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1、 電力電子課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) DC/DC變換器的設(shè)計(jì)系 、 部： 電氣與信息工程系 學(xué)生姓名： 柳 一 文 指導(dǎo)教師： 桂 友 超 專 業(yè)： 自 動(dòng) 化 班 級(jí)： 0 8 0 3 班 完成時(shí)間： 2012年6月13日 前 言直流斬波電路（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。習(xí)慣上，DC-DC變換器包括以上兩種情況。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

2、，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，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)。利用不同的基本斬波電路進(jìn)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(jìn)行組合，可構(gòu)成多相多重?cái)夭娐?。直流斬波電路廣泛應(yīng)用于直流傳動(dòng)和開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域，是電力電子領(lǐng)域的熱點(diǎn)。全控型器件選擇絕緣柵雙極晶體管（IGBT）綜合了GTR和電力MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的特性。目前已取代了原來(lái)GTR和一部分電力MOSFET的市場(chǎng)，應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)展，成為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。所以，此課程設(shè)計(jì)選題為：

3、設(shè)計(jì)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(dòng)電路和保護(hù)電路的原理與設(shè)計(jì)。目 錄1 設(shè)計(jì)要求與方案32 直流電源設(shè)計(jì)32.1 設(shè)計(jì)原理 3 2.2 參數(shù)計(jì)算43 降壓斬波主電路設(shè)計(jì)5 3.1 BUCK電路工作原理5 3.2 主電路參數(shù)分析64 控制電路原理與設(shè)計(jì)6 4.1 控制電路方案選擇7 4.2 控制電路工作原理85 驅(qū)動(dòng)電路原理與設(shè)計(jì)8 5.1 驅(qū)動(dòng)電路方案選擇8 5.2 驅(qū)動(dòng)電路分析設(shè)計(jì)86 保護(hù)電路原理與設(shè)計(jì)9 6.1 過(guò)電壓保護(hù)9 6.2 過(guò)電流保護(hù)11設(shè)計(jì)心得12參考文獻(xiàn)12致 謝12附 錄131.設(shè)計(jì)要求與方案 設(shè)計(jì)要求是輸出電壓U

4、o=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(shí)可以由整流器解決。IGBT的通斷用PWM控制，用PWM方式來(lái)控制IGBT的通斷需要使用脈寬調(diào)制器SG3525來(lái)產(chǎn)生PWM控制信號(hào)。降壓斬波主電路原理圖如圖1.1所示：圖1.1 降壓斬波主電路的原理圖2.直流電源設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)原理小功率直流電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路三個(gè)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：圖2.1 直流電源原理框圖圖2.2 直流電源波形圖電源變壓器的作用是將來(lái)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

5、源變壓器的效率為：，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：表2.1 小型變壓器效率因此，當(dāng)算出了副邊功率后，就可以根據(jù)上表算出原邊功率。在直流電源中一般用四個(gè)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(dòng)的直流電壓。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動(dòng)直流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(guò)每只二極管的平均電流為： 2.12.2 參數(shù)計(jì)算 根據(jù)濾波電路的輸出電壓UI，確定電源變壓器副邊電壓的有效值；根據(jù)濾波電路的最大輸出電流，確定流過(guò)

6、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，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。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(jì)步驟，對(duì)本次課程的直流電源進(jìn)行設(shè)計(jì)，輸出電壓為。最大輸出電流假設(shè)為1A,則由可知： 2.2變壓器副邊電流：因此，變壓器副邊輸出功率：。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。再選用整流二極管和濾波電容，由于：，。IN4004 的反向擊穿電壓，額定工作電流，故整流二極管選用IN4

7、004。由于電路對(duì)紋波無(wú)要求，而電容的耐壓要大于，故濾波電容C取容量為500F，耐壓為300V的電解電容。3.降壓斬波主電路設(shè)計(jì)3.1 BUCK電路工作原理圖3.1 BUCK電路圖直流降壓斬波主電路使用一個(gè)全控器件IGBT控制導(dǎo)通。用控制電路和驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制IGBT的通斷，當(dāng)t=0時(shí)，驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓=E，負(fù)載電流按指數(shù)曲線上升。電路工作時(shí)波形圖如圖3.2所示：圖3.2 電流持續(xù)時(shí)波形圖當(dāng)時(shí)刻，控制IGBT關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管續(xù)流，負(fù)載電壓近似為零，負(fù)載電流指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小，故串聯(lián)L值較大的電感。至一個(gè)周期T結(jié)束，再驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通，重復(fù)上

8、一周期的過(guò)程。當(dāng)電力工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等，負(fù)載電壓的平均值為 3.1為IGBT處于通態(tài)的時(shí)間；為處于斷態(tài)的時(shí)間；T為開(kāi)關(guān)周期；為導(dǎo)通占空比。通過(guò)調(diào)節(jié)占空比使輸出到負(fù)載的電壓平均值最大為E，若減小占空比，則隨之減小。此電路采用PWM方式控制IGBT的通斷。3.2 主電路參數(shù)分析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、電阻值的確定，其參數(shù)確定如下：(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。(2)電阻 因?yàn)楫?dāng)輸出電壓為200V時(shí)，假設(shè)輸出電流為0.1-1A。所以由歐姆定律可得負(fù)載電阻值為 ，可得到

