個系統(tǒng)的功能。因此，一個完整的降壓斬波電路也應包括主電路，控制電路，驅(qū)動電路和保護電路這些環(huán)節(jié)。直流斬波電路一般主要可分為主電路模塊，控制電路模塊和驅(qū)動電路模塊三部分組成。主電路模塊， 主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路和直流斬波電路組成，其中主要由全控器件IGBT的開通與關(guān)斷的時間占空比來決定輸出電壓u。的大小?？刂齐娐纺K，可用直接產(chǎn)生PWM的專用芯片SG3525來控制IGBT的開通與關(guān)斷。驅(qū)動電路模塊，驅(qū)動電路把控制信號轉(zhuǎn)換為加在IGBT控制端和公共端之間，用來驅(qū)動IGBT的開通與關(guān)斷。系統(tǒng)總體流程圖如圖2-1圖2-1 系統(tǒng)總體流程圖2.2 主電路的設計升壓斬波電路工作原理圖及其波形圖2-2所示圖2-2 升壓斬波電路工作原理圖及其波形圖2.3 參數(shù)的計算根據(jù)設計要求，我選擇選大小為的直流電壓源，選取降壓斬波電路的占空比為。因此，輸出電壓，輸出功率。又因為要求輸出功率為，可計算出負載電阻。電壓控制電壓源和脈沖電壓源可組成功率開關(guān)的驅(qū)動電路。在控制開關(guān)開通期間，電流從電源正極流出，經(jīng)過電感從開關(guān)流回電源負極。電容向供電，輸出電壓上正下負。電源電壓全部加到電感兩端，在該電壓作用下，電感電流線性增長。在導通之間內(nèi)，電感電流增量為： （2-1）在控制開關(guān)關(guān)斷期間，經(jīng)二極管流出，電感電壓極性將變成左負右正，認為電感很大，不變。這樣，電源和電感同時給電容和負載供電，負載兩端電壓仍是上正下負。電感電壓，電感電流線性減小。在關(guān)斷時間內(nèi)，電感電流減小量的絕對值為： （2-2）當電路工作在穩(wěn)態(tài)時，電感電流波形必然周期性重復，開關(guān)導通期間電感電流的增量等于開關(guān)斷開時電感電流的減少量，即聯(lián)立（1）（2）式可得輸出電壓 （2-3）由上式可知，是一個小于1的數(shù)，故輸出電壓比輸入電壓大。從能量守恒角度分析（假設電感足夠大，電流平直），電路達到穩(wěn)態(tài)時，電感在開關(guān)開通期間吸收的能量（）與開關(guān)關(guān)斷期間釋放的能量（）相等。列出等式： （2-4）解得 （2-5）下面確定電流連續(xù)的臨界條件：如果在時刻電感電流剛好降到0。則為電流連續(xù)與斷續(xù)的臨界工作狀態(tài)。此時，升壓斬波電路的輸入輸出功率分別為： 、忽略損耗，有，于是 （2-6）聯(lián)立式（1）（4）（5）得臨界電感值為 （2-7）確定電容的計算電容在關(guān)斷期間釋放的能量與開通期間吸收的電荷相等，則電壓變化量 （2-8） 則 （2-9）可決定脈動率。計算：由式（6），周期可由開關(guān)頻率得出為，把、代入上式得出，當時，工作在連續(xù)狀態(tài)下。電感越大時，電感電流越平直。可適當取較大的電感值。計算：由式（8），要求脈動率，取，計算，代入上式計算出，濾波電容越大，輸出電壓越平直，可適當取較大的電容值。第3章 控制和驅(qū)動電路的設計3.1 芯片SG3525簡介PWM控制芯片SG3525 具體的引腳結(jié)構(gòu)圖和內(nèi)部框圖如圖3-1及圖3-2所示。其中，腳16 為SG3525 的基準電壓源輸出，精度可以達到（5.11）V，采用了溫度補償，而且設有過流保護電路。腳5、腳6、腳7 內(nèi)有一個雙門限比較器，內(nèi)設電容充放電電路，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，直流開環(huán)增益為70dB 左右。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。圖3-1 SG3525引腳圖 圖3-2 SG3525的內(nèi)部框圖3.2 控制和驅(qū)動電路原理圖此電路主要用來驅(qū)動IGBT斬波。產(chǎn)生PWM信號有很多方法，但歸根到底不外乎直接產(chǎn)生PWM的專用芯片、單片機、PLC、可編程邏輯控制器等本電路采用直接產(chǎn)生PWM的專用芯片SG3525.該芯片的外圍電路只需簡單的連接幾個電阻電容，就能產(chǎn)生特定頻率的PWM波，通過改變IN+輸入電阻就能改變輸出PWM波的占空比，故在IN+端接個可調(diào)電阻就能實現(xiàn)PWM控制。為了提高安全性，該芯片內(nèi)部還設有保護電路。它還具有高抗干擾能力，是一款性價比相當不錯的工業(yè)級芯片。為了減少不同電源之間的相互干擾，SG3525輸出的PWM經(jīng)過光電耦合之后才送至驅(qū)動電路。其電路圖如下圖 3-3所示：圖3-3 控制和驅(qū)動電路工作原理：通過R2、R3、C3結(jié)合SG3525產(chǎn)生鋸齒波輸入到SG3525的振蕩器。其產(chǎn)生的PWM信號由OUTA、OUTB輸出，調(diào)節(jié)R5可以改變占空比。輸出的PWM信號通過二極管D6、D7送至光電耦合器U2，光耦后通過驅(qū)動電路對信號進行放大。放大后的電壓可以直接驅(qū)動IGBT。此電路具有信號穩(wěn)定，安全可靠等優(yōu)點。因此他適用于中小容量的PWM斬波電路。