電力電子課程設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1設計總體思路1</p><p>　　1.1設計總體思路1</p><p>　　1.2基本原理1</p><p>　　1.3總電路圖4</p><p>　　2單元電路設計4</p><p>

2、　　2.1 主電路模塊4</p><p>　　2.2控制電路模塊6</p><p>　　2.3驅動電路模塊10</p><p>　　2.4檢測和保護模塊13</p><p>　　3MATLAB仿真15</p><p>　　3.1 仿真原理圖15</p><p>　　

3、3.2 仿真波形16</p><p><b>　　4參數計算17</b></p><p>　　5總結和體會18</p><p><b>　　6附錄20</b></p><p>　　7 參 考 文 獻21</p><p><b>　　設計總體思路

4、</b></p><p><b>　　設計總體思路</b></p><p>　　通過對直流穩(wěn)壓電源部分，BUCK主電路，控制電路以及驅動電路的設計，得到了設計的總體電路。在總電路圖中，直流穩(wěn)壓電源部分輸出27V的直流電供給BUCK電路，在BUCK主電路里，負載輸出恒定為15V，全控型器件選用IGBT；電路采用的是PWM控制方式，控制脈沖由集成脈寬調制器SG

5、3525產生，BUCK電路輸出電壓反饋給控制電路，起到控制占空比的目的；控制信號需要經過驅動電路才能起到控制IGBT的目的，驅動電路是由驅動芯片EXB841構成；電路中還包括了IGBT的檢測和保護電路，對電路的過電流與過電壓起到了很好的抑制作用。</p><p><b>　　基本原理</b></p><p>　　t=0時刻驅動IGBT導通，電源E向負載供電，負載電壓u

6、o=E，負載電流io按指數曲線上升。</p><p>　　t=t1時控制IGBT關斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數曲線下降，通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。</p><p>　　至一個周期T結束，再驅動IGBT導通，重復上一周前的過程。當電路穩(wěn)定時，負載電流在一個周期的初值和終值相等。</p><p>　　電流連續(xù)時負載電壓的平均值

7、</p><p>　　式中，ton為V處于通態(tài)的時間，toff為V處于斷態(tài)的時間，T為開關周期，為導通占空比，簡稱占空比或導通比。 </p><p><b>　　負載電流平均值為 </b></p><p>　　電流斷續(xù)時，負載電壓uo平均值會被抬高，一般不希望出現電流斷續(xù)的情況。</p><p>　　基于分時段線性電路這

8、一思想，按V處于通態(tài)和處于斷態(tài)兩個過程來分析，初始條件分電流連續(xù)和斷續(xù)。</p><p><b>　　電流連續(xù)時得出</b></p><p>　　式中I10和I20分別是負載電流瞬時值的最小值和最大值。 </p><p>　　以上所示的關系還可從能量傳遞關系簡單地推得，一個周期中，忽略電路中的損耗，則電源提供的能量與負載消耗的能量相等，即

9、</p><p>　　假設電源電流平均值為I1，則有 </p><p>　　其值小于等于負載電流Io，由上式得 </p><p>　　即輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器</p><p>　　電流斷續(xù)時有I10=0，且t=ton+tx時，i2=0，可以得出 </p><p>　　電流連續(xù)時，tx&g

10、t;toff，由此得出電流連續(xù)的條件為 </p><p><b>　　輸出電壓平均值為 </b></p><p><b>　　負載電流平均值為 </b></p><p><b>　　總電路圖</b></p><p><b>　　單元電路設計</b><

11、/p><p><b>　　2.1 主電路模塊</b></p><p>　　2.1.1 主電路原理</p><p>　　設計采用橋式電路整流：由四個二極管組成一個全橋整流電路. 由整流電路出來的電壓含有較大的紋波，電壓質量不太好，故需要進行濾波。本電路采用RL低通濾波器（通過串聯一個電感，濾除電流的高次諧波，并聯一個電容濾除電壓的高次諧波），以減小

