電力電子課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1設(shè)計(jì)總體思路1</p><p>　　1.1設(shè)計(jì)總體思路1</p><p>　　1.2基本原理1</p><p>　　1.3總電路圖4</p><p>　　2單元電路設(shè)計(jì)4</p><p>

2、　　2.1 主電路模塊4</p><p>　　2.2控制電路模塊6</p><p>　　2.3驅(qū)動(dòng)電路模塊10</p><p>　　2.4檢測(cè)和保護(hù)模塊13</p><p>　　3MATLAB仿真15</p><p>　　3.1 仿真原理圖15</p><p>　　

3、3.2 仿真波形16</p><p><b>　　4參數(shù)計(jì)算17</b></p><p>　　5總結(jié)和體會(huì)18</p><p><b>　　6附錄20</b></p><p>　　7 參 考 文 獻(xiàn)21</p><p><b>　　設(shè)計(jì)總體思路

4、</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)總體思路</b></p><p>　　通過(guò)對(duì)直流穩(wěn)壓電源部分，BUCK主電路，控制電路以及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，得到了設(shè)計(jì)的總體電路。在總電路圖中，直流穩(wěn)壓電源部分輸出27V的直流電供給BUCK電路，在BUCK主電路里，負(fù)載輸出恒定為15V，全控型器件選用IGBT；電路采用的是PWM控制方式，控制脈沖由集成脈寬調(diào)制器SG

5、3525產(chǎn)生，BUCK電路輸出電壓反饋給控制電路，起到控制占空比的目的；控制信號(hào)需要經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路才能起到控制IGBT的目的，驅(qū)動(dòng)電路是由驅(qū)動(dòng)芯片EXB841構(gòu)成；電路中還包括了IGBT的檢測(cè)和保護(hù)電路，對(duì)電路的過(guò)電流與過(guò)電壓起到了很好的抑制作用。</p><p><b>　　基本原理</b></p><p>　　t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓u

6、o=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。</p><p>　　t=t1時(shí)控制IGBT關(guān)斷，二極管VD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，通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小。</p><p>　　至一個(gè)周期T結(jié)束，再驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通，重復(fù)上一周前的過(guò)程。當(dāng)電路穩(wěn)定時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等。</p><p>　　電流連續(xù)時(shí)負(fù)載電壓的平均值

7、</p><p>　　式中，ton為V處于通態(tài)的時(shí)間，toff為V處于斷態(tài)的時(shí)間，T為開關(guān)周期，為導(dǎo)通占空比，簡(jiǎn)稱占空比或?qū)ū取?</p><p><b>　　負(fù)載電流平均值為 </b></p><p>　　電流斷續(xù)時(shí)，負(fù)載電壓uo平均值會(huì)被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。</p><p>　　基于分時(shí)段線性電路這

8、一思想，按V處于通態(tài)和處于斷態(tài)兩個(gè)過(guò)程來(lái)分析，初始條件分電流連續(xù)和斷續(xù)。</p><p><b>　　電流連續(xù)時(shí)得出</b></p><p>　　式中I10和I20分別是負(fù)載電流瞬時(shí)值的最小值和最大值。 </p><p>　　以上所示的關(guān)系還可從能量傳遞關(guān)系簡(jiǎn)單地推得，一個(gè)周期中，忽略電路中的損耗，則電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等，即

9、</p><p>　　假設(shè)電源電流平均值為I1，則有 </p><p>　　其值小于等于負(fù)載電流Io，由上式得 </p><p>　　即輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器</p><p>　　電流斷續(xù)時(shí)有I10=0，且t=ton+tx時(shí)，i2=0，可以得出 </p><p>　　電流連續(xù)時(shí)，tx&g

10、t;toff，由此得出電流連續(xù)的條件為 </p><p><b>　　輸出電壓平均值為 </b></p><p><b>　　負(fù)載電流平均值為 </b></p><p><b>　　總電路圖</b></p><p><b>　　單元電路設(shè)計(jì)</b><

