電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)--直流升壓斬波電路的設(shè)計(jì)

1、<p>　　《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)</p><p>　　直流升壓斬波電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　電力電子課程設(shè)計(jì)課題任務(wù)書(shū)</p><p>　　學(xué)院： 電氣與信息工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè) </p><p><b>　　摘 要&

2、lt;/b></p><p>　　直流斬波電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調(diào)電壓的DC-DC變換器，包括直接直流電變流電路和間接直流電變流電路。直接直流電變流電路也稱(chēng)斬波電路，它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，一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，這種情況下輸入與輸出之間不隔離。間接直流變流電路是在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)，在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實(shí)現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱(chēng)

3、帶隔離的直流直流變流電路或直交直電路。直流斬波電路的種類(lèi)有很多，包括六種基本斬波電路：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。</p><p>　　斬波電路，利用不同的斬波電路的組合可以構(gòu)成符合斬波電路，如電流可逆斬波電路，橋式可逆斬波電路等。利用相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路進(jìn)行組合，可構(gòu)成多相多重?cái)夭娐贰?lt;/p><p>　　關(guān)鍵詞：

4、直流斬波電路；變壓器；升壓斬波</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　緒論................................................................1</p><p>　　1 直流升壓斬波電路的設(shè)計(jì)思想..............................

5、.........2</p><p>　　1.1 直流升壓斬波電路原理........................................2</p><p>　　1.2 參數(shù)計(jì)算....................................................3</p><p>　　2 直流升壓斬波電路驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)......

6、...............................4</p><p>　　2.1 驅(qū)動(dòng)電路M57962L簡(jiǎn)介........................................4 </p><p>　　2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)................................................4 </p><p&

7、gt;　　3 直流升壓斬波電路保護(hù)電路設(shè)計(jì).....................................6</p><p>　　3.1 過(guò)電流保護(hù)電路..............................................6</p><p>　　3.2 過(guò)電壓保護(hù)電路...........................................

8、...6</p><p>　　4 直流升壓斬波電路總電路的設(shè)計(jì).....................................7</p><p>　　5 直流升壓斬波電路仿真.............................................8</p><p>　　5.1 仿真模型的選擇.....................

9、.........................8</p><p>　　5.2 仿真電路圖..................................................8</p><p>　　5.3 仿真結(jié)果及分析..............................................9</p><p>　　設(shè)計(jì)總結(jié).

10、..........................................................11</p><p>　　致謝...............................................................12</p><p>　　參考文獻(xiàn)...........................................

11、................13</p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，高壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源已被廣泛用于計(jì)算機(jī)、通信、工業(yè)加工和航空航天等領(lǐng)域。所有動(dòng)力機(jī)裝置需要一個(gè)穩(wěn)定的電力輸送裝置，而外部提供的能源大多為交流，電源設(shè)備擔(dān)負(fù)著把交流電源轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備所需的各種類(lèi)別直流任務(wù)。但有時(shí)那轉(zhuǎn)變的直流電壓同所需設(shè)備要求人

12、仍不相符，仍需變換，稱(chēng)為DC/DC變換。直流斬波電路作為將直流電，變成另一種固定電壓的DC-DC變換器，在充電蓄電電路、直流傳動(dòng)系統(tǒng).、電力電子變換裝置、開(kāi)關(guān)電源及各種用電設(shè)備中得到普遍的應(yīng)用。隨之出現(xiàn)了諸如升壓斬波電路、降壓斬波電路、復(fù)合斬波電路、升降壓斬波電路等多種方式的變換電路。直流斬波技術(shù)，已被廣泛運(yùn)用于直流開(kāi)關(guān)電源和電機(jī)推動(dòng)中，使其控制獲得加速平滑、快速響應(yīng)、加快節(jié)能的效果。 </p><p>　　直流

13、斬波電路實(shí)際上采用的就是PWM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)獲得所需要的輸出電壓。PWM控制方式是目前才用最廣泛的一種控制方式，它具有良好的調(diào)整特性。隨電子技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)已發(fā)展各種集成式控制芯片，這種芯片只需外接少量元器件就可以工作，這不但簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，還大幅度的減少元器件數(shù)量、連線和焊點(diǎn)。 </p><p>　　1 直流升壓斬波電路的設(shè)計(jì)思想</p><p>

