電力降壓斬波電路課程設(shè)計(jì)1

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)說明書</b></p><p>　　課 程： 電力電子技術(shù) </p><p>　　設(shè) 計(jì) 題 目： 直流斬波電路設(shè)計(jì) </p><p>　　班 級： </p>&

2、lt;p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　時 間： 2011～2012學(xué)年第二學(xué)期 </p><p>　　指 導(dǎo) 老 師：

3、 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　2 設(shè)計(jì)要求與方案2</p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)要求2</p><p>　　2.2 方案確定2</p><

4、p>　　3 主電路設(shè)計(jì)3</p><p>　　3.1 主電路方案3</p><p>　　3.2 工作原理4</p><p><b>　　3.3參數(shù)分析4</b></p><p>　　4 控制電路設(shè)計(jì)5</p><p>　　4.1 控制電路方案選擇5</p>&l

5、t;p>　　4.2 工作原理6</p><p>　　4.3 控制芯片介紹7</p><p>　　5 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)9</p><p>　　5.1 驅(qū)動電路方案選擇9</p><p>　　5.2工作原理10</p><p>　　6 保護(hù)電路設(shè)計(jì)11</p><p>　　6.1

6、過壓保護(hù)電路11</p><p>　　6.1.1 主電路器件保護(hù)12</p><p>　　6.1.2 負(fù)載過壓保護(hù)13</p><p>　　6.2 過流保護(hù)電路13</p><p>　　7 系統(tǒng)仿真及結(jié)論14</p><p>　　7.1 仿真軟件的介紹14</p><p>　　7.

7、2仿真電路及其仿真結(jié)果15</p><p>　　8 設(shè)計(jì)體會17</p><p>　　9 參考文獻(xiàn)18</p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué),向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起

8、始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時代。</p><p>　　直流斬波電路（DC Chopper）的功能是將直流電變?yōu)榱硪环N固定的或可調(diào)的直流電，也稱為直流

9、-直流變換器（DC/DC Converter），直流斬波電路（DC Chopper）一般是指直接將直流變成直流的情況，不包括直流-交流-直流的情況；直流斬波電路的種類很多，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，Zeta斬波電路，前兩種是最基本電路。</p><p>　　而直流斬波器（DC Chopper）是一種把恒定直流電壓變換成為另一固定電壓或可調(diào)

10、電壓的直流電壓，從而滿足負(fù)載所需的直流電壓的變流裝置。也稱為直接直流-直流變換器（DC/DC Converter）。它通過周期性地快速通、斷，把恒定直流電壓斬成一系列的脈沖電壓，而改變這一脈沖列的脈沖寬度或頻率就可實(shí)現(xiàn)輸出電壓平均值的調(diào)節(jié)。直流斬波器除可調(diào)節(jié)直流電壓的大小外，還可以用來調(diào)節(jié)電阻的大小和磁場的大小。直流傳動、開關(guān)電源是斬波電路應(yīng)用的兩個重要領(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

11、電力MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，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(kuò)展，成為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。前者是斬波電路應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域后者則是斬波電路應(yīng)用的新領(lǐng)域。直流斬波器的種類較多，包括6種基本斬波器：降壓斬波器（Buck Chopper）、升壓斬波器（Boost Chopper）、升降壓斬波器(Boost-Buck Chopper)、Cuk斬波器、Sepic斬波器和Zeta斬波器，前兩種是

12、最基本的類型。</p><p>　　因此，課程設(shè)計(jì)的選題為：設(shè)計(jì)使用全控型器件為IGBT的降壓斬波電路。</p><p>　　2 設(shè)計(jì)要求與方案</p><p><b>　　2.1 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　降壓斬波電路設(shè)計(jì)要求：</p><p>　　1、輸入直流電壓：Ud=100V

13、</p><p>　　2、開關(guān)頻率5KHz</p><p><b>　　3、輸出電壓20V</b></p><p>　　4、最大輸出電流：20A</p><p><b>　　5.L=100mH</b></p><p>　　6.輸出功率：400W</p><

