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1、 電力電子課程設計說明書 DC/DC變換器的設計系 、 部： 電氣與信息工程系 學生姓名： 柳 一 文 指導教師： 桂 友 超 專 業(yè)： 自 動 化 班 級： 0 8 0 3 班 完成時間： 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{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。利用不同的基本斬波電路進行組合，可構成復合斬波電路，如電流可逆斬波電路、橋式可逆斬波電路等。利用相同結構的基本斬波電路進行組合，可構成多相多重斬波電路。直流斬波電路廣泛應用于直流傳動和開關電源領域，是電力電子領域的熱點。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，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，應用領域迅速擴展，成為中小功率電力電子設備的主導器件。所以，此課程設計選題為：

3、設計使用全控型器件為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、驅動電路和保護電路的原理與設計。目 錄1 設計要求與方案32 直流電源設計32.1 設計原理 3 2.2 參數(shù)計算43 降壓斬波主電路設計5 3.1 BUCK電路工作原理5 3.2 主電路參數(shù)分析64 控制電路原理與設計6 4.1 控制電路方案選擇7 4.2 控制電路工作原理85 驅動電路原理與設計8 5.1 驅動電路方案選擇8 5.2 驅動電路分析設計86 保護電路原理與設計9 6.1 過電壓保護9 6.2 過電流保護11設計心得12參考文獻12致 謝12附 錄131.設計要求與方案 設計要求是輸出電壓U

4、o=50V-200V可調的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模擬電路知識可以由整流器解決。IGBT的通斷用PWM控制，用PWM方式來控制IGBT的通斷需要使用脈寬調制器SG3525來產生PWM控制信號。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.直流電源設計2.1 設計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的直流電壓。濾波電路一般由電容組成，其作用是把脈動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：；流過每只二極管的平均電流為： 2.12.2 參數(shù)計算 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

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)上述設計步驟，對本次課程的直流電源進行設計，輸出電壓為。最大輸出電流假設為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。由于電路對紋波無要求，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.降壓斬波主電路設計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全控器件IGBT控制導通。用控制電路和驅動電路來控制IGBT的通斷，當t=0時，驅動IGBT導通，電源E向負載供電，負載電壓=E，負載電流按指數(shù)曲線上升。電路工作時波形圖如圖3.2所示：圖3.2 電流持續(xù)時波形圖當時刻，控制IGBT關斷，負載電流經(jīng)二極管續(xù)流，負載電壓近似為零，負載電流指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小，故串聯(lián)L值較大的電感。至一個周期T結束，再驅動IGBT導通，重復上

8、一周期的過程。當電力工作于穩(wěn)態(tài)時負載電流在一個周期的初值和終值相等，負載電壓的平均值為 3.1為IGBT處于通態(tài)的時間；為處于斷態(tài)的時間；T為開關周期；為導通占空比。通過調節(jié)占空比使輸出到負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 因為當輸出電壓為200V時，假設輸出電流為0.1-1A。所以由歐姆定律可得負載電阻值為 ，可得到

9、電路電阻應該在。(3)IGBT 由圖3.1易知當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200V；而當=1時，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=1時，其承受最大反壓200V；而當趨近于1時，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.控制電路原理與設計4.1控制電路方案選擇IGBT控制電路的功能有：給逆變器的電子開關提供控制信號；以及對保護信號作出反應，關閉控制信號。脈寬調節(jié)器的基本工作原理是用一個電壓比較器，在正輸入端輸入

10、一個三角波，在負輸入端輸入一直流電平，比較后輸出一方波信號，改變負輸入端直流電平的大小，即可改變方波信號的脈寬。圖4.1 SG3525引腳圖對于控制電路的設計其實可以有很多種方法，可以通過一些數(shù)字運算芯片如單片機、CPLD等等來輸出PWM波，也可以通過特定的PWM發(fā)生芯片來控制。因為題目要求輸出電壓連續(xù)可調，所以我選用一般的PWM發(fā)生芯片來進行連續(xù)控制。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，它采用恒頻調寬控制方案，內部包括精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護電路等。其11和14腳輸出兩個等幅、等頻、相位

11、互補、占空比可調的PWM信號。腳6、腳7 內有一個雙門限比較器，內設電容充放電電路，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?shù)姆答佈a償網(wǎng)絡，另外當10腳的電壓為高電平時，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有過流保護的功能，可以通過改變10腳電壓的高低來控制脈沖波的輸出。因此可以將驅動電路輸出的過流保護電流信號經(jīng)一電阻作用，轉換成電壓信號來進行過流保護，如圖4.2所示。當驅動電路檢測到過流時發(fā)出電流信號，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，而當其沒有過流時，10腳一直處于低電平，從而正常的輸出PWM波。5.驅動電路原理與設計5.1驅動電路方案選擇該驅動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功能：(1)提供適當?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷海笽GB

