武汉工程大学电力电子技术课程设计综述.pdf
电力电子技术课程设计 1 电力电子课程设计 题目：DC/DC 双向变换器（升压斩波） 姓名： 学号： 指导教师 ( 职称) 胡卫兵 专业： 班级： 所 在学 院：电气信息学院 2014年 1 月 2 日 电力电子技术课程设计 2 目录 绪论 4 第 1 章 直流升压斩波电路的设计思想错误！未定义书签。 1.1 直流升压斩波电路原理 4 1.2 参数计算 5 第 2 章 直流升压斩波电路驱动电路设计 6 第 3 章 直流升压斩波电路保护电路设计. 错误！未定义书签。 3.1 过电流保护电路 6 3.2 过电压保护电路 7 第 4 章 直流升压斩波电路总电路的设计 7 第 5 章 直流升压斩波电路仿真. 错误！未定义书签。 5.1 仿真模型的选择 8 5.2 仿真结果及分析 . 错误！未定义书签。 第 6 章 设计总结 . 错误！未定义书签。 参考文献 错误！未定义书签。 附录：元件清单 11 电力电子技术课程设计 3 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。 主要元件介绍 1 IGBT 介绍 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。 2 驱动电路 M57962L 简介 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 1.50 s。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，输入信号经光电耦合接口电路，再经驱动级功率放大后驱动IGBT。 3 M57962L的工作原理 电力电子技术课程设计 4 M57962L采用双电源 + Vcc 和 VEE ，原理结构图如图 1-1 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 1-1 M57962L 原理机构图 第 1 章 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1-2 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 1-1 直流升压斩波电路原理图 高于电源的电压， 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： 电力电子技术课程设计 5 off t 10 E)I-(U（1-1 ） 稳态时，一个周期T中 L 积蓄能量与释放能量相等 offon tIEUt 101 )(EI（1-2 ） 化简得： E t T E t t offoff offon t U 0 （1-3 ） 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（1-4 ） 因此，式（ 1-2）可表示为： E -1 1 E 1 U0（1-5 ） 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 U 0 （1-6 ） 又输入电压为输入直流电压：110V，要求输出直流电压： 220V。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： 5.0（1-7 ） 又因为要求输出功率P=100W, 0 U=220V P R U 2 0 （1-8 ） 得：R=484（1-9 ） 电力电子技术课程设计 6 第 2 章 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 2-2 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IGBT，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 2-1 直流升压斩波驱动电路 第 3 章 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 3-1 电流保护电路所示。 图 3-1 直流升压斩波电路过流保护电路 电力电子技术课程设计 7 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，设计相应的保护电路。如图2-4 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 3-2 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。 图 3-2 直流斩波电路过电压保护电路 第 4 章 直流升压斩波电路总电路的设计 如图 4-1 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。 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： 05（4-1 ） 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 484。其中 保护电路包括过电压保护和过电流保护。 电力电子技术课程设计 8 C2 C3 VD1 M57962L VW3 8 1 5 4 6 -10V +15V NO +5V ui 14 13 V R1 L RC VD 电压输入 VW1 VW2 R1 R2 C1 图 4-1 直流升压斩波电路总电路 第 5 章 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matlab 软件作为仿真工具来进行电路的模拟。首先画出电 路的结构图如下所示： 图 5-1 直流升压斩波电路仿真电路模拟图 VDC v + - V-load T Scope R/C P1 L1 g m C E IGBT m a k D1 i + - 1L1 5.2 仿真结果及分析 （1）按照图 5-1 建立电路模型，选用的各模块及取经如下表 电力电子技术课程设计 9 表 5.1 仿真电路模块的名称及提取途径 （2）设置模块参数和仿真参数。双击脉冲发生器模块，按图5-2 设置参数。双击二极管 模块，按图 5-3 设置参数。绝缘栅极双极性晶体管模块采用SIMULINK 的默认设置。直 流电压源 Vdc 的幅值等于 110V。串联 RLC 支路为纯感性电路，其中电感HL400 1 。 并联 RLC 支路中 ,L=inf ，50R,FC25。 打开菜单【 SIMULINKConfiguration parameters 】 ，选择 obe23tb算法，同时设置仿 真结束时间为 20ms。 （3）仿真机结果。开始仿真。在仿真结束后双击示波器模块，得到绝缘栅极双极性晶体 管 IGBT 和并联 RLC 元件 R/C 上的电流电压如图5-4 所示。图中波形从上向下依次为电 感电流、二级管电流、符合电压、绝缘栅极双极性晶体管电流和电压。 5-2 脉冲发生器模块参数设置5-3 二极管模块参数设置 电力电子技术课程设计 10 5-4 仿真波形图 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220V的输出电压。 第 6 章 设计总结 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， 和向学长请教终于把一个又 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 matlab 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这个学期对我们的教诲，让我们对以后的路有了 更清楚的认识，感谢学长的耐心帮助，否则本次课程设计将很难完成。 参考文献 电力电子技术课程设计 11 1 王 兆 安 、 刘 进 军 电 力 电 子 技 术 （ 第 5 版 ） 机 械 工 业 出 版 社 ， 2009 2 康 华 光 、 陈 大 钦 电 子 技 术 基 础 模 拟 部 分 高 等 教 育 出 版 社 ， 20 0 2 3 秋 关 源 、 罗 先 觉 电 路 （ 第5版 ） 高 等 教 育 出 版 社 ， 2 0 0 6 附录：元件清单 名称数量（个） 绝缘栅极双极性晶体管IGBT 1 二极管模块 D1 1 直流电源 VDC 1 串联 RLC支路 L1 1 并联 RLC支路 R/C 1 电流表模块 IL1 1 电压表模块 V-load 1 脉冲发生器模块P 1 信号分离模块 2 示波器 1 信号终结模块 1
