電子課程設(shè)計--- igbt在直流斬波調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、<p>　　IGBT在直流斬波調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　目錄2</b></p><p><b>　　前 言3</b></p><p><b>　　任務(wù)說明書3</b></p

2、><p><b>　　1、給定指標(biāo)3</b></p><p>　　2、設(shè)計任務(wù)說明書要求：3</p><p>　　第一章 調(diào)速系統(tǒng)的方案確定4</p><p><b>　　系統(tǒng)框圖4</b></p><p>　　1、 開環(huán)機(jī)械特性4</p><p&g

3、t;　　2、閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性4</p><p>　　3、測速電機(jī)的選擇5</p><p><b>　　4、光電編碼器5</b></p><p>　　第二章　主電路的計算6</p><p>　?。?、二次電壓的計算6</p><p>　?。?、 一、二次電流計算7</p>

4、;<p>　?。?、變壓器容量計算7</p><p>　　第三章 電路元件的選擇8</p><p>　?。?、整流元件選擇8</p><p>　?。?、濾波電容選擇8</p><p>　　３、IGBT選擇8</p><p>　　第四章　保護(hù)元件的選擇9</p><p>　　1

5、、變壓器二次側(cè)熔斷器的選擇9</p><p>　　2、IGBT保護(hù)電路選擇9</p><p><b>　　1）電容的選擇9</b></p><p>　　2）緩沖電阻計算9</p><p>　　3）緩沖電路二極管10</p><p>　　第五章 工作原理11</p><

6、;p>　　1、IGBT工作原理11</p><p>　　2、直流PWM控制電路11</p><p>　　3、總電路的工作原理11</p><p>　　第六章 電路在兩種工作模式下的波形圖12</p><p>　　1、電流連續(xù)工作模式12</p><p>　　2、電流斷續(xù)狀態(tài)13</p>

7、<p><b>　　第七章 總結(jié)14</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：14</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　眾所周知，IGBT以其輸入阻抗高、開關(guān)速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大等特點(diǎn)，已成為當(dāng)今功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的主流器件。

8、自二十世紀(jì)八十年代初期研制成功以來，其工藝技術(shù)和參數(shù)不斷改進(jìn)和提高，IGBT已由第三代、第四代發(fā)展到了第五代，由穿通型（PT型）發(fā)展到非穿通型（NPT型），其電性能參數(shù)日趨完善。IGBT模塊也在此基礎(chǔ)上同步發(fā)展，有單管模塊、半橋模塊、高端模塊、低端模塊、6單元模塊等。合理的驅(qū)動保護(hù)是IGBT安全工作的前提條件，特別是選擇合理的柵極驅(qū)動電壓Uge和合理的柵極串聯(lián)電阻Rg，以及過電壓過電流保護(hù)尤為重要。IGBT模塊的應(yīng)用電路有半橋電路逆變、

9、全橋電路逆變、三相逆變、斬波應(yīng)用等。IGBT模塊已被廣泛應(yīng)用于UPS、感應(yīng)加熱電源、逆變焊機(jī)電源和電機(jī)變頻調(diào)速等電源領(lǐng)域。</p><p>　　關(guān)鍵字： 電力電子 驅(qū)動電路 整流電路 斬波電路</p><p><b>　　設(shè)計任務(wù)書</b></p><p><b>　　1、給定指標(biāo)</b></p>

10、<p>　?。?）電網(wǎng)供電電壓為單相 U1=220V； </p><p>　?。?）經(jīng)整流后輸出電壓連續(xù)可調(diào)，Ud =110V（等于斬波的輸入電壓Ui）Id=8A</p><p>　?。?）開關(guān)元器件用IGBT</p><p>　　2、設(shè)計任務(wù)說明書要求：</p><p>　　(1) 主電路設(shè)計，包括基本數(shù)量關(guān)系、波形關(guān)系。(

11、2) 通過計算元件型號選擇。(3) 計算電路中的基本數(shù)量關(guān)系，考慮安全裕量，選擇元器件型號</p><p>　　(4) 選擇濾波裝置的結(jié)構(gòu)，考慮保護(hù)電路(5) 觸發(fā)電路設(shè)計或選擇。(6) 課程設(shè)計總結(jié)。(7) 有系統(tǒng)電氣原理圖，內(nèi)容完整、字跡工整、圖表整齊規(guī)范、數(shù)據(jù)詳實(shí)。</p><p>　　第一章 調(diào)速系統(tǒng)的方案確定</p><p><b

