升降壓斬波課程設(shè)計.docx

電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書 直流升降壓斬波電路的設(shè)計與仿真院 、 部： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱 講師 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 學(xué) 號： 完成時間： 2016年6月 電力電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)院：電氣與信息工程系 專業(yè)：電氣工程及其自動化 指導(dǎo)教師姓名學(xué)生姓名課題名稱 直流升壓降壓斬波電路的設(shè)計與仿真設(shè)計內(nèi)容及任務(wù)一、技術(shù)指標(biāo)及要求：1）直流輸入電壓100V；2）電阻負(fù)載；(R取學(xué)號尾數(shù)X10)；3）控制電路頻率10KHZ；4）輸出電壓紋波系數(shù)：0.2%；5）仿真出占空比分別為0.1，0.2，0.5，0.8的電感電壓、電感電流、開關(guān)管電流、二極管電流和輸出電壓的波形。設(shè)計安排起止日期設(shè)計內(nèi)容2016年5月25日確定設(shè)計方案2016年5月26日計算相關(guān)數(shù)據(jù)2016年5月27日至2016年6月6日 Simulink仿真2016年6月7日至2016年6月23日撰寫課程設(shè)計說明書主要參考資料1王兆安、劉進(jìn)軍電力電子技術(shù)（第5版）機(jī)械工業(yè)出版社，20092康華光、陳大欽電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分高等教育出版社，20023秋關(guān)源、羅先覺電路（第5版）高等教育出版社，20064周克寧. 電力電子技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.5 黃家善.電力電子技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20066王維平. 現(xiàn)代電力電子技術(shù)及應(yīng)用. 南京：東南大學(xué)出版社，19997張明勛主編,電力電子設(shè)備設(shè)計和應(yīng)用手冊M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.19928丁道宏主編,電力電子技術(shù)M.北京:航空工業(yè)出版社.19929林渭勛主編,電力電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1990摘 要電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，電力電子技術(shù)已經(jīng)成為自動化領(lǐng)域里一個重要部分，其核心就是利用弱電電路的設(shè)計思路，強(qiáng)大電路的器件來實(shí)現(xiàn)電路的各種需求。至今電力電子技術(shù)已經(jīng)成為電氣工程、信息科學(xué)、能源科學(xué)三個學(xué)科領(lǐng)域的公共學(xué)科，可見現(xiàn)實(shí)中其無可替代的重要性。該課程設(shè)計做的直流升降壓斬波電路，是以SG3525為驅(qū)動電路的升降壓斬波電路，其優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快，加速平穩(wěn)、節(jié)約能源效果好。通過MATLAB中的SIMULINK功能仿真，到達(dá)了預(yù)期效果。關(guān)鍵詞：直流直流變流電路；升降壓斬波；Simulink；仿真II目 錄1 緒論12 總體方案設(shè)計22.1 設(shè)計要求22.2 升降壓直流斬波電路總體設(shè)計方案22.3 方案的確定23 主電路設(shè)計43.1 工作原理43.2 波形圖53.3 主要元器件選擇、參數(shù)分析64 控制與驅(qū)動電路的設(shè)計74.1 控制電路的設(shè)計74.2 驅(qū)動電路設(shè)計85 直流升壓斬波電路保護(hù)電路設(shè)計95.1 過電流保護(hù)電路95.2 過電壓保護(hù)電路96 Simulink仿真分析116.1 仿真軟件簡介116.2 建立仿真模型116.3 仿真結(jié)果分析14結(jié)束語17參考文獻(xiàn)18致 謝19附錄A Simulink仿真圖20附錄B CAD電氣原理圖21IV1 緒論20世紀(jì)80年代以來 ，信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合而產(chǎn)生了一代高頻化、全控型的電力電子器件，典型代表有門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙極型晶體管。利用全控型器件可以組成變流器。直流-直流變換器就是其中一種，它廣泛應(yīng)用于通信交換機(jī)、計算機(jī)以及手機(jī)等電子設(shè)備的開關(guān)電源。直流直流變流電路（DC-DC Converter）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，包括直接直流變流電路和間接直流變流電路。直接直流變流電路也稱斬波電路（DC Chopper），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。早期的直流裝換電路，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)計又提供了一種選擇。晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又可稱做可控硅整流器，以前被簡稱為可控硅；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。它電路簡單體積小，便于集成；功率損耗少，符合當(dāng)今社會生產(chǎn)的要求；所以在直流轉(zhuǎn)換電路中使用晶閘管是一種很好的選擇。(1)IGBT介紹本設(shè)計基于電力電子技術(shù)課程，充分使用全控型晶閘管IGBT設(shè)計電路，實(shí)現(xiàn)直流升壓。IGBT絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(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)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小，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、牽引傳動等領(lǐng)域。(2) 驅(qū)動電路SG3525簡介 SG3525 是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制芯片，它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器，有過流保護(hù)功能，頻率可調(diào)，同時能限制最大占空比。2 總體方案設(shè)計2.1 設(shè)計要求1）直流輸入電壓100V；2）電阻負(fù)載；(R取學(xué)號尾數(shù)X10)；3）控制電路頻率10KHZ；4）輸出電壓紋波系數(shù)：0.2%；5）仿真出占空比分別為0.1，0.2，0.5，0.8的電感電壓、電感電流、開關(guān)管電流、二極管電流和輸出電壓的波形。2.2 升降壓直流斬波電路總體設(shè)計方案直流斬波電路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。它在電源的設(shè)計上有很重要的應(yīng)用。一般來說，斬波電路的實(shí)現(xiàn)都要依靠全控型器件。在這里，我所設(shè)計的是基于IGBT的降壓斬波短路。直流降壓斬波電路主要分為三個部分，分別為主電路模塊，控制電路模塊和驅(qū)動電路模塊。電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1 總體設(shè)計方案除了上述主要結(jié)構(gòu)之外，還必須考慮電路中電力電子器件的保護(hù)，以及控制電路與主電路的電器隔離。2.3 方案的確定電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路，驅(qū)動電路，保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷來完成整個系統(tǒng)的功能，當(dāng)控制電路所產(chǎn)生的控制信號能夠足以驅(qū)動電力電子開關(guān)時就無需驅(qū)動電路?？刂齐娐肥怯脕懋a(chǎn)生升、降壓斬波電路的控制信號，控制電路產(chǎn)生的控制信號傳到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路把控制信號轉(zhuǎn)換為加在開關(guān)控制端，可以使其開通或關(guān)斷的信號。通過控制開關(guān)的開通和關(guān)斷來控制升、降壓斬波電路的主電路工作?？刂齐娐分械谋Ｗo(hù)電路是用來保護(hù)電路的，防止電路產(chǎn)生過電流現(xiàn)象損害電路設(shè)備。3 主電路設(shè)計3.1 工作原理圖2所示為升降壓斬波電路（Buck-Boost Chopper）原理圖。電路中電感L值很大，電容C值也很大。因?yàn)橐沟秒姼须娏骱碗娙蓦妷夯緸楹阒怠?圖2 升降壓斬波電路該電路的基本工作原理：當(dāng)可控開關(guān)V處于通態(tài)時，電源E經(jīng)V向電感L供電使其儲存能量，此時電流為，方向如圖1所示。同時，電容C維持輸出電壓基本恒定并向負(fù)載R供電。此后，使V關(guān)斷，電感L中儲存的能量向負(fù)載釋放，電流為，方向如圖1所示。可見，負(fù)載電壓極性為下正上負(fù)，與電源電壓極性相反，因此該電路也稱作反極性斬波電路。穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓對時間的積分為零，即： (1)當(dāng)V處于通態(tài)期間時，=E，而當(dāng)V處于斷態(tài)期間時，= -。于是所以輸出電壓為： (2)為V處于通態(tài)的時間，為V處于斷態(tài)的時間。T為開關(guān)周期；為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū取Ｈ舾淖儗?dǎo)通比，則輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)時為降壓，當(dāng)時為升壓，因此該電路稱為升降壓斬波電路。根據(jù)對輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同，斬波電路有三種控制方式：（1）保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間不變，稱為PWM。（2）保持開關(guān)導(dǎo)通時間不變，改變開關(guān)周期T，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。