IGBT直流斬波調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘 要本設(shè)計(jì)采用一個(gè)直流斬波電路實(shí)現(xiàn)直流調(diào)壓，以此控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。主電路包括：整流電路、斬波電路及保護(hù)電路?？刂齐娐返闹饕h(huán)節(jié)是：觸發(fā)電路、電壓電流檢測(cè)單元、驅(qū)動(dòng)電路、故障保護(hù)電路。由于要求電機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)行并能實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，IGBT絕緣柵雙極晶體管作為斬波電路的組成元件。關(guān)鍵詞：整流電路；斬波電路；驅(qū)動(dòng)電路；直流電動(dòng)機(jī)目 錄摘 要III第1章 緒論11.1 電力電子技術(shù)及IGBT概況11.2 本文設(shè)計(jì)內(nèi)容2第2章 由構(gòu)成的直流斬波調(diào)速系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)32.2 整流電路設(shè)計(jì)32.3 RC濾波穩(wěn)壓電路52.4 升降壓直流斬波電路設(shè)計(jì)62.5 控制與驅(qū)動(dòng)電路72.6 保護(hù)電路82.7 系統(tǒng)總電路圖

2、102.8 系統(tǒng)各參數(shù)計(jì)算及器件選擇11第3章 系統(tǒng)調(diào)試及仿真13第4章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)14參考文獻(xiàn)15附錄I系統(tǒng)主電路圖16第1章 緒論1.1 電力電子技術(shù)及IGBT概況電力電子技術(shù)應(yīng)用于整個(gè)電能產(chǎn)生、傳輸及利用的各個(gè)環(huán)節(jié)。分布式電源及微電網(wǎng)技術(shù)、高壓直流輸電與靈活交流輸電技術(shù)、電能質(zhì)量控制技術(shù)及為數(shù)眾多的電源技術(shù)都是電力電子技術(shù)應(yīng)用的范例。電力電子技術(shù)為功率強(qiáng)大，可供諸如電力系統(tǒng)那樣大電流、高電壓場(chǎng)合應(yīng)用的電子技術(shù)，它與傳統(tǒng)的電子技術(shù)相比，其特殊之處不僅僅因?yàn)樗軌蛲ㄟ^大電流和承受高電壓，而且要考慮在大功率情況下，器件發(fā)熱、運(yùn)行效率的問題。IGBT直流斬波,對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展起到重大推動(dòng)作

3、用，它打開了電力電子技術(shù)向高頻大功率化發(fā)展的新紀(jì)元,使其應(yīng)用產(chǎn)品的自動(dòng)化、智能化、高效化和機(jī)電一體化做出了顯著貢獻(xiàn)。市場(chǎng)上用的最多的IGBT直流斬波器，它是屬于全控型斬波器，由門極電壓控制，從根本上克服了晶閘管斬波器及GTR斬波器的缺點(diǎn)。中國(guó)電力系統(tǒng)具有地域跨度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制要求高的特點(diǎn)。中國(guó)資源特別是一次能源相對(duì)緊缺、環(huán)境問題突出。因此，中國(guó)電能的安全穩(wěn)定、可靠供應(yīng)及高效環(huán)保利用成為當(dāng)務(wù)之急，電力電子技術(shù)必將發(fā)揮重要作用，而IGBT在電力電子中的作用不可忽視。在80年代后期，以絕緣柵雙極晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合型器件異軍突起。IGBT是MOSFET和BJT的復(fù)合。它把MOSFET的

4、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)和BJT的通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點(diǎn)集于一身，性能十分優(yōu)越，使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件。目前,市場(chǎng)上用的最多的直流斬波器，它的主導(dǎo)器件采用國(guó)際上先進(jìn)的電力電子器件IGBT，由門極電壓控制，從根本上克服了晶閘管斬波器及GTR 斬波器的缺點(diǎn)。該斬波器,它是屬于全控型斬波器，既能為煤礦窄軌電機(jī)車配套的調(diào)速裝置，針對(duì)不同的負(fù)載對(duì)象，做一些少量的改動(dòng)又可用于其它要求供 電電壓可調(diào)的直流負(fù)載上。與可控硅脈沖調(diào)速式和電阻調(diào)速方式相比，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。直流斬波電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蛘呖烧{(diào)電壓的直流電，也稱為直接直流-直流變換器。直流斬波電路一般是只直接將直