14、;　　1.1 直流升壓斬波電路原理</p><p>　　直流升壓變流器用于需要提升直流電壓的場(chǎng)合，其原理圖如圖1所示。</p><p>　　在電路中V導(dǎo)通時(shí)，電流由E經(jīng)</p><p>　　升壓電感L和V形成回路，電感</p><p>　　L儲(chǔ)能；當(dāng)V關(guān)斷時(shí)，電感產(chǎn)生</p><p>　　的反電動(dòng)勢(shì)和直流電源電壓方向

15、</p><p>　　相同互相疊加，從而在負(fù)載側(cè)得</p><p>　　到高于電源的電壓，二極管的作 圖1 直流升壓斬波電路原理圖</p><p>　　用是阻斷V導(dǎo)通是，電容的放電回路。調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)器件V的通斷周期，可以調(diào)整負(fù)載側(cè)輸出電流和電壓的大小。</p><p>　　假設(shè)L值、C值很大，V通時(shí)，E向L充電，充電電

16、流恒為，同時(shí)C的電壓向負(fù)載供電，因C值很大，輸出電壓為恒值,記為。設(shè)V通的時(shí)間為，此階段L上積蓄的能量為E。</p><p>　　V斷時(shí)，E和L共同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)V斷的時(shí)間為，則此期間電感L釋放能量為：</p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等</p>

17、<p><b>　　(2)</b></p><p><b>　　化簡(jiǎn)得：</b></p><p><b>　　(3)</b></p><p>　　上式中，輸出電壓高于電源電壓，故稱(chēng)升壓斬波電路。</p><p>　　——升壓比，調(diào)節(jié)其即可改變。將升壓比的倒數(shù)記作β，

18、即。和導(dǎo)通占空比，有如下關(guān)系：</p><p><b>　　(4)</b></p><p>　　因此，式（1-2）可表示為：</p><p><b>　　(5)</b></p><p>　　升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個(gè)原因:一是L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將

19、輸出電壓保持住。在以上分析中，認(rèn)為V處于通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓Uo不變，但實(shí)際上C值不可能為無(wú)窮大，在此階段其向負(fù)載放電，U。必然會(huì)有所下降，故實(shí)際輸出電壓會(huì)略低于理論所得結(jié)果，不過(guò)，在電容C值足夠大時(shí)，誤差很小，基本可以忽略。</p><p><b>　　1.2 參數(shù)計(jì)算</b></p><p>　　由直流斬波電路的原理可知</p>&l

20、t;p><b>　　(6)</b></p><p>　　又輸入電壓為輸入直流電壓：200V，要求輸出直流電壓范圍：300V～400V。所以只要根據(jù)輸入的電壓控制全控晶閘管IGBT關(guān)斷的時(shí)間和開(kāi)通的時(shí)間比就可，即升壓比就可得到所需電壓。由計(jì)算得：</p><p><b>　　(7)</b></p><p>　　如果要求

21、輸出功率P=100W, =340V</p><p><b>　　(8)</b></p><p>　　得： R=</p><p>　　2 直流升壓斬波電路驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 驅(qū)動(dòng)電路M57962L簡(jiǎn)介 </p><p>　　M57

22、962L是由日本三菱電氣公司為驅(qū)動(dòng)IGBT而設(shè)計(jì)的厚膜集成電路。在驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部裝有2500V高隔離電壓的光電耦合器，過(guò)流保護(hù)電路和過(guò)流保護(hù)輸出端子，具有封閉性短路保護(hù)功能。M57962L是一種高速驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)信號(hào)延時(shí)tPLH 和tPHL最大為1.50μs?？梢则?qū)動(dòng)600V/400V 級(jí)的IGBT模塊。M57962L工作程序:當(dāng)電源接通后，首先自檢，檢測(cè)IGBT是否過(guò)載或短路。若過(guò)載或短路， IGBT 的集電極電位升高，經(jīng)外接二極管流入

23、檢測(cè)電路的電流增加，柵極關(guān)斷電路動(dòng)作，切斷IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)在“8”腳輸出低電平“過(guò)載/短路”指示信號(hào)。lGBT正常時(shí)，輸入信號(hào)經(jīng)光電耦合接口電路，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)級(jí)功率放大后驅(qū)動(dòng)IGBT。 </p><p>　　M57962L采用雙電源+ Vcc和VEE ，原理結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。電路組成： (1) 放大隔離電路； (2) 定時(shí)復(fù)位電路；(3) 過(guò)流檢測(cè)電路； (4) 過(guò)流輸出電路。</p>&l

