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1、电力电子技术课程设计说明书 直流升压斩波电路设计 学院:电气与信息工程学院 学生姓名:凌昇 指导教师:董恒职称/学位 硕士 专业:电气工程及其自动化 班级:电气本 1201 学号:1230120148 完 成 时 间 :2015年6月 目录 绪论 - 1 - 1 直流升压斩波电路的设计思想 - 3 - 1.1直流升压斩波电路原理 - 3 - 1.2参数计算 - 4 - 2 直流升压斩波电路驱动电路设计 - 5 - 3 直流升压斩波电路保护电路设计 - 6 - 3.1过电流保护电路 - 6 - 3.2过电压保护电路 - 6 - 4 直流升压斩波电路总电路的设计 - 8 - 5 直流升压斩波电路仿
2、真 - 9 - 5.1仿真模型的选择 - 9 - 5.2仿真结果及分析 - 9 - 致谢. 错误!未定义书签。 参考文献 . - 12 - 附录:元件清单 . - 13 - - 1 - 绪论 直流升压电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的 DC-DC 变换 器 , 在直流传动系统、 充电蓄电电路、 开关电源、 电力电子变换装置及各种用电 设备中得到普通的应用。 随之出现了诸如降压电路、 升降压电路、 复合电路等多 种方式的变换电路。直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中, 使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。 早期的直流装换电路,电路复杂、功率损耗、体积大,使用
3、不方便。晶闸管 的出现为这种电路的设计又提供了一种选择。晶闸管(Thyristor)是晶体闸流 管的简称, 又可称做可控硅整流器, 以前被简称为可控硅; 晶闸管具有硅整流器 件的特性,能在高电压、大电流条件下工作,且其工作过程可以控制、被广泛应 用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。它电路 简单体积小,便于集成;功率损耗少,符合当今社会生产的要求;所以在直流转 换电路中使用晶闸管是一种很好的选择。 本设计基于电力电子技术 课程,充分使用全控型晶闸管IGBT设计电路, 实现直流升压。 IGBT绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管 )和 MOS( 绝缘栅型场效 应
4、管) 组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有 MOSFET 的高输入阻 抗和 GTR的低导通压降两方面的优点。GTR 饱和压降低,载流密度大,但驱动电 流较大 ;MOSFET 驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT 综合了以上两种器件的优点, 驱动功率小而饱和压降低。 非常适合应用于直流电 压为 600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引 传动等领域。 M57962L是由日本三菱电气公司为驱动IGBT而设计的厚膜集成电路( Hybrid Integrated Circuit For Driving IGBT Modules ) 。 在驱
5、动模块内部装有 2500V高隔离 电压的光电耦合器, 过流保护电路和过流保护输出端子,具有封闭性短路保护功 能。M57962L 是一种高速驱动电路,驱动信号延时tPLH 和tPHL最大为 1.50s。 可以驱动 600V/400V 级的IGBT 模块。 M57962L 工作程序 : 当电源接通后,首先自检, 检测IGBT是否过载或短路。 若过载或短路, IGBT 的集电极电位升高, 经外接二 极管流入检测电路的电流增加,栅极关断电路动作,切断IGBT的栅极驱动信号, 同时在“8”脚输出低电平“过载 / 短路”指示信号。 lGBT正常时,输入信号经光 - 2 - 电耦合接口电路,再经驱动级功率放
6、大后驱动IGBT 。 M57962L采用双电源 + Vcc 和 VEE ,原理结构图如图 1 所示。电路组成: (1) 放大隔离电路; (2) 定时复位电路; (3) 过流检测电路; (4) 过流输出电路。 图 1 M57962L 原理机结构图 - 3 - 1 直流升压斩波电路的设计思想 1.1 直流升压斩波电路原理 直流升压变流器用于需要提升直流电压的场合,其原理图如图2 所示。 在电路中 V 导通时,电流由E 经 升压电感 L 和 V 形成回路,电感 L 储能;当 V 关断时,电感产生 的反电动势和直流电源电压方向 相同互相叠加,从而在负载侧得到图 2 直流升压斩波电路原理图 高于电源的电
