課程設(shè)計---直流斬波電路設(shè)計

1、<p>　　課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書</p><p>　　課程名稱 　 電力電子技術(shù) </p><p>　　題 目 升壓斬波電源設(shè)計 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工及其自動化 </p><p>　　學(xué)生姓名

2、 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)老師 </p><p>　　審 批 </p><p>　　任務(wù)書下達(dá)日期 2010 年 5 月 17 日</p><p>　　設(shè) 計 完成日期 2010 年

3、 5 月 28 日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本設(shè)計是基于SG3525芯片為核心控制的PWM升壓斬波電路（Boost chopper）.設(shè)計由Matlab仿真和Protel兩大部分構(gòu)成。Matlab主要是理論分析，借助其強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計算和仿真功能可也很直觀的看到PWM控制輸出電壓的曲線圖。通過設(shè)置參數(shù)分析輸出與電路參數(shù)和控制量的關(guān)

4、系，最后進(jìn)行了GUI編程，利用圖形可視化界面的直觀易懂的特點(diǎn)，使設(shè)計摒棄了繁瑣難懂的單一波形和控制方式，從而具有友好界面，非常方便的就可進(jìn)行控制參數(shù)輸入，和輸出圖像顯示。第二部分是電路板，它可以通過BluePrint、Kicad 、Protel等軟件設(shè)計完成，其中Protel原理圖設(shè)計系統(tǒng)以其分層次的設(shè)計環(huán)境，強(qiáng)大的元件及元件庫的組織功能，方便易用的連線工具，強(qiáng)大的編輯功能設(shè)計檢驗(yàn)，與印制電路板設(shè)計系統(tǒng)的緊密連接，自定義原理圖模板高質(zhì)量

5、的輸出等等優(yōu)點(diǎn)，和豐富的設(shè)計法則，易用的編輯環(huán)境，輕松的交互性手動布線，簡便的封裝形式的編輯及組織，高智能的基于形狀的自定布線功能，萬無一失的設(shè)計檢驗(yàn)等印制電路板設(shè)計系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，使其在我們學(xué)生選用PCB電路板設(shè)計軟件中占了絕大部分比重。本設(shè)計也采用Protel設(shè)計原理圖，和進(jìn)</p><p>　　關(guān)鍵字 升壓斬波; SG3525;SIMULINK ; PWM;Protel</p><p>

6、;<b>　　引 言</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 ,在直流傳動系統(tǒng)、充電蓄電電路、開關(guān)電源、電力電子變換裝置及各種用電設(shè)備中得到普通的應(yīng)用.隨之出現(xiàn)了諸如降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、復(fù)合斬波電路等多種方式的變換電路 . 直流斬波技術(shù)已被廣泛用于開關(guān)電源及直流電動機(jī)驅(qū)動中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響

7、應(yīng)、節(jié)約電能的效果。全控型電力電子器件IGBT在牽引電傳動電能傳輸與變換、有源濾波等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但以 IGBT為功率器件的直流斬波電路在實(shí)際應(yīng)用中需要注意以下問題:（1）系統(tǒng)損耗的問；</p><p>　?。?）柵極電阻；（3）驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)過流過壓保護(hù)的問題。</p><p>　　1. 升壓斬波工作原理</p><p>　　1.1 主電路工作原理<

8、/p><p>　　假設(shè)L值、C值很大，V通時，E向L充電，充電電流恒為I1，同時C的電壓向負(fù)載供電，因C值很大，輸出電壓uo為恒值,記為Uo。設(shè)V通的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為EI1ton</p><p>　　V斷時，E和L共同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)V斷的時間為toff，則此期間電感L釋放能量為</p><p>　　穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量

9、相等</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　化簡得：</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　，輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路。也稱之為boost chooper變換器。</p>&

10、lt;p>　　——升壓比，調(diào)節(jié)其即可改變Uo。將升壓比的倒數(shù)記作β，即。?和導(dǎo)通占空比，有如下關(guān)系：</p><p><b>　　（1-3）</b></p><p>　　因此，式（1-2）可表示為</p><p><b>　　（1-4）</b></p><p>　　升壓斬波電路能使輸出電壓高于