13、T可靠的開通和關斷；(2)提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時電流，使IGBT能迅速建立柵控電場而導通；(3)盡可能小的輸入輸出延遲時間，以提高工作效率；(4) 足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號電路與柵極驅動電路絕緣；(5)具有靈敏的過流保護能力。針對以上幾個要求，對驅動電路進行以下設計。針對驅動電路的隔離方式：采用光電耦合式驅動電路，該電路雙側都有源。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1s的時間滯后，不適應于某些要求比較高的場合。本系統(tǒng)中，對電壓要求不高，而且只有一個全控器件需要

14、控制，又有一些全控器件專用的驅動芯片，所以選擇此方案。5.2驅動電路分析與設計針對以上分析，我選取了EXB841驅動芯片。它具有單電源、正負偏壓、過流檢測、保護、軟關斷等主要特性，其功能完善，控制簡便可靠。下面簡單介紹一下它的工作原理。如圖5.1所示，其工作電源為獨立電源201V，內部含有-5V穩(wěn)壓電路，為ICBT的柵極提供+15V的驅動電壓，關斷時提供-5V的偏置電壓，使其可靠關斷。當腳15和腳14有10mA電流通過時，腳3輸出高電平而使IGBT導通；而當腳15和腳14無電流通過時，腳3輸出低電平使ICBT關斷；若ICBT導通時，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、位開始下降，從而逐漸關斷ICBT。圖5.1 EXB841內部結構圖利用EXB841驅動芯片設計其驅動電路原理圖如圖5.2所示，兩個47uf電容用于吸收噪音，在腳3輸出脈沖的同時，通過快速二極管VD1檢測IGBT的CE間的電壓。當Vce7V時，過流保護電流控制運算放大器，使其輸出軟關斷信號，將腳3輸出電平降為O。因EXB841無過流自鎖功能，所以外加過流保護電路，一旦產生過流，可通過外接光耦TLP521將過流保護信號輸出至控制電路，經(jīng)過一定延時，以防止誤動作和保證進行軟關斷，然后由觸發(fā)器鎖定，實現(xiàn)保護，將圖4.2與圖5.2聯(lián)系起來即可得到電路的控制驅動部分。圖5.2驅動電路原理圖6.保護電路的原

16、理與設計在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適、驅動電路設計良好外，采用合適的過電壓、過電流、保護和 保護也是必要的。6.1 過電壓保護過壓保護要根據(jù)電路中過壓產生的不同部位，加入不同的保護電路，當達到定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓通過保護電路形成通路，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器件上，保護了電力電子器件。為了達到保護效果，可以使用阻容保護電路來實現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當電路中出現(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生振蕩，過電壓保護電路如圖6.1所

17、示。圖6.1 RC阻容過電壓保護電路圖6.2 過電流保護 當電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。當器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過載、直流側短路、可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產生環(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，必須對變換器進行適當?shù)倪^流保護。采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種的過流保護措施。過電流保護電路如圖6.2所示，其中交流側接快速熔斷器能對晶閘管元件短路及直流側短路起保護作用。器件直接串接快速熔斷器才對元件的保護作用最好，因為它們流過同個電流因而被廣泛使用。電子電路作為第一保

18、護措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。圖6.2 過電流保護電路圖設計心得此次課程設計，從理論到實踐，在短短一星期的時間里，我遇到了很多問題，也學到了很多東西。它不僅鞏固了我以前所學的理論知識，更使我們知道了由理論結合實踐的基本方法，鍛煉了自己解決實際問題的能力。在此次課程設計過程中，碰到的問題比較多，靠自己所學的知識根本解決不了，借鑒了很多網(wǎng)上資料，解決了這些問題，也學到了很多課本上沒有的東西。在做設計的過程中我學到了很多東西，也知道了自己的哪些不足之處，知道自己對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，以

19、后仍需努力。通過這次課程設計，看到了自己的不足之處，同時也鍛煉了自己將理論知識運用到實際中的能力，加強了自己的實際運用能力，也學會了怎么樣去分析問題和解決問題。參考文獻1王兆安,黃俊, 電力電子技術北京:機械工業(yè)出版社, 2000致 謝由于本人的經(jīng)驗不足，在此次課程設計過程中出現(xiàn)了很多問題，是在同學的幫助下完成的，在此，感謝老師和各位幫助我的同學。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)格型號數(shù)量（單位）變壓器300KV/A1個整流二極管IN40045個大電感700mH2個電解電容500F/300V1個IGBT200V/1A1個電阻500，5.1K各1個電阻10K，10各2個芯片SG3525，EXB841各1塊滑動變阻器10K1個二極管IN41483個電容0.01F，100F各2個反向二極管IN40022個14