電力電子課程設(shè)計——dc、dc變換器的設(shè)計

1、<p>　　電力電子課程設(shè)計說明書</p><p>　　DC/DC變換器的設(shè)計</p><p>　　系 、 部： 電氣與信息工程系 </p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　直流斬波電路（DC Chopper）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，也稱為直接直流-直

2、流變換器（DC/DC Converter）。直流斬波電路一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姷那闆r，不包括直流-交流-直流的情況。</p><p>　　習(xí)慣上，DC-DC變換器包括以上兩種情況。</p><p>　　直流斬波電路的種類較多，包括6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，其中前兩種是最基本的電路。一方面，

3、這兩種電路應(yīng)用最為廣泛，另一方面，理解了這兩種電路可為理解其他的電路打下基礎(chǔ)。</p><p>　　利用不同的基本斬波電路進行組合，可構(gòu)成復(fù)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)的基本斬波電路進行組合，可構(gòu)成多相多重斬波電路。</p><p>　　直流斬波電路廣泛應(yīng)用于直流傳動和開關(guān)電源領(lǐng)域，是電力電子領(lǐng)域的熱點。全控型器件選擇絕緣柵雙極晶體管（IGBT）綜合了G

4、TR和電力MOSFET的優(yōu)點，具有良好的特性。目前已取代了原來GTR和一部分電力MOSFET的市場，應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴展，成為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。</p><p>　　所以，此課程設(shè)計選題為：設(shè)計使用全控型器件為IGBT的降壓斬波電路。主要討論電源電路、降壓斬波主電路、控制電路、驅(qū)動電路和保護電路的原理與設(shè)計。</p><p><b>　　目 錄</b>&l

5、t;/p><p>　　1 設(shè)計要求與方案…………………………………………………………………3</p><p>　　2 直流電源設(shè)計……………………………………………………………………3</p><p>　　2.1 設(shè)計原理 ………………………………………………………………… 3</p><p>　　2.2 參數(shù)計算……………………………………

6、………………………………4</p><p>　　3 降壓斬波主電路設(shè)計…………………………………………………………5</p><p>　　3.1 BUCK電路工作原理………………………………………………………5</p><p>　　3.2 主電路參數(shù)分析……………………………………………………………6</p><p>　　4 控制電路原理

7、與設(shè)計……………………………………………………………6</p><p>　　4.1 控制電路方案選擇…………………………………………………………7</p><p>　　4.2 控制電路工作原理…………………………………………………………8</p><p>　　5 驅(qū)動電路原理與設(shè)計……………………………………………………………8</p><p&

8、gt;　　5.1 驅(qū)動電路方案選擇…………………………………………………………8</p><p>　　5.2 驅(qū)動電路分析設(shè)計…………………………………………………………8</p><p>　　6 保護電路原理與設(shè)計……………………………………………………………9</p><p>　　6.1 過電壓保護…………………………………………………………………9</

9、p><p>　　6.2 過電流保護…………………………………………………………………11</p><p>　　設(shè)計心得……………………………………………………………………………12</p><p>　　參考文獻……………………………………………………………………………12</p><p>　　致 謝……………………………………………………………

10、…………………12</p><p>　　附 錄………………………………………………………………………………13</p><p><b>　　1.設(shè)計要求與方案</b></p><p>　　設(shè)計要求是輸出電壓Uo=50V-200V可調(diào)的DC/DC變換器，這里為降壓斬波電路。由于這些電路中都需要直流電源，所以這部分由以前所學(xué)模擬電路知識可以由整流

11、器解決。IGBT的通斷用PWM控制，用PWM方式來控制IGBT的通斷需要使用脈寬調(diào)制器SG3525來產(chǎn)生PWM控制信號。降壓斬波主電路原理圖如圖1.1所示：</p><p>　　圖1.1 降壓斬波主電路的原理圖</p><p><b>　　2.直流電源設(shè)計</b></p><p><b>　　2.1 設(shè)計原理</b>&l

12、t;/p><p>　　小功率直流電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路三個部分組成，其原理框圖如圖2.1所示，其各電壓波形如圖2.2所示：</p><p>　　圖2.1 直流電源原理框圖</p><p>　　圖2.2 直流電源波形圖</p><p>　　電源變壓器的作用是將來自電網(wǎng)的220V交流電壓變換為整流電路所需要的交流電壓。電源變壓器的效率為