11、電源電壓的原因：</p><p>　?、?L儲能之后具有使電壓泵升的作用</p><p>　?、?電容C可將輸出電壓保持住</p><p>　　1.2 IGBT驅(qū)動電路選擇 IGBT的門極驅(qū)動條件密切地關(guān)系到他的靜態(tài)和動態(tài)特性。門極電路的正偏壓uGS、負(fù)偏壓-uGS和門極電阻RG的大小，對IGBT的通態(tài)電壓、開關(guān)、開關(guān)損耗、承受短路能力及du/dt電流等參

12、數(shù)有不同程度的影響。其中門極正電壓uGS的變化對IGBT的開通特性，負(fù)載短路能力和duGS/dt電流有較大的影響，而門極負(fù)偏壓對關(guān)斷特性的影響較大。同時，門極電路設(shè)計中也必須注意開通特性，負(fù)載短路能力和由duGS/dt電流引起的誤觸發(fā)等問題。根據(jù)上述分析，對IGBT驅(qū)動電路提出以下要求和條件：</p><p>　　(1)由于是容性輸出輸出阻抗；因此IBGT對門極電荷集聚很敏感，驅(qū)動電路必須可靠，要保證有一條低阻抗

13、的放電回路。</p><p>　　(2)用低內(nèi)阻的驅(qū)動源對門極電容充放電，以保證門及控制電壓uGS有足夠陡峭的前、后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開通后，門極驅(qū)動源應(yīng)提供足夠的功率，使IGBT不至退出飽和而損壞。</p><p>　　(3)門極電路中的正偏壓應(yīng)為+12～+15V；負(fù)偏壓應(yīng)為-2V～-10V。</p><p>　　(4)IGBT 驅(qū)動電

14、路中的電阻RG對工作性能有較大的影響，RG較大，有利于抑制IGBT 的電流上升率及電壓上升率，但會增加IGBT 的開關(guān)時間和開關(guān)損耗；RG較小，會引起電流上升率增大，使IGBT 誤導(dǎo)通或損壞。RG的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)及IGBT 的容量有關(guān)，一般在幾歐～幾十歐，小容量的IGBT 其RG值較大。</p><p>　　(5)驅(qū)動電路應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力及對IGBT 的自保護(hù)功能。IGBT 的控制、驅(qū)動及保護(hù)電路

15、等應(yīng)與其高速開關(guān)特性相匹配，另外，在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下，IGBT的G～E極之間不能為開路。</p><p>　　IGBT驅(qū)動電路分類驅(qū)動電路分為：分立插腳式元件的驅(qū)動電路；光耦驅(qū)動電路；厚膜驅(qū)動電路；專用集成塊驅(qū)動電路。本文設(shè)計的電路采用的是專用集成塊驅(qū)動電路。</p><p>　　IGBT驅(qū)動電路分析隨著微處理技術(shù)的發(fā)展(包括處理器、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和存儲器件)，數(shù)字信號處理器以其優(yōu)越

16、的性能在交流調(diào)速、運(yùn)動控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。一般數(shù)字信號處理器構(gòu)成的控制系統(tǒng)， IGBT驅(qū)動信號由處理器集成的PWM模塊產(chǎn)生的。而PWM接口驅(qū)動能力及其與IGBT的接口電路的設(shè)計直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。因此本文采用SG3525設(shè)計出了一種可靠的IGBT驅(qū)動方案。</p><p>　　2.4 最優(yōu)參數(shù)選擇</p><p>　　當(dāng)IGBT處于導(dǎo)通時，得

17、( 1 - 6 )</p><p>　　設(shè)的初值為，解上式得</p><p>　　( 1 – 7 )</p><p>　　當(dāng)IGBT處于關(guān)斷時，設(shè)電動機(jī)電樞電流為，得</p><p>　　( 1 – 8 )</p><p>　　設(shè)的初值為，解上式得</p><p>　　( 1 –

18、9 )</p><p>　　當(dāng)電流連續(xù)時，從圖 3-2 的電流波形可看出，=時刻=，=時刻=，由此可得</p><p>　　( 1 – 10 )</p><p>　　( 1 – 11 )</p><p><b>　　故由上兩式求得：</b></p><p>　　( 1 – 12 )&

19、lt;/p><p>　　( 1 – 13 )</p><p>　　把上面兩式用泰勒級數(shù)線性近似，得</p><p>　　( 1 – 14 )</p><p>　　該式表示了L為無窮大時電樞電流的平均值，即</p><p>　　( 1 – 15 )</p><p>　　當(dāng)電流斷續(xù)時的波形如

