斷續(xù)模式下直流降壓斬波電路課程設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)電力電子裝置及控制課程設(shè)計(jì)說明書目錄摘要11 BUCK電路主電路的設(shè)計(jì)21.1 設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求21.2 主電路的設(shè)計(jì)21.3驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)31.4 整流電路的設(shè)計(jì)41.5 斬波信號(hào)產(chǎn)生電路52 最優(yōu)參數(shù)的選擇103電路的仿真113.1仿真模型圖113.2 仿真參數(shù)124 總結(jié)14參考文獻(xiàn)15摘要直流-直流變流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，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

2、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(shí)現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱帶隔離的直流-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，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(jìn)行組合，可構(gòu)成多相多重?cái)夭娐贰?#160;BUCK電路是一種降壓斬波器，降壓變換器輸出電壓平均值Uo總是小于輸出電壓UD通常電感中的電流是否連續(xù)，取決于開關(guān)頻率、濾波電感L和電容C的數(shù)值。電流斷續(xù)時(shí)

3、，負(fù)載電壓0平均值會(huì)升高。關(guān)鍵字：直流斬波 降壓斬波斷續(xù)模式下降壓型直流斬波電路設(shè)計(jì)1 BUCK電路主電路的設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求初始條件：300V直流電源輸入要求完成的主要任務(wù):設(shè)計(jì)240W斷續(xù)工作模式下降壓型直流斬波電路，要求達(dá)到：1、輸出直流電壓120V，開關(guān)頻率100kHz。2、完成總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3、完成總電路和電力電子器件電壓和電流定額計(jì)算。4、完成控制電路方案設(shè)計(jì)。1.2 主電路的設(shè)計(jì)圖一 buck電路原理圖此電路使用一個(gè)全控型器件V，圖中為IGBT，若采用晶閘管，需設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路。并設(shè)置了續(xù)流二極管VD，在V關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中電感電流提供通道。主要用于電子電路的供電

4、電源，也可拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或帶蓄電池負(fù)載等，后兩種情況下負(fù)載中均會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)，如圖中Em所示。 工作原理：當(dāng)t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓0=E，負(fù)載電流i0按指數(shù)曲線上升。 當(dāng) t=t1時(shí)控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓0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。當(dāng)電感L較小時(shí)，在V關(guān)斷后，到了t2時(shí)刻，負(fù)載電流已經(jīng)衰減為零，出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況，波形圖如圖二所示，本次課設(shè)主要研究斷續(xù)模式下buck電路的工作情況。圖二 電路的工作波形1.3驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)IGBT的門極驅(qū)動(dòng)條件密切地關(guān)系到他的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。門極電路的正偏壓uGS、負(fù)偏

5、壓-uGS和門極電阻RG的大小，對(duì)IGBT的通態(tài)電壓、開關(guān)、開關(guān)損耗、承受短路能力及du/dt電流等參數(shù)有不同程度的影響。其中門極正電壓uGS的變化對(duì)IGBT的開通特性，負(fù)載短路能力和duGS/dt電流有較大的影響，而門極負(fù)偏壓對(duì)關(guān)斷特性的影響較大。同時(shí)，門極電路設(shè)計(jì)中也必須注意開通特性，負(fù)載短路能力和由duGS/dt電流引起的誤觸發(fā)等問題。根據(jù)上述分析，對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路提出以下要求和條件： (1)由于是容性輸出輸出阻抗；因此IBGT對(duì)門極電荷集聚很敏感，驅(qū)動(dòng)電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路。(2)用低內(nèi)阻的驅(qū)動(dòng)源對(duì)門極電容充放電，以保證門及控制電壓uGS有足夠陡峭的前、后沿，使I

6、GBT的開關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開通后，門極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)提供足夠的功率，使IGBT不至退出飽和而損壞。(3)門極電路中的正偏壓應(yīng)為+12+15V；負(fù)偏壓應(yīng)為-2V-10V。 (4)IGBT 驅(qū)動(dòng)電路中的電阻RG對(duì)工作性能有較大的影響，RG較大，有利于抑制IGBT 的電流上升率及電壓上升率，但會(huì)增加IGBT 的開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗；RG較小，會(huì)引起電流上升率增大，使IGBT 誤導(dǎo)通或損壞。RG的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及IGBT 的容量有關(guān)，一般在幾歐幾十歐，小容量的IGBT 其RG值較大。(5)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力及對(duì)IGBT 的自保護(hù)功能。IGBT 的控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路等應(yīng)與其高

7、速開關(guān)特性相匹配，另外，在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下，IGBT的GE極之間不能為開路。1.4 整流電路的設(shè)計(jì)本設(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. 對(duì)整流出來的電壓進(jìn)行傅里葉變換得由整流電路出來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RC濾波器,因?yàn)殡娙轂V波的直流輸出電壓Uo與變壓器副邊電壓U2的比值比較大，而且適用在小電流、整流管的沖擊電流比較大的電路中。因此本電路選用電容濾波.因?yàn)楸倦娐芬笥蟹€(wěn)定的輸出因此還需用到穩(wěn)壓二極管進(jìn)行穩(wěn)壓。其原理圖如下圖圖三 整流電路原理圖當(dāng)同名端為正時(shí)D2、D5導(dǎo)通，D3、D4截止，電壓上正下負(fù)。當(dāng)同名端為負(fù)時(shí)D2