11、/p><p><b>　　2.1 主電路模塊</b></p><p>　　2.1.1 主電路原理</p><p>　　設(shè)計(jì)采用橋式電路整流：由四個(gè)二極管組成一個(gè)全橋整流電路. 由整流電路出來(lái)的電壓含有較大的紋波，電壓質(zhì)量不太好，故需要進(jìn)行濾波。本電路采用RL低通濾波器（通過(guò)串聯(lián)一個(gè)電感，濾除電流的高次諧波，并聯(lián)一個(gè)電容濾除電壓的高次諧波），以減小

12、紋波。輸入端接220V、50Hz的市電，進(jìn)過(guò)變壓器T1（原線圈/副線圈為9.8/1）后輸出22.45V、50Hz。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(gè)電感可以提高直流電壓品質(zhì)。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(gè)大電容可以濾除雜波，減小紋波。結(jié)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22.45*1.2=26.9V左右）。</p><p>　　BUC

13、K變換器主電路可使用一個(gè)全控器件IGBT控制導(dǎo)通。用控制電路和驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制IGBT的開斷，當(dāng)t=0時(shí)，驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓u。=E，負(fù)載電流i。按指數(shù)曲線上升。</p><p>　　當(dāng)t=t1時(shí)刻，控制IGBT關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓u。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(dòng)小，故串聯(lián)L值較大的電感。</p><p>　　至一個(gè)周

14、期T結(jié)束，再驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過(guò)程。當(dāng)電力工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等，負(fù)載電壓的平均值為</p><p>　　通過(guò)調(diào)節(jié)占空比α使輸出到負(fù)載的電壓平均值U。最大為E，若減小占空比α，則U。隨之減小。</p><p><b>　　2.1.2主電路圖</b></p><p><b>　　控制電路模塊<

15、/b></p><p>　　BUCK電路由SG3525芯片控制.</p><p>　　2.2.1芯片SG3525功能介紹</p><p>　　SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來(lái)調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過(guò)輸出電感線圈的信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化

16、而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無(wú)論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。</p><p>　　1）SG3525引腳功能及特點(diǎn)簡(jiǎn)介 其原理圖如圖4.13下： </p><p><b>　　引腳功能</b></p><p>　　Inv.input(引腳1)：誤差放大器反向輸

17、入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號(hào)。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補(bǔ)償信號(hào)輸入端（引腳9）相連，可構(gòu)成跟隨器。 Noninv.input(引腳2)：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號(hào)。根據(jù)需要，在該端與補(bǔ)償信號(hào)輸入端（引腳9）之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型的調(diào)節(jié)器。 Sync(引腳3)：振蕩器外接同步信號(hào)輸入端。該端接外部同步脈沖信號(hào)可實(shí)現(xiàn)與外電路同步。 OSC.O

18、utput(引腳4)：振蕩器輸出端。 CT(引腳5)：振蕩器定時(shí)電容接入端。 RT（引腳6）：振蕩器定時(shí)電阻接入端。 Discharge(引腳7)：振蕩器放電端。該端與引腳5之間外接一只放電電阻，構(gòu)成放電回路。 Soft-Start(引腳8)：軟啟動(dòng)電容接入端。該端通常接一只5 的軟啟動(dòng)電容。 Compensation(引腳9)：PWM比較器補(bǔ)償信號(hào)輸入端。在該端與引腳2之間接入不同類型

19、的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型調(diào)節(jié)器。 Shut</p><p><b>　　控制電路圖</b></p><p><b>　　驅(qū)動(dòng)電路模塊</b></p><p>　　2.3.1驅(qū)動(dòng)芯片 EXB841功能介紹</p><p><b>　　1）原理</b>