9、電路電阻應(yīng)該在。(3)IGBT 由圖3.1易知當(dāng)IGBT截止時(shí)，回路通過(guò)二極管續(xù)流，此時(shí)IGBT兩端承受最大正壓為200V；而當(dāng)=1時(shí)，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。 (4)二極管 當(dāng)=1時(shí)，其承受最大反壓200V；而當(dāng)趨近于1時(shí)，其承受最大電流趨近于1A，故需選擇，的二極管。(5)電感 選擇大電感L(為700mL)。4.控制電路原理與設(shè)計(jì)4.1控制電路方案選擇IGBT控制電路的功能有：給逆變器的電子開(kāi)關(guān)提供控制信號(hào)；以及對(duì)保護(hù)信號(hào)作出反應(yīng)，關(guān)閉控制信號(hào)。脈寬調(diào)節(jié)器的基本工作原理是用一個(gè)電壓比較器，在正輸入端輸入

10、一個(gè)三角波，在負(fù)輸入端輸入一直流電平，比較后輸出一方波信號(hào)，改變負(fù)輸入端直流電平的大小，即可改變方波信號(hào)的脈寬。圖4.1 SG3525引腳圖對(duì)于控制電路的設(shè)計(jì)其實(shí)可以有很多種方法，可以通過(guò)一些數(shù)字運(yùn)算芯片如單片機(jī)、CPLD等等來(lái)輸出PWM波，也可以通過(guò)特定的PWM發(fā)生芯片來(lái)控制。因?yàn)轭}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(lái)進(jìn)行連續(xù)控制。對(duì)于PWM發(fā)生芯片，我選用了SG3525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(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護(hù)電路等。其11和14腳輸出兩個(gè)等幅、等頻、相位

11、互補(bǔ)、占空比可調(diào)的PWM信號(hào)。腳6、腳7 內(nèi)有一個(gè)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 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(gè)兩級(jí)差分放大器。根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)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(dāng)?shù)姆答佈a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，另外當(dāng)10腳的電壓為高電平時(shí)，11和14腳的電壓變?yōu)?0輸出。4.2控制電路工作原理由于SG3525的振蕩頻率可表示為 ： 4.1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50kH

12、z，所以由上式可取=1F, = ,=。可得f=49.02kHz，基本滿足要求。圖4.2控制電路部分電路圖SG3525有過(guò)流保護(hù)的功能，可以通過(guò)改變10腳電壓的高低來(lái)控制脈沖波的輸出。因此可以將驅(qū)動(dòng)電路輸出的過(guò)流保護(hù)電流信號(hào)經(jīng)一電阻作用，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)來(lái)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，如圖4.2所示。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路檢測(cè)到過(guò)流時(shí)發(fā)出電流信號(hào)，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(dāng)其沒(méi)有過(guò)流時(shí)，10腳一直處于低電平，從而正常的輸出PWM波。5.驅(qū)動(dòng)電路原理與設(shè)計(jì)5.1驅(qū)動(dòng)電路方案選擇該驅(qū)動(dòng)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(gè)功能：(1)提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?，使IGB

13、T可靠的開(kāi)通和關(guān)斷；(2)提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時(shí)電流，使IGBT能迅速建立柵控電場(chǎng)而導(dǎo)通；(3)盡可能小的輸入輸出延遲時(shí)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(hào)電路與柵極驅(qū)動(dòng)電路絕緣；(5)具有靈敏的過(guò)流保護(hù)能力。針對(duì)以上幾個(gè)要求，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行以下設(shè)計(jì)。針對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的隔離方式：采用光電耦合式驅(qū)動(dòng)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(cè)IGBT的電壓和電流的狀態(tài)，對(duì)外送出過(guò)流信號(hào)。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(duì)脈沖信號(hào)有1s的時(shí)間滯后，不適應(yīng)于某些要求比較高的場(chǎng)合。本系統(tǒng)中，對(duì)電壓要求不高，而且只有一個(gè)全控器件需要

14、控制，又有一些全控器件專用的驅(qū)動(dòng)芯片，所以選擇此方案。5.2驅(qū)動(dòng)電路分析與設(shè)計(jì)針對(duì)以上分析，我選取了EXB841驅(qū)動(dòng)芯片。它具有單電源、正負(fù)偏壓、過(guò)流檢測(cè)、保護(hù)、軟關(guān)斷等主要特性，其功能完善，控制簡(jiǎn)便可靠。下面簡(jiǎn)單介紹一下它的工作原理。如圖5.1所示，其工作電源為獨(dú)立電源201V，內(nèi)部含有-5V穩(wěn)壓電路，為ICBT的柵極提供+15V的驅(qū)動(dòng)電壓，關(guān)斷時(shí)提供-5V的偏置電壓，使其可靠關(guān)斷。當(dāng)腳15和腳14有10mA電流通過(guò)時(shí)，腳3輸出高電平而使IGBT導(dǎo)通；而當(dāng)腳15和腳14無(wú)電流通過(guò)時(shí)，腳3輸出低電平使ICBT關(guān)斷；若ICBT導(dǎo)通時(shí)，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

