直流斩波电路设计.doc

电力电子课程设计 直流斩波电路的设计系 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 刘宗泉 指导教师： 肖文英 职称 副教授 专 业： 自动化 班 级： 1102 班 完成时间： 2014年5月28日 摘 要直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter）。直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流-交流-直流的情况。习惯上，DC-DC变换器包括以上两种情况。直流斩波电路的种类较多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路。一方面，这两种电路应用最为广泛，另一方面，理解了这两种电路可为理解其他的电路打下基础。利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，如电流可逆斩波电路、桥式可逆斩波电路等。利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。直流斩波电路广泛应用于直流传动和开关电源领域，是电力电子领域的热点。全控型器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar,IGBT）综合了电力晶体管（Giant Transistor,GTR）和电力场效应管（Power Field Effect,MOSFET）的优点，具有良好的特性。目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场，应用领域迅速扩展，成为中小功率电力电子设备的主导器件。本课程设计使用全控型器件IGBT做降压斩波电路控制器件；SG3525作为控制芯片，EXB841作为驱动芯片讨论降压斩波主电路、控制电路、驱动电路和保护电路的原理与设计。关键词 ：IGBT；降压斩波电路；SG3525；EXB841ABSTRACT DC Chopper circuit (DC Chopper) is the function of the direct current (DC) to a fixed voltage or adjustable voltage direct current (DC), also known as direct dc-dc Converter (DC/DC Converter). Generally refers to the dc chopper circuit directly to the direct current into another, does not include dc - ac - dc. Traditionally, DC - DC converter includes the above two cases.Dc chopper circuit sort is more, including six basic chopper circuit: buck chopper circuit, boost chopper circuit, buck chopper circuit, Cuk chopper circuit, Sepic chopper circuit and Zeta chopper circuit, including the first two are the most basic circuit. On the one hand, the most widely used two kinds of circuit, on the other hand, to understand these two circuits can lay the foundation to understand the other circuit. Are combined with different basic chopper circuit, can constitute a composite chopper circuit, such as current reversible chopper circuit, bridge type reversible chopper circuit, etc. Using basic chopper circuit on the structure of the same combination, can constitute a heterogeneous multiple chopper circuit. Dc chopper circuit is widely used in dc transmission and switching power supply, is a hotspot in the field of power electronics. All control type device select insulated gate bipolar transistor (IGBT) integrated the advantages of GTR and power MOSFET, has the good properties. Has replaced the original GTR and part of the power MOSFET market, rapidly expanding application areas, the small and medium-sized power power electronics equipment has become the dominant device. Therefore, the curriculum design topic is: the design using the control device for IGBT buck chopper circuit. Mainly discuss buck chopper main circuit, control circuit sg3525, drive circuit exb841 and protect circuit principle and design.Key words igbt；buck chopper；sg3525；exb841目 录1 设计要求与方案11.1 设计要求11.1.1 课程设计目的11.1.2 课程设计要求11.2 方案确定12 降压斩波主电路设计32.1 BUCK电路工作原理32.2 主电路参数分析43 控制电路原理与设计63.1 控制电路方案选择63.2 控制电路工作原理74 驱动电路原理与设计84.1 驱动电路方案选择84.2 驱动电路分析与设计95 保护电路的原理与设计105.1 过电压保护105.2 过电流保护116 电路仿真13设计心得19参考文献20致 谢21附 录A22附 录B231 设计要求与方案1.1 设计要求1.1.1 课程设计目的（1）培养文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。