20、;</p><p>　　下圖所示為EXB841的內(nèi)部電路和典型應(yīng)用電路圖，主要有3個(gè)工作過(guò)程：正常開通過(guò)程、正常關(guān)斷過(guò)程和過(guò)流保護(hù)動(dòng)作過(guò)程.14和15兩腳間外加PWM控制信號(hào)，當(dāng)10～15V的正向觸發(fā)控制脈沖電壓施加于15和14腳時(shí)，在GE兩端產(chǎn)生約16 v的IGBT開通電壓；當(dāng)觸發(fā)控制脈沖電壓撤消時(shí)，在GE兩端產(chǎn)生約-5.1 V的IGBT關(guān)斷電壓.過(guò)流保護(hù)動(dòng)作過(guò)程是根據(jù)IGBT的CE極間電壓Uce的大小判定是否

21、過(guò)流而進(jìn)行保護(hù)的，Uce由二極管V7檢測(cè).當(dāng)IGBT開通時(shí)，若發(fā)生負(fù)載短路等產(chǎn)生大電流的故障，Uce上升很多，會(huì)使得二極管V7截止，EXB841的6腳“懸空”，B點(diǎn)和C點(diǎn)電位開始由約6 V 上升，當(dāng)上升至13 V 時(shí)，Vs1被擊穿，V3導(dǎo)通，C4通過(guò)R7和V3放電，E點(diǎn)的電壓逐漸下降，V6導(dǎo)通，從而使IGBT的GE間電壓Uge下降，實(shí)現(xiàn)緩關(guān)斷，完成EXB841對(duì)IGBT的保護(hù).E點(diǎn)電位Ue為-5.1 V，由EXB841內(nèi)部的穩(wěn)壓二極管V

22、s2決定.</p><p><b>　　2）引腳功能</b></p><p>　　① 連接用于反向偏置電源的濾波電容</p><p>　?、?電源（+20V）</p><p><b>　?、?驅(qū)動(dòng)輸出</b></p><p>　?、?用于連接外部電容，以防止過(guò)流保護(hù)電路誤動(dòng)

23、作（絕大部分場(chǎng)合不需要電容。）</p><p><b>　?、?過(guò)流保護(hù)輸出</b></p><p><b>　?、?集電極電壓監(jiān)視</b></p><p><b>　　⑦ ⑧ 不接</b></p><p><b>　?、?電源（ov）</b></p

24、><p><b>　　⑩ ⑾ 不接</b></p><p>　?、?驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（-），驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（+）</p><p>　　2.3.2驅(qū)動(dòng)電路圖</p><p><b>　　檢測(cè)和保護(hù)模塊</b></p><p><b>　　2.4.1原理</b>&l

25、t;/p><p>　　1）IGBT的過(guò)電流保護(hù)</p><p>　　IGBT的過(guò)流保護(hù)電路可分為2類：一類是低倍數(shù)的（1.2～1.5倍）的過(guò)載保護(hù)；一類是高倍數(shù)（可達(dá)8～10倍）的短路保護(hù)。</p><p>　　對(duì)于過(guò)載保護(hù)不必快速響應(yīng)，可采用集中式保護(hù)，即檢測(cè)輸入端或直流環(huán)節(jié)的總電流，當(dāng)此電流超過(guò)設(shè)定值后比較器翻轉(zhuǎn)，封鎖所有IGBT驅(qū)動(dòng)器的輸入脈沖，使輸出電流降為零。

26、這種過(guò)載電流保護(hù)，一旦動(dòng)作后，要通過(guò)復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。 IGBT能承受很短時(shí)間的短路電流，能承受短路電流的時(shí)間與該IGBT的導(dǎo)通飽和壓降有關(guān)，隨著飽和導(dǎo)通壓降的增加而延長(zhǎng)。如飽和壓降小于2V的IGBT允許承受的短路時(shí)間小于5μs，而飽和壓降3V的IGBT允許承受的短路時(shí)間可達(dá)15μs，4～5V時(shí)可達(dá)30μs以上。存在以上關(guān)系是由于隨著飽和導(dǎo)通壓降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路電流同時(shí)增大，短路時(shí)的功耗隨著電流的平方加大