12、紋波。輸入端接220V、50Hz的市電，進過變壓器T1（原線圈/副線圈為9.8/1）后輸出22.45V、50Hz。電感具有電流不能突變，通直流阻交流特性，因此串聯一個電感可以提高直流電壓品質。而電容具有電壓不能突變，通交流阻直流特性，因此并聯一個大電容可以濾除雜波，減小紋波。結合兩種元器件的特性，組成上圖整流電路，可以得到比較理想的直流電壓（幅值為22.45*1.2=26.9V左右）。</p><p>　　BUC

13、K變換器主電路可使用一個全控器件IGBT控制導通。用控制電路和驅動電路來控制IGBT的開斷，當t=0時，驅動IGBT導通，電源E向負載供電，負載電壓u。=E，負載電流i。按指數曲線上升。</p><p>　　當t=t1時刻，控制IGBT關斷，負載電流經二極管VD續(xù)流，負載電壓u。近似為零，負載電流指數曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小，故串聯L值較大的電感。</p><p>　　至一個周

14、期T結束，再驅動IGBT導通，重復上一周期的過程。當電力工作于穩(wěn)態(tài)時負載電流在一個周期的初值和終值相等，負載電壓的平均值為</p><p>　　通過調節(jié)占空比α使輸出到負載的電壓平均值U。最大為E，若減小占空比α，則U。隨之減小。</p><p><b>　　2.1.2主電路圖</b></p><p><b>　　控制電路模塊<

15、/b></p><p>　　BUCK電路由SG3525芯片控制.</p><p>　　2.2.1芯片SG3525功能介紹</p><p>　　SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調制器是按照接反饋電流來調節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化

16、而變化。由于結構上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統，因此，無論開關電源的電壓調整率、負載調整率和瞬態(tài)響應特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。</p><p>　　1）SG3525引腳功能及特點簡介 其原理圖如圖4.13下： </p><p><b>　　引腳功能</b></p><p>　　Inv.input(引腳1)：誤差放大器反向輸

17、入端。在閉環(huán)系統中，該引腳接反饋信號。在開環(huán)系統中，該端與補償信號輸入端（引腳9）相連，可構成跟隨器。 Noninv.input(引腳2)：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統和開環(huán)系統中，該端接給定信號。根據需要，在該端與補償信號輸入端（引腳9）之間接入不同類型的反饋網絡，可以構成比例、比例積分和積分等類型的調節(jié)器。 Sync(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與外電路同步。 OSC.O

18、utput(引腳4)：振蕩器輸出端。 CT(引腳5)：振蕩器定時電容接入端。 RT（引腳6）：振蕩器定時電阻接入端。 Discharge(引腳7)：振蕩器放電端。該端與引腳5之間外接一只放電電阻，構成放電回路。 Soft-Start(引腳8)：軟啟動電容接入端。該端通常接一只5 的軟啟動電容。 Compensation(引腳9)：PWM比較器補償信號輸入端。在該端與引腳2之間接入不同類型

19、的反饋網絡，可以構成比例、比例積分和積分等類型調節(jié)器。 Shut</p><p><b>　　控制電路圖</b></p><p><b>　　驅動電路模塊</b></p><p>　　2.3.1驅動芯片 EXB841功能介紹</p><p><b>　　1）原理</b>

20、;</p><p>　　下圖所示為EXB841的內部電路和典型應用電路圖，主要有3個工作過程：正常開通過程、正常關斷過程和過流保護動作過程.14和15兩腳間外加PWM控制信號，當10～15V的正向觸發(fā)控制脈沖電壓施加于15和14腳時，在GE兩端產生約16 v的IGBT開通電壓；當觸發(fā)控制脈沖電壓撤消時，在GE兩端產生約-5.1 V的IGBT關斷電壓.過流保護動作過程是根據IGBT的CE極間電壓Uce的大小判定是否

21、過流而進行保護的，Uce由二極管V7檢測.當IGBT開通時，若發(fā)生負載短路等產生大電流的故障，Uce上升很多，會使得二極管V7截止，EXB841的6腳“懸空”，B點和C點電位開始由約6 V 上升，當上升至13 V 時，Vs1被擊穿，V3導通，C4通過R7和V3放電，E點的電壓逐漸下降，V6導通，從而使IGBT的GE間電壓Uge下降，實現緩關斷，完成EXB841對IGBT的保護.E點電位Ue為-5.1 V，由EXB841內部的穩(wěn)壓二極管V