20、圖 3-2所示。當(dāng)=0時刻 ==0，令式 （1-10）中=0即可求出，進(jìn)而可寫出的表達(dá)式。另外，當(dāng)=時，=0，可求得持續(xù)的時間，即</p><p>　　( 1 – 16 )</p><p>　　當(dāng)時，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài)，是電流斷續(xù)的條件，即</p><p>　　( 1 – 17 )</p><p>　　根據(jù)上式可對電路的工作狀態(tài)做

21、出判斷。該式也是最優(yōu)參數(shù)選擇的依據(jù)。</p><p><b>　　二、硬件實(shí)驗(yàn)</b></p><p><b>　　2.1 硬件電路</b></p><p>　　2.1.1 整流電路</p><p>　　本設(shè)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. 對整流出來的電壓進(jìn)行傅里葉變換得，由

22、整流電路出來的電壓含有較大的紋波，電壓質(zhì)量不太好，故需要進(jìn)行濾波。本電路采用RL低通濾波器（通過串聯(lián)一個電感，濾除電流的高次諧波，并聯(lián)一個電容濾除電壓的高次諧波），以減小紋波。Protel原理圖如下圖4所示：</p><p>　　輸入端接220V、50Hz的市電，進(jìn)過變壓器T1（原線圈/副線圈為4/1）后輸出55V、50Hz。當(dāng)同名端為正時D2、D5導(dǎo)通，D3、D4截止，電壓上正下負(fù)。當(dāng)同名端為負(fù)時D2、D5截止

23、，D3、D4導(dǎo)通，電壓同樣是上正下負(fù)，從而實(shí)現(xiàn)整流。電感具有電流不能突變，通直流阻交流特性，因此串聯(lián)一個電感可以提高直流電壓品質(zhì)。而電容具有電壓不能突變，通交流阻直流特性，因此并聯(lián)一個大電容可以濾除雜波，減小紋波。結(jié)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50V左右）。</p><p>　　2.1.2 斬波信號產(chǎn)生電路</p><p>　　此電路主要用來驅(qū)

24、動IGBT斬波。產(chǎn)生PWM信號有很多方法，但歸根到底不外乎直接產(chǎn)生PWM的專用芯片、單片機(jī)、PLC、可編程邏輯控制器等本電路采用直接產(chǎn)生PWM的專用芯片SG3525.該芯片的外圍電路只需簡單的連接幾個電阻電容，就能產(chǎn)生特定頻率的PWM波，通過改變IN+輸入電阻就能改變輸出PWM波的占空比，故在IN+端接個可調(diào)電阻就能實(shí)現(xiàn)PWM控制。為了提高安全性，該芯片內(nèi)部還設(shè)有保護(hù)電路。它還具有高抗干擾能力，是一款性價比相當(dāng)不錯的工業(yè)級芯片。<

25、/p><p>　　為了減少不同電源之間的相互干擾，SG3525輸出的PWM經(jīng)過光電耦合之后才送至驅(qū)動電路。其電路圖如下圖 5所示：</p><p>　　工作原理：通過R2、R3、C3結(jié)合SG3525產(chǎn)生鋸齒波輸入到SG3525的振蕩器。</p><p>　　其產(chǎn)生的PWM信號由OUTA、OUTB輸出，調(diào)節(jié)R7可以改變占空比。輸出的PWM信號通過二極管D6、D7送至光電耦

26、合器U2，光耦后通過驅(qū)動電路對信號進(jìn)行放大。放大后的電壓可以直接驅(qū)動IGBT。此電路具有信號穩(wěn)定，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。因此他適用于中小容量的PWM斬波電路。</p><p>　　2.1.3 斬波電路</p><p>　　本設(shè)計為直流升壓斬波（boost chopper）電路，該電路是本系統(tǒng)的核心。應(yīng)為輸出電壓比較大，故斬波器件選用能夠承受大電壓和導(dǎo)通內(nèi)阻小，開關(guān)頻率高，開關(guān)時間小的大功率IG

