升降壓斬波課程設計.docx

電力電子技術(shù)課程設計說明書 直流升降壓斬波電路的設計與仿真院 、 部： 電氣與信息工程學院 學生姓名： 指導教師： 職稱 講師 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 學 號： 完成時間： 2016年6月 電力電子技術(shù)課程設計任務書學院：電氣與信息工程系 專業(yè)：電氣工程及其自動化 指導教師姓名學生姓名課題名稱 直流升壓降壓斬波電路的設計與仿真設計內(nèi)容及任務一、技術(shù)指標及要求：1）直流輸入電壓100V；2）電阻負載；(R取學號尾數(shù)X10)；3）控制電路頻率10KHZ；4）輸出電壓紋波系數(shù)：0.2%；5）仿真出占空比分別為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。設計安排起止日期設計內(nèi)容2016年5月25日確定設計方案2016年5月26日計算相關(guān)數(shù)據(jù)2016年5月27日至2016年6月6日 Simulink仿真2016年6月7日至2016年6月23日撰寫課程設計說明書主要參考資料1王兆安、劉進軍電力電子技術(shù)（第5版）機械工業(yè)出版社，20092康華光、陳大欽電子技術(shù)基礎模擬部分高等教育出版社，20023秋關(guān)源、羅先覺電路（第5版）高等教育出版社，20064周克寧. 電力電子技術(shù). 北京：機械工業(yè)出版社，2004.5 黃家善.電力電子技術(shù). 北京：機械工業(yè)出版社，20066王維平. 現(xiàn)代電力電子技術(shù)及應用. 南京：東南大學出版社，19997張明勛主編,電力電子設備設計和應用手冊M.北京:機械工業(yè)出版社.19928丁道宏主編,電力電子技術(shù)M.北京:航空工業(yè)出版社.19929林渭勛主編,電力電子技術(shù)基礎M.北京:機械工業(yè)出版社.1990摘 要電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，電力電子技術(shù)已經(jīng)成為自動化領域里一個重要部分，其核心就是利用弱電電路的設計思路，強大電路的器件來實現(xiàn)電路的各種需求。至今電力電子技術(shù)已經(jīng)成為電氣工程、信息科學、能源科學三個學科領域的公共學科，可見現(xiàn)實中其無可替代的重要性。該課程設計做的直流升降壓斬波電路，是以SG3525為驅(qū)動電路的升降壓斬波電路，其優(yōu)點是響應快，加速平穩(wěn)、節(jié)約能源效果好。通過MATLAB中的SIMULINK功能仿真，到達了預期效果。關(guān)鍵詞：直流直流變流電路；升降壓斬波；Simulink；仿真II目 錄1 緒論12 總體方案設計22.1 設計要求22.2 升降壓直流斬波電路總體設計方案22.3 方案的確定23 主電路設計43.1 工作原理43.2 波形圖53.3 主要元器件選擇、參數(shù)分析64 控制與驅(qū)動電路的設計74.1 控制電路的設計74.2 驅(qū)動電路設計85 直流升壓斬波電路保護電路設計95.1 過電流保護電路95.2 過電壓保護電路96 Simulink仿真分析116.1 仿真軟件簡介116.2 建立仿真模型116.3 仿真結(jié)果分析14結(jié)束語17參考文獻18致 謝19附錄A Simulink仿真圖20附錄B CAD電氣原理圖21IV1 緒論20世紀80年代以來 ，信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎上相結(jié)合而產(chǎn)生了一代高頻化、全控型的電力電子器件，典型代表有門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管和絕緣柵雙極型晶體管。利用全控型器件可以組成變流器。直流-直流變換器就是其中一種，它廣泛應用于通信交換機、計算機以及手機等電子設備的開關(guān)電源。直流直流變流電路（DC-DC Converter）的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，包括直接直流變流電路和間接直流變流電路。直接直流變流電路也稱斬波電路（DC Chopper），它的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。早期的直流裝換電路，電路復雜、功率損耗、體積大，使用不方便。晶閘管的出現(xiàn)為這種電路的設計又提供了一種選擇。晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又可稱做可控硅整流器，以前被簡稱為可控硅；晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。