12、>　　系統(tǒng)框圖</b></p><p><b>　　圖一、系統(tǒng)框圖</b></p><p><b>　　開環(huán)機(jī)械特性</b></p><p>　　晶閘管直流電動機(jī)系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械性較軟，其原因是當(dāng)控制角a不變時，Ud則固定不變，負(fù)載增加，增大，使轉(zhuǎn)速n下降。因此，要使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，必須采用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。<

13、/p><p>　　2、閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性</p><p>　　轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，其調(diào)速范圍D`比開環(huán)系統(tǒng)大（1+K）倍。放大倍數(shù)K愈大，靜態(tài)轉(zhuǎn)速降愈小，調(diào)速范圍就愈大。在系統(tǒng)最低轉(zhuǎn)速相同的條件下，具體轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)的靜差率S`=S（開環(huán)）。</p><p>　　因此，只要適當(dāng)選擇放大器的放大倍數(shù)及轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a，即可滿足系統(tǒng)精度及調(diào)速范圍的要求。不過放大倍數(shù)

14、也不宜過大，以防系統(tǒng)不穩(wěn)定。</p><p><b>　　3、測速電機(jī)的選擇</b></p><p>　　1）按電流分，有交流和直流兩種。交流測速發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、無電刷接觸、工作可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。但用在直流控制系統(tǒng)中還要經(jīng)過整流變換，故使反饋信號的準(zhǔn)確度受到影響。因此，在多數(shù)情況下，還是選用直流測速發(fā)電機(jī)。</p><p>　　2）按磁

15、場分，有永磁式和他勵式兩種。永磁式磁極是用鐵鎳鈷合金制成，磁性能比較穩(wěn)定。但體積稍大一些，同時在工作過程中，如果機(jī)械振動較大，磁場會受影響；他勵式測速發(fā)電機(jī)體積小，但需要有勵磁電源供電，要保持勵磁電流不變，最好用恒流源。此外，還應(yīng)注意測速發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流不能過大，否則電樞反應(yīng)會影響測量精度。</p><p>　　使用直流測速電機(jī)在轉(zhuǎn)速很低時，電刷壓降及輸出電壓中因換向器造成的脈動也不能忽視。</p>

16、<p>　　3）測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，一般希望與主電動機(jī)轉(zhuǎn)速相適應(yīng)，否則還要經(jīng)過齒輪變速，齒輪間隙會在系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中引入新矛盾。所以一般測速發(fā)電機(jī)的額度電壓只要能滿足反饋信號的要求就行。</p><p>　　測速電機(jī)在安裝時，對同軸度要求比較高，否則，每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輸出信號會有一個周期變化，對系統(tǒng)是一個干擾信號，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。</p><p><b>　　4、光電編碼器&l

17、t;/b></p><p>　　在采用數(shù)字或微機(jī)控制的系統(tǒng)中，應(yīng)該用光電編碼器用代替測速發(fā)電機(jī)。光電編碼器是一種高精度的將轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角變?yōu)榫幋a電信號的儀器。即將輸入機(jī)械量----轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。因此，在數(shù)字控制的系統(tǒng)中，用光電編碼器可以簡化電路，而且具有精度高、結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，目前應(yīng)用日趨廣泛。</p><p>　　因此：采用單相交流電源供電、單相整流變壓器降壓、

18、二級管橋式整流、電容濾波獲得斬波輸入直流電源，經(jīng)IGBT斬波獲得要求的可調(diào)直流電源，并要求：</p><p>　　=110V，=8A，</p><p>　　第二章　主電路的計算</p><p>　　斬波調(diào)壓主電路如圖2所示</p><p>　　圖2、斬波調(diào)壓主電路</p><p><b>　　整流變壓器計算&

19、lt;/b></p><p><b>　?。?、二次電壓的計算</b></p><p><b>　　=110V</b></p><p><b>　　考慮占空比為90%</b></p><p>　　則 </p>&

20、lt;p>　　取 U0=1.2U2</p><p>　　則 </p><p><b>　　考慮10%裕量</b></p><p>　　取 </p><p>　　

21、２、 一、二次電流計算</p><p>　　取 </p><p>　　變比 </p><p><b>　　考慮空載電流 取</b></p><p><b>　?。?、變壓器容量計算</b><