14、p><b>　　7.占空比</b></p><p><b>　　2.2 方案確定</b></p><p>　　電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路，驅(qū)動電路，保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷來完成整個系統(tǒng)

15、的功能，當(dāng)控制電路所產(chǎn)生的控制信號能夠足以驅(qū)動電力電子開關(guān)時就無需驅(qū)動電路。</p><p>　　根據(jù)降壓斬波電路設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 降壓斬波電路結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　在圖2.1結(jié)構(gòu)框圖中，控制電路是用來產(chǎn)生降壓斬波電路的控制信號，控制電路產(chǎn)生的控制信號傳到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路把控制信號轉(zhuǎn)換為加在開關(guān)控制端

16、，可以使其開通或關(guān)斷的信號。通過控制開關(guān)的開通和關(guān)斷來控制降壓斬波電路的主電路工作?？刂齐娐分械谋Ｗo(hù)電路是用來保護(hù)電路的，防止電路產(chǎn)生過電流現(xiàn)象損害電路設(shè)備。</p><p><b>　　3 主電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.1 主電路方案</b></p><p>　　根據(jù)所選課題設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個降壓斬

17、波電路，可運(yùn)用電力電子開關(guān)來控制電路的通斷即改變占空比，從而獲得我們所想要的電壓。這就可以根據(jù)所學(xué)的buck降壓電路作為主電路，這個方案是較為簡單的方案，直接進(jìn)行直直變換簡化了電路結(jié)構(gòu)。而另一種方案是先把直流變交流降壓，再把交流變直流，這種方案把本該簡單的電路復(fù)雜化，不可取。至于開關(guān)的選擇，選用比較熟悉的全控型的IGBT管，而不選半控型的晶閘管，因?yàn)镮GBT控制較為簡單，且它既具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快、驅(qū)動電路簡單等特點(diǎn)，又用通態(tài)壓降

18、小、耐壓高、電流大等優(yōu)點(diǎn)。</p><p><b>　　3.2 工作原理</b></p><p>　　根據(jù)所學(xué)的知識，直流降壓斬波主電路如圖3.1所示：</p><p><b>　　圖3.1 主電路圖</b></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

19、路來控制IGBT的通斷，當(dāng)t=0時，驅(qū)動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。電路工作時波形圖如圖3.2所示：</p><p>　　圖3.2 降壓電路波形圖</p><p>　　當(dāng)時刻，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)且脈動小，故串聯(lián)L值較大的電感。</p><p>　

20、　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(dāng)電力工作于穩(wěn)態(tài)時負(fù)載電流在一個周期的初值和終值相等，負(fù)載電壓的平均值為</p><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(fù)載的電壓平均值最大為E，若減小占空比α，則隨之減小。由此可知，輸出到負(fù)載的電壓平均值Uo 最大為U i，若減小占空比

21、α，則Uo 隨之減小，由于輸出電壓低于輸入電壓，故稱該電路為降壓斬波電路。</p><p><b>　　3.3參數(shù)分析</b></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、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100V。</p><p>　　

22、(2)電阻 因?yàn)楫?dāng)輸出電壓為200V時，假輸出電流為20A。所以由歐姆定律</p><p>　　可得負(fù)載電阻值為1歐姆。</p><p>　　(3)IGBT 由圖3易知當(dāng)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100V；而當(dāng)=1時，IGBT有最大電流，其值為5A。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>

23、<p>　　(4)二極管 其承受最大反壓100V，其承受最大電流趨近于20A，考慮2倍裕量，故需選擇，的二極管。</p><p>　　(5)電感 L=100mH;</p><p>　?。?）開關(guān)頻率 f=5KHz</p><p>　?。?）電容 設(shè)計(jì)要求輸出電壓紋波小于1%</p><p><b>　　4 控

