電力電子課程設計--直流斬波電路

1、<p>　　《電力電子技術》課程設計說明書</p><p><b>　　直流斬波電路</b></p><p>　　院 、 部： 電氣與信息工程學院 </p><p>　　學生姓名： </p><p>　　學 號： </p><p>　

2、　指導教師： </p><p>　　專 業(yè)： 自動化 </p><p>　　班 級： </p><p>　　完成時間： 2012年5月1日 </p><p><b>　　設計任務書</b></p><

3、p>　　一 設計課題：直流斬波電路設計</p><p><b>　　二 設計目的任務</b></p><p>　　學生通過理論設計和實物制作解決相應的實際問題，鞏固和運用在《電力電子技術》中所學的理論知識和實驗技能，掌握應用直流斬波電路的一般設計方法，提高設計能力和實踐動手能力，為以后從事電力電子電路設計、研發(fā)電力電子產(chǎn)品打下良好的基礎。</p>

4、<p><b>　　三 設計要求</b></p><p>　　1 可取直流輸入電壓=50V, =350V</p><p>　　2 電力電子課程設計說明書一份</p><p><b>　　3設計時間一周</b></p><p><b>　　4 一人一組一課題</b>&l

5、t;/p><p><b>　　四 參考資料</b></p><p>　　[1] 王兆安．黃?。娏﹄娮蛹夹g，第4版，機械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　[2] 張乃國．電源技術．北京：中國電力出版社，1998</p><p>　　[3] 何希才．新型開關電源設計與應用．北京：科學出版社，2001</p>

6、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 直流斬波電路設計方案和方案實施1</p><p>　　1.1 設計方案選擇1</p><p>　　1.2 升壓斬波電路的設計原理1</p><p>　　2 單元電路設計2</p><p>　　2.1 直流

7、供電電路2</p><p>　　2.2 升壓斬波主電路2</p><p>　　2.3 控制和驅(qū)動電路3</p><p>　　2.3.1 芯片SG3525簡介3</p><p>　　2.3.2 控制和驅(qū)動電路原理圖4</p><p>　　2.4 保護電路5</p><p>　

8、　2.5 參數(shù)計算5</p><p>　　3 實驗仿真分析7</p><p>　　3.1 仿真電路7</p><p>　　3.2 仿真結果與誤差分析7</p><p><b>　　結束語9</b></p><p><b>　　致 謝10</b></

9、p><p><b>　　參考文獻11</b></p><p><b>　　原件清單12</b></p><p>　　1 直流斬波電路設計方案和方案實施</p><p>　　1.1 設計方案選擇</p><p>　　斬波電路有三種控制方式</p><p&

10、gt;　?。?）脈沖寬度調(diào)制（PWM）：開關周期T不變，改變開關導通時間ton。</p><p>　?。?）頻率調(diào)制：開關導通時間ton不變，改變開關周期T。</p><p>　?。?）混合型：開關導通時間ton和開關周期T都可調(diào)，改變占空比。</p><p>　　本次設計采用的是脈寬調(diào)制的方法，開關選用全控型器件IGBT，它集中了電力MOSFET和GTR得優(yōu)點。&

11、lt;/p><p>　　1.2 升壓斬波電路的設計原理</p><p>　　原理圖如圖2所示：V斷時，E和L共同向C充電并向負載R供電。設V斷的時間為，則此期間電感L釋放能量為：</p><p><b>　　（1-1）</b></p><p>　　當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感L的能量與釋放的能量相等，即：</

12、p><p><b>　?。?-2） </b></p><p><b>　　化簡得： </b></p><p><b>　　(1-3) </b></p><p>　　式中，，輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。式中，表示升壓比，調(diào)節(jié)其大小，即可改變輸出電壓的大小，將升壓

13、比的倒數(shù)記作，即。則和占空比有如下關系：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　因此，（1-3）式可以表示為：</p><p><b>　　(1-5)</b></p><p><b>　　2 單元電路設計</b></p><p

14、>　　2.1 直流供電電路</p><p>　　生活中現(xiàn)有的都為交流電，所以斬波電路的輸入電壓需由交流電經(jīng)整流得到。本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(zhì)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(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1所示：</p>

15、<p>　　圖 1 直流供電電路</p><p>　　輸入端接220V、50Hz的市電，進過變壓器T1（原線圈/副線圈為4/1）后輸出55V、50Hz。當同名端為正時D2、D5導通，D3、D4截止，電壓上正下負。當同名端為負時D2、D5截止，D3、D4導通，電壓同樣是上正下負，從而實現(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

