直流升壓斬波電路課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)說明書</b></p><p>　　課題名稱： 直流升壓斬波電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　專業(yè)名稱： 自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué)生班級(jí)： 自本0903班 </p><p>　　學(xué)生姓名： <

2、/p><p>　　學(xué)生學(xué)號(hào)： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)和要求</b></p><p>　?。?）熟悉整流和觸發(fā)電路的基本原理，能夠運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)分析設(shè)計(jì)任務(wù)。&l

3、t;/p><p>　?。?）掌握基本電路的數(shù)據(jù)分析、處理；描繪波形并加以判斷。</p><p>　?。?）能正確設(shè)計(jì)電路，畫出線路圖，分析電路原理。</p><p>　　（4）廣泛收集相關(guān)資料。</p><p>　?。?）獨(dú)立思考，刻苦專研，嚴(yán)禁抄襲。</p><p>　?。?）按時(shí)完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)，認(rèn)真、正確的書寫課程設(shè)

4、計(jì)報(bào)告。</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p>　?。?）明確設(shè)計(jì)任務(wù)，對(duì)所要設(shè)計(jì)地任務(wù)進(jìn)行具體分析，充分了解系統(tǒng)性能，指標(biāo)要求。</p><p>　?。?）制定設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　（3）迸行具體設(shè)計(jì)：?jiǎn)卧娐返脑O(shè)計(jì)；參數(shù)計(jì)算；器件選擇；繪制電路原理圖。</p>&l

5、t;p>　?。?）撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告（說明書）：課程設(shè)計(jì)報(bào)告是對(duì)設(shè)計(jì)全過程的系統(tǒng)總結(jié)。</p><p><b>　　三、技術(shù)指標(biāo)</b></p><p>　　斬波電路輸出電壓為340±5V，直流升壓斬波電路輸入電壓為直流流24V~60V，輸出功率為100W。 </p><p><b>　　目錄</b><

6、/p><p><b>　　緒論- 1 -</b></p><p>　　第1章 直流升壓斬波電路的設(shè)計(jì)思想- 3 -</p><p>　　1.1直流升壓斬波電路原理- 3 -</p><p>　　1.2參數(shù)計(jì)算- 4 -</p><p>　　第2章 直流升壓斬波電路驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)- 5 -<

7、;/p><p>　　第3章 直流升壓斬波電路保護(hù)電路設(shè)計(jì)- 6 -</p><p>　　3.1過電流保護(hù)電路- 6 -</p><p>　　3.2過電壓保護(hù)電路- 6 -</p><p>　　第4章 直流升壓斬波電路總電路的設(shè)計(jì)- 7 -</p><p>　　第5章 直流升壓斬波電路仿真- 8 -</p&g

8、t;<p>　　5.1仿真模型的選擇- 8 -</p><p>　　5.2仿真結(jié)果及分析- 8 -</p><p>　　第6章 設(shè)計(jì)總結(jié)- 10 -</p><p>　　參考文獻(xiàn)- 10 -</p><p>　　附錄：元件清單- 10 -</p><p><b>　　緒論</b&

9、gt;</p><p>　　直流升壓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 ,在直流傳動(dòng)系統(tǒng)、充電蓄電電路、開關(guān)電源、電力電子變換裝置及各種用電設(shè)備中得到普通的應(yīng)用。隨之出現(xiàn)了諸如降壓電路、升降壓電路、復(fù)合電路等多種方式的變換電路。直流斬波技術(shù)已被廣泛用于開關(guān)電源及直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)、節(jié)約電能的效果。</p><p>　　早期的直流

10、裝換電路，電路復(fù)雜、功率損耗、體積大，使用不方便。晶閘管的出現(xiàn)為這種電路的設(shè)計(jì)又提供了一種選擇。晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，又可稱做可控硅整流器，以前被簡(jiǎn)稱為可控硅；晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點(diǎn)電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。它電路簡(jiǎn)單體積小，便于集成；功率損耗少，符合當(dāng)今社會(huì)生產(chǎn)的要求；所以在直流轉(zhuǎn)換電路中使用晶閘管是一種很

11、好的選擇。</p><p><b>　　主要元件介紹</b></p><p><b>　　1 IGBT介紹</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)基于《電力電子技術(shù)》課程，充分使用全控型晶閘管IGBT設(shè)計(jì)電路，實(shí)現(xiàn)直流升壓。</p><p>　　IGBT絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和M