27、BT管。原理圖如下圖6所示：</p><p>　　左邊接經(jīng)整流之后的50V電壓。右邊為斬波電壓輸出，J2為測試點(diǎn)。V-G為SG3525輸出的PWM斬波信號。Q1為IGBT，D1為電力二極管，L2為電感，C1為電容，R1為負(fù)載。</p><p>　　原理分析：首先假設(shè)電感L值很大，電容C值也很大。當(dāng)V-G為高電平時，Q1導(dǎo)通，50V電源向L2充電，充電基本恒定為,同時電容C上的電壓向負(fù)載R供

28、電，因C值很大，基本保持輸出電壓為恒值，記為。設(shè)V處于通態(tài)的時間為，此階段電感L上積儲的能量為。當(dāng)V處于段態(tài)時E和L共同向電容C充電，并向負(fù)載R提供能量。設(shè)V處于段態(tài)的時間為，則在此期間電感L釋放的能量為。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感L積儲的能量于釋放的能量相等，即</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　化簡得

29、 </p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　上式中的，輸出電壓高于電源電壓。式（2-1）中為升壓比，調(diào)節(jié)其大小即可改變輸出電壓的大小。</p><p>　　2.1.4 總原理圖</p><p>　　圖形如下圖7所示。其中J1為市電插口，P1接15V驅(qū)動,P2為驅(qū)動IGBT的PWM信號

30、T1為變壓器，將220 V市電轉(zhuǎn)換成頻率不變的55V交流電（題目要求整理輸出50V，由于元器的阻抗會分壓，故把輸入電壓提高5 V，此時變壓器變比為T1：T2=4:1）。變壓器變壓后輸入到由D2、D3、D4、D5四個整流二極管組成的整流電路輸入端 。經(jīng)整流后電壓含有較大的紋波，故通過L1、C2組成的LC低通濾波器進(jìn)行濾波。濾波后輸出的電壓就比較平滑了。接下來就是由電感L2、斬波器件IGBT Q1，電力二極管D1、電容C1組成的升壓斬波電路

31、（Boost Chopper）.改變驅(qū)動信號PWM的占空比就可以調(diào)節(jié)輸出到負(fù)載R1兩端電壓，J2是負(fù)載兩端的電壓測試點(diǎn)，接至示波器就可以看到輸出電壓。</p><p><b>　　三 課程設(shè)計總結(jié)</b></p><p>　　現(xiàn)在我們所使用到能源中電能占了很大的比重，它具有成本低廉，輸送方便，綠色環(huán)保，控制方便能很容易轉(zhuǎn)換成其他的信號等等。我們的日常生活已經(jīng)離不開電

32、了。在如今高能耗社會，合理的利用電能，提高電能品質(zhì)和用電效率成為了全球研究的當(dāng)務(wù)之急。而《電力電子技術(shù)》正是與這一主題相關(guān)聯(lián)的。直流升壓斬波電路是里面的一部分，它開關(guān)電源，與線性電源相比，具有綠色效率高，控制方便，智能化，易實(shí)現(xiàn)計算機(jī)控制。</p><p>　　在做課程設(shè)計的這段時間里，通過不斷地查找資料，最升壓斬波電路有了一定的理解。并且在matlab中仿真實(shí)現(xiàn)了，最后在protel中繪制了原理圖和PCB板。&

33、lt;/p><p>　　在做課程設(shè)計過程中，我對matlab在仿真中的應(yīng)用有了進(jìn)一步的了解和掌握。Matlab在電力電子方面的仿真應(yīng)用時，可以將電力電子電路輸出效果圖形化，形象直觀，可以幫助我們對電路的理解。</p><p>　　在制作PCB板的過程中，我對protel的各種功能有了一定的了解，也讓我明白了理論和實(shí)際有很大差別。</p><p>　　經(jīng)過這次課程設(shè)計，我

34、認(rèn)識到自己還有很多東西需要進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)習(xí)，而且要把理論聯(lián)系實(shí)踐來學(xué)習(xí)，不僅要懂理論知識，還要懂如何作出實(shí)物。</p><p><b>　　設(shè)計體會</b></p><p>　　做了兩周的課程設(shè)計，使我有了很多的心得體會，可以說這次直流電機(jī)斬波調(diào)速控制系統(tǒng)課程設(shè)計是在大家共同努力和在老師的精心指導(dǎo)下共同完成的。</p><p>　　一開始接觸這個