27、，造成承受短路的時(shí)間迅速減小。 通常采取的保護(hù)措施有軟關(guān)斷和降柵壓2種。軟關(guān)斷指在過(guò)流和短路時(shí)，直接關(guān)斷IGBT。但是，軟關(guān)斷抗騷擾能力差，一旦檢測(cè)到過(guò)流信號(hào)就關(guān)斷，很容易發(fā)生誤動(dòng)作。為增加保護(hù)電路的抗騷擾能力，可在故障信號(hào)與啟動(dòng)保護(hù)電路之間加一延時(shí)，不過(guò)故障電流會(huì)在這個(gè)延時(shí)內(nèi)急劇上升，大大增加了功率損耗，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致器件的di/dt增大。所以往往是保護(hù)電路啟動(dòng)了，器件仍然壞了。 </p><p>

28、;　　2）IGBT開關(guān)過(guò)程中的過(guò)電壓保護(hù) </p><p>　　關(guān)斷IGBT時(shí)，它的集電極電流的下降率較高，尤其是在短路故障的情況下，如不采取軟關(guān)斷措施，它的臨界電流下降率將達(dá)到數(shù)kA/μs。極高的電流下降率將會(huì)在主電路的分布電感上感應(yīng)出較高的過(guò)電壓，導(dǎo)致IGBT關(guān)斷時(shí)將會(huì)使其電流電壓的運(yùn)行軌跡超出它的安全工作區(qū)而損壞。所以從關(guān)斷的角度考慮，希望主電路的電感和電流下降率越小越好。但對(duì)于IGBT的開通來(lái)說(shuō)

29、，集電極電路的電感有利于抑制續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和電容器充放電造成的峰值電流，能減小開通損耗，承受較高的開通電流上升率。一般情況下IGBT開關(guān)電路的集電極不需要串聯(lián)電感，其開通損耗可以通過(guò)改善柵極驅(qū)動(dòng)條件來(lái)加以控制。</p><p>　　2.4.2檢測(cè)和保護(hù)電路圖</p><p><b>　　MATLAB仿真</b></p><p><

30、;b>　　3.1 仿真原理圖</b></p><p>　　電源E=27V，占空比α=0.56，脈沖周期0.02S，負(fù)載R=20歐姆，L=5H，負(fù)載電動(dòng)勢(shì)e=2V。采用ode23tb算法,持續(xù)時(shí)間5S。</p><p><b>　　3.2 仿真波形</b></p><p>　　從上到下依次是IGBT元件測(cè)量端m輸出的信號(hào)波形，負(fù)

31、載電流波形，負(fù)載電壓波形。</p><p><b>　　參數(shù)計(jì)算</b></p><p><b>　　已知</b></p><p>　　Us=27V Us=1.2U</p><p><b>　　則</b></p><p>　　U2=Us/1.2= 22.

32、5V</p><p>　　考慮到10%的裕量 </p><p>　　U2=1.1×22.5V=24.8V</p><p>　　變比 </p><p>　　K=U1/U2=220/24.8=8.87</p><p>　　因?yàn)檩敵鲭妷簽閁=15V，平均輸出功率為P=55W

33、,則電流Id=P/U=3.7A，負(fù)載電阻R=U/Id=4歐姆。</p><p>　　二極管承受反向最大電壓 </p><p>　　UDM=1.414U2=1.414×22.5＝31.7V</p><p>　　考慮3倍裕量，則 </p><p>　　UTN=3×31.7=95.4V 取100V</p&g

34、t;<p>　　該電路整流輸出接有大電容，而且負(fù)載也不是純電感負(fù)載，但為了簡(jiǎn)化計(jì)算，仍可按電感計(jì)算，只是電流裕量要可適當(dāng)取大些即可。</p><p>　　IdD=0.5Id=0.5×3.7=1.8A</p><p>　　ID=Id/1.414=3.7/1.414=2.6A</p><p>　　ID(AV)=2ID/1.57=2×2.

