電力電子課程設計(3)

1、<p><b>　　第 1 章 緒 論</b></p><p><b>　　電力電子技術的內容</b></p><p>　　電力電子學,又稱功率電子學(Power Electronics)。它主要研究各種電力電</p><p>　　器件，以及由這些電力電子器件所構成的各式各樣的電路或裝置，以完成對電能的變換和控制

2、。它既是電子學在強電(高電壓、大電流)或電工領域的一個分支，又是電工學在弱電(低電壓、小電流)或電子領域的一個分支，或者說是強弱電相結合的新科學。電力電子學是橫跨“電子”、“電力”和“控制”三個領域的一個新興工程技術學科。 電有直流(DC)和交流(AC)兩大類。前者有電壓幅值和極性的不同，后者除電壓幅值和極性外，還有頻率和相位的差別。實際應用中，常常需要在兩種電能之間，或對同種電能的一個或多個參數(shù)(如電壓，電流，頻率和功率因

3、數(shù)等)進行變變換器共有四種類型： 交流-直流(AC-DC)變換：將交流電轉換為直流電。 直流-交流(DC-AC)變換：將直流電轉換為交流電。這是與整流相反的變換，也稱為逆變。當輸出接電網(wǎng)時，稱之為有源逆變；當輸出接負載時，稱之為無源逆變。 交-交(AC-AC)變換，將交流電能的參數(shù)(幅值或頻率)加以變換。其中：改變交流電壓有效值稱為交流調壓；將工頻交流電直接轉換成其他頻率的交流電，稱為交-交變頻。 直

4、流-直流(DC-DC)變換，將恒定直流</p><p>　　1.4 本人的主要工作</p><p>　　在這次課程設計中，我主要完成了三件事。第一，直流升壓電路原理圖的設計繪制；包括控制電路、驅動電路、主電路、過流保護電路、過壓保護電路。第二：用MATLAB對設計出來的電路仿真，即運用SIMULINK工具箱對電路建模仿真，得到預期的電壓輸出波形。最后，文檔的制作。通過這次課程設計，使我更好

5、的掌握了課本的知識和熟悉了軟件的使用，并且掌握了SG3525芯片的應用，更了解了升壓斬波電路性能指標要求及分析計算，同時也掌握了文檔的制作。</p><p>　　第2章 設計方案和方案實施</p><p><b>　　設計方案選擇</b></p><p>　　斬波電路有三種控制方式</p><p>　　（1）脈沖寬度調制

6、（PWM）：開關周期T不變，改變開關導通時間ton。</p><p>　　（2）頻率調制：開關導通時間ton不變，改變開關周期T。</p><p>　?。?）混合型：開關導通時間ton和開關周期T都可調，改變占空比。</p><p>　　本次設計采用的是脈寬調制的方法，開關選用全控型器件IGBT，它集中了電力MOSFET和GTR得優(yōu)點。</p><

7、;p>　　升壓斬波電路的設計原理</p><p>　　原理圖如圖3-5所示：假設L值、C值很大，V通時，E向L充電，充電電流恒為I1，同時C的電壓向負載供電，因C值很大，輸出電壓為恒值,記為。設V通的時間為，此階段L上積蓄的能量為</p><p>　　V斷時，E和L共同向C充電并向負載R供電。設V斷的時間為，則此期間電感L釋放能量為</p><p><b

8、>　　（2-1）</b></p><p>　　穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等</p><p>　　化簡得： （2-2）</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　，輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路。也稱

9、之為boost chooper變換器。</p><p>　　——升壓比，調節(jié)其即可改變。將升壓比的倒數(shù)記作β，即。和導通占空比，有如下關系：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　因此，式（2-2）可表示為</p><p><b>　?。?-5）</b></p&g

10、t;<p>　　升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因：</p><p>　?、?L儲能之后具有使電壓泵升的作用</p><p>　?、?電容C可將輸出電壓保持住</p><p>　　2.3 IGBT驅動電路選擇</p><p>　　對IGBT驅動電路提出以下要求和條件：</p><p>　　(1)

11、由于是容性輸出輸出阻抗；因此IBGT對門極電荷集聚很敏感，驅動電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路。</p><p>　　(2)用低內阻的驅動源對門極電容充放電，以保證門及控制電壓有足夠陡峭的前、后沿，使IGBT的開關損耗盡量小。另外，IGBT開通后，門極驅動源應提供足夠的功率，使IGBT不至退出飽和而損壞。</p><p>　　(3)門極電路中的正偏壓應為+12～+15V；負偏壓應