它電路簡單體積小，便于集成；功率損耗少，符合當今社會生產(chǎn)的要求；所以在直流轉(zhuǎn)換電路中使用晶閘管是一種很好的選擇。(1)IGBT介紹本設計基于電力電子技術(shù)課程，充分使用全控型晶閘管IGBT設計電路，實現(xiàn)直流升壓。IGBT絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅(qū)動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領域。(2) 驅(qū)動電路SG3525簡介 SG3525 是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強的單片集成PWM控制芯片，它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器，有過流保護功能，頻率可調(diào)，同時能限制最大占空比。2 總體方案設計2.1 設計要求1）直流輸入電壓100V；2）電阻負載；(R取學號尾數(shù)X10)；3）控制電路頻率10KHZ；4）輸出電壓紋波系數(shù)：0.2%；5）仿真出占空比分別為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。2.2 升降壓直流斬波電路總體設計方案直流斬波電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。它在電源的設計上有很重要的應用。一般來說，斬波電路的實現(xiàn)都要依靠全控型器件。在這里，我所設計的是基于IGBT的降壓斬波短路。直流降壓斬波電路主要分為三個部分，分別為主電路模塊，控制電路模塊和驅(qū)動電路模塊。電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1 總體設計方案除了上述主要結(jié)構(gòu)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器隔離。2.3 方案的確定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，當控制電路所產(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?？刂齐娐肥怯脕懋a(chǎn)生升、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)斷來控制升、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)象損害電路設備。3 主電路設計3.1 工作原理圖2所示為升降壓斬波電路（Buck-Boost Chopper）原理圖。電路中電感L值很大，電容C值也很大。因為要使得電感電流和電容電壓基本為恒值。 圖2 升降壓斬波電路該電路的基本工作原理：當可控開關(guān)V處于通態(tài)時，電源E經(jīng)V向電感L供電使其儲存能量，此時電流為，方向如圖1所示。同時，電容C維持輸出電壓基本恒定并向負載R供電。此后，使V關(guān)斷，電感L中儲存的能量向負載釋放，電流為，方向如圖1所示?？梢姡撦d電壓極性為下正上負，與電源電壓極性相反，因此該電路也稱作反極性斬波電路。穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓對時間的積分為零，即： (1)當V處于通態(tài)期間時，=E，而當V處于斷態(tài)期間時，= -。于是所以輸出電壓為： (2)為V處于通態(tài)的時間，為V處于斷態(tài)的時間。T為開關(guān)周期；為導通占空比，簡稱占空比或?qū)ū?。若改變導通比，則輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當時為降壓，當時為升壓，因此該電路稱為升降壓斬波電路。根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同，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)導通時間不變，稱為PWM。（2）保持開關(guān)導通時間不變，改變開關(guān)周期T，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。（3）和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。3.2波形圖輸出電壓 (3)圖3給出了電源電流和負載電流的波形，設兩者的平均值分別為、，當電流脈動足夠小時，有 (4)由上式可得 (5)如果V、VD為沒有損耗的理想開關(guān)時，則有其輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器。