16、流特性，因此并聯(lián)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50V左右）。</p><p>　　2.2 升壓斬波主電路</p><p>　　本設計為直流升壓斬波（boost chopper）電路，該電路是本系統(tǒng)的核心。應為輸出電壓比較大，故斬波器件選用能夠承受大電壓和導通內(nèi)阻小，開關頻率高，開關時間小的大功率IGBT管。主電

17、路圖如下圖2所示：</p><p>　　圖 2 主電路原理圖</p><p>　　左邊接經(jīng)整流之后的50V電壓。右邊為斬波電壓輸出，V-G為SG3525輸出的PWM斬波信號。G1為IGBT，D5為電力二極管，L2為電感，C1為電容，R1為負載。</p><p>　　2.3 控制和驅(qū)動電路</p><p>　　2.3.1 芯片SG3525簡

18、介</p><p>　　PWM控制芯片SG3525 具體的內(nèi)部引腳結構如圖3所示。其中，腳16 為SG3525 的基準電壓源輸出，精度可以達到（5.1±1％）V，采用了溫度補償，而且設有過流保護電路。腳5、腳6、腳7 內(nèi)有一個雙門限比較器，內(nèi)設電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構成SG3525 的振蕩器。振蕩器還設有外同步輸入端(腳3)。腳1 及腳2 分別為芯片內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端、同相輸

19、入端。該放大器是一個兩級差分放大器，直流開環(huán)增益為70dB 左右。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。</p><p>　　圖 3 SG3525引腳圖</p><p>　　2.3.2 控制和驅(qū)動電路原理圖</p><p>　　此電路主要用來驅(qū)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)

20、生PWM的專用芯片、單片機、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)電阻就能實現(xiàn)PWM控制。為了提高安全性，該芯片內(nèi)部還設有保護電路。它還具有高抗干擾能力，是一款性價比相當不錯的工業(yè)級芯片。</p><p>　　為了減少不同電源之間的相互

21、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4所示：</p><p>　　圖 4 驅(qū)動和控制電路</p><p>　　工作原理：通過R2、R3、C3結合SG3525產(chǎn)生鋸齒波輸入到SG3525的振蕩器。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送至光電耦合器U2，光耦后通過驅(qū)動電路對信號進行放大。

22、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。因此他適用于中小容量的PWM斬波電路。</p><p><b>　　2.4 保護電路</b></p><p>　　升壓斬波電路需同時具有過壓和過流保護功能，分別如圖5,6所示，均采用反饋控制,將過流過壓信號反饋到芯片SG3525的輸入，從而起到調(diào)節(jié)保護作用。同時芯片SG3525也可完成一定的保護功

23、能，例如，腳8軟起動功能，避免了開關電源在開機瞬間的電流沖擊，可能造成的末級功率開關管的損壞。</p><p>　　圖 5 過電壓保護電路</p><p>　　圖 6 過電流保護電路</p><p><b>　　2.5 參數(shù)計算</b></p><p>　　由設計要求可取直流輸入電壓=50V, =350V, 則:<

24、;/p><p>　　占空比α=1-50/350=0.85.</p><p>　　交流側(cè)二次電壓有效值=/1.2=41.7V;</p><p>　　取交流一次電壓有效值=220V</p><p>　　變壓器變比K=/=220/41.7=5.3。</p><p>　　輸出功率為130W,所以負載電阻R==942.30Ω，取90

25、0Ω；</p><p>　　負載電流=/ =0.39,電源電流=(α)/β=2.20 A。</p><p>　　二極管承受反向最大電壓 =1.414=1.414×41.7＝59V</p><p>　　考慮3倍裕量，則 =3×59V=177V; 平均電流=0.5×I2=0.19, 選取 1N4003，其參數(shù)為最大反向峰值電壓為200V

26、，平均電流為1A.</p><p>　　濾波電容選擇一般根據(jù)放電的時間常數(shù)計算，負載越大，要求紋波系數(shù)越小，一般不做嚴格計算，多取2000 μF以上。因該系統(tǒng)負載不大，故取=2200 μF，耐1.5=1.5×78.6=117.9V取120V即選用2200uF、120V電容器。</p><p>　　(6) 電感值一般選擇極大值，以保證電流連續(xù)且脈動很小，所以取= 0.3mH，<

27、;/p><p><b>　　=50m H。</b></p><p>　　(7) IGBT的選擇</p><p>　　因為=41.7V，取3倍裕量，選耐壓為150V以上的IGBT。由于IGBT是以最大標注且穩(wěn)定電流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7A,額定電壓600V左右的IGBT，選GT8Q101，其

28、參數(shù)為最高耐壓為1200V,最大電流為8A.</p><p><b>　　3 實驗仿真分析</b></p><p><b>　　3.1 仿真電路</b></p><p>　　打開仿真參數(shù)窗口，選擇ode23tb算法，按圖8連接好仿真電路圖。相對誤差設置為1e-03，開始仿真時間設置為O，停止仿真時間設置為O.02 s，