12、為-2V～-10V。</p><p>　　(4)IGBT 驅動電路中的電阻對工作性能有較大的影響，RG較大，有利于抑制IGBT 的電流上升率及電壓上升率，但會增加IGBT 的開關時間和開關損耗；RG較小，會引起電流上升率增大，使IGBT 誤導通或損壞。RG的具體數(shù)據(jù)與驅動電路的結構及IGBT 的容量有關，一般在幾歐～幾十歐，小容量的IGBT 其RG值較大。</p><p>　　(5)驅動電

13、路應具有較強的抗干擾能力及對IGBT 的自保護功能。IGBT 的控制、驅動及保護電路等應與其高速開關特性相匹配，另外，在未采取適當?shù)姆漓o電措施情況下，IGBT的G～E極之間不能為開路。</p><p>　　一般數(shù)字信號處理器構成的控制系統(tǒng)， IGBT驅動信號由處理器集成的PWM模塊產生的。而PWM接口驅動能力及其與IGBT的接口電路的設計直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。因此本文采用SG3525設計出了一種可靠的IGB

14、T驅動方案。</p><p>　　第3章 單元電路的設計</p><p>　　3.1 直流供電電路</p><p>　　生活中現(xiàn)有的都為交流電，所以斬波電路的輸入電壓需由交流電經(jīng)整流得到。本設計采用橋式電路整流：由四個二極管組成一個全橋整流電路.由整流電路出來的電壓含有較大的紋波，電壓質量不太好，故需要進行濾波。本電路采用RL低通濾波器（通過串聯(lián)一個電感，濾除電流的

15、高次諧波，并聯(lián)一個電容濾除電壓的高次諧波），以減小紋波。protell原理圖如下圖3-1所示：</p><p>　　圖 3-1 直流供電電路</p><p>　　輸入端接220V、50Hz的市電，進過變壓器T1（原線圈/副線圈為4/1）后輸出55V、50Hz。當同名端為正時D2、D5導通，D3、D4截止，電壓上正下負。當同名端為負時D2、D5截止，D3、D4導通，電壓同樣是上正下負，從而

16、實現(xiàn)整流。電感具有電流不能突變，通直流阻交流特性，因此串聯(lián)一個電感可以提高直流電壓品質。而電容具有電壓不能突變，通交流阻直流特性，因此并聯(lián)一個大電容可以濾除雜波，減小紋波。結合兩種元器件的特性，組成上圖整流電路，可以得到比較理想的直流電壓（幅值為50V左右）。</p><p>　　3.2 升壓斬波主電路</p><p>　　本設計為直流升壓斬波（boost chopper）電路，該電路是本

17、系統(tǒng)的核心。應為輸出電壓比較大，故斬波器件選用能夠承受大電壓和導通內阻小，開關頻率高，開關時間小的大功率IGBT管。主電路圖如下圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2 升壓斬波主電路原理圖</p><p>　　左邊接經(jīng)整流之后的50V電壓。右邊為斬波電壓輸出，J2為測試點。V-G為SG3525輸出的PWM斬波信號。G1為IGBT，D1為電力二極管，L2為電感，C1為電容，R1為負載。

18、</p><p>　　3.3 控制和驅動電路</p><p>　　3.3.1 芯片SG3525簡介</p><p>　　PWM控制芯片SG3525 具體的內部引腳結構如圖3-3及圖3-4所示。其中，腳16 為SG3525 的基準電壓源輸出，精度可以達到（5.1±1％）V，采用了溫度補償，而且設有過流保護電路。腳5、腳6、腳7 內有一個雙門限比較器，內設電

19、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，直流開環(huán)增益為70dB 左右。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。</p><p>　　圖3-3 SG3525的引腳</p><p>　

20、　圖3-4 SG3525的內部框圖</p><p>　　3.3.2 控制和驅動電路原理圖</p><p>　　此電路主要用來驅動IGBT斬波。產生PWM信號有很多方法，但歸根到底不外乎直接產生PWM的專用芯片、單片機、PLC、可編程邏輯控制器等本電路采用直接產生PWM的專用芯片SG3525.該芯片的外圍電路只需簡單的連接幾個電阻電容，就能產生特定頻率的PWM波，通過改變IN+輸入電阻就能改