24、t;p>　　圖2 M57962L原理結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　升壓電路所用全控型晶閘管IGBT是電壓型驅(qū)動(dòng)器件。IGBT的柵射極之間有數(shù)千皮法左右的極間電容，為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路具有較小的輸出電阻使IGBT開(kāi)通的柵射極間的驅(qū)動(dòng)電壓一般取15—20V。同樣，關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓（-5—-15V）有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷

25、損耗。在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩。</p><p>　　IGBT的驅(qū)動(dòng)多采用專(zhuān)用的混合驅(qū)動(dòng)集成驅(qū)動(dòng)器，本次采用M57962L驅(qū)動(dòng)器。如圖2驅(qū)動(dòng)電路圖所示。又由產(chǎn)品信息知M57962L驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部具有退飽和和檢測(cè)和保護(hù)環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)生過(guò)電流時(shí)能快速響應(yīng)但慢速關(guān)斷IGBT，并向外部電路發(fā)出故障信號(hào)。</p><p>　　圖3 直流升壓斬波驅(qū)動(dòng)電路</p><p>

26、　　3 直流升壓斬波電路保護(hù)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 過(guò)電流保護(hù)電路</p><p>　　電力電子電路運(yùn)行不正常或者發(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過(guò)電流。過(guò)電流分為過(guò)載和短路兩種情況。通常采用的保護(hù)措施有：快速熔斷器、直流快速斷路器和過(guò)電流繼電器。一般電力電子裝置均同時(shí)采用集中過(guò)流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性。</p><p>　　綜合本次設(shè)計(jì)電路的

27、特點(diǎn)，采用快速熔斷器，即給晶閘管串聯(lián)一個(gè)保險(xiǎn)絲實(shí)施電流保護(hù)。如圖4電流保護(hù)電路所示。</p><p>　　圖4 直流升壓斬波電路過(guò)流保護(hù)電路</p><p>　　對(duì)于所選的保險(xiǎn)絲，遵從值小于晶閘管的允許值。</p><p>　　3.2 過(guò)電壓保護(hù)電路</p><p>　　電力電子裝置中可能發(fā)生的過(guò)電壓分為外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓兩類(lèi)。外因過(guò)電

28、壓主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)中的操作過(guò)程等外部原因。本設(shè)計(jì)主要用于室內(nèi)，為了使用方便不考慮來(lái)自雷擊的威脅。</p><p>　　操作過(guò)電壓是由分閘、合閘的開(kāi)關(guān)操作引起的過(guò)電壓，電網(wǎng)側(cè)的操作過(guò)電壓會(huì)由供電變壓器磁感應(yīng)耦合，或由變壓器繞組之間存在的分布電容靜感應(yīng)耦合過(guò)來(lái)。內(nèi)因過(guò)電壓主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程，包括：換相過(guò)電壓，關(guān)斷過(guò)電壓。</p><p>　　根據(jù)以上產(chǎn)生過(guò)電壓的的各種原因

29、，設(shè)計(jì)相應(yīng)的保護(hù)電路。如圖5過(guò)壓保護(hù)電路所示。其中：圖中是利用一個(gè)電阻加電容進(jìn)行電壓抑制，當(dāng)電壓過(guò)高時(shí)，保護(hù)電路中的電容會(huì)阻礙其電壓的上升，從而使得電力電子器件IGBT管不會(huì)因電壓的過(guò)高而損壞。</p><p>　　圖5 直流斬波電路過(guò)電壓保護(hù)電路</p><p>　　4 直流升壓斬波電路總電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　如圖6總電路設(shè)計(jì)圖所示。電路由升壓電路，驅(qū)

30、動(dòng)模塊、保護(hù)模塊、緩沖電路組成。</p><p>　　圖6 直流升壓斬波電路總電路</p><p>　　由M57862L芯片為核心構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路，控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，從而控制電路的升壓比β，使其達(dá)到：</p><p><b>　　(9)</b></p><p>　　進(jìn)而使輸出電壓達(dá)到目的值。</p>

31、<p>　　升壓電路時(shí)整個(gè)電路的核心，由一個(gè)IGBT和電容、電感值都很大的電容電感各一個(gè)。R為輸出負(fù)載，電壓由此輸出。因?yàn)檩敵龉β适且欢ǖ?00W，從而R為定值1156Ω。其中保護(hù)電路包括過(guò)電壓保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)。</p><p>　　5 直流升壓斬波電路仿真</p><p>　　5.1 仿真模型的選擇</p><p>　　在本次的設(shè)計(jì)中，采用了Ma