29、控制脈沖周期設置為O.0001 s(頻率為1 0000Hz)，控制脈沖占空比為85％。各元器件參數(shù)按計算出來的參數(shù)設置。</p><p>　　圖 8 升壓斬波電路仿真電路圖</p><p>　　3.2 仿真結果與誤差分析</p><p>　　參數(shù)設置完畢后，啟動仿真，得到圖9的仿真結果，輸出電壓為350V</p><p>　　圖9 升壓斬波

30、電路占空比85%時仿真結果</p><p>　　在原電路的基礎上，改變占空比為50%時的仿真結果如圖10所示,理論輸出電壓為100V.</p><p>　　圖10 升壓斬波電路占空比50%時仿真結果</p><p>　　通過以上的仿真過程分析，仿真結果基本符合理論計算值，可以得到下列結(1)直流變換電路主要以全控型電力電子器件作為開關器件，通過控制主電路的接通與斷

31、開，將恒定的直流斬成斷續(xù)的方波，經(jīng)濾波后變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流輸出電壓。利用Simulink對升降壓斬波的仿真結果進行了詳細分析，與采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進行比較，進一步驗證了仿真結果的正確性。</p><p><b>　　結束語</b></p><p>　　經(jīng)過將近兩周的電力電子課程設計，終于完成了我的直流斬波電路的設計，雖然耗費了我很多的時間.但是是

32、我學會不少知識。</p><p>　　這次課程設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多編程問題，在老師和同學們的一一解答下度過重重難關取得成功！在此，對給過我?guī)椭乃型瑢W和陸老師表示忠心的感謝，通過這一周的電力電子課程設計，我既對MATLAB7.0軟件有了進一步的了解，對BOOST CHOPPER電路也有的深入的認識和理解。剛開始，對很多元件的選擇都不清楚，通過老師的知道和同學的幫助，學會了如何更好的設計電路選擇

33、正確的元器件。把實驗室測得的波形和仿真的波形進行對比，雖然存在一些差異，但是基本上還是一致的。</p><p>　　經(jīng)過這次的課程設計，發(fā)現(xiàn)MATLAB軟件功能非常強大。平時在學習中不能夠透徹理解的知識，通過動手，會有更好的認知。本次課程設計雖然不長，但是它給我們帶來了很多收獲。</p><p>　　本設計還有很多做的不夠好的地方，還望老師批評指正。</p><p>

34、;<b>　　致 謝</b></p><p>　　在這次課程設計的撰寫過程中，我得到了許多人的幫助。首先我要感謝我的老師在課程設計上給予我的指導、提供給我的支持和幫助，這是我能順利完成這次報告的主要原因，更重要的是老師幫我解決了許多技術上的難題，讓我能把這個直流斬波電路設計做得更加完善。在此期間，我不僅學到了許多新的知識，而且也開闊了視野，提高了自己的設計能力。其次，我要感謝幫助過我的

35、同學，他們也為我解決了不少我不太明白的設計商的難題。同時也感謝湖南工學院為我提供良好的電力電子設計的環(huán)境。最后再一次感謝所有在設計中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學，我感謝在這這么多天以來給過我?guī)椭完P注的所有人，更加感謝給過我挫折的所有人。你們用不同的方式給了我成長，也是你們促使我在走過的大學時光里一直努力，終可以在課程設計的最后那一天無愧的說一聲：我成功了。</p><p><b>　　參考文獻<

36、/b></p><p>　　[1] 王兆安．黃?。娏﹄娮蛹夹g，第4版，機械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　[2] 張乃國．電源技術．北京：中國電力出版社，1998</p><p>　　[3] 何希才．新型開關電源設計與應用．北京：科學出版社，2001</p><p>　　[4] 阮新波，嚴仰光．直流開關電源的軟開關技術．北京

37、：科學出版社，2000</p><p>　　[5] 陳汝全．電子技術常用器件應用手冊【M】．機械工業(yè)出版社</p><p>　　[6] 陳禮明．實際直流斬波電路中若干問題的淺析．梅山科技，2005．</p><p>　　[7] 康華光,陳大欽.電子技術基礎(第四版). 北京: 高等教育出版社,1998</p><p>　　[8] 張義和.Pr

38、otel DXP電路設計快速入門.北京:中國鐵道出版社,2003</p><p>　　[9] 張乃國．電源技術．北京：中國電力出版社，1998</p><p>　　[10] 何希才．新型開關電源設計與應用．北京：科學出版社，2001</p><p>　　[11] 邱關源主編.電路.第3版上、下冊.北京:人民教育出版社,1981</p><p>