5、流電變?yōu)榱硪恢绷麟姷那闆r，不包括直流-交流-直流的情況。我們要研究的就是各種斬波電路的工作原理、掌握它們的工作的輸入輸出關(guān)系、電路解析方法和工作特點(diǎn)。1.2 本文設(shè)計(jì)內(nèi)容IGBT 組成的直流斬波調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)一臺(tái)額定電壓110V、功率為1kW的直流電動(dòng)機(jī)提供直流可調(diào)電源，本文設(shè)計(jì)一個(gè)由以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。要求輸出電壓在0110V連續(xù)可調(diào),斬波輸出最大電流10A.本系統(tǒng)設(shè)計(jì)多個(gè)電氣部分組成整體結(jié)構(gòu)有變壓部分，整流部分，保護(hù)部分，反饋部分及由IGBT為主的控制部分等部分所組成。本電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用直流斬波調(diào)速方式, 與晶閘管調(diào)速相比技術(shù)先進(jìn), 可減少對(duì)電源的污染，而且本系統(tǒng)有著過電流保護(hù)與過電壓保

6、護(hù)，安全并且實(shí)用。第2章 由構(gòu)成的直流斬波調(diào)速系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)2.1 總體設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)采用升降壓直流斬波電路實(shí)現(xiàn)直流調(diào)壓，以此控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。采用220V單相交流電源經(jīng)降壓變壓器降壓輸出的交流電，再經(jīng)感容濾波單相橋式全控整流電路整流，整流后的脈動(dòng)直流電經(jīng)RC濾波后，再由升降壓斬波電路調(diào)壓后控制直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。由于要求電機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)行并能實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，所以采用雙閉環(huán)直流可逆脈沖調(diào)速系統(tǒng)。電流環(huán)作為系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)作為系統(tǒng)的外環(huán)選用集成脈沖調(diào)制控制與驅(qū)動(dòng)器。IGBT絕緣柵雙極晶體管作為斬波電路的組成元件。整 流變壓器降壓?jiǎn)蜗嘟涣?20V直流電動(dòng)機(jī)直 流 斬 波 濾 波 圖2.1 總體框圖2

7、.2 整流電路設(shè)計(jì)在整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備。小功率整流電路中，常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。方案一：?jiǎn)蜗嗳煽卣麟娐?單相全波整流電路紋波系數(shù)低，電源利用率高。但變壓器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，繞組及鐵芯對(duì)銅、鐵等材料的消耗多，所承受的反向峰值電壓較高，不存在直流磁化的問題，適用于輸出低壓的場(chǎng)合作電流脈沖大（電阻性負(fù)載時(shí)），且整流變壓器二次繞組中存在直流分量,使鐵心磁化，變壓器不能充分利用。方案二：?jiǎn)蜗鄻蚴饺卣麟娐?單相橋式全整流電路輸出電壓高，管子所承受的最大反向電壓較低，同時(shí)因電源變壓器在正、負(fù)半周內(nèi)都有

8、電流供給負(fù)載，對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，無須用續(xù)流二極管，也不會(huì)失控現(xiàn)象，負(fù)載形式多樣，整流效果好，波形平穩(wěn)，變壓器二次繞組中，正負(fù)兩個(gè)半周電流方向相反且波形對(duì)稱，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問題，變壓器的利用率也高。因此，得到了較為廣泛的應(yīng)用。但二極管的數(shù)量多，二極管的正向電阻不為零，整流電路內(nèi)阻大，損耗也較大。這是其唯一的缺點(diǎn)。綜上所述，方案三較為經(jīng)濟(jì)、可靠、效率高。可以滿足設(shè)計(jì)要求單相橋式全控整流電路 圖2.2 單相橋式全控整流電路橋式整流電路的工作原理如下：U2 為正半周時(shí)，對(duì)VT1 、VT4 和方向電壓，VT1，VT4 導(dǎo)通；對(duì)VT2 、VT3 加反向電壓，VT2、

