電力電子課程設(shè)計(jì)亮度可連續(xù)調(diào)節(jié)直流斬波電路設(shè)計(jì)

1、亮度可連續(xù)調(diào)節(jié)直流斬波電路設(shè)計(jì)1概論電力電子及開(kāi)關(guān)電源技術(shù)因應(yīng)用需求不斷向前發(fā)展,新技術(shù)的出現(xiàn)又會(huì)使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會(huì)開(kāi)拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。開(kāi)關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實(shí)現(xiàn),將標(biāo)志著這些技術(shù)的成熟,實(shí)現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。伴隨著人們對(duì)開(kāi)關(guān)電源的進(jìn)一步升級(jí)，低電壓、大電流和高效率的開(kāi)關(guān)電源成為研究趨勢(shì)。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源向輕、薄，小和高效率方向發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源因其體積小、重量輕和效率高的優(yōu)點(diǎn)而在各種電子信息設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。直流斬波電路（DC Chopper）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，也稱為直接直流直流變換器（DC/DC

2、 Converter）。直流斬波電路一般指的是直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姷那闆r，不包括直流交流直流的情況，直流斬波電路的種類較多，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斬波電路和Zeta斬波電路。上述其中IGBT降壓斬波電路就是直流斬波中最基本的一種電路，是用IGBT作為全控型器件的降壓斬波電路，用于直流到直流的降壓變換。IGBT是MOSFET與GTR的復(fù)合器件。它既有MOSFET易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，輸入阻抗高，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)。其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十千赫茲頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、

3、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。所以用IGBT作為全控型器件的降壓斬波電路就有了IGBT易驅(qū)動(dòng)，電壓、電流容量大的優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展很快。這里將進(jìn)行對(duì)直流降壓斬波電路的設(shè)計(jì)，且其輸出電壓可連續(xù)可調(diào)。2設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)要求1、采用不控整流進(jìn)行AC/DC轉(zhuǎn)換；2、負(fù)載（燈泡）要求0100V直流電壓，最大負(fù)載電流3A；3、確定變壓器的容量和參數(shù)；4、設(shè)計(jì)主電路，選擇主電路的參數(shù)； 5、確定輸入電源的功率因數(shù)。2.2設(shè)計(jì)方案 根據(jù)要求設(shè)計(jì)，先進(jìn)行降壓處理，降壓到100V的三相交流電，頻率50HZ，然后采用橋式不控整流，將交流變?yōu)橹绷?，通過(guò)濾波處理。負(fù)載燈泡要求0100V直流電壓，這里主電路采用直流

4、降壓斬波電路，通過(guò)芯片SG3525組成電路產(chǎn)生脈沖波來(lái)控制直流斬波電路的全控型器件IGBT，使脈沖占空比從%0%50變化來(lái)控制輸出，進(jìn)而來(lái)控制直流電壓是連續(xù)變化，通過(guò)輸出來(lái)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算來(lái)確定電路中元件的參數(shù)。下圖是設(shè)計(jì)原理方框圖：圖2-1 設(shè)計(jì)原理圖3電路設(shè)計(jì) 總體的電路的設(shè)計(jì)主要包括整流電路、直流降壓斬波電路和控制電路的設(shè)計(jì)。3.1整流電路 整流電路就是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器，整流主 電路和濾波器等組成，其原理圖如下圖所示。圖3-1 整流電路 習(xí)慣將其中陰極連接在一起的3個(gè)二極管稱為共陰極組；陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)二極管稱為共陽(yáng)極組。此電路為不可控整流電路，假設(shè)

5、將電路中的二極管換作晶閘管，這種情況也就相當(dāng)于晶閘管觸發(fā)角時(shí)的情況。此時(shí)，對(duì)于共陰極組的3個(gè)二極管，陽(yáng)極所接交流電壓值最高的一個(gè)導(dǎo)通。而對(duì)于共陽(yáng)極組的3個(gè)二極管，則是陰極所接交流電壓值最低（或者說(shuō)負(fù)得最多）的一個(gè)導(dǎo)通。這樣，任意時(shí)刻共陽(yáng)極組和共陰極組中各有1個(gè)二級(jí)管處于導(dǎo)通狀態(tài)，施加于負(fù)載上的電壓為某一線電壓。此時(shí)電路工作波形如圖3-2所示。圖3-2 電路工作圖形 將二極管換成晶閘管，相當(dāng)于，此時(shí)各晶閘管均在自然換相點(diǎn)處換相。由圖中變壓器二繞組相電壓與線電壓波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系看出，各自然換相點(diǎn)既是相電壓的交點(diǎn)，同時(shí)也是線電壓的交點(diǎn)。在分析ud的波形時(shí)，既可從相電壓波形分析，也可以從線電壓波形分析。