21、變輸出PWM波的占空比，故在IN+端接個可調電阻就能實現(xiàn)PWM控制。為了提高安全性，該芯片內部還設有保護電路。它還具有高抗干擾能力，是一款性價比相當不錯的工業(yè)級芯片。</p><p>　　為了減少不同電源之間的相互干擾，SG3525輸出的PWM經(jīng)過光電耦合之后才送至驅動電路。其電路圖如下圖 3-5所示：</p><p>　　圖3-5 控制和驅動電路原理圖</p><p&

22、gt;　　工作原理：通過R2、R3、C3結合SG3525產生鋸齒波輸入到SG3525的振蕩器。</p><p>　　其產生的PWM信號由OUTA、OUTB輸出，調節(jié)R7可以改變占空比。輸出的PWM信號通過二極管D6、D7送至光電耦合器U2，光耦后通過驅動電路對信號進行放大。放大后的電壓可以直接驅動IGBT。此電路具有信號穩(wěn)定，安全可靠等優(yōu)點。因此他適用于中小容量的PWM斬波電路。</p><p

23、><b>　　3.4 保護電路</b></p><p>　　升壓斬波電路需同時具有過壓和過流保護功能，分別如圖3-6，3-7所示，均采用反饋控制,將過流過壓信號反饋到芯片SG3525的輸入，從而起到調節(jié)保護作用。同時芯片SG3525也可完成一定的保護功能，例如，腳8軟起動功能，避免了開關電源在開機瞬間的電流沖擊，可能造成的末級功率開關管的損壞。 </p><p>

24、;　　圖3-6 過壓保護電路</p><p>　　圖3-7 過壓保護電路</p><p><b>　　3.5 參數(shù)計算</b></p><p>　　由設計要求可取直流輸入電壓=50V, =340V, 則:</p><p>　　占空比α=1-50/340=0.85.</p><p>　　交流側二次

25、電壓有效值=/1.2=41.7V;</p><p>　　取交流一次電壓有效值=220V</p><p>　　變壓器變比K=/=220/41.7=5.3。</p><p>　　輸出功率為100W,所以負載電阻R==1156Ω，取1200Ω；</p><p>　　負載電流=/ =0.28,電源電流=(α)/β=1.59 A。</p>

26、<p>　　二極管承受反向最大電壓 =1.414=1.414×41.7＝59V</p><p>　　考慮3倍裕量，則 =3×59V=177V; 平均電流=0.5×I2=0.14, 選取 1N4003，其參數(shù)為最大反向峰值電壓為200V，平均電流為1A.</p><p>　　濾波電容選擇一般根據(jù)放電的時間常數(shù)計算，負載越大，要求紋波系數(shù)越小，一般

27、不做嚴格計算，多取2000 μF以上。因該系統(tǒng)負載不大，故取=2200 μF，耐1.5=1.5×78.6=117.9V取120V即選用2200uF、120V電容器。</p><p>　　(6) 電感值一般選擇極大值，以保證電流連續(xù)且脈動很小，所以取= 0.3mH，</p><p><b>　　=50m H。</b></p><p>　

28、　(7) IGBT的選擇</p><p>　　因為=41.7V，取3倍裕量，選耐壓為150V以上的IGBT。由于IGBT是以最大標注且穩(wěn)定電流與峰值電流間大致為4倍關系，故應選用大于4倍額定負載電流的IGBT為宜，因此選用7A,額定電壓600V左右的IGBT，選GT8Q101，其參數(shù)為最高耐壓為1200V,最大電流為8A.</p><p>　　第4章 實驗仿真與分析</p>

29、<p>　　4.1 仿真軟件Matlab簡介</p><p>　　在科學研究和工程應用中，往往要進行大量的數(shù)學計算，其中包括矩陣運算。這些運算一般來說難以用手工精確和快捷地進行，而要借助計算機編制相應的程序做近似計算。目前流行用Basic、Fortran和c語言編制計算程序, 既需要對有關算法有深刻的了解，還需要熟練地掌握所用語言的語法及編程技巧。對多數(shù)科學工作者而言，同時具備這兩方面技能有一定困難。通