12、OS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。</p><p&g

13、t;　　2 驅(qū)動(dòng)電路M57962L簡(jiǎn)介 </p><p>　　M57962L是由日本三菱電氣公司為驅(qū)動(dòng)IGBT而設(shè)計(jì)的厚膜集成電路(Hybrid Integrated Circuit For Driving IGBT Modules) 。在驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部裝有2500V高隔離電壓的光電耦合器，過流保護(hù)電路和過流保護(hù)輸出端子，具有封閉性短路保護(hù)功能。M57962L是一種高速驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)信號(hào)延時(shí)tPLH 和tPHL最大

14、為1.50μs?？梢则?qū)動(dòng)600V/400V 級(jí)的IGBT模塊。M57962L工作程序:當(dāng)電源接通后，首先自檢，檢測(cè)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)外接二極管流入檢測(cè)電路的電流增加，柵極關(guān)斷電路動(dòng)作，切斷IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)在“8”腳輸出低電平“過載/短路”指示信號(hào)。lGBT正常時(shí)，輸入信號(hào)經(jīng)光電耦合接口電路，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)級(jí)功率放大后驅(qū)動(dòng)IGBT。 </p><p>　　3

15、 M57962L的工作原理 </p><p>　　M57962L采用雙電源+ Vcc和VEE ，原理結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示。電路組成： (1) 放大隔離電路； (2) 定時(shí)復(fù)位電路；(3) 過流檢測(cè)電路； (4) 過流輸出電路。</p><p>　　圖1-1 M57962L原理機(jī)構(gòu)圖</p><p>　　第1章 直流升壓斬波電路的設(shè)計(jì)思想</p><

16、;p>　　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(chǎng)合，其原理圖如圖1-2所示。</p><p>　　在電路中V導(dǎo)通時(shí)，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(chǔ)能；當(dāng)V關(guān)斷時(shí)，電感產(chǎn)生</p><p>　　的反電動(dòng)勢(shì)和直流電

17、源電壓方向</p><p>　　相同互相疊加，從而在負(fù)載側(cè)得到 圖1-1 直流升壓斬波電路原理圖</p><p>　　高于電源的電壓，二極管的作用是阻斷V導(dǎo)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(fù)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(shí)，E向L充電，充電電流恒為，同時(shí)C的電壓向負(fù)載供電，因C值很大，

18、輸出電壓為恒值,記為。設(shè)V通的時(shí)間為，此階段L上積蓄的能量為E。</p><p>　　V斷時(shí)，E和L共同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)V斷的時(shí)間為，則此期間電感L釋放能量為：</p><p><b>　　（1-1）</b></p><p>　　穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等</p><p><b>　

19、?。?-2）</b></p><p><b>　　化簡(jiǎn)得：</b></p><p><b>　　（1-3）</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，即。和導(dǎo)通占空比，有如下關(guān)系：&

20、lt;/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(gè)原因:一是L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。在以上分

21、析中，認(rèn)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(shí)際上C值不可能為無窮大，在此階段其向負(fù)載放電，U。必然會(huì)有所下降，故實(shí)際輸出電壓會(huì)略低于理論所得結(jié)果，不過，在電容C值足夠大時(shí)，誤差很小，基本可以忽略。</p><p><b>　　1.2參數(shù)計(jì)算</b></p><p>　　由直流斬波電路的原理可知</p><p><b&g

22、t;　?。?-6）</b></p><p>　　又輸入電壓為輸入直流電壓范圍：24V~60V，要求輸出直流電壓：340V。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(shí)間和開通的時(shí)間比就可，即升壓比就可得到所需電壓。由計(jì)算得：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　又因?yàn)橐筝敵龉β蔖=100W,

23、 =340V</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　得： R= （1-9）</p><p>　　第2章 直流升壓斬波電路驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　升壓電路所用全控型晶閘管IGBT是電

24、壓型驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路具有較小的輸出電阻使IGBT開通的柵射極間的驅(qū)動(dòng)電壓一般取15—20V。同樣，關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓（-5—-15V）有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。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(dòng)多采用專用的混合驅(qū)動(dòng)集成驅(qū)動(dòng)器，本次采用M57962L驅(qū)動(dòng)器。如圖2-2驅(qū)動(dòng)電路圖所示。又由

25、產(chǎn)品信息知M57962L驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部具有退飽和和檢測(cè)和保護(hù)環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)生過電流時(shí)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(hào)。</p><p>　　圖2-1直流升壓斬波驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　第3章 直流升壓斬波電路保護(hù)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1過電流保護(hù)電路</p><p>　　電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可

26、能會(huì)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(hù)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(shí)采用集中過流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性。</p><p>　　綜合本次設(shè)計(jì)電路的特點(diǎn)，采用快速熔斷器，即給晶閘管串聯(lián)一個(gè)保險(xiǎn)絲實(shí)施電流保護(hù)。如圖3-1電流保護(hù)電路所示。</p><p>　　圖3-1直流升壓斬波電路過流保護(hù)電路</p>