13、：，其中：是變壓器副邊的功率，是變壓器原邊的功率。一般小型變壓器的效率如表2.1 所示：</p><p>　　表2.1 小型變壓器效率</p><p>　　因此，當算出了副邊功率后，就可以根據(jù)上表算出原邊功率。</p><p>　　在直流電源中一般用四個二極管組成橋式整流電路，整流電路的作用是將交流電壓變換成脈動的直流電壓。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動直流

14、電壓中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓。與交流電壓的有效值的關(guān)系為：；在整流電路中，每只二極管所承受的最大反向電壓為：；流過每只二極管的平均電流為：</p><p><b>　　2.1</b></p><p><b>　　2.2 參數(shù)計算</b></p><p>　　根據(jù)濾波電路的輸出電壓UI，確定電源變壓器副

15、邊電壓的有效值；根據(jù)濾波電路的最大輸出電流，確定流過電源變壓器副邊的電流和電源變壓器副邊的功率；根據(jù)，從表2.1 查出變壓器的效率η，從而確定電源變壓器原邊的功率。然后根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇電源變壓器。</p><p>　　確定整流二極管的正向平均電流ID、整流二極管的最大反向電壓和濾波電容的電容值和耐壓值。根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇整流二極管和濾波電容。依據(jù)上述設(shè)計步驟，對本次課程的直流電源進行設(shè)計，輸出電壓為。最

16、大輸出電流假設(shè)為1A,則由可知：</p><p><b>　　2.2</b></p><p><b>　　變壓器副邊電流：</b></p><p>　　因此，變壓器副邊輸出功率：。</p><p>　　由于變壓器的效率，變壓器原邊輸入功率 ，所以選用功率為300W的變壓器

17、。</p><p>　　再選用整流二極管和濾波電容，由于：，</p><p>　　。IN4004 的反向擊穿電壓，額定工作電流，故整流二極管選用IN4004。由于電路對紋波無要求，而電容的耐壓要大于，故濾波電容C取容量為500μF，耐壓為300V的電解電容。</p><p>　　3.降壓斬波主電路設(shè)計</p><p>　　3.1 BUCK電路

18、工作原理</p><p>　　圖3.1 BUCK電路圖</p><p>　　直流降壓斬波主電路使用一個全控器件IGBT控制導(dǎo)通。用控制電路和驅(qū)動電路來控制IGBT的通斷，當t=0時，驅(qū)動IGBT導(dǎo)通，電源E向負載供電，負載電壓=E，負載電流按指數(shù)曲線上升。電路工作時波形圖如圖3.2所示：</p><p>　　圖3.2 電流持續(xù)時波形圖</p><

19、p>　　當時刻，控制IGBT關(guān)斷，負載電流經(jīng)二極管續(xù)流，負載電壓近似為零，負載電流指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小，故串聯(lián)L值較大的電感。</p><p>　　至一個周期T結(jié)束，再驅(qū)動IGBT導(dǎo)通，重復(fù)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><b>　　3.1</b></p>

20、<p>　　為IGBT處于通態(tài)的時間；為處于斷態(tài)的時間；T為開關(guān)周期；α為導(dǎo)通占空比。</p><p>　　通過調(diào)節(jié)占空比α使輸出到負載的電壓平均值最大為E，若減小占空比α，則隨之減小。此電路采用PWM方式控制IGBT的通斷。</p><p>　　3.2 主電路參數(shù)分析</p><p>　　主電路中需要確定參數(shù)的元器件有IGBT、二極管、直流電源、電感、

21、電阻值的確定，其參數(shù)確定如下：</p><p>　　(1)電源 要求輸入電壓為200V。其直流穩(wěn)壓電源模塊前面已完成，以該直流穩(wěn)壓電源作為系統(tǒng)電源。</p><p>　　(2)電阻 因為當輸出電壓為200V時，假設(shè)輸出電流為0.1-1A。所以由歐姆定律可得負載電阻值為 ，可得到電路電阻應(yīng)該在。</p><p>　　(3)IGBT 由圖3.1易

