電力電子技術(shù)課程設(shè)計--直流升壓斬波電路的設(shè)計

1、<p>　　《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書</p><p>　　直流升壓斬波電路的設(shè)計</p><p>　　電力電子課程設(shè)計課題任務(wù)書</p><p>　　學院： 電氣與信息工程學院 專業(yè)：電氣工程及其自動化專業(yè) </p><p><b>　　摘 要&

2、lt;/b></p><p>　　直流斬波電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調(diào)電壓的DC-DC變換器，包括直接直流電變流電路和間接直流電變流電路。直接直流電變流電路也稱斬波電路，它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，一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，這種情況下輸入與輸出之間不隔離。間接直流變流電路是在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)，在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱

3、帶隔離的直流直流變流電路或直交直電路。直流斬波電路的種類有很多，包括六種基本斬波電路：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斬波電路和Zeta斬波電路。</p><p>　　斬波電路，利用不同的斬波電路的組合可以構(gòu)成符合斬波電路，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)的基本斬波電路進行組合，可構(gòu)成多相多重斬波電路。</p><p>　　關(guān)鍵詞：

4、直流斬波電路；變壓器；升壓斬波</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　緒論................................................................1</p><p>　　1 直流升壓斬波電路的設(shè)計思想..............................

5、.........2</p><p>　　1.1 直流升壓斬波電路原理........................................2</p><p>　　1.2 參數(shù)計算....................................................3</p><p>　　2 直流升壓斬波電路驅(qū)動電路設(shè)計......

6、...............................4</p><p>　　2.1 驅(qū)動電路M57962L簡介........................................4 </p><p>　　2.2 驅(qū)動電路設(shè)計................................................4 </p><p&

7、gt;　　3 直流升壓斬波電路保護電路設(shè)計.....................................6</p><p>　　3.1 過電流保護電路..............................................6</p><p>　　3.2 過電壓保護電路...........................................

8、...6</p><p>　　4 直流升壓斬波電路總電路的設(shè)計.....................................7</p><p>　　5 直流升壓斬波電路仿真.............................................8</p><p>　　5.1 仿真模型的選擇.....................

9、.........................8</p><p>　　5.2 仿真電路圖..................................................8</p><p>　　5.3 仿真結(jié)果及分析..............................................9</p><p>　　設(shè)計總結(jié).

10、..........................................................11</p><p>　　致謝...............................................................12</p><p>　　參考文獻...........................................

11、................13</p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，高壓開關(guān)穩(wěn)壓電源已被廣泛用于計算機、通信、工業(yè)加工和航空航天等領(lǐng)域。所有動力機裝置需要一個穩(wěn)定的電力輸送裝置，而外部提供的能源大多為交流，電源設(shè)備擔負著把交流電源轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備所需的各種類別直流任務(wù)。但有時那轉(zhuǎn)變的直流電壓同所需設(shè)備要求人

12、仍不相符，仍需變換，稱為DC/DC變換。直流斬波電路作為將直流電，變成另一種固定電壓的DC-DC變換器，在充電蓄電電路、直流傳動系統(tǒng).、電力電子變換裝置、開關(guān)電源及各種用電設(shè)備中得到普遍的應(yīng)用。隨之出現(xiàn)了諸如升壓斬波電路、降壓斬波電路、復合斬波電路、升降壓斬波電路等多種方式的變換電路。直流斬波技術(shù)，已被廣泛運用于直流開關(guān)電源和電機推動中，使其控制獲得加速平滑、快速響應(yīng)、加快節(jié)能的效果。 </p><p>　　直流

13、斬波電路實際上采用的就是PWM技術(shù)，這種電路把直流電壓斬成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需要的輸出電壓。PWM控制方式是目前才用最廣泛的一種控制方式，它具有良好的調(diào)整特性。隨電子技術(shù)的發(fā)展，近年來已發(fā)展各種集成式控制芯片，這種芯片只需外接少量元器件就可以工作，這不但簡化設(shè)計，還大幅度的減少元器件數(shù)量、連線和焊點。 </p><p>　　1 直流升壓斬波電路的設(shè)計思想</p><p>