15、位開(kāi)始下降，從而逐漸關(guān)斷ICBT。圖5.1 EXB841內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖利用EXB841驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)其驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖5.2所示，兩個(gè)47uf電容用于吸收噪音，在腳3輸出脈沖的同時(shí)，通過(guò)快速二極管VD1檢測(cè)IGBT的CE間的電壓。當(dāng)Vce7V時(shí)，過(guò)流保護(hù)電流控制運(yùn)算放大器，使其輸出軟關(guān)斷信號(hào)，將腳3輸出電平降為O。因EXB841無(wú)過(guò)流自鎖功能，所以外加過(guò)流保護(hù)電路，一旦產(chǎn)生過(guò)流，可通過(guò)外接光耦TLP521將過(guò)流保護(hù)信號(hào)輸出至控制電路，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)，以防止誤動(dòng)作和保證進(jìn)行軟關(guān)斷，然后由觸發(fā)器鎖定，實(shí)現(xiàn)保護(hù)，將圖4.2與圖5.2聯(lián)系起來(lái)即可得到電路的控制驅(qū)動(dòng)部分。圖5.2驅(qū)動(dòng)電路原理圖6.保護(hù)電路的原

16、理與設(shè)計(jì)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(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過(guò)電壓、過(guò)電流、保護(hù)和 保護(hù)也是必要的。6.1 過(guò)電壓保護(hù)過(guò)壓保護(hù)要根據(jù)電路中過(guò)壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的保護(hù)電路，當(dāng)達(dá)到定電壓值時(shí)，自動(dòng)開(kāi)通保護(hù)電路，使過(guò)壓通過(guò)保護(hù)電路形成通路，消耗過(guò)壓儲(chǔ)存的電磁能量，從而使過(guò)壓的能量不會(huì)加到主開(kāi)關(guān)器件上，保護(hù)了電力電子器件。為了達(dá)到保護(hù)效果，可以使用阻容保護(hù)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時(shí)，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過(guò)壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過(guò)壓能量，同時(shí)抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過(guò)電壓保護(hù)電路如圖6.1所

17、示。圖6.1 RC阻容過(guò)電壓保護(hù)電路圖6.2 過(guò)電流保護(hù) 當(dāng)電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過(guò)電流。當(dāng)器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過(guò)載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過(guò)高或過(guò)低、缺相等，均可引起過(guò)流。由于電力電子器件的電流過(guò)載能力相對(duì)較差，必須對(duì)變換器進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)流保護(hù)。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(guò)流保護(hù)措施。過(guò)電流保護(hù)電路如圖6.2所示，其中交流側(cè)接快速熔斷器能對(duì)晶閘管元件短路及直流側(cè)短路起保護(hù)作用。器件直接串接快速熔斷器才對(duì)元件的保護(hù)作用最好，因?yàn)樗鼈兞鬟^(guò)同個(gè)電流因而被廣泛使用。電子電路作為第一保

18、護(hù)措施，快熔僅作為短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過(guò)電流繼電器整定在過(guò)載時(shí)動(dòng)作。圖6.2 過(guò)電流保護(hù)電路圖設(shè)計(jì)心得此次課程設(shè)計(jì)，從理論到實(shí)踐，在短短一星期的時(shí)間里，我遇到了很多問(wèn)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(shí)，更使我們知道了由理論結(jié)合實(shí)踐的基本方法，鍛煉了自己解決實(shí)際問(wèn)題的能力。在此次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，碰到的問(wèn)題比較多，靠自己所學(xué)的知識(shí)根本解決不了，借鑒了很多網(wǎng)上資料，解決了這些問(wèn)題，也學(xué)到了很多課本上沒(méi)有的東西。在做設(shè)計(jì)的過(guò)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(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，以

19、后仍需努力。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，看到了自己的不足之處，同時(shí)也鍛煉了自己將理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中的能力，加強(qiáng)了自己的實(shí)際運(yùn)用能力，也學(xué)會(huì)了怎么樣去分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。參考文獻(xiàn)1王兆安,黃俊, 電力電子技術(shù)北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2000致 謝由于本人的經(jīng)驗(yàn)不足，在此次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)了很多問(wèn)題，是在同學(xué)的幫助下完成的，在此，感謝老師和各位幫助我的同學(xué)。附 錄附圖：降壓斬波電路原理圖附表：降壓斬波電路元器件清單器件名稱規(guī)格型號(hào)數(shù)量（單位）變壓器300KV/A1個(gè)整流二極管IN40045個(gè)大電感700mH2個(gè)電解電容500F/300V1個(gè)IGBT200V/1A1個(gè)電阻500，5.1K各1個(gè)電阻10K，10各2個(gè)芯片SG3525，EXB841各1塊滑動(dòng)變阻器10K1個(gè)二極管IN41483個(gè)電容0.01F，100F各2個(gè)反向二極管IN40022個(gè)14