22、知當IGBT截止時，回路通過二極管續(xù)流，此時IGBT兩端承受最大正壓為200V；而當=1時，IGBT有最大電流，其值為1A。故需選擇集電極最大連續(xù)電流>，反向擊穿電壓的IGBT。而一般的IGBT都滿足要求。</p><p>　　(4)二極管 當=1時，其承受最大反壓200V；而當趨近于1時，其承受最大電流趨近于1A，故需選擇，的二極管。</p><p>　　(5)電感 選擇大電感L(

23、為700mL)。</p><p>　　4.控制電路原理與設(shè)計</p><p>　　4.1控制電路方案選擇</p><p>　　IGBT控制電路的功能有：給逆變器的電子開關(guān)提供控制信號；以及對保護信號作出反應(yīng)，關(guān)閉控制信號。脈寬調(diào)節(jié)器的基本工作原理是用一個電壓比較器，在正輸入端輸入一個三角波，在負輸入端輸入一直流電平，比較后輸出一方波信號，改變負輸入端直流電平的大小，

24、即可改變方波信號的脈寬。</p><p>　　圖4.1 SG3525引腳圖</p><p>　　對于控制電路的設(shè)計其實可以有很多種方法，可以通過一些數(shù)字運算芯片如單片機、CPLD等等來輸出PWM波，也可以通過特定的PWM發(fā)生芯片來控制。因為題目要求輸出電壓連續(xù)可調(diào)，所以我選用一般的PWM發(fā)生芯片來進行連續(xù)控制。</p><p>　　對于PWM發(fā)生芯片，我選用了SG3

25、525芯片，其引腳圖如圖4.1所示，它是一款專用的PWM控制集成電路芯片，它采用恒頻調(diào)寬控制方案，內(nèi)部包括精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護電路等。</p><p>　　其11和14腳輸出兩個等幅、等頻、相位互補、占空比可調(diào)的PWM信號。腳6、腳7 內(nèi)有一個雙門限比較器，內(nèi)設(shè)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成SG3525 的振蕩器。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1 及腳2

26、 分別為芯片內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個兩級差分放大器。根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳9和腳1之間一般要添加適當?shù)姆答佈a償網(wǎng)絡(luò)，另外當10腳的電壓為高電平時，11和14腳的電壓變?yōu)?0輸出。</p><p>　　4.2控制電路工作原理</p><p>　　由于SG3525的振蕩頻率可表示為 ：</p><p><b

27、>　　4.1</b></p><p>　　式中:, 分別是與腳5、腳6相連的振蕩器的電容和電阻；是與腳7相連的放電端電阻值。根據(jù)任務(wù)要求需要頻率為50kHz，所以由上式可取=1μF, = ,=?？傻胒=49.02kHz，基本滿足要求。</p><p>　　圖4.2控制電路部分電路圖</p><p>　　SG3525有過流保護的功能，可以通過改變10

28、腳電壓的高低來控制脈沖波的輸出。因此可以將驅(qū)動電路輸出的過流保護電流信號經(jīng)一電阻作用，轉(zhuǎn)換成電壓信號來進行過流保護，如圖4.2所示。當驅(qū)動電路檢測到過流時發(fā)出電流信號，由于電阻的作用將10腳的電位抬高，從而11、14腳輸出低電平，而當其沒有過流時，10腳一直處于低電平，從而正常的輸出PWM波。</p><p>　　5.驅(qū)動電路原理與設(shè)計</p><p>　　5.1驅(qū)動電路方案選擇</

29、p><p>　　該驅(qū)動部分是連接控制部分和主電路的橋梁，該部分主要完成以下幾個功能：(1)提供適當?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?，使IGBT可靠的開通和關(guān)斷；(2)提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時電流，使IGBT能迅速建立柵控電場而導(dǎo)通；(3)盡可能小的輸入輸出延遲時間，以提高工作效率；(4) 足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號電路與柵極驅(qū)動電路絕緣；(5)具有靈敏的過流保護能力。針對以上幾個要求，對驅(qū)動電路進行以下設(shè)計。針對驅(qū)動

30、電路的隔離方式：</p><p>　　采用光電耦合式驅(qū)動電路，該電路雙側(cè)都有源。其提供的脈沖寬度不受限制，較易檢測IGBT的電壓和電流的狀態(tài)，對外送出過流信號。另外它使用比較方便，穩(wěn)定性比較好。但是它需要較多的工作電源，其對脈沖信號有1μs的時間滯后，不適應(yīng)于某些要求比較高的場合。</p><p>　　本系統(tǒng)中，對電壓要求不高，而且只有一個全控器件需要控制，又有一些全控器件專用的驅(qū)動芯片，