（3）和T都可調(diào)，使占空比改變，稱為混合型。3.2波形圖輸出電壓 (3)圖3給出了電源電流和負(fù)載電流的波形，設(shè)兩者的平均值分別為、，當(dāng)電流脈動足夠小時，有 (4)由上式可得 (5)如果V、VD為沒有損耗的理想開關(guān)時，則有其輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器。圖3 升降壓斬波電路波形3.3 主要元器件選擇、參數(shù)分析考慮安全裕度則IGBT的額定電壓為2-3倍峰值電壓，所以額定電壓可為440V-660V。額定電流33A-44A。二極管VD的反向電壓為220V.選擇IGBT的型號為IRH4PC40U其額定電壓為600V，額定電流為40A。選擇續(xù)流二極管的型號為HFA25TB60，期而定電壓為600V，額定電流25A。（1）前級整流電路負(fù)載平均電壓升高，紋波減小，且C越大，電容放電速率越慢，則負(fù)載電壓中的紋波成分越小，負(fù)載平均電壓越高。為得到平滑的負(fù)載電壓，一般取 =C(35)T/2 (6)式中T為電源交流電壓的周期。電容濾波電路的負(fù)載電壓與的關(guān)系約為 =Y1.11.2 (7)令整流后輸出電壓為100V，則整流前輸入電壓=/1.2=100/1.2=83.4V (8)因?yàn)殡娫礊榻涣鲉雾?xiàng)220V，變壓器變比需滿足：=220:83.4=2:1 (9)此時前級整流輸出電壓E為100V。（2）其他器件選擇主電路中電感選擇1Mh,整流電路中二極管選擇為IN5232，驅(qū)動電路中二極管選擇為IN4148，驅(qū)動電路中C1為0.01F。4 控制與驅(qū)動電路的設(shè)計4.1 控制電路的設(shè)計斬波電路有三種控制方式： （1）保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間ton，稱為脈沖寬度調(diào)制或脈沖調(diào)寬型；（2）保持導(dǎo)通時間不變，改變開關(guān)周期T，成為頻率調(diào)制或調(diào)頻型；（3）導(dǎo)通時間和周期T都可調(diào)，是占空比改變，稱為混合型。其中第一種是最常用的方法。PWM控制信號的產(chǎn)生方法有很多。使用IGBT的專用觸發(fā)芯片SG3525，其電路原理圖如圖4所示。圖4 控制電路原理圖SG3525所產(chǎn)生的僅僅只是PWM控制信號，強(qiáng)度不夠，不能夠直接去驅(qū)動IGBT，中間還需要有驅(qū)動電路就愛你過信號放大。另外，主電路會產(chǎn)生很大的諧波，很可能影響到控制電路中PWM信號的產(chǎn)生。因此，還需要對控制電路和主電路進(jìn)行電氣隔離。4.2 驅(qū)動電路設(shè)計IGBT是電力電子器件，控制電路產(chǎn)生的控制信號一般難以以直接驅(qū)動IGBT。因此需要信號放大的電路。另外直流斬波電路會產(chǎn)生很大的電磁干擾，會影響控制電路的正常工作，甚至導(dǎo)致電力電子器件的損壞。因而還設(shè)計中還學(xué)要有帶電器隔離的部分。具體來講IGBT的驅(qū)動要求有一下幾點(diǎn)： （1）動態(tài)驅(qū)動能力強(qiáng)，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動脈沖。否則IGBT會 在開通及關(guān)延時，同時要保證當(dāng)IGBT損壞時驅(qū)動電路中的其他元件不會被損壞。 （2）能向 IGBT提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪驏艍海话闳?15 V左右的正向柵壓比較恰當(dāng)，取-5V反向柵壓能讓IGBT可靠截止。 （3）具有柵壓限幅電路，保護(hù)柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為土20 V，驅(qū)動 信號超出此范圍可能破壞柵極。 （4）當(dāng) IGBT處于負(fù)載短路或過流狀態(tài)時，能在IGBT允許時間內(nèi)通過逐漸降低柵壓自 動抑制故障電流，實(shí)現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。驅(qū)動電路的軟關(guān)斷過程不應(yīng)隨輸入信號的消失而受到影響。 5 直流升壓斬波電路保護(hù)電路設(shè)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(qū)動電路設(shè)計良好外，采用合適的過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)，du/dt和di/dt也是非常必要的。5.1過電流保護(hù)電路電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生短路時，可能會發(fā)生過電流。過電流分為過載和短路兩種情況。晶閘管是整流裝置中的核心器件，但其過載能力較差，所以對晶閘管必須進(jìn)行保護(hù)。晶閘管承受過流的能力比一般電器差得多，必須在極短的時間內(nèi)把電源斷開或者把電流值降下來。電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(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(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。綜合本次設(shè)計電路的特點(diǎn)，采用快速熔斷器，是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過流保護(hù)措施，即給晶閘管串聯(lián)一個保險絲實(shí)施電流保護(hù)。