7、压, 二极管的作用是阻断V导通是,电容的放电回路。 调节开关器 件 V的通断周期,可以调整负载侧输出电流和电压的大小。 假设 L 值、C值很大, V通时, E向 L 充电,充电电流恒为 1 I ,同时 C的电 压向负载供电,因 C值很大,输出电压 0 u 为恒值 , 记为 0 U 。设 V通的时间为 on t, 此阶段 L 上积蓄的能量为 E 1 I on t。 V断时,E和 L 共同向 C充电并向负载 R供电。设 V断的时间为 off t,则此期间电 感 L 释放能量为: off t 10 E)I-(U(1) 稳态时,一个周期T 中 L 积蓄能量与释放能量相等 offon tIEUt 101
8、 )(EI(2) 化简得: E t T E t t offoff offon t U0(3) 上式中1 t T off ,输出电压高于电源电压,故称升压斩波电路。 off t T 升压比,调节其即可改变 0 U 。将升压比的倒数记作 ,即 T off t 。 和导通占空比,有如下关系: 1(4) 因此,式( 1-2)可表示为: E -1 1 E 1 U 0 (5) - 4 - 升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压,关键有两个原因: 一是 L 储能之后具有使电压泵升的作用,二是电容 C可将输出电压保持住。 在以上分析 中,认为 V处于通态期间因电容C的作用使得输出电压Uo不变,但实际上 C
9、值 不可能为无穷大,在此阶段其向负载放电,U。必然会有所下降,故实际输出电 压会略低于理论所得结果,不过,在电容C值足够大时,误差很小,基本可以忽 略。 1.2 参数计算 由直流斩波电路的原理可知 E t T E t t offoff offon t U0(6) 又输入电压为输入直流电压范围:24V60V ,要求输出直流电压: 340V 。所以只 要根据输入的电压控制全控晶闸管IGBT关断的时间和开通的时间比就可,即升 压比就可得到所需电压。由计算得: 17 3 85 6 (7) 又因为要求输出功率P=100W, 0 U =340V P R U 2 0 (8) 得:R=1156(9) - 5
10、- 2 直流升压斩波电路驱动电路设计 升压电路所用全控型晶闸管IGBT是电压型驱动器件。 IGBT 的栅射极之间有 数千皮法左右的极间电容, 为快速建立驱动电压, 要求驱动电路具有较小的输出 电阻使 IGBT 开通的栅射极间的驱动电压一般取1520V。同样,关断时施加一 定幅值的负驱动电压 (-5 -15V)有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入 一只低值电阻可以减小寄生振荡。 IGBT的驱动多采用专用的混合驱动集成驱动器,本次采用 M57962L驱动器。 如图 3 驱动电路图所示。又由产品信息知 M57962L驱动器内部具有退饱和和检测 和保护环节,当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGB
11、T,并向外部电路发出 故障信号。 4700 100F 100F 3.1 M57962L 30V 8 1 5 4 6 -10V +15V +5V ui 14 13 图 3 直流升压斩波驱动电路 - 6 - 3 直流升压斩波电路保护电路设计 3.1 过电流保护电路 电力电子电路运行不正常或者发生故障时,可能会发生过电流。 过电流分为 过载和短路两种情况。 通常采用的保护措施有: 快速熔断器、 直流快速断路器和 过电流继电器。 一般电力电子装置均同时采用集中过流保护措施,以提高保护的 可靠性和合理性。 综合本次设计电路的特点, 采用快速熔断器, 即给晶闸管串联一个保险丝实 施电流保护。如图4 电流保
12、护电路所示。 图 4 直流升压斩波电路过流保护电路 对于所选的保险丝,遵从t 2 I值小于晶闸管的允许t 2 I值。 3.2 过电压保护电路 电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因 过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因。本设计主要用于室内, 为 了使用方便不考虑来自雷击的威胁。 操作过电压是由分闸、 合闸的开关操作引起的过电压,电网侧的操作过电压 会由供电变压器磁感应耦合, 或由变压器绕组之间存在的分布电容静感应耦合过 来。 内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程,包括: 换相过电压, 关断过电压。 根据以上产生过电压的的各种原因,设计相应的保护
13、电路。 如图 5 过压保护 电路所示。其中:图中是利用一个电阻加电容进行电压抑制,当电压过高时,保 护电路中的电容会阻碍其电压的上升,从而使得电力电子器件IGBT管因电压的 的过高厄尔损坏。 图 5 中的电阻可以是1K左右的电阻,而电容的值可以为100F左右,这 样形成一个保护电路。 - 7 - 图 5 直流斩波电路过电压保护电路 - 8 - 4 直流升压斩波电路总电路的设计 如图 6 总电路设计图所示。电路由升压电路,驱动模块、保护模块、缓冲 电路组成。 C2 C3 VD1 M57962L VW3 8 1 5 4 6 -10V +15V NO +5V ui 14 13 V R1 L R C