6、從相電壓波形看，以變壓器二次側(cè)的中點(diǎn)n為參考點(diǎn)，共陰極組二極管導(dǎo)通時(shí)，整流輸出電壓 ud1為相電壓在正半周的包絡(luò)線；共陽(yáng)極組導(dǎo)通時(shí)，整流輸出電壓ud2為相電壓在負(fù)半周的包絡(luò)線，總的整流輸出電壓ud = ud1ud2是兩條包絡(luò)線間的差值，將其對(duì)應(yīng)到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡(luò)線。直接從線電壓波形看，由于共陰極組中處于通態(tài)的二極管對(duì)應(yīng)的最大（正得最多）的相電壓，而共陽(yáng)極組中處于通態(tài)的二極管對(duì)應(yīng)的是最小（負(fù)得最多）的相電壓，輸出整流電壓 ud為這兩個(gè)相電壓相減，是線電壓中最大的一個(gè)，因此輸出整流電壓ud波形為線電壓在正半周的包絡(luò)線，其中輸出電壓Ud的平均值為：。3.2直流降壓斬波電路 降壓

7、斬波電路的原理圖以及工作波形如圖3-2所示。該電路使用一個(gè)全控型器件V，圖中為IGBT。為在V關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管VD。斬波電路主要用于電子電路的供電電源，也可拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等，后兩種情況負(fù)載中均會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)，如圖所示。若負(fù)載中無(wú)反電動(dòng)勢(shì)時(shí)，只需令=0即可，以下的分析及表達(dá)式均可適用。圖3-3 直流降壓斬波電路（1）工作原理 如圖3-3中V的柵極電壓uGE波形所示，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uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)上升。當(dāng)t=t1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uo近似為零負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使

8、負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小，通常是串聯(lián)的電感L值較大。至一個(gè)周期T結(jié)束，在驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過(guò)程。當(dāng)工作處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等。圖3-4 波形圖（2）數(shù)量關(guān)系負(fù)載電壓平均值： V通的時(shí)間 V斷的時(shí)間 a-導(dǎo)通占空比負(fù)載電流平均值： 該設(shè)計(jì)是要實(shí)現(xiàn)燈泡亮度可連續(xù)調(diào)節(jié)，所以將負(fù)載電阻和反電動(dòng)勢(shì)改為燈泡并聯(lián)電容即可，如圖3-5所示。圖3-5 斬波電路3.3控制電路控制電路需要實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生控制信號(hào)，用于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。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)；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

9、調(diào)節(jié)器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)輸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。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)閿夭娐酚腥N控制方式，又因?yàn)镻WM控制技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，所以采用PWM控制方式來(lái)控制IGBT的通斷。PWM控制就是對(duì)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(lái)獲得所需的輸出電壓。改變脈沖的占空比就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，只是因?yàn)檩斎腚妷汉退枰妮敵鲭?/p>

10、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(duì)脈沖的占空比進(jìn)行控制. 因?yàn)轭}目要求輸出電壓連續(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，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。 SG3525是定頻PWM電路，采用16引腳標(biāo)準(zhǔn)DIP封裝。其各引腳功能如圖3-6所示，內(nèi)部框圖如圖3-7所示。圖3-6 SG3525的引腳 圖3-7 內(nèi)部框圖 引腳功能：(1)Inv.input(引腳1)：誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號(hào)。

11、在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，該端與補(bǔ)償信號(hào)輸入端（引腳9）相連，可構(gòu)成跟隨器。 (2)Noninv.input(引腳2)：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號(hào)。根據(jù)需要，在該端與補(bǔ)償信號(hào)輸入端（引腳9）之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型的調(diào)節(jié)器。 (3)Sync(引腳3)：振蕩器外接同步信號(hào)輸入端。該端接外部同步脈沖信號(hào)可實(shí)現(xiàn)與外電路同步。 (4)OSC.Output(引腳4)：振蕩器輸出端。 (5)CT(引腳5)：振蕩器定時(shí)電容接入端。 (6)RT（引腳6）：振蕩器定時(shí)電阻接入端。 (7)Discharge(引腳7)：振蕩器放電端。該端與引腳5之間外接一

12、只放電電阻，構(gòu)成放電回路。 (8)Soft-Start(引腳8)：軟啟動(dòng)電容接入端。該端通常接一只5 的軟啟動(dòng)電容。 (9)Compensation(引腳9)：PWM比較器補(bǔ)償信號(hào)輸入端。在該端與引腳2之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型調(diào)節(jié)器。 (10)Shutdown(引腳10)：外部關(guān)斷信號(hào)輸入端。該端接高電平時(shí)控制器輸出被禁止。該端可與保護(hù)電路相連，以實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。 (11)Output A（引腳11）：輸出端A。引腳11和引腳14是兩路互補(bǔ)輸出端。 (12)Ground(引腳12)：信號(hào)地。 (13)Vc(引腳13)：輸出級(jí)偏置電壓接入端。 (14)Outp