圖3 升降壓斬波電路波形3.3 主要元器件選擇、參數(shù)分析考慮安全裕度則IGBT的額定電壓為2-3倍峰值電壓，所以額定電壓可為440V-660V。額定電流33A-44A。二極管VD的反向電壓為220V.選擇IGBT的型號為IRH4PC40U其額定電壓為600V，額定電流為40A。選擇續(xù)流二極管的型號為HFA25TB60，期而定電壓為600V，額定電流25A。（1）前級整流電路負載平均電壓升高，紋波減小，且C越大，電容放電速率越慢，則負載電壓中的紋波成分越小，負載平均電壓越高。為得到平滑的負載電壓，一般取 =C(35)T/2 (6)式中T為電源交流電壓的周期。電容濾波電路的負載電壓與的關(guān)系約為 =Y1.11.2 (7)令整流后輸出電壓為100V，則整流前輸入電壓=/1.2=100/1.2=83.4V (8)因為電源為交流單項220V，變壓器變比需滿足：=220:83.4=2:1 (9)此時前級整流輸出電壓E為100V。（2）其他器件選擇主電路中電感選擇1Mh,整流電路中二極管選擇為IN5232，驅(qū)動電路中二極管選擇為IN4148，驅(qū)動電路中C1為0.01F。4 控制與驅(qū)動電路的設計4.1 控制電路的設計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)導通時間ton，稱為脈沖寬度調(diào)制或脈沖調(diào)寬型；（2）保持導通時間不變，改變開關(guān)周期T，成為頻率調(diào)制或調(diào)頻型；（3）導通時間和周期T都可調(diào)，是占空比改變，稱為混合型。其中第一種是最常用的方法。PWM控制信號的產(chǎn)生方法有很多。使用IGBT的專用觸發(fā)芯片SG3525，其電路原理圖如圖4所示。圖4 控制電路原理圖SG3525所產(chǎn)生的僅僅只是PWM控制信號，強度不夠，不能夠直接去驅(qū)動IGBT，中間還需要有驅(qū)動電路就愛你過信號放大。另外，主電路會產(chǎn)生很大的諧波，很可能影響到控制電路中PWM信號的產(chǎn)生。因此，還需要對控制電路和主電路進行電氣隔離。4.2 驅(qū)動電路設計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，甚至導致電力電子器件的損壞。因而還設計中還學要有帶電器隔離的部分。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IGBT會 在開通及關(guān)延時，同時要保證當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?shù)恼蚝头聪驏艍?，一般?15 V左右的正向柵壓比較恰當，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 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)斷過程不應隨輸入信號的消失而受到影響。 5 直流升壓斬波電路保護電路設計在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適，驅(qū)動電路設計良好外，采用合適的過電壓保護、過電流保護，du/dt和di/dt也是非常必要的。5.1過電流保護電路電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生短路時，可能會發(fā)生過電流。過電流分為過載和短路兩種情況。晶閘管是整流裝置中的核心器件，但其過載能力較差，所以對晶閘管必須進行保護。晶閘管承受過流的能力比一般電器差得多，必須在極短的時間內(nèi)把電源斷開或者把電流值降下來。電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。過電流分為過載和短路兩種情況。通常采用的保護措施有：快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器。一般電力電子裝置均同時采用集中過流保護措施，以提高保護的可靠性和合理性。綜合本次設計電路的特點，采用快速熔斷器，是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過流保護措施，即給晶閘管串聯(lián)一個保險絲實施電流保護。過電流保護電路如圖5所示。圖5 直流升壓斬波電路過流保護電路在選擇快熔時應考慮：遵從值小于晶閘管的允許值。電壓等級應根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。電流容量應按其主電路中的接入方式和主電路的連接形式來確定。快熔一般與電力電子半導體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可以串接與閥測交流母線或直流母線中。