电力电子降压斩波电路课程设计报告书

可编辑版XX工程学院课 程 设 计 任 务 书课程名称电力电子技术题 目 直流降压斩波器的设计专业班级电气工程1181-1183学生姓名周晖指导老师 杨青 审批谢卫才任务书下达日期 20XX5月26日设计完成日期 2014年6月6日 设计内容与设计要求一设计内容1. 设计出直流降压斩波器的主电路。电压0-220V,功率1KW,阻感负载2设计直流降压斩波器的控制电路。3.设计直流降压斩波器的驱动电路。二设计要求1. 给出整体设计框图,画出直流斩波器的总体原理图；2. 说明所选器件的型号,特性。3. 给出具体电路画出电路原理图；4. 编写设计说明书；5. 课程设计说明书要求用手写,所绘原理图纸用计算机打印。 16K主要设计条件1提供计算机一台；说明书格式1. 课程设计封面；2. 任务书；3. 说明书目录；4. 设计总体思路,基本原理和框图；5. 电路设计；6. 编写设计说明书；7. 总结与体会；8. 附录；9. 参考文献；10. 直流降压斩波器原理图。进度安排第十四周星期一：下达设计任务书,介绍课题内容与要求；第十四周星期一第十四周星期五：查找资料,确定设计方案,画出草图。第十五周星期一上午星期二下午：电路设计,打印出图纸。 星期三：书写设计报告；星期四：书写设计报告；星期五：答辩。参考文献目 录1 绪论12 设计要求与方案22.1 设计要求22.2 方案确定23主电路设计33.1 主电路方案33.2 工作原理43.3参数分析44控制电路设计54.1 控制电路方案选择54.2 工作原理64.3 控制芯片介绍75驱动电路设计95.1 驱动电路方案选择95.2工作原理106保护电路设计116.1 过压保护电路116.1.1 主电路器件保护12负载过压保护136.2 过流保护电路137 系统仿真及结论147.1 仿真软件的介绍147.2仿真电路及其仿真结果158 设计体会179 参考文献18 / 1 绪 论现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。直流斩波电路DC Chopper的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电,也称为直流-直流变换器DC/DC Converter,直流斩波电路DC Chopper一般是指直接将直流变成直流的情况,不包括直流-交流-直流的情况；直流斩波电路的种类很多,包括6种基本斩波电路：降压斩波电路,升压斩波电路,升降压斩波电路,Cuk斩波电路,Sepic斩波电路,Zeta斩波电路,前两种是最基本电路。而直流斩波器DC Chopper是一种把恒定直流电压变换成为另一固定电压或可调电压的直流电压,从而满足负载所需的直流电压的变流装置。也称为直接直流-直流变换器DC/DC Converter。它通过周期性地快速通、断,把恒定直流电压斩成一系列的脉冲电压,而改变这一脉冲列的脉冲宽度或频率就可实现输出电压平均值的调节。直流斩波器除可调节直流电压的大小外,还可以用来调节电阻的大小和磁场的大小。直流传动、开关电源是斩波电路应用的两个重要领域,是电力电子领域的热点。全控型器件选择绝缘栅双极晶体管IGBT综合了GTR和电力MOSFET的优点,具有良好的特性。目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场,应用领域迅速扩展,成为中小功率电力电子设备的主导器件。前者是斩波电路应用的传统领域后者则是斩波电路应用的新领域。直流斩波器的种类较多,包括6种基本斩波器：降压斩波器Buck Chopper、升压斩波器Boost Chopper、升降压斩波器<Boost-Buck Chopper>、Cuk斩波器、Sepic斩波器和Zeta斩波器,前两种是最基本的类型。因此,课程设计的选题为：设计使用全控型器件为IGBT的降压斩波电路。2 设计要求与方案2.1 设计要求降压斩波电路设计要求：1、输入直流电压：Ud=100V2、开关频率5KHz3、输出电压20V4、最大输出电流：20A5.L=100mH6.输出功率：400W7.占空比2.2 方案确定电力电子器件在实际应用中,一般是由控制电路,驱动电路,保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号,通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断来完成整个系统的功能,当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。根据降压斩波电路设计任务要求设计结构框图如图2.1所示。图2.1 降压斩波电路结构框图在图2.1结构框图中,控制电路是用来产生降压斩波电路的控制信号,控制电路产生的控制信号传到驱动电路,驱动电路把控制信号转换为加在开关控制端,可以使其开通或关断的信号。通过控制开关的开通和关断来控制降压斩波电路的主电路工作。控制电路中的保护电路是用来保护电路的,防止电路产生过电流现象损害电路设备。3 主电路设计3.1 主电路方案根据所选课题设计要求设计一个降压斩波电路,可运用电力电子开关来控制电路的通断即改变占空比,从而获得我们所想要的电压。这就可以根据所学的buck降压电路作为主电路,这个方案是较为简单的方案,直接进行直直变换简化了电路结构。而另一种方案是先把直流变交流降压,再把交流变直流,这种方案把本该简单的电路复杂化,不可取。至于开关的选择,选用比较熟悉的全控型的IGBT管,而不选半控型的晶闸管,因为IGBT控制较为简单,且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单等特点,又用通态压降小、耐压高、电流大等优点。3.2 工作原理 根据所学的知识,直流降压斩波主电路如图3.1所示：图3.1 主电路图直流降压斩波主电路使用一个全控器件IGBT控制导通。