電力電子謝曜臣

1、 電力電子技術課程設計說明書 直流降壓斬波電路 學 院： 電氣與信息工程學院 學生姓名： 謝曜臣 指導教師： 肖文英 職稱/學位 副教授 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 電氣本1205班 學 號： 1230140531 完成時間： 2015年06月 緒論直流斬波電路（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 Converter）。直流斬波電路一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姷那闆r，不包括直流交流直流的情況， 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

2、直流的降壓變換。IGBT是MOSFET與GTR的復合器件。它既有MOSFET易驅(qū)動的特點，輸入阻抗高，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點。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、中功率應用中占據(jù)了主導地位。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，電壓、電流容量大的優(yōu)點，因此發(fā)展很快。2 設計任務及方案選定2.1 設計任務要求設計降壓斬波電路的主電路、控制電路、驅(qū)動及保護電路，穩(wěn)壓直流電源15V和直流電壓200V的設計。2.2 設計要求對Buck降壓電路的基本要求有以下幾點：1.輸入直流電壓：Ud=200V2.開

3、關頻率40KHz3.輸出電壓范圍50V80V4.輸出電壓紋波：小于1%5.最大輸出電流：5A（在額定負載下）6.具有過流保護功能，動作電流：6A7.具有穩(wěn)壓功能8.效率不低于70%2.3 設計方案的選定與說明 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)動電力電子開關時就無需驅(qū)動電路。3 降壓斬波電路主電路設計 根據(jù)降壓斬波電路設計任務要求設計主電路、控制電路、驅(qū)動

4、及保護電路，設計出降壓斬波電路的結(jié)構框圖如圖1所示。圖1 電路框圖在圖1結(jié)構框圖中，控制電路是用來產(chǎn)生IGBT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IGBT控制端和公共端之間，可以使其開通或關斷的信號。通過控制IGBT的開通和關斷來控制IGBT降壓斬波電路的主電路工作。保護電路是用來保護電路的，防止電路產(chǎn)生過電流、過電壓和欠電壓等現(xiàn)象損害電路設備。3.1 降壓斬波電路原理 (1) (2) 式中為V處于通態(tài)的時間；為V處于斷態(tài)的時間；T為開關周期；為導通占空比，簡稱占空比或?qū)ū?。降壓斬波電路的占空比小?。根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同

5、，斬波電路有三種控制方式：1)保持開關周期T不變，調(diào)節(jié)開關導通時間不變，稱為PWM。2)保持開關導通時間不變，改變開關周期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,但是普遍采用的是脈沖寬調(diào)制工作方式。因為采用頻率調(diào)制工作方式，容易產(chǎn)生諧波干擾，而且濾波器設計也比較困難。此電路就是采用脈沖寬調(diào)制控制IGBT的通斷。圖2 降壓斬波電路原理圖3.2 BUCK降壓斬波主電路 在電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務的電路稱為主電路。IGBT降壓斬波電路的主電路圖如下圖3所示。它是一種降壓型變換器，其輸出電壓平均值U，總是小于輸入電壓。該電路使用一個全控型器件V，為IGBT。

6、在V關斷時，為了給負載中電感電流提供通道，設置了續(xù)流二極管VD。 圖3 降壓斬波主電路圖3.3 主電路元器件選擇 主電路中需要確定參數(shù)的元器件有直流電源、IGBT、二極管、電感、電容、電阻值，其參數(shù)選擇如下說明：(1)對于電源，因為任務要求輸入直流電壓為100V，所以該直流穩(wěn)壓電源可直接作為系統(tǒng)電源。(2)IGBT 由圖4易知當IGBT截止時，回路通過二極管續(xù)流，此時IGBT兩端承受最大正壓為100V；而當=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5A，反向擊穿電壓B100v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10A，反向擊穿電壓200V的IGBT

7、。(3)二極管 當=1時，其承受最大反壓100V；而當趨近于1時，其承受最大電流趨近于5A，故需選擇100v,I5A的二極管?？紤]2倍的安全裕量： =2=200V =1xIt=2x5=10A(4)電感 選擇大電感L，使得電路能夠續(xù)流，此時的臨界電感為： L=（）/2fI。 (3)設輸出電壓為80V，則L=80 x（10080）/2x1000 x40 x100 x5=0.04mH,所以電感L=0.04mH，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，否則會使電路的速度變得很慢。電容的選擇：也取輸出電壓為80V時來算 C=（）/8Lff (4)=80 x

8、（10080）/8x0.1mHx0.01x40Kx40Kx100=12.5uF,這里取C=13uF。(6)電阻R 因為輸出電壓為50V80V時，而輸出的最大電流為5A。所以由歐姆定律R=U/I可得負載電阻值為最小取值在10。4 降壓斬波控制與驅(qū)動電路的設計4.1 控制電路及器件選擇 因為斬波電路有三種控制方式，又因為PWM控制技術應用最為廣泛，所以采用PWM控制方式來控制IGBT的通斷。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)部包括精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護電路等。SG3525是定頻PWM電路，采用16引腳標準DIP封裝。