22、;/p><p>　　第三章 電路元件的選擇</p><p><b>　?。?、整流元件選擇</b></p><p>　　二極管承受最大反向電壓 , 考慮3倍裕量，則</p><p><b>　　, 取500V</b></p><p>　　該電路整流輸出接有大電容，而且負(fù)載也不是純

23、電感負(fù)載，但為了簡化計算，仍按電感負(fù)載進(jìn)行計算，只是電流裕量可適當(dāng)取大些即可。</p><p><b>　　取10A</b></p><p>　　故選ZP10-5整流二極管4只，并配10A散熱器。</p><p><b>　?。病V波電容選擇</b></p><p>　　C0一般根據(jù)放電時間常數(shù)計算

24、，負(fù)載越大，要求紋波系數(shù)越小，電容量也越大。一般不作嚴(yán)格計算，多取2000以上。因該系統(tǒng)負(fù)載不大，故</p><p><b>　　取 C0=2200</b></p><p>　　耐壓按 1.5,取250V。</p><p>　　即選用2200、250V電容器。</p><p>　　為濾除高頻信號，取C1=1，耐壓25

25、0V。</p><p><b>　　３、IGBT選擇</b></p><p>　　因U0=123V，取3倍裕量，選耐壓為400V以上的IGBT。由于IGBT是以最大值標(biāo)注，且穩(wěn)定電流與峰值電流間大致為4倍關(guān)系，故應(yīng)選用大于4倍額定負(fù)載電流的IGBT為宜。為此選用60A的IGBT，并配以相應(yīng)散熱器即可。</p><p>　　第四章　保護(hù)元件的選擇

26、</p><p>　　1、變壓器二次側(cè)熔斷器的選擇</p><p>　　由于變壓器最大二次電流=8A，故選用10A熔芯即可滿足要求。應(yīng)選用15A、250V熔斷器，熔斷器的結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)而定。</p><p>　　2、IGBT保護(hù)電路選擇</p><p><b>　　1）電容的選擇</b></p>&

27、lt;p>　　一般按布線電感磁場能量全部轉(zhuǎn)化為電場能力估算。</p><p><b>　　即 =(-）</b></p><p><b>　　得：</b></p><p>　　——主回路布線電感；</p><p>　　——IGBT關(guān)斷時集電極電流A；</p><p>　　

28、——緩沖電容器電壓穩(wěn)定值，由IGBT安全工作區(qū)確定V；</p><p>　　——之類電源電影V。</p><p>　　可由實(shí)測確定。這里可按=5~20估算。為保證保護(hù)可靠，可取稍低于IGBT耐壓值為宜，這里取=300V進(jìn)行計算。取=、=123V，得</p><p><b>　　==0.0204</b></p><p>　

29、　取 =0.022、耐壓400V（略大于）。</p><p><b>　　2）緩沖電阻計算</b></p><p>　　要求IGBT關(guān)段信號到來之前，將緩沖電容器所積蓄的電荷放完，以關(guān)段信號之前放電90%為條件，其計算公式如下：</p><p><b>　　1/（6f）</b></p><p>

30、　　不能太小，過小會使IGBT開通時的集電極初始電流增大，因此，在滿足上式條件下，希望盡可能選取大的電阻值。</p><p>　　F為開關(guān)頻率、IGBT最大開關(guān)頻率為30KHz以內(nèi)，這里取f=2KHz。則有</p><p><b>　　=3.8</b></p><p><b>　　取：=3.6.</b></p>

31、<p><b>　　吸收電阻功率</b></p><p><b>　　=f0.67w</b></p><p>　　取=1W，即選用1W、3.6電阻即可。</p><p><b>　　3）緩沖電路二極管</b></p><p>　　因為用于高頻電路中，故應(yīng)選用快速恢

32、復(fù)二極管，以保證IGBT導(dǎo)通時很快關(guān)端。</p><p>　　電流定額可按IGBT通過電力的1/10試選，然后由調(diào)試決定</p><p><b>　　第五章 工作原理</b></p><p>　　1、IGBT工作原理</p><p>　　IGBT的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGB

33、T導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N一層的空穴（少子），對N一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N一層的電阻，使IGBT在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。</p><p>　　2、直流PWM控制電路</p><p>　　直流

34、PWM控制電路 直流電動機(jī)的PWM控制是一種利用脈沖占空比調(diào)節(jié)電動機(jī)平均工作電壓的控制方式。它利用直流電壓參考信號Ur和鋸齒波電壓載波信號U1進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)脈沖信號的占空比，如下圖3所示。參考電壓在小于載波信號電壓的最大值范圍變化時，可得到周期T一定、寬度Ton變化的PWM方波信號，該信號經(jīng)放大后控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷。</p><p>　　圖3、直流PWM控制波形圖</p><p&g

35、t;　　3、總電路的工作原理</p><p>　　電網(wǎng)提供單相220V電壓，經(jīng)過全橋型電路整流變化后得到直流電，作為降壓斬波電路的直流電源E，經(jīng)過降壓斬波電路的變化后，實(shí)現(xiàn)拖動直流電動機(jī)。</p><p>　　1）t=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升</p><p>　　2）t=t1時刻控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD

36、續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小通常使串接的電感L值較大 </p><p>　　第六章 電路在兩種工作模式下的波形圖</p><p>　　全橋電路的原理圖如圖4所示，全橋型電路存在電流連續(xù)和電流斷續(xù)兩種工作模式。</p><p>　　圖4、電路電流斷續(xù)狀態(tài)的波形</p><p>　　1、電流連續(xù)工

37、作模式</p><p>　　全橋型電路在電流連續(xù)模式時，在一個開關(guān)周期內(nèi)電路經(jīng)歷4個開關(guān)狀態(tài)，電路圖如圖5。電路中的逆變電路由4個開關(guān)組成，互為對角的兩個開關(guān)同時導(dǎo)通，而同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)交替導(dǎo)通，將直流電壓逆變變成幅值為Ui的交流電壓，加在變壓器一次側(cè)。改變開關(guān)的占空比，就可以改變整流電壓的平均值，也就改變了輸出電壓U0。每個開關(guān)斷態(tài)時承受的峰值電壓均為Ui。</p><p>　　若S

38、1、S4與S2、S3的導(dǎo)通時間不對稱，則交流電壓uT中將含有直流分量，會在變壓器一次電流中產(chǎn)生很大的直流分量，并可能造成磁路飽和，故全橋型電路應(yīng)注意避免電壓直流分量的產(chǎn)生，也可以在一次回路中串聯(lián)一個電容，以阻斷直流電流。</p><p>　　為了避免上下兩開關(guān)在換相過程中發(fā)生短暫的同時導(dǎo)通而造成短路損壞開關(guān)，每個開關(guān)各自的占空比不能超過50%，并應(yīng)留有裕量。</p><p><b&g

39、t;　　2、電流斷續(xù)狀態(tài)</b></p><p>　　全橋型電路在1個開關(guān)周期經(jīng)歷6個開關(guān)狀態(tài)，如圖5。</p><p>　　圖5、電路電流斷續(xù)狀態(tài)的波形</p><p><b>　　第七章 總結(jié)</b></p><p>　　作了一周的課程設(shè)計，使我有了很多的心得體會，可以說這次IGBT在直流斬波電動機(jī)系統(tǒng)中

40、的應(yīng)用的課程設(shè)計是在大家共同努力和在老師的精心指導(dǎo)下共同完成的。通過這次設(shè)計加深了我對這門課程的了解，也加深了對這門課程的設(shè)計。以前總是覺得理論結(jié)合不了實(shí)際，但通過這次設(shè)計使我認(rèn)識到了理論結(jié)合實(shí)際的重要性。但由于我知識的限制，設(shè)計還有很多不足之處，希望老師指出并教導(dǎo)。通過對電路圖的研究，也增強(qiáng)了我們的思考能力。課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察

41、過程。很感激學(xué)校給了我們這次動手實(shí)踐的機(jī)會，讓我們學(xué)生有了一個共同學(xué)習(xí)，增長見識，開拓視野的機(jī)會。也感謝陳老師對我們無私忘我的指導(dǎo)，我會以這次課程設(shè)計作為對自己的激勵，繼續(xù)學(xué)習(xí)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]電力電子技術(shù) ,石新春，楊京燕，王毅編。北京：中國電力出版社，2006</p><p>　　[