13、ut B（引腳14）：輸出端B。引腳14和引腳11是兩路互補(bǔ)輸出端。 (15)Vcc（引腳15）：偏置電源接入端。 (16)Vref(引腳16)：基準(zhǔn)電源輸出端。該端可輸出一溫度穩(wěn)定性極好的基準(zhǔn)電壓。控制電路圖如圖3-8所示圖3-8 控制電路原理圖該電路為直流降壓斬波電路的控制電路，發(fā)出脈沖波控制全控器件IGBT的導(dǎo)通與關(guān)閉來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓平均值的變化，該控制電路的最大占空比為0.5?？傇O(shè)計(jì)原理圖如圖3-9所示圖3-9 設(shè)計(jì)總原理圖3.4主電路元器件參數(shù)選擇 整流電路中U2=100V，所以整流電路中二極管能承受的最大反向電壓Vc>173V,I>3A，適當(dāng)取濾波電容的值。斬波電路中（1

14、）對(duì)于電源，因?yàn)轭}目要求輸入直流電壓為234V，所以該直流穩(wěn)壓電源可直接作為系統(tǒng)電源。（2）IGBT 由圖3-9易知當(dāng)IGBT截止時(shí)，回路通過(guò)二極管續(xù)流，此時(shí)IGBT兩端承受最大正壓為100V；而當(dāng)=0.5時(shí)，IGBT有最大電流，其值為3A。故需選擇集電極最大連續(xù)電流>3A，反向擊穿電壓Bvceo>117v的IGBT。如果考慮2倍的安全裕量需選擇集電極最大連續(xù)電流>6A，反向擊穿電壓Bvceo>234V的IGBT。（3）二極管 當(dāng)=0.5時(shí)，其承受最大反壓117V；而當(dāng)趨近于0.5時(shí)，其承受最大電流趨近于3A，故需選擇Vc>117v,I>3A的二極管?？紤]2

15、倍的安全裕量： （4） 電感 選擇大電感L，使得電路能夠續(xù)流，此時(shí)的臨界電感為： L=U0x（UdU0）/2fUdI。設(shè)輸出電壓為100V，則 所以電感L>=0.06mH，取L=0.1mH。（5）電容 選擇的電容既要使得輸出的電壓紋波小于1%，也不能取的太大，否則會(huì)使電路的速度變得很慢。電容的選擇：也取輸出電壓為100V時(shí)來(lái)算 這里取C=1.2mF。（脈沖波頻率為40KHZ）總電路中一級(jí)和次級(jí)變壓器的線圈數(shù)之比： 當(dāng)占空比最大為0.5時(shí)，燈泡兩端電壓為，流過(guò)它的電流為，則可得電路的輸出功率即有用功為： 流過(guò)變壓器二次側(cè)電流有效值為：所以變壓器的容量為：則輸入電源的功率因數(shù)為：通過(guò)上述計(jì)算

16、可確定電路中的原件參數(shù)。4小結(jié)與體會(huì)作了一周的課程設(shè)計(jì)，使我有了很多的心得體會(huì)，可以說(shuō)這次直流斬波電路的性能研究的課程設(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，也加深了對(duì)這門課程的設(shè)計(jì)。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。知道了大概的模塊之后，我對(duì)認(rèn)真地設(shè)計(jì)每個(gè)模塊，在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，可以再加于完善。實(shí)在不懂的問(wèn)題，可以和團(tuán)隊(duì)交流，再者就是查資料。也正因此，我對(duì)直流降壓斬波電路有了更深的認(rèn)識(shí)和了

17、解，同時(shí)，也加強(qiáng)了自己的文件檢索能力，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻(xiàn)資料。為了能夠是設(shè)計(jì)更加合理，對(duì)很多實(shí)際問(wèn)題也進(jìn)行了比較深入的思考。比如，保護(hù)電路這個(gè)模塊。所以在很大程度上提高了思考能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。尤其在控制電路這個(gè)環(huán)節(jié)，花費(fèi)了很多心思。首先通過(guò)不斷地查資料，了解PWM控制器（SG3525）的運(yùn)用，具體理解每個(gè)引腳代表什么，功能是什么。畢竟是第一次進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，能力不夠，所以很多問(wèn)題都沒(méi)有考慮周到，有些難題是和同學(xué)們商量才得出的結(jié)果，期間和同組的組員做了很多的溝通和商量，從而解決了很多問(wèn)題，這在合作上也是一個(gè)不小的進(jìn)步。同時(shí)，老師也給予了很多的指導(dǎo)和意見(jiàn)，這讓我明白了很多東西。 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(kāi)拓視野的機(jī)會(huì)。也感謝