（2）培养综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。（3）培养运用知识的能力和工程设计的能力。（4）提高课程设计报告撰写水平。1.1.2 课程设计要求降压斩波电路设计要求： （1）输入直流电压：Ud=100V （2）开关频率40KHz （3）输出电压范围50V80V （4）输出电压纹波：小于1% （5）最大输出电流：5A （6）具有过流保护功能，动作电流：6A （7）具有稳压功能 （8）效率不低于70%1.2 方案确定电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断来完成整个系统的功能，当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路，设计出降压斩波电路的结构框图如图1： 图1 降压斩波电路结构框图在图1结构框图中，控制电路是用来产生降压斩波电路的控制信号，斩波电路主要用于电子电路的供电，不同的电子器件需要的供电电源电压不尽相同，而且对电源的精度要求也有所差异，对于精密的电子仪器需要的供电电源功率虽然小但要求电源质量高，对于小容量直流电机虽然对电源的质量要求不高，但功率较大，控制电路的作用是调节斩波电路电压高低。由于电力电子器件不仅对驱动的脉冲宽度有一定的要求，而且对驱动电压的幅度有要求，故控制电路和电力电子器件之间还要加入驱动电路，从而使控制电路产生的控制信号能够驱动电力电子器件开通和关断。其次驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。在电力电子电路中，除了电力电子器件参数学则合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护，过电流保护，du/dt保护盒di/dt也是必要的，控制电路中的保护电路是用来防止主电路中的电力电子器件因过压过流等原因而烧毁，其次也是保护用电电器的安全。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，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。2 降压斩波主电路设计2.1 BUCK电路工作原理Buck Chopper电路工作原理如图2：图2 BUCK电路图直流降压斩波主电路使用一个全控器件IGBT控制导通。用控制电路和驱动电路来控制IGBT的通断，当t=0时，驱动IGBT导通，电源E向负载供电，负载电压=E，负载电流按指数曲线上升。电路工作时波形图如图3：图3 电流持续时波形图当时刻，控制IGBT关断，负载电流经二极管续流，负载电压近似为零，负载电流指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，故串联L值较大的电感。至一个周期T结束，再驱动IGBT导通，重复上一周期的过程。当电力工作于稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为： （1） 为IGBT处于通态的时间；为处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比。通过调节占空比使输出到负载的电压平均值最大为E，若减小占空比，则随之减小。此电路采用PWM方式控制IGBT的通断。负载电流的平均值为： （2） 若负载中L值较小，在V关断后，到了t2时刻，如图4所示，负载电流已衰减至零，出现负载电流断续的情况。 图4 电流断续时波形图2.2 主电路参数分析主电路中需要确定参数的元器件有IGBT、二极管、直流电源、电感、电阻值的确定，其参数确定如下：(1) 电源 按照设计要求，输入电压为100V。(2)电阻 因为当输出电压为100V时，按照设计要求输出电流小于等于5A，假设输出电流为0.15A。所以由欧姆定得到： （3） 可得到电路电阻应该在。(3) IGBT 当IGBT截止时，回路通过二极管续流，此时IGBT两端承受最大正压为100V；而当=1时，IGBT有最大电流，其值为1A。故需选择集电极最大连续电流>，反向击穿电压的IGBT。而一般的IGBT都满足要求。(4)二极管 当=1时，其承受最大反压100V；而当趋近于1时，其承受最大电流趋近于5A，故需选择，的二极管。(5) 电感若要使输出电流不断续，则要 （4） （5） （6）由于m值应大于最小设定值为0.7，当m =0.7，f=40KHz时，由式 （7） （8）故 （9）当=0时 L为无穷大，故 L应尽可能大，此处选L=700 mH 。 3 控制电路原理与设计3.1 控制电路方案选择IGBT控制电路的功能有：给逆变器的电子开关提供控制信号；以及对保护信号作出反应，关闭控制信号。实际上控制电路就是一个脉宽调节器，脉宽调节器的基本工作原理是用一个电压比较器，在正输入端输入一个三角波，在负输入端输入一直流电平，比较后输出一方波信号，改变负输入端直流电平的大小，即可改变方波信号的脉宽。 对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、CPLD等等来输出PWM波，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。因为题目要求输出电压连续可调，所以我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。