24、制電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 控制電路方案選擇</p><p>　　控制電路需要實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生控制信號，用于控制斬波電路中主功率器件的通斷，通過對占空比的調(diào)節(jié)達(dá)到控制輸出電壓大小的目的。</p><p>　　斬波電路有三種控制方式：</p><p>　　1.保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間ton，稱為脈沖寬

25、度調(diào)制或脈沖調(diào)寬型；</p><p>　　2.保持導(dǎo)通時間不變，改變開關(guān)周期T，成為頻率調(diào)制或調(diào)頻型；</p><p>　　3.導(dǎo)通時間和周期T都可調(diào)，是占空比改變，稱為混合型。</p><p>　　因?yàn)閿夭娐酚羞@三種控制方式，又因?yàn)镻WM控制技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，所以采用PWM控制方式來控制IGBT的通斷。PWM控制就是對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。這種電路把直流電壓“

26、斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓。改變脈沖的占空比就是對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，只是因?yàn)檩斎腚妷汉退枰妮敵鲭妷憾际侵绷麟妷?，因此脈沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對脈沖的占空比進(jìn)行控制。</p><p>　　圖4.1 SG3525引腳圖</p><p>　　對于控制電路的設(shè)計(jì)其實(shí)可以有很多種方法，可以通過一些數(shù)字運(yùn)算芯片如單片機(jī)、CPLD等等來輸出PWM波，也可以通過特

27、定的PWM發(fā)生芯片來控制。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)生芯片來進(jìn)行連續(xù)控制。</p><p>　　對于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。</p><p>　　其11和14腳輸出兩個等幅、等頻、相位互

28、補(bǔ)、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 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(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，11和14腳的電壓變?yōu)?0輸出。</p>

29、<p><b>　　4.2 工作原理</b></p><p>　　由于SG3525的振蕩頻率可表示為 ：</p><p><b>　　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40kHz，所以由上式可取=0.01μ

30、F, = ,=。可得f=40kHz，滿足要求。</p><p>　　圖4.2 控制電路</p><p>　　SG3525有過流保護(hù)的功能，可以通過改變10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(hù)電流信號經(jīng)一電阻作用，轉(zhuǎn)換成電壓信號來進(jìn)行過流保護(hù)，同理也可以用10端進(jìn)行過壓保護(hù)，如圖4.2所示10端外接過壓過流保護(hù)電路。當(dāng)驅(qū)動電路檢測到過流時發(fā)出電流信號，由于電阻的

31、作用將10腳的電位抬高，從而11、14腳輸出低電平，而當(dāng)其沒有過流時，10腳一直處于低電平，從而正常的輸出PWM波。</p><p>　　SG3525還有穩(wěn)壓作用。1端接芯片內(nèi)置電源，2端接負(fù)載輸出電壓，通過1端的變位器得到它的一個基準(zhǔn)電位，從而當(dāng)負(fù)載電位發(fā)生變化時能夠通過1、2所接的誤差放大器來控制輸出脈寬的占空比，若負(fù)載電位升高則輸出脈寬占空比減小，使得輸出電壓減小從而穩(wěn)定了輸出電壓，反之則然。調(diào)節(jié)變位器使得

32、1端得到不同的基準(zhǔn)電位，控制輸出脈寬的占空比，從而可使得輸出電壓為50-80V范圍。</p><p>　　4.3 控制芯片介紹</p><p>　　本控制電路是以SG3525 為核心構(gòu)成,SG3525 為美國Silicon General 公司生產(chǎn)的專用，它集成了PWM 控制電路,其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)及各引腳功能如圖4.3所示,它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案,內(nèi)部包含有精密基準(zhǔn)源,鋸齒波振蕩器,誤差

33、放大器,比較器,分頻器和保護(hù)電路等.調(diào)節(jié)Ur 的大小,在11,14兩端可輸出兩個幅度相等,頻率相等,相位相差, 占空比可調(diào)的矩形波(即PWM信號).然后，將脈沖信號送往芯片HL402，對微信號進(jìn)行升壓處理，再把經(jīng)過處理的電平信號送往IGBT，對其觸發(fā)，以滿足主電路的要求。</p><p>　　圖4.3 SG3525A 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　?。?）基準(zhǔn)電壓調(diào)整器</p&