14、;　　1.1 直流升壓斬波電路原理</p><p>　　直流升壓變流器用于需要提升直流電壓的場合，其原理圖如圖1所示。</p><p>　　在電路中V導通時，電流由E經(jīng)</p><p>　　升壓電感L和V形成回路，電感</p><p>　　L儲能；當V關(guān)斷時，電感產(chǎn)生</p><p>　　的反電動勢和直流電源電壓方向

15、</p><p>　　相同互相疊加，從而在負載側(cè)得</p><p>　　到高于電源的電壓，二極管的作 圖1 直流升壓斬波電路原理圖</p><p>　　用是阻斷V導通是，電容的放電回路。調(diào)節(jié)開關(guān)器件V的通斷周期，可以調(diào)整負載側(cè)輸出電流和電壓的大小。</p><p>　　假設(shè)L值、C值很大，V通時，E向L充電，充電電

16、流恒為，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(shè)V通的時間為，此階段L上積蓄的能量為E。</p><p>　　V斷時，E和L共同向C充電并向負載R供電。設(shè)V斷的時間為，則此期間電感L釋放能量為：</p><p><b>　　(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>

17、<p><b>　　(2)</b></p><p><b>　　化簡得：</b></p><p><b>　　(3)</b></p><p>　　上式中，輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路。</p><p>　　——升壓比，調(diào)節(jié)其即可改變。將升壓比的倒數(shù)記作β，

18、即。和導通占空比，有如下關(guān)系：</p><p><b>　　(4)</b></p><p>　　因此，式（1-2）可表示為：</p><p><b>　　(5)</b></p><p>　　升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個原因:一是L儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將

19、輸出電壓保持住。在以上分析中，認為V處于通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓Uo不變，但實際上C值不可能為無窮大，在此階段其向負載放電，U。必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低于理論所得結(jié)果，不過，在電容C值足夠大時，誤差很小，基本可以忽略。</p><p><b>　　1.2 參數(shù)計算</b></p><p>　　由直流斬波電路的原理可知</p>&l

20、t;p><b>　　(6)</b></p><p>　　又輸入電壓為輸入直流電壓：200V，要求輸出直流電壓范圍：300V～400V。所以只要根據(jù)輸入的電壓控制全控晶閘管IGBT關(guān)斷的時間和開通的時間比就可，即升壓比就可得到所需電壓。由計算得：</p><p><b>　　(7)</b></p><p>　　如果要求

21、輸出功率P=100W, =340V</p><p><b>　　(8)</b></p><p>　　得： R=</p><p>　　2 直流升壓斬波電路驅(qū)動電路設(shè)計</p><p>　　2.1 驅(qū)動電路M57962L簡介 </p><p>　　M57

22、962L是由日本三菱電氣公司為驅(qū)動IGBT而設(shè)計的厚膜集成電路。在驅(qū)動模塊內(nèi)部裝有2500V高隔離電壓的光電耦合器，過流保護電路和過流保護輸出端子，具有封閉性短路保護功能。M57962L是一種高速驅(qū)動電路，驅(qū)動信號延時tPLH 和tPHL最大為1.50μs?？梢则?qū)動600V/400V 級的IGBT模塊。M57962L工作程序:當電源接通后，首先自檢，檢測IGBT是否過載或短路。若過載或短路， IGBT 的集電極電位升高，經(jīng)外接二極管流入

23、檢測電路的電流增加，柵極關(guān)斷電路動作，切斷IGBT的柵極驅(qū)動信號，同時在“8”腳輸出低電平“過載/短路”指示信號。lGBT正常時，輸入信號經(jīng)光電耦合接口電路，再經(jīng)驅(qū)動級功率放大后驅(qū)動IGBT。 </p><p>　　M57962L采用雙電源+ Vcc和VEE ，原理結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。電路組成： (1) 放大隔離電路； (2) 定時復位電路；(3) 過流檢測電路； (4) 過流輸出電路。</p>&l