9、VT3 截止。電路中構(gòu)成U2 、VT1、R1 、VT4 通電回路，在R1上形成上正下負(fù)的半波整洗電壓，U2 為負(fù)半周時(shí)，對(duì)VT2 、VT3 加正向電壓，VT2、VT3 導(dǎo)通；對(duì)VT1 、VT4 加反向電壓，VT1、VT4 截止。電路中構(gòu)成U2 、VT2 、 R1 、VT4 通電回路，同樣在R1 上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。如此重復(fù)下去，結(jié)果在R1 ，上便得到全波整流電壓。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。從圖中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級(jí)電壓的最大值，比全波整洗電路小一半。這樣就將交流電變?yōu)橹绷麟姟ｋ娙軨起濾波穩(wěn)壓作用。波形圖如下； 圖2.3單相橋式全控

10、整流電路波形圖2.3 RC濾波穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電源一般由變壓器、整流器和穩(wěn)壓器三大部分組成。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟?。整流器把交流電變?yōu)橹绷麟?。?jīng)濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。濾波電路的作用：允許規(guī)定范圍內(nèi)的信號(hào)通過；而使規(guī)定范圍之外的信號(hào)不能通過靠著電容器的平滑作用，使電壓波動(dòng)大大減小了，相應(yīng)地脈動(dòng)直流電壓的平均值也就顯著提高了。直流電源配用的濾波電容器都是電容量比較大的電解電容器。電容量越大，平滑濾波的效果越好。值得注意的是，電容器的充電電流都是流過二極管的，電容量越大，起始充電電流也越大，這個(gè)起始充電電流比流過二極管的正常工作電流要大許多倍，人們

11、稱它為“浪涌電流”。如果浪涌電流超過二極管所能耐受的最大瞬時(shí)電流值，就可能燒壞二極管。因此一般采用電解電容，在接線時(shí)要注意電解電容的正、負(fù)極。電容濾波電路利用電容的充、放電作用，使輸出電壓趨于平滑。2.4 升降壓直流斬波電路設(shè)計(jì)圖2.5升降壓斬波電路圖2.6升降壓斬波電路波形圖設(shè)電路中電感的值很大，電容的值也很大如圖，使電感電流和電容電壓即負(fù)載電壓基本為恒值。當(dāng)可控開關(guān)處于通態(tài)時(shí)，電源經(jīng)V向電感L供電，使其存儲(chǔ)能量，此時(shí)電流為i1。同時(shí)，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(chǔ)存的能量向負(fù)載釋放，電流為i2?？梢?，負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，因此，該

12、電路也稱作反極性斬波電路。改變占空比，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0<<1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2<<1時(shí)，為升壓。2.5 控制與驅(qū)動(dòng)電路控制電路主要環(huán)節(jié)是：觸發(fā)電路、電壓電流檢測(cè)單元、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)與故障保護(hù)電路。主電路電力電子開關(guān)器件要采用IGBT，并且系統(tǒng)具有完善的保護(hù)。IGBT開通的柵射極間驅(qū)動(dòng)電壓一般為1520V。關(guān)斷時(shí)電壓通常為-5-15V，有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。本次設(shè)計(jì)采用三菱公司的M57962L型混合驅(qū)動(dòng)器。； 圖2.7 M57962L接線圖M57962L采用雙電源+ Vcc和Vee ，接線如圖2.7所示。電路組成： (1)