34、gt;<p>　　基準(zhǔn)電壓調(diào)整器是輸出為5.1V，50mA，有短路電流保護(hù)的電壓調(diào)整器。它供電給所有內(nèi)部電路，同時又可作為外部基準(zhǔn)參考電壓。若輸入電壓低于6V時，可把15、16腳短接，這時5V電壓調(diào)整器不起作用。</p><p><b>　?。?）振蕩器</b></p><p>　　3525A的振蕩器，除CT、RT端外，增加了放電7、同步端3。RT阻值決

35、定了內(nèi)部恒流值對CT充電，CT的放電則由5、7端之間外接的電阻值RD決定。把充電和放電回路分開，有利于通過RD來調(diào)節(jié)死區(qū)的時間，因此是重大改進(jìn)。這時3525A的振蕩頻率可表為：</p><p><b>　　（3.1）</b></p><p>　　在3525A中增加了同步端3專為外同步用，為多個3525A的聯(lián)用提供了方便。同步脈沖的頻率應(yīng)比振蕩頻率fs要低一些。<

36、/p><p><b>　　(3)誤差放大器</b></p><p>　　誤差放大器是差動輸入的放大器。它的增益標(biāo)稱值為80dB，其大小由反饋或輸出負(fù)載決定，輸出負(fù)載可以是純電阻，也可以是電阻性元件和電容的元件組合。該放大器共模輸入電壓范圍在1.8~3.4V，需要將基準(zhǔn)電壓分壓送至誤差放大器1腳（正電壓輸出）或2腳（負(fù)電阻輸出）。</p><p>　

37、　3524的誤差放大器、電流控制器和關(guān)閉控制三個信號共用一個反相輸入端，3525A改為增加一個反相輸入端，誤差放大器與關(guān)閉電路各自送至比較器的反相端。這樣避免了彼此相互影響。有利于誤差放大器和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)工作精度的提高。</p><p>　　(4)閉鎖控制端10</p><p>　　利用外部電路控制10腳電位，當(dāng)10腳有高電平時，可關(guān)閉誤差放大器的輸出，因此，可作為軟起動和過電壓保護(hù)等。<

38、;/p><p><b>　　(5)有軟起動電路</b></p><p>　　比較器的反相端即軟起動控制端8，端8可外接軟起動電容。該電容由內(nèi)部Vref的50μA恒流源充電。達(dá)到2.5V所經(jīng)的時間為。點(diǎn)空比由小到大（50％）變化。</p><p>　　(6)增加PWM鎖存器使關(guān)閉作用更可靠</p><p>　　比較器（脈沖寬度

39、調(diào)制）輸出送到PWM鎖存器。鎖存器由關(guān)閉電路置位，由振蕩器輸出時間脈沖復(fù)位。這樣，當(dāng)關(guān)閉電路動作，即使過流信號立即消失，鎖存器也可維持一個周期的關(guān)閉控制，直到下一周期時鐘信號使倘存器復(fù)位為止。</p><p>　　另外，由于PWM鎖存器對比較器來的置位信號鎖存，將誤差放大器上的噪音、振鈴及系統(tǒng)所有的跳動和振蕩信號消除了。只有在下一個時鐘周期才能重新置位，有利于可靠性提高。</p><p>

40、　　(7)增設(shè)欠壓鎖定電路</p><p>　　電路主要作用是當(dāng)IC塊輸入電壓小于8V時，集成塊內(nèi)部電路鎖定，停止工作（其準(zhǔn)源及必要電路除外），使之消耗電流降到很?。s2mA）。</p><p><b>　　(8)輸出級</b></p><p>　　由兩個中功率NPN管構(gòu)成，每管有抗飽和電路和過流保護(hù)電路，每組可輸出100mA。組間是相互隔離的