24、t;p>　　圖2 M57962L原理結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.2 驅(qū)動電路設(shè)計</p><p>　　升壓電路所用全控型晶閘管IGBT是電壓型驅(qū)動器件。IGBT的柵射極之間有數(shù)千皮法左右的極間電容，為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路具有較小的輸出電阻使IGBT開通的柵射極間的驅(qū)動電壓一般取15—20V。同樣，關(guān)斷時施加一定幅值的負驅(qū)動電壓（-5—-15V）有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷

25、損耗。在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩。</p><p>　　IGBT的驅(qū)動多采用專用的混合驅(qū)動集成驅(qū)動器，本次采用M57962L驅(qū)動器。如圖2驅(qū)動電路圖所示。又由產(chǎn)品信息知M57962L驅(qū)動器內(nèi)部具有退飽和和檢測和保護環(huán)節(jié)，當發(fā)生過電流時能快速響應(yīng)但慢速關(guān)斷IGBT，并向外部電路發(fā)出故障信號。</p><p>　　圖3 直流升壓斬波驅(qū)動電路</p><p>

26、　　3 直流升壓斬波電路保護電路設(shè)計</p><p>　　3.1 過電流保護電路</p><p>　　電力電子電路運行不正常或者發(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。過電流分為過載和短路兩種情況。通常采用的保護措施有：快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器。一般電力電子裝置均同時采用集中過流保護措施，以提高保護的可靠性和合理性。</p><p>　　綜合本次設(shè)計電路的

27、特點，采用快速熔斷器，即給晶閘管串聯(lián)一個保險絲實施電流保護。如圖4電流保護電路所示。</p><p>　　圖4 直流升壓斬波電路過流保護電路</p><p>　　對于所選的保險絲，遵從值小于晶閘管的允許值。</p><p>　　3.2 過電壓保護電路</p><p>　　電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電

28、壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因。本設(shè)計主要用于室內(nèi)，為了使用方便不考慮來自雷擊的威脅。</p><p>　　操作過電壓是由分閘、合閘的開關(guān)操作引起的過電壓，電網(wǎng)側(cè)的操作過電壓會由供電變壓器磁感應(yīng)耦合，或由變壓器繞組之間存在的分布電容靜感應(yīng)耦合過來。內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，包括：換相過電壓，關(guān)斷過電壓。</p><p>　　根據(jù)以上產(chǎn)生過電壓的的各種原因

29、，設(shè)計相應(yīng)的保護電路。如圖5過壓保護電路所示。其中：圖中是利用一個電阻加電容進行電壓抑制，當電壓過高時，保護電路中的電容會阻礙其電壓的上升，從而使得電力電子器件IGBT管不會因電壓的過高而損壞。</p><p>　　圖5 直流斬波電路過電壓保護電路</p><p>　　4 直流升壓斬波電路總電路的設(shè)計</p><p>　　如圖6總電路設(shè)計圖所示。電路由升壓電路，驅(qū)

30、動模塊、保護模塊、緩沖電路組成。</p><p>　　圖6 直流升壓斬波電路總電路</p><p>　　由M57862L芯片為核心構(gòu)成的驅(qū)動電路，控制IGBT的導通和關(guān)斷時間，從而控制電路的升壓比β，使其達到：</p><p><b>　　(9)</b></p><p>　　進而使輸出電壓達到目的值。</p>

31、<p>　　升壓電路時整個電路的核心，由一個IGBT和電容、電感值都很大的電容電感各一個。R為輸出負載，電壓由此輸出。因為輸出功率是一定的100W，從而R為定值1156Ω。其中保護電路包括過電壓保護和過電流保護。</p><p>　　5 直流升壓斬波電路仿真</p><p>　　5.1 仿真模型的選擇</p><p>　　在本次的設(shè)計中，采用了Ma