22、s2決定.</p><p><b>　　2）引腳功能</b></p><p>　?、?連接用于反向偏置電源的濾波電容</p><p>　?、?電源（+20V）</p><p><b>　?、?驅動輸出</b></p><p>　?、?用于連接外部電容，以防止過流保護電路誤動

23、作（絕大部分場合不需要電容。）</p><p><b>　　⑤ 過流保護輸出</b></p><p><b>　?、?集電極電壓監(jiān)視</b></p><p><b>　?、?⑧ 不接</b></p><p><b>　?、?電源（ov）</b></p

24、><p><b>　?、?⑾ 不接</b></p><p>　　⒁ 驅動信號輸入（-），驅動信號輸入（+）</p><p>　　2.3.2驅動電路圖</p><p><b>　　檢測和保護模塊</b></p><p><b>　　2.4.1原理</b>&l

25、t;/p><p>　　1）IGBT的過電流保護</p><p>　　IGBT的過流保護電路可分為2類：一類是低倍數的（1.2～1.5倍）的過載保護；一類是高倍數（可達8～10倍）的短路保護。</p><p>　　對于過載保護不必快速響應，可采用集中式保護，即檢測輸入端或直流環(huán)節(jié)的總電流，當此電流超過設定值后比較器翻轉，封鎖所有IGBT驅動器的輸入脈沖，使輸出電流降為零。

26、這種過載電流保護，一旦動作后，要通過復位才能恢復正常工作。 IGBT能承受很短時間的短路電流，能承受短路電流的時間與該IGBT的導通飽和壓降有關，隨著飽和導通壓降的增加而延長。如飽和壓降小于2V的IGBT允許承受的短路時間小于5μs，而飽和壓降3V的IGBT允許承受的短路時間可達15μs，4～5V時可達30μs以上。存在以上關系是由于隨著飽和導通壓降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路電流同時增大，短路時的功耗隨著電流的平方加大

27、，造成承受短路的時間迅速減小。 通常采取的保護措施有軟關斷和降柵壓2種。軟關斷指在過流和短路時，直接關斷IGBT。但是，軟關斷抗騷擾能力差，一旦檢測到過流信號就關斷，很容易發(fā)生誤動作。為增加保護電路的抗騷擾能力，可在故障信號與啟動保護電路之間加一延時，不過故障電流會在這個延時內急劇上升，大大增加了功率損耗，同時還會導致器件的di/dt增大。所以往往是保護電路啟動了，器件仍然壞了。 </p><p>

28、;　　2）IGBT開關過程中的過電壓保護 </p><p>　　關斷IGBT時，它的集電極電流的下降率較高，尤其是在短路故障的情況下，如不采取軟關斷措施，它的臨界電流下降率將達到數kA/μs。極高的電流下降率將會在主電路的分布電感上感應出較高的過電壓，導致IGBT關斷時將會使其電流電壓的運行軌跡超出它的安全工作區(qū)而損壞。所以從關斷的角度考慮，希望主電路的電感和電流下降率越小越好。但對于IGBT的開通來說

29、，集電極電路的電感有利于抑制續(xù)流二極管的反向恢復電流和電容器充放電造成的峰值電流，能減小開通損耗，承受較高的開通電流上升率。一般情況下IGBT開關電路的集電極不需要串聯電感，其開通損耗可以通過改善柵極驅動條件來加以控制。</p><p>　　2.4.2檢測和保護電路圖</p><p><b>　　MATLAB仿真</b></p><p><

30、;b>　　3.1 仿真原理圖</b></p><p>　　電源E=27V，占空比α=0.56，脈沖周期0.02S，負載R=20歐姆，L=5H，負載電動勢e=2V。采用ode23tb算法,持續(xù)時間5S。</p><p><b>　　3.2 仿真波形</b></p><p>　　從上到下依次是IGBT元件測量端m輸出的信號波形，負

31、載電流波形，負載電壓波形。</p><p><b>　　參數計算</b></p><p><b>　　已知</b></p><p>　　Us=27V Us=1.2U</p><p><b>　　則</b></p><p>　　U2=Us/1.2= 22.