32、tlab軟件作為仿真工具來(lái)進(jìn)行電路的模擬。首先畫(huà)出電路的結(jié)構(gòu)圖如下所示：</p><p>　　圖7 直流升壓斬波電路仿真電路模擬圖</p><p>　　由上圖中我們可以看到，在電路中，在IGBT的兩端加了脈沖觸發(fā)電壓，控制開(kāi)關(guān)的關(guān)斷，以便得到升壓的電壓。</p><p>　　5.2 仿真電路圖</p><p>　　圖8 直流升壓斬波電路Ma

33、tlab仿真電路模型</p><p>　　5.3 仿真結(jié)果及分析</p><p>　　在模型中設(shè)置仿真參數(shù)，設(shè)置電源E電壓為200V，電阻的阻值為5Ω，脈沖發(fā)生器脈沖周期為T(mén)=0.2ms,脈沖寬度為50%，IGBT和二極管的參數(shù)保持默認(rèn)，選L的值為0.1ms,C的值為100μF。</p><p>　　圖9 α=1/3時(shí)仿真輸出電壓波形</p><

34、;p>　　圖10 α=2/5時(shí)仿真輸出電壓波形</p><p>　　圖11 α=1/2時(shí)仿真輸出電壓波形</p><p>　　當(dāng)α=1/3時(shí)，輸出電壓為300V；</p><p>　　當(dāng)α=2/5時(shí)，輸出電壓為333V；</p><p>　　當(dāng)α=1/2時(shí)，輸出電壓為400V。</p><p>　　從上面的直流電

35、壓輸出圖中我們可以看出來(lái)，本次設(shè)計(jì)是成功的，理論與實(shí)際是相符的，我們得到了300V～400V的輸出可調(diào)電壓。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)半個(gè)月的努力，本次課程設(shè)計(jì)總算順利結(jié)束，可能還有很多不足的地方，還請(qǐng)老師批評(píng)指導(dǎo)。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容囊括了本學(xué)期所學(xué)《電力電子技術(shù)》的大部分內(nèi)容

36、，還用到了以前所學(xué)的電路、模電的知識(shí)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我遇到了諸多問(wèn)題，這主要是自己所學(xué)知識(shí)的不牢固和欠缺造成的。通過(guò)再次認(rèn)真翻看課本，查閱資料，向老師和同學(xué)請(qǐng)教，終于把一個(gè)又一個(gè)的問(wèn)題解決掉。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我不僅進(jìn)一步鞏固了這門(mén)課程的知識(shí)，還熟悉了Matlab等相關(guān)軟件的使用方法，這為以后的學(xué)習(xí)工作提供了便利。</p><p>　　通過(guò)這次設(shè)計(jì)，我還發(fā)現(xiàn)課本上的理論知識(shí)和實(shí)踐還是有一定的差別，理論知識(shí)要應(yīng)用到實(shí)

37、踐中要經(jīng)過(guò)仔細(xì)地思考和多次嘗試，只有這樣才能達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)踐的效果。如果不是通過(guò)課程設(shè)計(jì)，我們的知識(shí)面可能一直停留在理論的層面。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　一段時(shí)間的課程設(shè)計(jì)，使我有了很多的心得體會(huì)，可以說(shuō)這次直流升壓斬波電路的課程設(shè)計(jì)是在大家共同努力和老師的精心指導(dǎo)下共同完成的。</p><p>　　通

38、過(guò)這次課程設(shè)計(jì)加深了我對(duì)這門(mén)課程的了解，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)。 </p><p>　　最后，感謝老師的耐心指導(dǎo)和同學(xué)的大力支持，使我在本次設(shè)計(jì)遇到的問(wèn)題都解決了，順利的完成了本次課程設(shè)計(jì)，并從中學(xué)習(xí)到了更多的知識(shí)。 </p><p>　　再次感謝在本次設(shè)計(jì)中給予我?guī)椭娜耍?/p>

39、謝謝你們！ </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1].王兆安，王俊編. 電力電子技術(shù)(第5版).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010</p><p>　　[2].黃俊，秦祖蔭編. 電力電子自關(guān)斷器件及電路.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1991</p><p>　　[3].李序葆，趙永健編. 電力電子

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