過電流保護(hù)電路如圖5所示。圖5 直流升壓斬波電路過流保護(hù)電路在選擇快熔時應(yīng)考慮：遵從值小于晶閘管的允許值。電壓等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來確定。電流容量應(yīng)按其主電路中的接入方式和主電路的連接形式來確定。快熔一般與電力電子半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可以串接與閥測交流母線或直流母線中。5.2過電壓保護(hù)電路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)計主要用于室內(nèi)，為了使用方便不考慮來自雷擊的威脅。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。根據(jù)以上產(chǎn)生過電壓的的各種原因，設(shè)計相應(yīng)的保護(hù)電路。如圖6過壓保護(hù)電路所示。其中：圖中是利用一個電阻加電容進(jìn)行電壓抑制，當(dāng)電壓過高時，保護(hù)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管因電壓的的過高厄爾損壞。圖6 過壓保護(hù)電路圖6中的電阻可以是1K左右的電阻，而電容的值可以為100F左右，這樣形成一個保護(hù)電路。該過壓保護(hù)方法也稱為阻容吸收保護(hù)法，其通常都是采用電阻R 和電容C的串聯(lián)支路，并聯(lián)在保護(hù)器件的兩側(cè)。6 Simulink仿真分析6.1 仿真軟件簡介 此次仿真使用的是MATLAB軟件。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫方程，而只需通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口（GUI）,這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。6.2 建立仿真模型 仿真模型的搭建如下圖7所示。其中輸入電壓為100V，電感為1Mh,電容為1F,負(fù)載電阻為60，控制信號為頻率10KHz的矩形波。圖7 升降壓斬波Simulink仿真模型具體參數(shù)設(shè)置如下：（1）直流電壓值為100V，設(shè)置如圖8所示。 圖8 電壓參數(shù)設(shè)置 （2）電阻R值設(shè)為60，如圖9所示。 圖9 電阻參數(shù)設(shè)置（3）電感L值設(shè)為1e-3H，如圖10所示。 圖10 電感參數(shù)設(shè)置（4）電容C值設(shè)為1e-3F，如圖11所示。 圖11 電容參數(shù)設(shè)置（5）開關(guān)頻率要求10KHz，設(shè)置周期為0.0001s，依次調(diào)節(jié)占空比，如圖12所示。圖12 周期及占空比參數(shù)設(shè)置6.3 仿真結(jié)果分析設(shè)計要求直流輸入電壓100V，電阻負(fù)載為60；控制電路頻率10KHZ；輸出電壓紋波系數(shù)：0.2%；仿真出占空比分別為0.1，0.2，0.5，0.8的電感電壓、電感電流、開關(guān)管電流、二極管電流和輸出電壓的波形。仿真結(jié)果如下所示。以下仿真圖真每個圖形中從上至下所表示的波形分別是電感電壓、電感電流、開關(guān)管電流、二極管電流和輸出電壓的波形。（1）當(dāng)控制電路頻率占空比=0.1時仿真波形如圖13所示。圖13 占空比=0.1各輸出點(diǎn)的波形（2）當(dāng)控制電路頻率占空比=0.2時仿真波形如圖14所示。 圖14 占空比=0.2各輸出點(diǎn)的波形（2）當(dāng)控制電路頻率占空比=0.5時仿真波形如圖15所示。 圖15 占空比=0.5各輸出點(diǎn)的波形（2）當(dāng)控制電路頻率占空比=0.8時仿真波形如圖16所示。 圖16 占空比=0.8各輸出點(diǎn)的波形由以上仿真結(jié)果可知當(dāng)隨著控制信號占空比的逐漸增大，電感兩端的平均電壓也逐漸增大、電感的儲能也增加，通過開關(guān)管電流的平均電流也逐漸增大。由于電感的儲能隨著控制信號占空比增大而增大，所以負(fù)載兩端的輸出電壓也隨之增大，并且流過續(xù)流二極管的電流下降速率隨之降低。從仿真結(jié)果可以很直觀的看出，當(dāng)控制信號占空比小于0.5時，負(fù)載兩端的輸出電壓小于系統(tǒng)的輸入電壓，并且隨著控制信號占空比的增大而增大。當(dāng)控制信號的占空比等于0.5時，負(fù)載兩端的輸出等于系統(tǒng)的輸入電壓。當(dāng)控制信號的占空比大于0.5時，負(fù)載兩端的輸出電壓大于系統(tǒng)的輸入電壓，同時也隨著控制信號占空比的增大而增大。由結(jié)果可以很好的驗(yàn)證該系統(tǒng)為升降壓斬波電路，由此也很好的驗(yàn)證的設(shè)計方案是完全可行的。結(jié)束語電力電子技術(shù)既是一門技術(shù)基礎(chǔ)課程，也是一門實(shí)用性很強(qiáng)的課程。因此，電力電子裝置的應(yīng)用是十分重要的。通過此次電力電子課程設(shè)計直流升降壓斬波的設(shè)計，對電力電子技術(shù)這門課程有了進(jìn)一步的認(rèn)識。不僅鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。從做直流升降壓斬波電路課程設(shè)計可以發(fā)現(xiàn)理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自