9、其各引腳功能如圖5所示，內(nèi)部框圖如圖4所示。 圖4 內(nèi)部框圖 圖5 SG3525的引腳 SG3525各引腳具體功能：（1）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。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補償信號輸入端（引腳9）相連，可構成跟隨器。（2）引腳2：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號。根據(jù)需要，在該端與補償信號輸入端之間接入信號不同的反饋網(wǎng)絡。（3）引腳3：振蕩器外接同步信號輸入端。該端接外部同步脈沖信號可實現(xiàn)外電路同步。（4）引腳4：振蕩器輸出端。（5）引腳5：振蕩器定時電容接入端。（6）引腳6：振蕩器定時電阻接入端。（7）引腳7：振蕩器放電端。該端與引

10、腳5之間外接一只放電電阻，形成放回路。（8）引腳8：軟啟動電容接入端。（9）引腳9：PWM信號輸入端。（10）引腳10：外部關斷信號輸入端。（11）引腳11：輸出端A。（12）引腳12：信號地。（13）引腳13：輸出級偏置電壓接入端。（14）引腳14：輸出端B。（15）引腳15：偏置電源接入端。（16）引腳16：基準電源輸出端。 SG3525芯片特點如下：（1）工作電壓范圍：8-35v。（2）5.1V微調(diào)基準電源（3）振蕩器頻率工作范圍：100Hz-500kHz。（4）具有振蕩器外部同步功能（5）死區(qū)時間可調(diào)。（6）內(nèi)置軟啟動電路。（7）具有輸入欠電壓鎖定功能。（8）具有PWM鎖存功能，禁止多

11、脈沖。（9）逐個脈沖關斷。（10）雙路輸出（灌電流/拉電流）：Ma(峰值) 其11和14腳輸出兩個等幅、等頻、相位互補、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)設電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構成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。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，另外當10腳的電壓為高電平時，11和14腳的電壓變?yōu)?0輸出。4.2 控制電路原理 由于SG3525的振蕩頻率可表示為 ： (5

12、)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)任務要求需要頻率為40kHz，所以由上式可取=1F, =10,=6.2?？傻胒=39.1kHz，基本上等于實際40 kHz即滿足要求。SG3525有保護的功能，可以通過改變10腳電壓的高低來控制脈沖波的輸出。因此可以將驅(qū)動電路輸出的過流保護電流信號經(jīng)一電阻作用，轉(zhuǎn)換成電壓信號來進行過流保護。當驅(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13腳輸出低電平，而當其沒有過流時，10腳一直處于低電平，從而正常的輸出PWM波。由此可以得出控制電路的電路圖如圖6所示： 圖6 控制電路圖4.3

13、 驅(qū)動電路原理與設計4.3.1 本實驗采用光電耦合式驅(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。但是它需要較多的工作電源，其對脈沖信號有1s的時間滯后，不適應于某些要求比較高的場合。4.3.2 驅(qū)動電路工作分析 驅(qū)動電路的電路圖如圖7所示：PWM調(diào)制PWM調(diào)制接IGBT柵極接IGBT柵極接IGBT源極接IGBT源極圖7 驅(qū)動電路原理圖 如圖7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)。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

14、一級推挽電路進行放大。采用推挽電路進行放大的原因是因為驅(qū)動IGBT的電壓叫高，約為12V左右，而SG3525芯片提供的電壓只有5V左右，直接連入無法驅(qū)動IGBT。并且推挽式電路簡單實用，故用推挽式進行電壓放大。IGBT是電壓控制型器件，在它的柵極-發(fā)射極間施加十幾V的直流電壓，只有A級的漏電流流過，基本上不消耗功率。但IGBT的柵極-發(fā)射極間存在著較大的寄生電容（幾千至上萬pF），在驅(qū)動脈沖電壓的上升及下降沿需要提供數(shù)安電流，才能滿足開通和關斷的動態(tài)要求，這使得它的驅(qū)動電路也必須輸出一定的峰值電流。5 保護電路原理與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

15、適的過電壓、過電流、保護和 保護也是必要的。5.1 過電壓保護電路過壓保護要根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的保護電路，當達到定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓通過保護電路形成通路，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器件上，保護了電力電子器件。本次設計的電路要求輸出電壓為50V80V，所以當輸出電壓設定時，一旦出現(xiàn)過電壓，為了保護電路和器件，應立刻將電路斷開，及關斷IGBT的脈沖，使電路停止工作。因為芯片SG3525的引腳10端為外部關斷信號輸入端，所以可以利用SG3525的這個特點進行過壓保護。當引腳10端輸入的電壓等于或超過8V時，芯片將立刻鎖死，輸出脈沖將立即