14、VD 电压输入 VW1 VW2 R1 R2 C1 图 6 直流升压斩波电路总电路 由 M57862L芯片为核心构成的驱动电路, 控制 IGBT的导通和关断时间, 从 而控制电路的升压比 ,使其达到: 17 3 85 6 (10) 进而使输出电压达到目的值。 升压电路时整个电路的核心,由一个 IGBT和电容、 电感值都很大的电容电 感各一个。 R为输出负载,电压由此输出。因为输出功率是一定的100W ,从而 R 为定值 1156。其中保护电路包括过电压保护和过电流保护。 - 9 - 5 直流升压斩波电路仿真 5.1 仿真模型的选择 在本次的设计中,采用了Psim 软件作为仿真工具来进行电路的模拟
15、。首先 画出电路的结构图如下所示: 图 7 直流升压斩波电路仿真电路模拟图 由上图中我们可以看到,在电路中,在IGBT的两端加了脉冲触发电压,控 制开关的关断,以便得到升压的电压。 5.2 仿真结果及分析 在仿真过程中,我将取输入的直流电压为Ud=2460V 之间的任意值,将电 感值取的尽可能的大,即L=500H ,电阻值 R=1000K ,控制脉冲电压 UGE的占空比 大小,即从示波器上观察输出电压Uo大小,示波器上红线表示输出直流电压, 蓝线表示输入电压,而橙色表示输出电流大小。 (1) 当占空比为 =0.93,Ud=24V是,得到输出直流电压Uo=343.5V。 图 8 直流电压输出波形
16、1 - 10 - (2) 当占空比为 =0.90,Ud=35V是,得到输出直流电压Uo=340.5V。 图 9 直流电压输出波形2 (3) 当占空比为 =0.87,Ud=45V是,得到输出直流电压Uo=344.2V。 图 10 直流电压输出波形3 从上面的直流输出电压图中我们可以看出来,本次设计是成功的,理论与实 际是相符的,我们得到了340V的输出电压。 - 11 - 致谢 经过一个多星期的努力, 本次课程设计总算顺利结束。 可能还有很多不足的 地方,这还请老师指出教导。 本次课程设计的内容囊括了本学期所学电力电子技术 的大部分内容, 还 用到了以前所学的电路、 模电的知识。 在设计的过程中
17、我遇到了诸多问题,这主 要是自己所学知识的不牢固和欠缺造成的。通过再次认真翻看课本,查阅资料, 向老师和同学请教终于把一个又一个的问题解决掉。通过这次课程设计我不仅进 一步巩固了这门课程的知识还通过亲自操作,熟悉了 Visio等相关软件的使用方 法,这为以后的学习工作提供了便利。 通过这次设计, 我还发现课本上的理论知识和实践还是有一定的差别,理论 知识要应用到实践中要经过仔细地思考和多次尝试,只有这要才能达到理论联系 实践的效果。如果不是通过课程设计, 我们的知识面可能一直停留在理论的层面。 最后我要感谢那些给予我帮助的老师和同学们,没有他们的耐心帮助, 本次 课程设计将很难完成。 - 12
18、 - 参考文献 1 王兆安主编 . 电力电子技术 . 第四版 . 北京:机械工业出版社 2 叶斌主编 . 电力电子应用技术. 北京:清华大学出版社,2006 3 张兴主编 .PWM 整流器及其控制 . 北京:机械工业出版社,2003 4 郝万新主编 . 电力电子技术 . 化学工业出版社 , 2002 5 孟志强主编 . 电力电子技术 . 晶闸管中频感应逆变电源的附加振荡启动方 法, 2003.6 6 吕宏主编 . 电力电子技术 . 感应加热电源的 PWM-PFM控制方法 , 2003.1 7 林飞主编 . 电力电子应用技术的MATLAB 仿真 . 北京:中国电力出版 社 8 陈国呈主编 .PW
19、M 逆变技术及应用 . 北京:中国电力出版社,2007 9 李维波主编 .MATLAB 在电气工程中的应用 . 北京:中国电力出版社, 2007 10 张卫平主编 . 开关变换器的建模与控制. 北京:中国电力出版社, 2006 11 黄俊, 秦祖荫编 . 电力电子自关断器件及电路. 北京: 机械工业出版 社,1991 12 李序葆 , 赵永健编 . 电力电子器件及其应用. 北京 : 机械工业出版 社,1996 13 刘旭主编,电力电子技术. 江苏:江苏教育出版社, 2005 14 王阳号主编,电力电子技术的应用. 北京:中国电力出版社, 2006 15 李瑞涛主编,电力电子技术. 江苏:江苏教育出版社,2006 - 13 - 附录 元件清单 名称大小、型号数量(个) 电感 1H 1 电容 100F 2 电容 1F 2 电阻 1K、4.7K、1156各一个 二极管2AP9 2 发光二极管2EF1 1 全控型晶闸管 IGBT 1 稳压二极管HZ5 2 驱动芯片 M57962L 1 开关断路开关 2 保险丝 GP032 1 反相器 1
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