对于PWM发生芯片，选用了SG3525芯片，其引脚图如图5所示，它是一款专用的PWM控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。 图5 SG3525引脚图 SG3525的11和14脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的PWM信号。脚6、脚7 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络，另外当10脚的电压为高电平时，11和14脚的电压变为10输出。3.2 控制电路工作原理由于SG3525的振荡频率可表示为 ： （10）式中:, 分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；是与脚7相连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为50kHz，所以由上式可取=1F, = ,=。可得f=49.02kHz，基本满足要求。SG3525有过流保护的功能，可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压信号来进行过流保护，如图6所示。当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将10脚的电位抬高，从而11、14脚输出低电平，而当其没有过流时，10脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM波。图6 控制电路部分电路图4 驱动电路原理与设计4.1 驱动电路方案选择该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，该部分主要完成以下几个功能：(1) 提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT可靠的开通和关断；(2)提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使IGBT能迅速建立栅控电场而导通；(3)尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率；(4) 足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；(5)具有灵敏的过流保护能力。针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。针对驱动电路的隔离方式：采用光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有源。其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测IGBT的电压和电流的状态，对外送出过流信号。另外它使用比较方便，稳定性比较好。但是它需要较多的工作电源，其对脉冲信号有1s的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。本系统中，对电压要求不高，而且只有一个全控器件需要控制，又有一些全控器件专用的驱动芯片，所以选择此方案。4.2 驱动电路分析与设计针对以上分析，我选取了EXB841驱动芯片。它具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，其功能完善，控制简便可靠。下面简单介绍一下它的工作原理。如图7所示，其工作电源为20±1V，内部含有-5V稳压电路，为IGBT的栅极提供+15V的驱动电压，关断时提供-5V的偏置电压，使其可靠关断。当脚15和脚14有10mA电流通过时，脚3输出高电平而使IGBT导通；而当脚15和脚14无电流通过时，脚3输出低电平使IGBT关断；若IGBT导通时，若承受短路电流，则其电压随电流的增大迅速上升，脚6悬空，脚3电位开始下降，从而逐渐关断IGBT。 图7 EXB841内部结构图利用EXB841驱动芯片设计其驱动电路原理图如图8所示，两个47uF电容用于吸收噪音，在脚3输出脉冲的同时，通过快速二极管VD1检测IGBT的CE间的电压。当ICE>6A时，过流保护电流控制运算放大器，使其输出软关断信号，将脚3输出电平降为O。因EXB841无过流自锁功能，所以外加过流保护电路，一旦产生过流，可通过外接光耦TLP521将过流保护信号输出至控制电路，经过一定延时，以防止误动作和保证进行软关断，然后由触发器锁定，实现保护。 图8 驱动电路原理图5 保护电路的原理与设计在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压、过电流、保护和 保护也是必要的。5.1 过电压保护过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图7所示。图9 RC阻容过电压保护电路图5.2 过电流保护 当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。当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种的过流保护措施。过电流保护电路如图10所示，其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用。器件直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为它们流过同个电流因而被广泛使用。电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。