35、6/1.57=3.3A</p><p>　　1）濾波電感和電容選擇</p><p>　　主開關(guān)管可使用IGBT，開關(guān)頻率為5kHz；</p><p>　　輸入27V，輸出15V，可確定占空比Dc=0.56；</p><p>　　根據(jù)如下公式選擇電感</p><p>　　這個(gè)值是電感電流連續(xù)與否的臨界值，L>則電感

36、電流連續(xù)，實(shí)際電感值可選為1.2倍的臨界電感，可選擇為；</p><p>　　根據(jù)紋波的要求和如下公式計(jì)算電容值</p><p><b>　　=</b></p><p>　　2)續(xù)流二極管和IGBT的選擇</p><p>　　因?yàn)閁s=27V，取3倍裕量，選耐壓為100V以上的IGBT。由于IGBT是以最大標(biāo)注且穩(wěn)定電流

37、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，因此選用30A,額定電壓100V左右的IGBT</p><p><b>　　根據(jù) </b></p><p>　　Urm=(2 – 3)Us Icm=（1 - 1.5 ）Id</p><p>　　得知續(xù)流二極管應(yīng)選IcmA、額定電壓為的UrmV</p>

38、<p><b>　　總結(jié)和體會(huì)</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)兩周的課程設(shè)計(jì)，使我感受頗深，可以說(shuō)這次Buck變換器系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)是在大家共同努力和在老師的精心指導(dǎo)下共同完成的。</p><p>　　一開始接觸這個(gè)課題時(shí)我還不知道該從何下手，很多東西不知該如何實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)兩星期的努力，在圖書館和網(wǎng)上查資料，請(qǐng)教同學(xué)，終于是完成了任務(wù)。</p>

39、<p>　　通過(guò)這次設(shè)計(jì)加深了我對(duì)這門課程的了解，以前總是覺(jué)得理論結(jié)合不了實(shí)際，但通過(guò)這次設(shè)計(jì)使我認(rèn)識(shí)到了理論結(jié)合實(shí)際的重要性。但由于我知識(shí)的限制，設(shè)計(jì)還有很多不足之處，希望老師指出并教導(dǎo)。</p><p>　　通過(guò)對(duì)電路圖的研究，也增強(qiáng)了我們的思考能力。另外，在使用protel軟件繪制電路圖和MATLAB仿真的過(guò)程中，我學(xué)到了很多實(shí)用的技巧，這也為以后的工作打下了很好的基礎(chǔ)。從開始任務(wù)到查找資料，到

40、設(shè)計(jì)電路圖，我學(xué)到了課堂上學(xué)習(xí)不到的知識(shí)。上課時(shí)總覺(jué)得所學(xué)的知識(shí)太抽象，沒(méi)什么用途，現(xiàn)在終于認(rèn)識(shí)到它的重要性。</p><p>　　課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問(wèn)題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程。很感激學(xué)校給了我們這次動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，讓我們學(xué)生有了一個(gè)共同學(xué)習(xí)，增長(zhǎng)見(jiàn)識(shí)，開拓視野的機(jī)會(huì)。也感謝老師對(duì)我們無(wú)私忘我的指導(dǎo)，我會(huì)以這次課程設(shè)計(jì)作為對(duì)自己

41、的激勵(lì)，繼續(xù)學(xué)習(xí)。</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　7 參 考 文 獻(xiàn)：</p><p>　　1．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>　　2．王兆安 黃?。娏﹄娮蛹夹g(shù)（第4版）．機(jī)械工業(yè)出版社，2000</p>&l

42、t;p>　　3．浣喜明 姚為正．電力電子技術(shù)．高等教育出版社，2000</p><p>　　4．莫正康．電力電子技術(shù)應(yīng)用（第3版）．機(jī)械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　5．鄭瓊林．耿學(xué)文．電力電子電路精選．機(jī)械工業(yè)出版社，1996</p><p>　　6．劉定建，朱丹霞．實(shí)用晶閘管電路大全．機(jī)械工業(yè)出版社，1996</p><p&