27、<p>　　對(duì)于所選的保險(xiǎn)絲，遵從值小于晶閘管的允許值。</p><p>　　3.2過電壓保護(hù)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(jì)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，

28、電網(wǎng)側(cè)的操作過電壓會(huì)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。</p><p>　　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，設(shè)計(jì)相應(yīng)的保護(hù)電路。如圖2-4過壓保護(hù)電路所示。其中：圖中是利用一個(gè)電阻加電容進(jìn)行電壓抑制，當(dāng)電壓過高時(shí)，保護(hù)電路中的電容會(huì)阻礙其電壓的上升，從

29、而使得電力電子器件IGBT管因電壓的的過高厄爾損壞。</p><p>　　圖3-2中的電阻可以是1KΩ左右的電阻，而電容的值可以為100µF左右，這樣形成一個(gè)保護(hù)電路。</p><p>　　圖3-2直流斬波電路過電壓保護(hù)電路</p><p>　　第4章 直流升壓斬波電路總電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　如圖4-1總電路設(shè)計(jì)圖所示。電

30、路由升壓電路，驅(qū)動(dòng)模塊、保護(hù)模塊、緩沖電路組成。</p><p>　　圖4-1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(dòng)電路，控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，從而控制電路的升壓比β，使其達(dá)到：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　進(jìn)而使輸出電壓達(dá)到目的值

31、。</p><p>　　升壓電路時(shí)整個(gè)電路的核心，由一個(gè)IGBT和電容、電感值都很大的電容電感各一個(gè)。R為輸出負(fù)載，電壓由此輸出。因?yàn)檩敵龉β适且欢ǖ?00W，從而R為定值1156Ω。其中保護(hù)電路包括過電壓保護(hù)和過電流保護(hù)。</p><p>　　第5章 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

32、的設(shè)計(jì)中，采用了Psim軟件作為仿真工具來進(jìn)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5-1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仿真結(jié)果及分析</p><p>　　在仿真過

33、程中，我將取輸入的直流電壓為U=24~60V之間的任意值，將電感值取的盡可能的大，即L=500H，電阻值R=1000K，控制脈沖電壓U的占空比大小，即從示波器上觀察輸出電壓U大小，示波器上紅線表示輸出直流電壓，藍(lán)線表示輸入電壓，而橙色表示輸出電流大小。</p><p>　?。?） 當(dāng)占空比為α=0.93，U=24V是，得到輸出直流電壓U=343.5V。</p><p>　　圖5-1直流電壓

34、輸出波形1</p><p>　?。?） 當(dāng)占空比為α=0.90，U=35V是，得到輸出直流電壓U=340.5V。</p><p>　　圖5-2直流電壓輸出波形2</p><p>　　（3） 當(dāng)占空比為α=0.87，U=45V是，得到輸出直流電壓U=344.2V。</p><p>　　圖5-3直流電壓輸出波形3</p><p

35、>　　從上面的直流輸出電壓圖中我們可以看出來，本次設(shè)計(jì)是成功的，理論與實(shí)際是相符的，我們得到了340V的輸出電壓。</p><p><b>　　第6章 設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過一個(gè)多星期的努力，本次課程設(shè)計(jì)總算順利結(jié)束?？赡苓€有很多不足的地方，這還請(qǐng)老師指出教導(dǎo)。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容囊括了本學(xué)期所學(xué)《

36、電力電子技術(shù)》的大部分內(nèi)容，還用到了以前所學(xué)的電路、模電的知識(shí)。在設(shè)計(jì)的過程中我遇到了諸多問題，這主要是自己所學(xué)知識(shí)的不牢固和欠缺造成的。通過再次認(rèn)真翻看課本，查閱資料，向老師和同學(xué)請(qǐng)教終于把一個(gè)又一個(gè)的問題解決掉。通過這次課程設(shè)計(jì)我不僅進(jìn)一步鞏固了這門課程的知識(shí)還通過親自操作，熟悉了Visio等相關(guān)軟件的使用方法，這為以后的學(xué)習(xí)工作提供了便利。</p><p>　　通過這次設(shè)計(jì)，我還發(fā)現(xiàn)課本上的理論知識(shí)和實(shí)踐還

37、是有一定的差別，理論知識(shí)要應(yīng)用到實(shí)踐中要經(jīng)過仔細(xì)地思考和多次嘗試，只有這要才能達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)踐的效果。如果不是通過課程設(shè)計(jì)，我們的知識(shí)面可能一直停留在理論的層面。</p><p>　　最后我要感謝那些給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)們，沒有他們的耐心幫助，本次課程設(shè)計(jì)將很難完成。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]．