图10 过电流保护电路图6 电路仿真由MATLAB搭建的仿真电路如图11图11 MATLAB搭建的降压斩波电路仿真电路首先进入Simulink界面，新建一个文件并保存，然后从Simulink的Sinks库中找到Scope示波器，从Sources库中找到Pulse Generator，再从SimPowerSystems库中找到Powergui、Voltage Measurement 、IGBT/Diode 、Diode 、Current Measurement 、Series RLC Branch 、DC Voltage Source元件，按照图11所示连接，将DC Voltage Source设置成100V、L设置为700mH，Pulse Generator中占空比设置成需要的数字，连接好电路并设置好参数后，运行仿真，在Command Window中输入set(0,'ShowHiddenHandles','On');set(gcf,'menubar','figure');然后在Scope示波器的Insert菜单选项中选择axes坐标轴选项，单击左键再单击右键选择color设置背景颜色再用左键单击线条设置线条颜色，运用放大缩小工具调整波形。（1）当设置占空比为50% ，开关频率40KHz，负载为电阻性负载时Ug、U2、Id、Ud的输出波形如图12 。图12 触发脉冲占空比为50% 时Ug、U2、Id、Ud的波形（2）当设置占空比为65% ，开关频率40KHz，负载为电阻性负载时Ug、U2、Id、Ud的输出波形如图13 。 图13 触发脉冲占空比为65% 时Ug、U2、Id、Ud的波形（3）当设置占空比为80% ，开关频率40KHz，负载为电阻性负载时Ug、U2、Id、Ud的输出波形如图14 。图14 触发脉冲占空比为80% 时Ug、U2、Id、Ud的波形（4）当设置占空比为50% ，开关频率40KHz，负载为阻感负载时Ug、U2、Id、Ud的输出波形如图15 。图15 触发脉冲占空比为50% 时Ug、U2、Id、Ud的波形（5） 当设置占空比为65% ，开关频率40KHz，负载为阻感负载时Ug、U2、Id、Ud的输出波形如图16 。 图16 触发脉冲占空比为65% 时Ug、U2、Id、Ud的波形（6）当设置占空比为80% ，开关频率40KHz，负载为阻感负载时Ug、U2、Id、Ud的输出波形如图17 。 图17 触发脉冲占空比为80% 时 Ug、Id、Ud的波形由图12看出占空比为50% ，开关频率40KHz 负载为电阻性负载时输出电压为50.3V-50.6V波纹系数为0.8% ，最大输出误差为0.4% ；效率为 78% >70% 符合设计要求。由图13看出占空比为65% ，开关频率40KHz 负载为电阻性负载时输出电压为65.6V-65.8V波纹系数为0.6% ，最大输出误差为0.5% ；效率为81%>70% 符合设计要求。由图14看出占空比为80% ，开关频率40KHz 负载为电阻性负载时输出电压为80.4V-80.8V波纹系数为0.8% ，最大输出误差为0.5% ；效率为87%>70% 符合设计要求。由图15看出占空比为50% ，开关频率40KHz 负载为电阻性负载时输出电压为50.3V-50.5V波纹系数为0.5% ，最大输出误差为0.3% ；效率为76%>70% 符合设计要求。由图16看出占空比为50% ，开关频率40KHz 负载为电阻性负载时输出电压为65.4V-50.6V波纹系数为0.3% ，最大输出误差为0.5% ；效率为80%>70% 符合设计要求。由图17看出占空比为50% ，开关频率40KHz 负载为电阻性负载时输出电压为80.5V-50.7V波纹系数为0.4% ，最大输出误差为0.4% ；效率为85%>70% 符合设计要求。设计心得此次课程设计，从理论到实践，在短短一星期的时间里，我遇到了很多问题，也学到了很多东西。它不仅巩固了我以前所学的理论知识，更使我们知道了由理论结合实践的基本方法，锻炼了自己解决实际问题的能力。在此次课程设计过程中，碰到的问题比较多，靠自己所学的知识根本解决不了，借鉴了很多网上资料，解决了这些问题，也学到了很多课本上没有的东西。在做设计的过程中我学到了很多东西，也知道了自己的哪些不足之处，知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，以后仍需努力。通过这次课程设计，看到了自己的不足之处，同时也锻炼了自己将理论知识运用到实际中的能力，加强了自己的实际运用能力，也学会了怎么样去分析问题和解决问题。通过此次课程设计也加强了MATLAB在实际工程的应用操作，学会了MATLAB在电力电子领域的设计方法，此外，通过这次课程设计也发现了在电力电子中一些以前不知道的问题，并通过自己查找资料解决问题。MATLAB是我们学习和工作中重要的软件，能够轻车熟路的使用它会使我们的工作得到意想不到的效果。参考文献1王兆安,黄俊.电力电子技术.M.北京: 机械工业出版社,20002周克宁.电力电子技术.M.北京：机械工业出版社,20043黄家善.电力电子技术.M.北京：机械工业出版社4王兆安,黄俊.电力电子技术(第四版).M.北京：机械工业出版社，20005李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南（14册）.M北京：机械工业出版社，20016王维平.现代电力电子技术及应用.M.南京：东南大学出版社，19997石玉,栗书贤.电力电子技术题例与电路设计指导.M.北京：机械工业出版社8叶斌.电力电子应用技术及装置.M.北京：铁道出版社，19999王水平,贾静,方海燕等.M.开关稳压电源原理及设计.M.北京：人民邮电出版社, 200810周志敏,周纪海等.现代开关电源控制电路设计及应用.M.北京：人民邮电出版社, 2005；11王正谋,朱力恒.protel 电路设计与仿真技术.M.福建：福建科学技术出版社, 2004致 谢每一份付出都会有汇报，每一次努力都会有所收获，通过此次课程设计，我学到了很多平常课堂上没有学到的知识，比如文献资料的符号表示、三线表的制作等，当然在此次课程设计过程中也出现了很多问题，比如该用哪种控制电路和驱动电路，该用什么晶闸管等，在参考书本给出的几个典型电路和其他资料后选取适合的电路。当然个人制作的文档肯定存在较多的问题，比如书写的错误，表达的错误，更多的是考虑到方面不全，在同学帮忙校阅，吸取同学的意见添加和修改文档后制作出此文档，即使这样还是会有很多不足，在此，感谢老师和各位同学的帮助。附 录A 附图：降压斩波电路原理图附 录B 附表：降压斩波电路元器件清单序号名称代号参数数量备注1变压器TC1300KV/A12电感L700mH13电力场效应晶体管C500F/300V14二极管LEDIN414825SG3525U16EXB841U17电阻R1028电阻R50019电阻R10K210电阻R5.1K111滑动变阻器R10K12电容C0.01F13电容C100F 22