30、常，編制程序也是繁雜的，不僅消耗人力與物力,而且影響工作進程和效率。為克服上述困難，美國Mathwork公司于1967年推出了“Matrix Laboratory”（縮寫為Matlab）軟件包，并不斷更新和擴充。目前最新的5.x版本（windows環(huán)境）是一種功能強、效率高便于進行科學和工程計算的交互式軟件包。其中包括：一般數(shù)值分析、矩陣運算、數(shù)字信號處理、建模和系統(tǒng)控制和優(yōu)化等應用程序，并集應用程序和圖形于一便于使用的集成環(huán)境中。在此

31、環(huán)境下所解問題的Matlab語言表述形式和其數(shù)學表達形式相同，不需要按傳統(tǒng)的方法編程。不過，Matlab作為一種新的計算機語言，要想運用自如，充分發(fā)揮它的威力，也需先系統(tǒng)地學習它。但由于使用Matlab編程運算與人進行科</p><p><b>　　4.2 仿真電路</b></p><p>　　打開仿真參數(shù)窗口，選擇ode23tb算法，按圖4-1連接好仿真電路圖。相對

32、誤差設置為1e-03，開始仿真時間設置為O，停止仿真時間設置為O.02 s，控制脈沖周期設置為O.0001 s(頻率為1 0000Hz)，控制脈沖占空比為85％。各元器件參數(shù)按計算出來的參數(shù)設置。</p><p>　　升壓斬波電路仿真電路圖</p><p>　　4.3 仿真結果及誤差分析</p><p>　　參數(shù)設置完畢后，啟動仿真，得到圖4-2的仿真結果，輸出電壓

33、為340V。</p><p>　　圖4-2 升壓斬波電路占空比85%時仿真結果</p><p>　　在原電路的基礎上，改變占空比為50%時的仿真結果如圖4-3所示,理論輸出電壓為100V.</p><p>　　圖4-3 升壓斬波電路占空比50%時仿真結果</p><p>　　通過以上的仿真過程分析，仿真結果基本符合理論計算值，本次設計取得

34、成功?？梢缘玫较铝薪Y論：(1)直流變換電路主要以全控型電力電子器件作為開關器件，通過控制主電路的接通與斷開，將恒定的直流斬成斷續(xù)的方波，經(jīng)濾波后變?yōu)殡妷嚎烧{的直流輸出電壓。利用Simulink對升降壓斬波的仿真結果進行了詳細分析，與采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進行比較，進一步驗證了仿真結果的正確性。</p><p>　　存在誤差，但在誤差允許范圍之類，分析誤差原因有以下兩點：第一，電感值和電容值取不到

35、無窮大，造成電流電壓脈動。第二，整流濾波出來的電壓并沒完全消除高次諧波，這些諧波會影響仿真結果。</p><p><b>　　設計體會和致謝</b></p><p>　　回顧起此次電力電子課程設計，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在整整一星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很

36、多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，通過這次課程設計之后，一定把以

37、前所學過的知識重新溫故。</p><p>　　這次課程設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多編程問題，在老師和同學們的一一解答下度過重重難關取得成功！在此，對給過我?guī)椭乃型瑢W和陸老師表示忠心的感謝，通過這一周的電力電子課程設計，我既對MATLAB7.0軟件有了進一步的了解，對BOOST CHOPPER電路也有的深入的認識和理解。剛開始，對很多元件的選擇都不清楚，通過老師的知道和同學的幫助，學會了如何更好的設計

38、電路選擇正確的元器件。把實驗室測得的波形和仿真的波形進行對比，雖然存在一些差異，但是基本上還是一致的。</p><p>　　經(jīng)過這次的課程設計，發(fā)現(xiàn)MATLAB軟件功能非常強大。平時在學習中不能夠透徹理解的知識，通過動手，會有更好的認知。本次課程設計雖然不長，但是它給我們帶來了很多收獲。</p><p>　　最后，感謝老師的耐心指導和同組同學的大力支持，使我在本次設計中將遇到的問題都解決了

39、，順利的完成了本次課程設計，并從中學習到了更多的知識。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 王兆安．黃?。娏﹄娮蛹夹g，第4版，機械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　[2] 張乃國．電源技術．北京：中國電力出版社，1998</p><p>　　[3] 何希才．新型開關電源設計

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41、,陳大欽.電子技術基礎(第四版). 北京: 高等教育出版社,1998</p><p>　　[8] 張義和.Protel DXP電路設計快速入門.北京:中國鐵道出版社,2003</p><p>　　[9] 張乃國．電源技術．北京：中國電力出版社，1998</p><p>　　[10] 何希才．新型開關電源設計與應用．北京：科學出版社，2001</p>&