5.2過電壓保護電路電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因。本設計主要用于室內(nèi)，為了使用方便不考慮來自雷擊的威脅。操作過電壓是由分閘、合閘的開關(guān)操作引起的過電壓，電網(wǎng)側(cè)的操作過電壓會由供電變壓器磁感應耦合，或由變壓器繞組之間存在的分布電容靜感應耦合過來。內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，包括：換相過電壓，關(guān)斷過電壓。根據(jù)以上產(chǎn)生過電壓的的各種原因，設計相應的保護電路。如圖6過壓保護電路所示。其中：圖中是利用一個電阻加電容進行電壓抑制，當電壓過高時，保護電路中的電容會阻礙其電壓的上升，從而使得電力電子器件IGBT管因電壓的的過高厄爾損壞。圖6 過壓保護電路圖6中的電阻可以是1K左右的電阻，而電容的值可以為100F左右，這樣形成一個保護電路。該過壓保護方法也稱為阻容吸收保護法，其通常都是采用電阻R 和電容C的串聯(lián)支路，并聯(lián)在保護器件的兩側(cè)。6 Simulink仿真分析6.1 仿真軟件簡介 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，無需大量書寫方程，而只需通過簡單直觀的鼠標操作，就可構(gòu)造出復雜的系統(tǒng)。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環(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。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。6.2 建立仿真模型 仿真模型的搭建如下圖7所示。其中輸入電壓為100V，電感為1Mh,電容為1F,負載電阻為60，控制信號為頻率10KHz的矩形波。圖7 升降壓斬波Simulink仿真模型具體參數(shù)設置如下：（1）直流電壓值為100V，設置如圖8所示。 圖8 電壓參數(shù)設置 （2）電阻R值設為60，如圖9所示。 圖9 電阻參數(shù)設置（3）電感L值設為1e-3H，如圖10所示。 圖10 電感參數(shù)設置（4）電容C值設為1e-3F，如圖11所示。 圖11 電容參數(shù)設置（5）開關(guān)頻率要求10KHz，設置周期為0.0001s，依次調(diào)節(jié)占空比，如圖12所示。圖12 周期及占空比參數(shù)設置6.3 仿真結(jié)果分析設計要求直流輸入電壓100V，電阻負載為60；控制電路頻率10KHZ；輸出電壓紋波系數(shù)：0.2%；仿真出占空比分別為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。仿真結(jié)果如下所示。以下仿真圖真每個圖形中從上至下所表示的波形分別是電感電壓、電感電流、開關(guān)管電流、二極管電流和輸出電壓的波形。（1）當控制電路頻率占空比=0.1時仿真波形如圖13所示。圖13 占空比=0.1各輸出點的波形（2）當控制電路頻率占空比=0.2時仿真波形如圖14所示。 圖14 占空比=0.2各輸出點的波形（2）當控制電路頻率占空比=0.5時仿真波形如圖15所示。 圖15 占空比=0.5各輸出點的波形（2）當控制電路頻率占空比=0.8時仿真波形如圖16所示。 圖16 占空比=0.8各輸出點的波形由以上仿真結(jié)果可知當隨著控制信號占空比的逐漸增大，電感兩端的平均電壓也逐漸增大、電感的儲能也增加，通過開關(guān)管電流的平均電流也逐漸增大。由于電感的儲能隨著控制信號占空比增大而增大，所以負載兩端的輸出電壓也隨之增大，并且流過續(xù)流二極管的電流下降速率隨之降低。從仿真結(jié)果可以很直觀的看出，當控制信號占空比小于0.5時，負載兩端的輸出電壓小于系統(tǒng)的輸入電壓，并且隨著控制信號占空比的增大而增大。當控制信號的占空比等于0.5時，負載兩端的輸出等于系統(tǒng)的輸入電壓。當控制信號的占空比大于0.5時，負載兩端的輸出電壓大于系統(tǒng)的輸入電壓，同時也隨著控制信號占空比的增大而增大。由結(jié)果可以很好的驗證該系統(tǒng)為升降壓斬波電路，由此也很好的驗證的設計方案是完全可行的。結(jié)束語電力電子技術(shù)既是一門技術(shù)基礎課程，也是一門實用性很強的課程。因此，電力電子裝置的應用是十分重要的。通過此次電力電子課程設計直流升降壓斬波的設計，對電力電子技術(shù)這門課程有了進一步的認識。不僅鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。從做直流升降壓斬波電路課程設計可以發(fā)現(xiàn)理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務，從而提高自