35、課題時我還不知道該從何下手，很多東西不知該如何實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過2星期的努力，在圖書館和網(wǎng)上查資料，請教同學(xué)，終于是完成了任務(wù)。</p><p>　　通過這次設(shè)計加深了我對這門課程的了解，以前總是覺得理論結(jié)合不了實(shí)際，但通過這次設(shè)計使我認(rèn)識到了理論結(jié)合實(shí)際的重要性。但由于我知識的限制，設(shè)計還有很多不足之處，希望老師指出并教導(dǎo)。</p><p>　　通過對電路圖的研究，也增強(qiáng)了我們的思考能力。另外，

36、在使用protel軟件繪制電路圖的過程中，我學(xué)到了很多實(shí)用的技巧，這也為以后的工作打下了很好的基礎(chǔ)。從開始任務(wù)到查找資料，到設(shè)計電路圖，到最后的實(shí)際接線過程中，我學(xué)到了課堂上學(xué)習(xí)不到的知識。上課時總覺得所學(xué)的知識太抽象，沒什么用途，現(xiàn)在終于認(rèn)識到它的重要性。</p><p>　　課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。很

37、感激學(xué)校給了我們這次動手實(shí)踐的機(jī)會，讓我們學(xué)生有了一個共同學(xué)習(xí)，增長見識，開拓視野的機(jī)會。也感謝老師對我們無私忘我的指導(dǎo)，我會以這次課程設(shè)計作為對自己的激勵，繼續(xù)學(xué)習(xí)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　?。?］王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)(第四版).[北京]: 機(jī)械工業(yè)出版社,2000</p><p>　?。?］康

38、華光,陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版). [北京]: 高等教育出版社,1998</p><p>　?。?］張義和.Protel DXP電路設(shè)計快速入門.[北京]:中國鐵道出版社,2003</p><p>　　[4] 張乃國．電源技術(shù)．北京：中國電力出版社，1998</p><p>　　[5]何希才．新型開關(guān)電源設(shè)計與應(yīng)用．北京：科學(xué)出版社，2001</p>

39、<p>　　[6] 阮新波，嚴(yán)仰光．直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)．北京：科學(xué)出版社，2000</p><p>　　[7]陳汝全．電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊【M】．機(jī)械工業(yè)出版社</p><p>　　[8] 陳禮明．實(shí)際直流斬波電路中若干問題的淺析．梅山科技，2005．</p><p>　　2.1.5 元器件列表</p><p>　　本

40、系統(tǒng)除了PWM信號產(chǎn)生電路采用集成芯片外，其余的均采用分立元件。具體見下表 1（元器件清單）：</p><p>　　2.1.3 保護(hù)電路設(shè)計</p><p><b>　　斬波器的散熱設(shè)計：</b></p><p>　　熱管散熱技術(shù)是當(dāng)今國際較流行的散熱方式，國內(nèi)近年來發(fā)展較快，被人們稱之為熱的“超導(dǎo)體”，已廣泛用于車輛電傳動系統(tǒng)，熱管的主要特點(diǎn)

41、：高效的導(dǎo)熱性，高度的等溫性，熱流密度變換能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)多樣靈活、重量輕。由于IGBT模塊的開關(guān)頻率高，開關(guān)損耗大，特別是對大功率IGBT模塊，一般普通型材散熱器難以滿足要求。熱管散熱器特別適合于這種安裝底板絕緣的大功率IGBT模塊散熱。目前適合于大功率IGBT模塊的熱管散熱器的熱阻可以達(dá)到額定標(biāo)準(zhǔn)以下。</p><p><b>　　過電流保護(hù)電路：</b></p><p&

42、gt;　　過電流保護(hù)采用的是在主電路中串聯(lián)一個1￡的電阻，在其兩端并聯(lián)電磁繼電器的線圈。 過流保護(hù)信號取自電阻兩端的電壓， 當(dāng)主電路的電流高于一定數(shù)值時，電磁繼電器的開關(guān)閉合，接通低電平，該過電流信號還送到SG3525的腳10。在SG3525內(nèi)部由于T3基極與A端線相連，A端線由低電壓上升為邏輯高電平，經(jīng)過SG3525A的13腳輸出為高電平，功率驅(qū)動電路輸出至功率場效應(yīng)管的控制脈沖消失。在電路中，過流保護(hù)環(huán)節(jié)還輸出一