32、5V</p><p>　　考慮到10%的裕量 </p><p>　　U2=1.1×22.5V=24.8V</p><p>　　變比 </p><p>　　K=U1/U2=220/24.8=8.87</p><p>　　因為輸出電壓為U=15V，平均輸出功率為P=55W

33、,則電流Id=P/U=3.7A，負載電阻R=U/Id=4歐姆。</p><p>　　二極管承受反向最大電壓 </p><p>　　UDM=1.414U2=1.414×22.5＝31.7V</p><p>　　考慮3倍裕量，則 </p><p>　　UTN=3×31.7=95.4V 取100V</p&g

34、t;<p>　　該電路整流輸出接有大電容，而且負載也不是純電感負載，但為了簡化計算，仍可按電感計算，只是電流裕量要可適當取大些即可。</p><p>　　IdD=0.5Id=0.5×3.7=1.8A</p><p>　　ID=Id/1.414=3.7/1.414=2.6A</p><p>　　ID(AV)=2ID/1.57=2×2.

35、6/1.57=3.3A</p><p>　　1）濾波電感和電容選擇</p><p>　　主開關管可使用IGBT，開關頻率為5kHz；</p><p>　　輸入27V，輸出15V，可確定占空比Dc=0.56；</p><p>　　根據如下公式選擇電感</p><p>　　這個值是電感電流連續(xù)與否的臨界值，L>則電感

36、電流連續(xù)，實際電感值可選為1.2倍的臨界電感，可選擇為；</p><p>　　根據紋波的要求和如下公式計算電容值</p><p><b>　　=</b></p><p>　　2)續(xù)流二極管和IGBT的選擇</p><p>　　因為Us=27V，取3倍裕量，選耐壓為100V以上的IGBT。由于IGBT是以最大標注且穩(wěn)定電流

37、與峰值電流間大致為4倍關系，故應選用大于4倍額定負載電流的IGBT為宜，因此選用30A,額定電壓100V左右的IGBT</p><p><b>　　根據 </b></p><p>　　Urm=(2 – 3)Us Icm=（1 - 1.5 ）Id</p><p>　　得知續(xù)流二極管應選IcmA、額定電壓為的UrmV</p>

38、<p><b>　　總結和體會</b></p><p>　　經過兩周的課程設計，使我感受頗深，可以說這次Buck變換器系統課程設計是在大家共同努力和在老師的精心指導下共同完成的。</p><p>　　一開始接觸這個課題時我還不知道該從何下手，很多東西不知該如何實現，經過兩星期的努力，在圖書館和網上查資料，請教同學，終于是完成了任務。</p>

39、<p>　　通過這次設計加深了我對這門課程的了解，以前總是覺得理論結合不了實際，但通過這次設計使我認識到了理論結合實際的重要性。但由于我知識的限制，設計還有很多不足之處，希望老師指出并教導。</p><p>　　通過對電路圖的研究，也增強了我們的思考能力。另外，在使用protel軟件繪制電路圖和MATLAB仿真的過程中，我學到了很多實用的技巧，這也為以后的工作打下了很好的基礎。從開始任務到查找資料，到

40、設計電路圖，我學到了課堂上學習不到的知識。上課時總覺得所學的知識太抽象，沒什么用途，現在終于認識到它的重要性。</p><p>　　課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識發(fā)現、提出、分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。很感激學校給了我們這次動手實踐的機會，讓我們學生有了一個共同學習，增長見識，開拓視野的機會。也感謝老師對我們無私忘我的指導，我會以這次課程設計作為對自己

41、的激勵，繼續(xù)學習。</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　7 參 考 文 獻：</p><p>　　1．石玉 栗書賢．電力電子技術題例與電路設計指導．機械工業(yè)出版社，1998 </p><p>　　2．王兆安 黃俊．電力電子技術（第4版）．機械工業(yè)出版社，2000</p>&l

42、t;p>　　3．浣喜明 姚為正．電力電子技術．高等教育出版社，2000</p><p>　　4．莫正康．電力電子技術應用（第3版）．機械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　5．鄭瓊林．耿學文．電力電子電路精選．機械工業(yè)出版社，1996</p><p>　　6．劉定建，朱丹霞．實用晶閘管電路大全．機械工業(yè)出版社，1996</p><p&