13、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。  當(dāng)控制電路使M57962L輸入端13和14腳有10mA的電流時(shí)光耦I(lǐng)C1導(dǎo)通， A點(diǎn)電位迅速下降至VEE，使IC2A的2腳輸出為高電平Vcc ，則三極管V2、V4導(dǎo)通，V3、V5截止，使V7導(dǎo)通，Vcc加到R17上，同時(shí)由R18/ (R17+ R18)大于R16/(R15+ R16)，導(dǎo)致IC2D 的13腳為低電位，V6 截止，R4/(R3 +R4)大于R16(R15 + R16)使IC2B 的13 腳截至，故IC2的14腳為高電平V1，截止，M57962L的8腳不輸出故障信號(hào)。在M57962L輸

14、入端13和14無電流時(shí)，IC1截止，A點(diǎn)電位上升使IC2A的2腳變?yōu)榈碗娢唬瑒t使V3、V5導(dǎo)通，V2、V4截止。lGBT的門極(GATE)通過V5導(dǎo)通到VEE，而使IGBT關(guān)斷。IC2C的14腳輸出為低電平， 使V1、V7導(dǎo)通， 使IC2B、IC2D保持原先狀態(tài)不變。若IGBT己導(dǎo)通發(fā)生過流現(xiàn)象，則E、F兩點(diǎn)電壓升高，經(jīng)過保護(hù)延時(shí)而使得V7截止， IC2D的13腳變?yōu)榻刂?，使V6導(dǎo)通。在M57962L的8腳輸出故障信號(hào)，同時(shí)，V6使得A點(diǎn)變?yōu)榈碗娖絍EE進(jìn)入封閉型軟關(guān)斷過程，此時(shí)，M57962L的13和14 腳有無信號(hào)，對(duì)M57962L的狀態(tài)沒有影響。C6通過R14和R21放電使G點(diǎn)電位緩慢下

15、降，從而實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。同時(shí)，C1則通過R4 放電使得IC2B的7腳的電位緩慢下降，當(dāng)C1 放電結(jié)束時(shí)，將打斷軟關(guān)斷過程。若IGBT的短路故障消失則電路就可以恢復(fù)正常工作;若IGBT的故障末消失，則M57962L輸出周期為1.3ms的脈沖信號(hào)(前沿陡，后沿緩) 。M57962L采用+15V、- 10V雙電源供電，由于采用- 10V關(guān)斷電壓，能更可靠關(guān)斷，同時(shí)具有封閉性軟關(guān)斷功能，從而使IGBT更加安全的工作。2.6 保護(hù)電路熱管散熱技術(shù)是當(dāng)今國(guó)際較流行的散熱方式，國(guó)內(nèi)近年來發(fā)展較快，被人們稱之為熱的“超導(dǎo)體”，已廣泛用于車輛電傳動(dòng)系統(tǒng)，熱管的主要特點(diǎn)：高效的導(dǎo)熱性，高度的等溫性，熱流密度變換能力強(qiáng)

16、，結(jié)構(gòu)多樣靈活、重量輕。由于IGBT模塊的開關(guān)頻率高，開關(guān)損耗大，特別是對(duì)大功率IGBT模塊，一般普通型材散熱器難以滿足要求。熱管散熱器特別適合于這種安裝底板絕緣的大功率IGBT模塊散熱。目前適合于大功率IGBT模塊散熱器的熱阻可以達(dá)到0.01·C/W以下。在斬波電路中對(duì)斬波器的保護(hù)，實(shí)際上就是對(duì)IGBT的保護(hù)。所以重要的是怎么設(shè)計(jì)好對(duì)開關(guān)管IGBT的保護(hù)方案。在設(shè)計(jì)對(duì)IGBT的保護(hù)系統(tǒng)中，主要是針對(duì)過電流保護(hù)和開關(guān)過程中的過電壓保護(hù)。若IGBT己導(dǎo)通發(fā)生過流現(xiàn)象，則E、F兩點(diǎn)電壓升高，經(jīng)過保護(hù)延時(shí)而使得V7截止， IC2D的13腳變?yōu)榻刂?，使V6導(dǎo)通。在M57962L的8腳輸出故障