43、個信號到與門的輸入端，當(dāng)出現(xiàn)過流信號時，檢測環(huán)節(jié)輸出一低電平信號到與門的輸入端，使脈沖消失，與SG3525的故障關(guān)閉功能一起構(gòu)成雙重保護(hù)。</p><p>　　IGBT的保護(hù)設(shè)計：</p><p>　　在斬波電路中對斬波器的保護(hù)，實(shí)際上就是對IGBT的保護(hù)。所以重要的是怎么設(shè)計好對開關(guān)管IGBT的保護(hù)方案。在設(shè)計對IGBT的保護(hù)系統(tǒng)中，主要是針對過電流保護(hù)和開關(guān)過程中的過電壓保護(hù)。<

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

45、電流保護(hù)，一旦動作后，要通過復(fù)位才能恢復(fù)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(dǎo)通飽和壓降有關(guān)，隨著飽和導(dǎo)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(dá)15μs，4～5V時可達(dá)30μs以上。存在以上關(guān)系是由于隨著飽和導(dǎo)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，造成承

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

47、GBT開關(guān)過程中的過電壓保護(hù) </p><p>　　關(guān)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(guān)斷措施，它的臨界電流下降率將達(dá)到數(shù)kA/μs。極高的電流下降率將會在主電路的分布電感上感應(yīng)出較高的過電壓，導(dǎo)致IGBT關(guān)斷時將會使其電流電壓的運(yùn)行軌跡超出它的安全工作區(qū)而損壞。所以從關(guān)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，集電極電路

48、的電感有利于抑制續(xù)流二極管的反向恢復(fù)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(guān)電路的集電極不需要串聯(lián)電感，其開通損耗可以通過改善柵極驅(qū)動條件來加以控制。</p><p>　　2.2 電路參數(shù)及選型</p><p><b>　　Ud=110V</b></p><p>　　考慮占空比為90%，

49、則 Us=Ud/0.9=123V</p><p>　　取 Us=1.2U2</p><p>　　U2=Us/1.2= 102V</p><p>　　考慮到10%的裕量 U2=1.1×102V=113V</p><p>　　一、二次電流計算 I2=Id=13A</p&g

50、t;<p>　　變比 K=U1/U2=220/113=1.95</p><p>　　I1=I2/K=13/1.08=12A</p><p>　　考慮空載電流，取 I1=1.05×12=12.6A</p><p>　　變壓器容量計算 S1=U1×I1=220×12.6=2

51、772VA</p><p>　　S2=U2×I2=113×13=1469VA</p><p>　　S=(S1+S2)/2=2120.5VA</p><p><b>　　整流元件選擇</b></p><p>　　二極管承受反向最大電壓 UDM=1.414U2=1.414×113＝160V&l

52、t;/p><p>　　考慮3倍裕量，則 UTN=3×160=480V 取500V</p><p>　　該電路整流輸出接有大電容，而且負(fù)載也不是純電感負(fù)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(dāng)取大些即可。</p><p>　　IdD=0.5Id=0.5×13=6.5A</p><p>　　ID=Id

53、/1.414=13/1.414=9.2A</p><p>　　ID(AV)=2ID/1.57=2×9.2/1.57=11.7A</p><p><b>　　濾波電容選擇</b></p><p>　　C1一般根據(jù)放電的時間常數(shù)計算，負(fù)載越大，要求紋波系數(shù)越小，一般不做嚴(yán)格計算，多取2000 uF以上。因該系統(tǒng)負(fù)載不大，故</p&g

54、t;<p>　　取 C1=2200 uF</p><p>　　耐壓 1.5UDM=1.5×160=240V取250V</p><p>　　即選用2200uF、250V電容器。</p><p><b>　　IGBT的選擇</b></p>&l

55、t;p>　　因?yàn)閁s=123V，取3倍裕量，選耐壓為400V以上的IGBT。由于IGBT是以最大標(biāo)注且穩(wěn)定電流與峰值電流間大致為4倍關(guān)系，故應(yīng)選用大于4倍額定負(fù)載電流的IGBT為宜，因此選用50A,額定電壓1600V左右的IGBT</p><p><b>　　續(xù)流二極管的選擇</b></p><p><b>　　根據(jù) </b><