31、所以選擇此方案。</p><p>　　5.2驅(qū)動電路分析與設(shè)計</p><p>　　針對以上分析，我選取了EXB841驅(qū)動芯片。它具有單電源、正負偏壓、過流檢測、保護、軟關(guān)斷等主要特性，其功能完善，控制簡便可靠。下面簡單介紹一下它的工作原理。</p><p>　　如圖5.1所示，其工作電源為獨立電源20±1V，內(nèi)部含有-5V穩(wěn)壓電路，為ICBT的柵極提供+

32、15V的驅(qū)動電壓，關(guān)斷時提供-5V的偏置電壓，使其可靠關(guān)斷。當腳15和腳14有10mA電流通過時，腳3輸出高電平而使IGBT導(dǎo)通；而當腳15和腳14無電流通過時，腳3輸出低電平使ICBT關(guān)斷；若ICBT導(dǎo)通時，若承受短路電流，則其電壓隨電流的增大迅速上升，腳6懸空，腳3電位開始下降，從而逐漸關(guān)斷ICBT。</p><p>　　圖5.1 EXB841內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　利用EXB

33、841驅(qū)動芯片設(shè)計其驅(qū)動電路原理圖如圖5.2所示，兩個47uf電容用于吸收噪音，在腳3輸出脈沖的同時，通過快速二極管VD1檢測IGBT的CE間的電壓。當Vce>7V時，過流保護電流控制運算放大器，使其輸出軟關(guān)斷信號，將腳3輸出電平降為O。因EXB841無過流自鎖功能，所以外加過流保護電路，一旦產(chǎn)生過流，可通過外接光耦TLP521將過流保護信號輸出至控制電路，經(jīng)過一定延時，以防止誤動作和保證進行軟關(guān)斷，然后由觸發(fā)器鎖定，實現(xiàn)保護，將

34、圖4.2與圖5.2聯(lián)系起來即可得到電路的控制驅(qū)動部分。</p><p>　　圖5.2驅(qū)動電路原理圖</p><p>　　6.保護電路的原理與設(shè)計</p><p>　　在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適、驅(qū)動電路設(shè)計良好外，采用合適的過電壓、過電流、保護和 保護也是必要的。</p><p><b>　　6.1 過電壓保護&

35、lt;/b></p><p>　　過壓保護要根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的保護電路，當達到—定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓通過保護電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關(guān)器件上，保護了電力電子器件。</p><p>　　為了達到保護效果，可以使用阻容保護電路來實現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時，電容兩端電壓不能突變的特性，

36、可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過電壓保護電路如圖6.1所示。</p><p>　　圖6.1 RC阻容過電壓保護電路圖</p><p><b>　　6.2 過電流保護</b></p><p>　　當電力電子電路運行不正常或者發(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。當器件擊穿或短路、觸

37、發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低、缺相等，均可引起過流。由于電力電子器件的電流過載能力相對較差，必須對變換器進行適當?shù)倪^流保護。采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種的過流保護措施。</p><p>　　過電流保護電路如圖6.2所示，其中交流側(cè)接快速熔斷器能對晶閘管元件短路及直流側(cè)短路起保護作用。器件直接串接快速熔斷器才對元件

38、的保護作用最好，因為它們流過同—個電流．因而被廣泛使用。電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。</p><p>　　圖6.2 過電流保護電路圖設(shè)計心得</p><p>　　此次課程設(shè)計，從理論到實踐，在短短一星期的時間里，我遇到了很多問題，也學(xué)到了很多東西。它不僅鞏固了我以前所學(xué)的理論知識，更

39、使我們知道了由理論結(jié)合實踐的基本方法，鍛煉了自己解決實際問題的能力。</p><p>　　在此次課程設(shè)計過程中，碰到的問題比較多，靠自己所學(xué)的知識根本解決不了，借鑒了很多網(wǎng)上資料，解決了這些問題，也學(xué)到了很多課本上沒有的東西。在做設(shè)計的過程中我學(xué)到了很多東西，也知道了自己的哪些不足之處，知道自己對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，以后仍需努力。通過這次課程設(shè)計，看到了自己的不足之處，同時也鍛煉了自己