用控制电路和驱动电路来控制IGBT的通断,当t=0时,驱动IGBT导通,电源E向负载供电,负载电压=E,负载电流按指数曲线上升。电路工作时波形图如图3.2所示：图3.2 降压电路波形图当时刻,控制IGBT关断,负载电流经二极管续流,负载电压近似为零,负载电流指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小,故串联L值较大的电感。至一个周期T结束,再驱动IGBT导通,重复上一周期的过程。当电力工作于稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等,负载电压的平均值为为IGBT处于通态的时间；为处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比。通过调节占空比使输出到负载的电压平均值最大为E,若减小占空比,则随之减小。由此可知,输出到负载的电压平均值Uo最大为U i,若减小占空比,则Uo随之减小,由于输出电压低于输入电压,故称该电路为降压斩波电路。3.3参数分析主电路中需要确定参数的元器件有IGBT、二极管、直流电源、电感、电阻值的确定,其参数确定如下：<1>电源 要求输入电压为100V。<2>电阻 因为当输出电压为200V时,假输出电流为20A。所以由欧姆定律可得负载电阻值为1欧姆。<3>IGBT 由图3易知当IGBT截止时,回路通过二极管续流,此时IGBT两端承受最大正压为100V；而当=1时,IGBT有最大电流,其值为5A。故需选择集电极最XX续电流=,反向击穿电压的IGBT,而一般的IGBT都满足要求。 <4>二极管 其承受最大反压100V,其承受最大电流趋近于20A,考虑2倍裕量,故需选择,的二极管。<5>电感 L=100mH; 6开关频率 f=5KHz 7电容 设计要求输出电压纹波小于1%4 控制电路设计4.1 控制电路方案选择控制电路需要实现的功能是产生控制信号,用于控制斩波电路中主功率器件的通断,通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。斩波电路有三种控制方式：1.保持开关周期T不变,调节开关导通时间ton,称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型；2.保持导通时间不变,改变开关周期T,成为频率调制或调频型；3.导通时间和周期T都可调,是占空比改变,称为混合型。因为斩波电路有这三种控制方式,又因为PWM控制技术应用最为广泛,所以采用PWM控制方式来控制IGBT的通断。PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。这种电路把直流电压"斩"成一系列脉冲,改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制,只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压,因此脉冲既是等幅的,也是等宽的,仅仅是对脉冲的占空比进行控制。图4.1 SG3525引脚图对于控制电路的设计其实可以有很多种方法,可以通过一些数字运算芯片如单片机、CPLD等等来输出PWM波,也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。因为题目要求输出电压连续可调,所以我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。对于PWM发生芯片,我选用了SG3525芯片,其引脚图如图4.1所示,它是一款专用的PWM控制集成电路芯片,它采用恒频调宽控制方案,内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。其11和14脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的PWM信号。脚6、脚7 内有一个双门限比较器,内设电容充放电电路,加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端<脚3>。脚1 及脚2 分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器。根据系统的动态、静态特性要求,在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络,另外当10脚的电压为高电平时,11和14脚的电压变为10输出。4.2 工作原理由于SG3525的振荡频率可表示为 ： 4.1式中:,分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；是与脚7相连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为40kHz,所以由上式可取=0.01F,=,=。可得f=40kHz,满足要求。图4.2 控制电路SG3525有过流保护的功能,可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用,转换成电压信号来进行过流保护,同理也可以用10端进行过压保护,如图4.2所示10端外接过压过流保护电路。当驱动电路检测到过流时发出电流信号,由于电阻的作用将10脚的电位抬高,从而11、14脚输出低电平,而当其没有过流时,10脚一直处于低电平,从而正常的输出PWM波。SG3525还有稳压作用。1端接芯片内置电源,2端接负载输出电压,通过1端的变位器得到它的一个基准电位,从而当负载电位发生变化时能够通过1、2所接的误差放大器来控制输出脉宽的占空比,若负载电位升高则输出脉宽占空比减小,使得输出电压减小从而稳定了输出电压,反之则然。调节变位器使得1端得到不同的基准电位,控制输出脉宽的占空比,从而可使得输出电压为50-80V范围。