41、。電路結(jié)構(gòu)改為確保其輸出電平或者是高電平或者是低電平的一個電平狀態(tài)中。為了能適應(yīng)驅(qū)動快速的場效應(yīng)功率管的需要，末級采用推拉式電路，使關(guān)斷速度更快。</p><p>　　11端（或14端）的拉電流和灌電流，達(dá)100mA。在狀態(tài)轉(zhuǎn)換中，由于存在開閉滯后，使流出和吸收間出現(xiàn)重迭導(dǎo)通。在重迭處有一個電流尖脈沖，其持續(xù)時間約100ns。使用時VC接一個0.1μf電容可以濾去尖峰。</p><p>　

42、　另一個不足處是吸電流時，如負(fù)載電流達(dá)到50mA以上時，管飽和壓降較高（約1V）。</p><p><b>　　5 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　5.1 驅(qū)動電路方案選擇</p><p>　　IGBT是電力電子器件，控制電路產(chǎn)生的控制信號一般難以以直接驅(qū)動IGBT。因此需要信號放大的電路。另外直流斬波電路會產(chǎn)生很大的電磁干擾，會影

43、響控制電路的正常工作，甚至導(dǎo)致電力電子器件的損壞。因而還設(shè)計(jì)中還學(xué)要有帶電氣隔離的部分。</p><p>　　該驅(qū)動部分是連接控制部分和主電路的橋梁，驅(qū)動電路的穩(wěn)定與可靠性直接影響著整個系統(tǒng)變流的成敗。具體來講IGBT的驅(qū)動要求有一下幾點(diǎn)：</p><p>　　1）動態(tài)驅(qū)動能力強(qiáng)，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動脈沖。否則IGBT會在開通及關(guān)延時，同時要保證當(dāng)IGBT損壞時驅(qū)動電路

44、中的其他元件不會被損壞。</p><p>　　2）能向 IGBT提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪驏艍?，一般?15 V左右的正向柵壓比較恰當(dāng)，取-5V反向柵壓能讓IGBT可靠截止。</p><p>　　3）具有柵壓限幅電路，保護(hù)柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為土20 V，驅(qū)動信號超出此范圍可能破壞柵極。</p><p>　　4）當(dāng) IGBT處于負(fù)載短路或過流狀態(tài)時，能在

45、IGBT允許時間內(nèi)通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流，實(shí)現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。驅(qū)動電路的軟關(guān)斷過程不應(yīng)隨輸入信號的消失而受到影響。</p><p>　　針對以上幾個要求，對驅(qū)動電路進(jìn)行以下設(shè)計(jì)。針對驅(qū)動電路的隔離方式，有以下2種驅(qū)動電路，下面對其進(jìn)行比較選擇。</p><p>　　方案1：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

46、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1us的時間滯后，不適應(yīng)于某些要求比較高的場合。</p><p>　　方案2：采用變壓器耦合驅(qū)動器，其輸入輸出耐壓高，電路結(jié)構(gòu)簡單，延遲小。但是它不能實(shí)現(xiàn)自動過流保護(hù)，不能實(shí)現(xiàn)任意脈寬輸出，而且其對變壓器的繞制要求嚴(yán)格。</p><p>　　通過以上比較，結(jié)合本系統(tǒng)中，對電壓要求不高，而且只有一個全控

47、器件需要控制，使用光耦電路，使用方便，所以選擇方案1。</p><p>　　對于方案1可以用EXB841驅(qū)動芯片來實(shí)現(xiàn)也可以直接用光耦電路進(jìn)行主電路與控制電路隔離，再把驅(qū)動信號加一級推挽電路進(jìn)行放大使得驅(qū)動信號足以驅(qū)動IGBT管。由于我所設(shè)計(jì)的過流保護(hù)電路是利用控制芯片10端來設(shè)計(jì)的，且直接用光耦電路比較簡單，所以我沒有用驅(qū)動芯片而是直接用光耦電路。</p><p><b>　　