17、信號(hào)，同時(shí)，V6使得A點(diǎn)變?yōu)榈碗娖絍EE進(jìn)入封閉型軟關(guān)斷過程，此時(shí)，M57962L的13和14 腳有無信號(hào)，對(duì)M57962L的狀態(tài)沒有影響。C6通過R14和R21放電使G點(diǎn)電位緩慢下降，從而實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。同時(shí)，C1則通過R4 放電使得IC2B的7腳的電位緩慢下降，當(dāng)C1 放電結(jié)束時(shí)，將打斷軟關(guān)斷過程。若IGBT的短路故障消失則電路就可以恢復(fù)正常工作;若IGBT的故障末消失，則M57962L輸出周期為1.3ms的脈沖信號(hào)(前沿陡，后沿緩) 。IGBT的過流保護(hù)電路可分為2類：一類是低倍數(shù)的（1.21.5倍）的過載保護(hù)；一類是高倍數(shù)（可達(dá)810倍）的短路保護(hù)。對(duì)于過載保護(hù)不必快速響應(yīng)，可采用集中式保

18、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。這種過載電流保護(hù)，一旦動(dòng)作后，要通過復(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5s，而飽和壓降3V的IGBT允許承受的短路時(shí)間可達(dá)15s，45V時(shí)可達(dá)30s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，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

19、和降柵壓2種。軟關(guān)斷指在過流和短路時(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。 降柵壓旨在檢測(cè)到器件過流時(shí)，馬上降低柵壓，但器件仍維持導(dǎo)通。降柵壓后設(shè)有固定延時(shí)，故障電流在這一延時(shí)期內(nèi)被限制在一較小值，則降低了故障時(shí)器件的功耗，延長(zhǎng)了器件抗短路的時(shí)間，而且能夠降低器件關(guān)斷時(shí)的di/dt，對(duì)器件保護(hù)十分有利。若延時(shí)后故障信號(hào)依然存在，則關(guān)斷器件，若故障信

20、號(hào)消失，驅(qū)動(dòng)電路可自動(dòng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，因而大大增強(qiáng)了抗騷擾能力。 當(dāng)控制電路使M57962L輸入端13和14腳有10mA的電流時(shí)光耦I(lǐng)C1導(dǎo)通， A點(diǎn)電位迅速下降至VEE，使IC2A的2腳輸出為高電平Vcc ，則三極管V2、V4導(dǎo)通，V3、V5截止，使V7導(dǎo)通，Vcc加到R17上，同時(shí)由R18/ (R17+ R18)大于R16/(R15+ R16)，導(dǎo)致IC2D 的13腳為低電位，V6 截止，R4/(R3 +R4)大于R16(R15 + R16)使IC2B 的13 腳截至，故IC2的14腳為高電平V1，截止，M57962L的8腳不輸出故障信號(hào)。在M57962L輸入端13和14無電流時(shí)，IC

21、1截止，A點(diǎn)電位上升使IC2A的2腳變?yōu)榈碗娢?，則使V3、V5導(dǎo)通，V2、V4截止。lGBT的門極(GATE)通過V5導(dǎo)通到VEE，而使IGBT關(guān)斷。IC2C的14腳輸出為低電平， 使V1、V7導(dǎo)通， 使IC2B、IC2D保持原先狀態(tài)不變。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/s。極高的電流下降率將會(huì)在主電路的分布電感上感應(yīng)出較高的過電壓，這樣一來導(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的開通來說，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改善柵極驅(qū)動(dòng)條件來加以控制。2.7 系統(tǒng)總電路 圖2.9 系統(tǒng)總電路圖2.8 系統(tǒng)各參數(shù)計(jì)算及器件選擇（1） 的計(jì)算=110V （2-1）考慮占空比為90%則 =V=12