32、tlab軟件作為仿真工具來進行電路的模擬。首先畫出電路的結(jié)構(gòu)圖如下所示：</p><p>　　圖7 直流升壓斬波電路仿真電路模擬圖</p><p>　　由上圖中我們可以看到，在電路中，在IGBT的兩端加了脈沖觸發(fā)電壓，控制開關(guān)的關(guān)斷，以便得到升壓的電壓。</p><p>　　5.2 仿真電路圖</p><p>　　圖8 直流升壓斬波電路Ma

33、tlab仿真電路模型</p><p>　　5.3 仿真結(jié)果及分析</p><p>　　在模型中設(shè)置仿真參數(shù)，設(shè)置電源E電壓為200V，電阻的阻值為5Ω，脈沖發(fā)生器脈沖周期為T=0.2ms,脈沖寬度為50%，IGBT和二極管的參數(shù)保持默認，選L的值為0.1ms,C的值為100μF。</p><p>　　圖9 α=1/3時仿真輸出電壓波形</p><

34、;p>　　圖10 α=2/5時仿真輸出電壓波形</p><p>　　圖11 α=1/2時仿真輸出電壓波形</p><p>　　當α=1/3時，輸出電壓為300V；</p><p>　　當α=2/5時，輸出電壓為333V；</p><p>　　當α=1/2時，輸出電壓為400V。</p><p>　　從上面的直流電

35、壓輸出圖中我們可以看出來，本次設(shè)計是成功的，理論與實際是相符的，我們得到了300V～400V的輸出可調(diào)電壓。</p><p><b>　　設(shè)計總結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過半個月的努力，本次課程設(shè)計總算順利結(jié)束，可能還有很多不足的地方，還請老師批評指導。</p><p>　　本次課程設(shè)計的內(nèi)容囊括了本學期所學《電力電子技術(shù)》的大部分內(nèi)容

36、，還用到了以前所學的電路、模電的知識。在設(shè)計的過程中我遇到了諸多問題，這主要是自己所學知識的不牢固和欠缺造成的。通過再次認真翻看課本，查閱資料，向老師和同學請教，終于把一個又一個的問題解決掉。通過這次課程設(shè)計我不僅進一步鞏固了這門課程的知識，還熟悉了Matlab等相關(guān)軟件的使用方法，這為以后的學習工作提供了便利。</p><p>　　通過這次設(shè)計，我還發(fā)現(xiàn)課本上的理論知識和實踐還是有一定的差別，理論知識要應(yīng)用到實

37、踐中要經(jīng)過仔細地思考和多次嘗試，只有這樣才能達到理論聯(lián)系實踐的效果。如果不是通過課程設(shè)計，我們的知識面可能一直停留在理論的層面。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　一段時間的課程設(shè)計，使我有了很多的心得體會，可以說這次直流升壓斬波電路的課程設(shè)計是在大家共同努力和老師的精心指導下共同完成的。</p><p>　　通

38、過這次課程設(shè)計加深了我對這門課程的了解，以前總是覺得理論結(jié)合不了實際，但通過這次設(shè)計使我認識到了理論結(jié)合實際的重要性。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。 </p><p>　　最后，感謝老師的耐心指導和同學的大力支持，使我在本次設(shè)計遇到的問題都解決了，順利的完成了本次課程設(shè)計，并從中學習到了更多的知識。 </p><p>　　再次感謝在本次設(shè)計中給予我?guī)椭娜耍?/p>

39、謝謝你們！ </p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1].王兆安，王俊編. 電力電子技術(shù)(第5版).北京:機械工業(yè)出版社,2010</p><p>　　[2].黃俊，秦祖蔭編. 電力電子自關(guān)斷器件及電路.北京:機械工業(yè)出版社,1991</p><p>　　[3].李序葆，趙永健編. 電力電子

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