48、5.2工作原理</b></p><p>　　如圖5.2所示，IGBT降壓斬波電路的驅(qū)動電路提供電氣隔離環(huán)節(jié)。一般電氣隔離采用光隔離或磁隔離。光隔離一般采用光耦合器，光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，封裝在一個外殼內(nèi)。本電路中采用的隔離方法是，先加一級光耦隔離，再加一級推挽電路進(jìn)行放大。采用的光耦是TLP521-1。為得到最佳的波形，在調(diào)試的過程中對光耦兩端的電阻要進(jìn)行合理的搭配。</p>

49、;<p>　　圖5.2 驅(qū)動電路</p><p>　　原理：控制電路所輸出的信號通過TLP521-1光耦合器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，再經(jīng)過推挽電路進(jìn)行放大，從而把輸出的控制信號放大</p><p><b>　　6 保護(hù)電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　6.1 過壓保護(hù)電路</p><p>　　過壓保護(hù)要根據(jù)電

50、路中過壓產(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，自動開通保護(hù)電路，所以可分為主電路器件保護(hù)和負(fù)載保護(hù)。</p><p>　　6.1.1 主電路器件保護(hù)</p><p>　　當(dāng)達(dá)到—定電壓值時，自動開通保護(hù)電路，使過壓通過保護(hù)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(hù)了電力電子器件。</p><p>　　為了達(dá)到保

51、護(hù)效果，可以使用阻容保護(hù)電路來實(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，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(hù)電路如圖6.1所示。</p><p>　　圖6.1 RC阻容過電壓保護(hù)電路圖</p><p>　　6.1.2負(fù)載過壓保護(hù)</p><p>　　

52、如圖6.2所示 比較器同相端接到負(fù)載端，反相端接到一個基準(zhǔn)電壓上，輸出端接控制芯片10端，當(dāng)負(fù)載端電壓達(dá)到一定的值，比較器輸出Uom抬高10端電位，從而使10端上的信號為高電平時，PWM瑣存器將立即動作，禁止SG3525的輸出，同時，軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關(guān)斷信號結(jié)束，才重新進(jìn)入軟啟動過程，從而實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)。</p><p>　　電阻的取值，比較器反相端接5.1V電源

53、經(jīng)變位器后為可調(diào)基準(zhǔn)電壓，比較器同相端電壓應(yīng)在5V以內(nèi)，取負(fù)載輸出電壓最大值80V來算R20/R18=80/3左右 ，所以R20=100K，R18=4K，R17=10k，R19=2k。</p><p>　　圖 6.2 負(fù)載過壓保護(hù)</p><p>　　6.2 過流保護(hù)電路</p><p>　　當(dāng)電力電子電路運(yùn)行不正常或者發(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。當(dāng)器件擊穿或

54、短路、觸發(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(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^流保護(hù)。</p><p>　　過流保護(hù)的方法比較多，比較簡單的方法是一般采用添加FU熔斷器來限制電流的過大，防止IGBT的破壞和對電路中其他元件的保護(hù)。如圖1 在主電路串接一個快速熔斷絲。</p>&

55、lt;p>　　還有一種方法如圖6.2所示，也是利用控制電路芯片的第10端。在主電路的負(fù)載端串接一個很小取樣電阻，把它接到放大器進(jìn)行放大，后再利用比較器，運(yùn)用過壓保護(hù)原理同樣能實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。</p><p>　　電阻的取值，一般取樣電阻端所獲得的電壓為零點(diǎn)幾伏，需要通過放大器把電壓放大到幾伏左右，由放大器運(yùn)算公式：Uo=（1+R12/R10）*Ui，取放大10倍，即 1+R12/R10=10 , 所以取R12

56、=9K，R10=1K。放大后把它接到比較器中比較使得比較器輸出端電位升高，與過壓保護(hù)一樣原理，所以R13=2K，R14=2K，R15=10K，R16=2K。</p><p>　　圖6.2 過流保護(hù)電路</p><p>　　7 系統(tǒng)仿真及結(jié)論</p><p>　　7.1 仿真軟件的介紹</p><p>　　此次仿真使用的是MATLAB軟件。