16、斷開。所以可以從輸出電壓中進行電壓取樣，并將取樣電壓通過比較器輸入10端，從而實現(xiàn)電壓保護。如圖7所示：取樣電壓的方法是在U。端串聯(lián)兩個電阻再通過在電阻中分得的電壓連入比較器的正端，與連入負端的基準電壓（5V）進行比較。正常狀態(tài)下，取樣電壓小于基準電壓，此時比較器輸出的是負的最大值，芯片正常工作，當出現(xiàn)過電壓是，取樣電壓高于基準電壓，此時輸出高電平15V，在通過電阻分壓得到5V的高電平送入芯片的10端，使其鎖死，IGBT脈沖斷開，電路斷開，從而對電路實現(xiàn)過壓保護。取樣電壓 設計的過壓保護電路圖如圖8所示：取樣電壓 接入SG3525的10端 接入SG3525的10端圖8 過壓保護電路原理圖5.2

17、 過電流保護電路當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。當器件擊穿或短路、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，必須對變換器進行適當?shù)倪^流保護。本次設計要求具有過流保護功能，在電流達到6A時動作。因為前面說過，SG3525的引腳10端在輸入一個高電平時具有自鎖功能，所以仍然可以利用這個方法進行過流保護。主要思想是將過電流轉(zhuǎn)化為過電壓。具體的做法是在干路上串聯(lián)一個很小的功率電阻，再在這個小電阻上并聯(lián)一個大電阻，從而進行過電流與過電壓的轉(zhuǎn)化。將轉(zhuǎn)化

18、的電壓連入比較器于一個基準電壓(取0.6V)相比較，就是在基準5.1V經(jīng)過電阻分壓得到0.6V,再將輸出經(jīng)降壓后得到5V后連入SG3525的10端。在正常狀態(tài)下連入的電壓小于基準電壓，此時，輸出一個負的最大值，芯片不會鎖死，正常工作。而當過電流時，轉(zhuǎn)化的電壓高于基準電壓，此時輸出一個高電平，芯片的10端鎖死，IGBT脈沖斷開，電路斷開，從而對電路實現(xiàn)過流保護。設計的過流保護電路如圖9所示：過流過流保護輸入接入SG3525的10端接入SG3525的10端圖9 過電流保護原理電路圖5.3 IGBT的保護 IGBT如果不采取保護，它很容易損壞。一般認為IGBT要原因有兩種：一是IGBT退出飽和區(qū)而進

19、入了放大區(qū)，使得開關損耗增大；二是發(fā)生短路，產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電流，從而使IGBT損壞。下面是對IGBT進行設計的保護電路。RC串聯(lián)電路可以對IGBT進行過電壓保護，而反向二極管可以對IGBT進行過電流保護。在無緩沖電路的情況下，IGBT開通時電流迅速上升，di/dt很大；關斷時du/dt很大，并出現(xiàn)很大的過電壓。在有緩沖電路的情況下；V開通時C5通過R34向V放電，使先上一個臺階，以后因有，上升速度減慢；V關斷時負載電流通過VD向C5分流，減輕了V的負擔，抑制了du/dt和過電壓。VD和R34的作用是在V關斷時，給提供釋放儲能的回路。如圖10所示：圖10 IGBT保護電路6 系統(tǒng)仿真及結(jié)論6.1

20、 仿真軟件的介紹此次仿真使用的是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，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應面廣、結(jié)構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。 Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個

21、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。Simulink可以用連續(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)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。 Simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領域仿真和基于模型的設計工具。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

22、形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執(zhí)行和測試。 構架在Simulink基礎之上的其他產(chǎn)品擴展了Simulink多領域建模功能，也提供了用于設計、執(zhí)行、驗證和確認任務的相應工具。Simulink與MATLAB 緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、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。6.2 仿真電路圖 圖12 降壓斬波的MATLAB電路的模型6.3 仿真結(jié)果及分析 MATLAB的仿真結(jié)果如下（第一個波形為PWM控制信號，第二個為輸出電壓Uo,第三個是輸出電流Io,第四個為流經(jīng)IGBT的電流）： 圖13 =0.25時的仿

23、真結(jié)果圖14 =0.5時的仿真結(jié)果 由仿真圖計算出輸出平均電壓Uo與理論值相對比如下表1：表1=0.25=0.5Uo (V)Uo (V)仿真值4998理論值50100（參考公式 ） 上面數(shù)據(jù)中Uo的仿真值與理論值存在著誤差，主要原因是由于理論值是在理想情況下求出的，此時取值很大，則輸出電流可看做不變化。而在仿真電路中，需要根據(jù)實際情況與不能取到非常大。所以電流、電壓不恒定，存在著振蕩，使仿真值與理論值存在差異。 此外，我還仿真了在不同的電感值下的結(jié)果。最后發(fā)現(xiàn)，電感取得越大，輸出電壓振蕩的脈率越小。圖片在此不再贅述。結(jié)束語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，驅(qū)動電路模塊，除了上述主要模塊之外，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氣隔離。IGBT降壓斬波電路由于易驅(qū)動，電壓、電流容量大在電力電子技術應用領域中有廣闊的發(fā)展前景，也由于開關電源向低電壓，大電流和高效率發(fā)展的趨勢，促進了IGBT降壓斬波電路的發(fā)展。但以 IGBT為功率器件的直流斬波電路在實際應用中需要注意以下問題:（1）系統(tǒng)損耗的問題；2）柵極電阻；（3）驅(qū)動電路實現(xiàn)過流過壓保護的問題。此斬波電路