3.3 保護電路升壓斬波電路需同時具有過壓和過流保護功能，分別如圖3-4所示，均采用反饋控制,將過流過壓信號反饋到芯片SG3525的輸入，從而起到調(diào)節(jié)保護作用。同時芯片SG3525也可完成一定的保護功能，例如，腳8軟起動功能，避免了開關(guān)電源在開機瞬間的電流沖擊，可能造成的末級功率開關(guān)管的損壞。 圖3-4 電壓和電流保護電路 第4章 系統(tǒng)仿真與實測4.1 仿真軟件Matlab簡介在科學研究和工程應用中，往往要進行大量的數(shù)學計算，其中包括矩陣運算。這些運算一般來說難以用手工精確和快捷地進行，而要借助計算機編制相應的程序做近似計算。目前流行用Basic、Fortran和c語言編制計算程序, 既需要對有關(guān)算法有深刻的了解，還需要熟練地掌握所用語言的語法及編程技巧。對多數(shù)科學工作者而言，同時具備這兩方面技能有一定困難。為克服上述困難，美國Mathwork公司于1967年推出了“Matrix Laboratory”（縮寫為Matlab）軟件包，并不斷更新和擴充。目前最新的5.x版本（windows環(huán)境）是一種功能強、效率高便于進行科學和工程計算的交互式軟件包。其中包括：一般數(shù)值分析、矩陣運算、數(shù)字信號處理、建模和系統(tǒng)控制和優(yōu)化等應用程序，并集應用程序和圖形于一便于使用的集成環(huán)境中。在此環(huán)境下所解問題的Matlab語言表述形式和其數(shù)學表達形式相同，不需要按傳統(tǒng)的方法編程。本次系統(tǒng)仿真采用目前比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB，使用MATLAB對控制系統(tǒng)進行計算機仿真的主要方法有兩種，一是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用MATLAB的Simulink工具箱對其進行計算機仿真研究。另外一種是面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用Power System工具箱進行調(diào)速系統(tǒng)仿真的新方法。本次系統(tǒng)仿真采用后一種方法。4.2 仿真模型的建立IGBT升壓斬波電路模型主要由直流電源、同步觸發(fā)脈沖、IGBT、電阻、電感、電容以及電流表、電壓表、示波器等部分組成。采用MATLAB面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法構(gòu)成的IGBT升壓斬波電路模型如圖4-1所示圖4-1 IGBT升壓斬波電路仿真模型連線圖相應的參數(shù)設置：由有有有有各部分的具體參數(shù)設置如下：圖4-2 直流電壓參數(shù)設置圖4-3 觸發(fā)脈沖參數(shù)設置圖4-4 電阻值參數(shù)設置圖4-5 電容值參數(shù)設置圖4-6電感值參數(shù)設置圖4-7 IGBT參數(shù)設置4.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析IGBT升壓斬波仿真波形如圖4-8圖4-8 IGBT升壓斬波仿真波形圖仿真結(jié)果分析1、電源端輸入大小為的直流電壓圖4-9 輸入直流電壓2、輸出電壓圖4-10 IGBT升壓后的輸出電壓經(jīng)IGBT升壓斬波后輸出直流電壓理論值，由上面的波形圖可以看出實驗值約為與理論值基本符合。誤差3、與圖4-11 輸入電流與輸出電流 經(jīng)IGBT升壓斬波后輸出電流值理論計算式，由上面的波形圖可以看出約為6V,約為3V，實驗值與理論計算式相符合。4、與圖4-12 IGBT升壓后的輸出電流電壓由圖形可以看出經(jīng)IGBT升壓斬波后輸出電壓約為98V與電流值約為3A，輸出電流與電壓乘積即輸出功率約為294W,符合理論指標要求。其誤差設計心得體會 回顧起此次的電力電子課程之IGBT升壓斬波電路設計，感慨頗多，它使我有了很多的心得體會。在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。通過查閱大量有關(guān)資料，并與同課題同學互相討論，交流經(jīng)驗和自學，若遇到實在搞不明白的問題就會及時請教老師，使自己經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大，學到了不少知識。通過本次課程設計讓我更加的深刻的理解了斬波器的原理，從而由斬波器這個小小的器件體會到了電力電子這門學科的重要性。課程設計不僅需要靈活的運用書本上以及課堂上的知識，還需要自己運用電腦上網(wǎng)搜索相關(guān)信心和操作相關(guān)的軟件來更好的達到設計的目的。這讓我不僅鞏固了老師所傳授的書本上的知識，而且鍛煉了自己解決實際問題的能力。通過課程設計還拓寬了知識面，學到了很多課本上沒有的知識，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。在此次電力電力課程設計，我自學了Multisim軟件。通過對電路圖的研究，也增強了自己的思考能力。另外，在使用Multisim軟件繪制電路圖的過程中，我學到了很多實用的技巧，這也為以后的工作打下了很好的基礎(chǔ)。從開始任務到查找資料，到設計電路圖，我學到了課堂上學習不到的知識。上課時