57、</p><p>　　Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要

58、求應(yīng)用于Simulink。 </p><p>　　Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模

59、型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。</p><p>　　Simulink&reg;是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制

60、模塊庫來對其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測試。.</p><p>　　構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB&reg; 緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。</p><

61、p>　　7.2仿真電路及其仿真結(jié)果</p><p>　　1.仿真電路圖7.1</p><p>　　圖7.1 降壓斬波的MATLAB電路的模型</p><p>　　根據(jù)題目要求輸出電壓平均值為100V，電流為20A。這里是首先指定電源為100V直流。則最大占空比為20%。先用純電阻負(fù)載，則負(fù)載理論阻值應(yīng)該為1Ω。至于負(fù)載回路中的大電感，我在這里取的100mH。&

62、lt;/p><p>　　設(shè)定好元器件的參數(shù)之后,還需要設(shè)置仿真算法和仿真時間。我的設(shè)置如下圖所示</p><p>　　圖7.2仿真設(shè)置界面</p><p>　　2：MATLAB的.仿真結(jié)果如下：</p><p>　　結(jié)論：上面的數(shù)據(jù)與理論值相同，由于使用的是仿真軟件所以沒有誤差。</p><p><b>　　8

63、 設(shè)計(jì)體會</b></p><p>　　回顧起此次電力電子課程設(shè)計(jì)，感慨頗多，在兩個星期的日子里可以說是整天都充滿著壓力與忙碌，自己也的確從此次安排的課程設(shè)計(jì)中學(xué)到了很多東西。從開始得到老師給定課題時的一臉茫然到老師講解后內(nèi)容的初步了解再到自己通過查資料、與同學(xué)共同探討、經(jīng)過老師指導(dǎo)后，自己設(shè)計(jì)并寫出這份課程報(bào)告，心中充滿了成就感，通過這次的課程設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)了電力電子技術(shù)的重要性，它里面的器件如IGB

64、T之類的還可以對我們實(shí)際的電路起到提高效率和保護(hù)作用，可以通過控制它的觸發(fā)脈沖來實(shí)現(xiàn)它的關(guān)斷，這都是非常常見但是卻非常有實(shí)際意義的。課程設(shè)計(jì)并沒有想象中的那么順利，其間我們也遇到了很多的困難，但是在大家的討論和老師的幫助下我們還是完成了，這讓我意識到只要我們努力了，就沒有攻不過的難關(guān)，而且，對于電力電子技術(shù)的思考，讓我的邏輯思維能力大大提高，思維更加敏捷。同時讓我培養(yǎng)了一種透過部分聯(lián)系全篇的思路，鍛煉了我辦事的能力，做事效率提高了很多。

65、通過這次設(shè)計(jì)加深了我對這門課程的了解，也大大提高了我們的實(shí)踐能力。我認(rèn)識到無論在什么設(shè)計(jì)中，都要有一定的耐心和毅力，不要遇到問題就退縮，要不畏困難，勇于創(chuàng)新。以前總是覺得理論結(jié)合不了實(shí)際，但通過這</p><p><b>　　9 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]梁延貴主編,現(xiàn)代集成電路實(shí)用手冊可控硅觸發(fā)電路分冊,北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社.2002.2&l

66、t;/p><p>　　[2]王兆安主編, 電力電子技術(shù).第四版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2004.1[3]王云亮主編, 電力電子技術(shù).第一版.北京.電子工業(yè)出版社.2004.8</p><p>　　[4]石玉 栗書賢，電力電子技術(shù)題例與電路設(shè)計(jì)指導(dǎo),機(jī)械工業(yè)出版社 1998 </p><p>　　[5]莫正康，電力電子技術(shù)應(yīng)用第三版 機(jī)械工業(yè)出版社 2000；</