56、/p><p>　　得知 續(xù)流二極管應(yīng)選IcmA、額定電壓為的Urm二極管</p><p>　　D C／D C 變換器控制系統(tǒng)的原理和實(shí)現(xiàn)</p><p><b>　　控制原理</b></p><p>　　圖2所示是該DC／DC變換器控制系統(tǒng)的控制</p><p>　　原理框圖4，其應(yīng)用背景是衛(wèi)星儲能／

57、姿控兩用飛輪能量回饋系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)采用電壓、電流雙閉環(huán)串級控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)是電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)?？刂圃硎请妷航o定U 與電壓反饋U進(jìn)行比較，得到的電壓誤差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器輸出作為電流給定 ，r與電流反饋I進(jìn)行比較，得到的電流誤差經(jīng)電流調(diào)節(jié)器輸出對應(yīng)PWM 波的脈沖寬度，然后經(jīng)PWM 控制決定分配給哪個開關(guān)管，之后PWM波通過驅(qū)動電路驅(qū)動DC／DC變換器中相應(yīng)的開關(guān)管工作</p><p>　　以上的雙閉環(huán)控制是針對工作

58、在PWM 方式下的開關(guān)管而言。由于變換器采用的是兩個開關(guān)管的配合控制，兩種不同的工作模式就對應(yīng)兩種不同的PWM開關(guān)方案，因此必須設(shè)計相應(yīng)的控制邏輯分配單元來實(shí)現(xiàn)這兩種開關(guān)方案，這在圖2中以PWM 控制單元表示。</p><p><b>　　控制實(shí)現(xiàn)</b></p><p>　　控制系統(tǒng)的設(shè)計可以采用模擬控制方案和數(shù)字控制方案，這里以模擬控制方案闡述該DC／DC變換器控

59、制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。</p><p>　　控制電路由兩級PI調(diào)節(jié)器、PWM 波產(chǎn)生電路、驅(qū)動電路、故障檢測與保護(hù)電路等組成。兩級PI調(diào)節(jié)器是控制電路的核心控制單元，兩級均為帶限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器，前級是電壓調(diào)節(jié)器，后級是電流調(diào)節(jié)器，前后級串聯(lián)構(gòu)成了以輸出電壓為主控制對象、輸出電流為副控制對象的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。電壓環(huán)的作用是穩(wěn)定輸出電壓，在</p><p>　　輸入電壓或負(fù)載擾動作用下

60、保證輸出穩(wěn)定。電流環(huán)是在穩(wěn)態(tài)時跟隨電壓環(huán)，從而使系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快，調(diào)節(jié)性能好，也易于實(shí)現(xiàn)限流和過流保護(hù)。由于電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定，故電壓調(diào)節(jié)器的限幅值決定了電流調(diào)節(jié)器的最大輸出</p><p>　　電流。此外，電流調(diào)節(jié)器的限幅值限制了最大輸出電壓，防止了輸出電壓過高的非正常狀態(tài)，從而保證了系統(tǒng)的安全可靠。PWM波產(chǎn)生電路負(fù)責(zé)兩種PWM開關(guān)方案的</p><p>　　實(shí)現(xiàn)，以滿

61、足變換器降壓工作模式和升壓工作模式的要求。由于需要產(chǎn)生兩路控制信號，因此必須配合主變換電路進(jìn)行特殊的電路設(shè)計，以解決控制邏輯的分配問題。如圖3所示，電流調(diào)節(jié)器輸出送到比較器IC 、IC2同相端，由一個三角波發(fā)生器產(chǎn)生</p><p>　　的三角波送到反相端，兩路信號相比較疊加獲得PWM 波。分析可知，兩種不同的PWM 開關(guān)方案可以通過對送到比較器IC 、IC4反相端的三角波加上不同的偏移電壓 和 來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電流調(diào)

62、節(jié)器輸出電壓低于5 V時，比較器IC 與三角波有交點(diǎn)，</p><p>　　輸出PWM 波，該波形用于驅(qū)動T ，而比較器IC4與三角波沒有交點(diǎn)，故無脈沖輸出，T2截止；當(dāng)電流調(diào)節(jié)器輸出電壓高于5 V時，比較器IC4與三角波有交點(diǎn)，輸出PWM 波，該波形用于驅(qū)動T ，而比較器IC 輸出高電平，T 1處于全導(dǎo)通狀態(tài)；而且，降壓工</p><p>　　作模式和升壓工作模式的切換是平滑過渡的。這樣