8、、D5截止，D3、D4導(dǎo)通，電壓同樣是上正下負(fù)，從而實(shí)現(xiàn)整流。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。1.5 斬波信號(hào)產(chǎn)生電路 此電路主要用來驅(qū)動(dòng)IGBT斬波。同其他的電力電子器件一樣，由分立元件組成的IGBT驅(qū)動(dòng)電路也存在著可靠性問題。為此，目前已經(jīng)研制出多種專用的IGBT集成驅(qū)動(dòng)電路。這些集成塊速度快，為了提高安全性，內(nèi)部設(shè)有保護(hù)電路。它還具有高抗干擾能力，可實(shí)現(xiàn)IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)。下面將分立元件組成的

9、驅(qū)動(dòng)電路和集成驅(qū)動(dòng)電路做一下簡(jiǎn)單的比較，以此來說明集成驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)越性。1.5.1由分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路 如圖四為由脈沖變壓器組成的柵極驅(qū)動(dòng)電路。其工作原理為：正向驅(qū)動(dòng)信號(hào)使VT1導(dǎo)通，電源電壓作用于脈沖變壓器一次側(cè)，二次電壓經(jīng)二極管VD2、VD3和門集電阻Rg后作用于IGBT，使IGBT導(dǎo)通。晶體管VT2由于基極反向偏置而截至。圖四 由分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為零時(shí)，VT1截止，一次勵(lì)磁電流經(jīng)VD1和VS迅速衰減，使在脈沖間隙期間脈沖變壓器的磁通回零。變壓器二次側(cè)的反向電壓經(jīng)R2加到二極管VD2上。IGBT門極結(jié)電容上的電荷經(jīng)Rg和VT2放掉，R2為VT2的偏流電阻。 此電路的優(yōu)點(diǎn)

10、：這種電路不用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，脈沖變化時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓幅值不變，可用于各種容量的IGBT的驅(qū)動(dòng)。 此電路的缺點(diǎn)：截止時(shí)沒有門極反向電壓，抗干擾能力不強(qiáng)。這種電路適用于驅(qū)動(dòng)占空比小于50%的高頻場(chǎng)合。1.5.2集成驅(qū)動(dòng)電路（1）芯片介紹及功能原理圖 EXB841芯片是單列直插式結(jié)構(gòu)，如圖五所示，各引腳的功能見表1。圖5中3腳為驅(qū)動(dòng)的輸出端，通過電阻Rg接被驅(qū)動(dòng)的IGBT的柵極；4腳用于外接電容，防止電流保護(hù)電路的誤動(dòng)作；5腳為過電路保護(hù)電路的輸出信號(hào)，低電平有效；6腳接IGBT的集電極，通過檢測(cè)Uce的大小來判斷是否發(fā)生短路或集電極電流過大，從而進(jìn)行自動(dòng)保護(hù)。EXB841的功能塊圖

11、如圖六所示。圖五EXB841 芯片引腳圖引腳號(hào)功能引腳號(hào)功能1與用于反向偏置電源的濾波電容連接7、8懸空2電源（+20V）9電源地3驅(qū)動(dòng)輸出端10、11懸空4用于連接外部電容，以防止過流保護(hù)電路的誤動(dòng)作14驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（-）端5過流保護(hù)輸出端15驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（+）端6集電極電壓輸出端表1 EXB841的引腳功能表圖六 EXB841的功能塊圖（2）電路原理圖及工作原理簡(jiǎn)介 圖7示出了EXB841的電路原理圖，其結(jié)構(gòu)包含隔離放大、過電流保護(hù)和基準(zhǔn)電源三部分。隔離放大部分由光電耦合器ISO01、晶體管VT2、VT4、VT5和阻容元件R1、C1、R2、R9組成。光電耦合器IS01的隔離電壓可達(dá)2500

12、VAC。VT2為中間放大級(jí)，VT4和VT5組成的互補(bǔ)式推挽輸出可為IGBT柵極提供導(dǎo)通和關(guān)斷電壓。晶體管VT1、VT3和穩(wěn)壓管VZ1以及阻容元件R3R8、C2C4組成過電流保護(hù)部分，實(shí)現(xiàn)過電流檢測(cè)和延時(shí)保護(hù)。電阻R10、穩(wěn)壓管VZ2與電容C5構(gòu)成5V基準(zhǔn)電源，為IGBT的關(guān)斷提供-5V的反偏電壓，同時(shí)也為輸入光耦合器IS01提供副方電源.。 電路的工作過程簡(jiǎn)述如下：當(dāng)14腳與15腳間流過的電流為零時(shí)，光電耦合器截止，A點(diǎn)為高電平，晶體管VT1、VT2導(dǎo)通，D點(diǎn)電位下降VT4截止、VT5導(dǎo)通。IGBT的柵極電荷經(jīng)VT5迅速放電，使3腳電位降至0V，IGBT由于Ugs=-5V而可靠關(guān)斷。當(dāng)14腳與

13、15腳間通過10mA電流時(shí)，光電耦合器導(dǎo)通，A點(diǎn)電位下降，VT1、VT2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?。VT2截止導(dǎo)致D點(diǎn)電位升高，VT4導(dǎo)通，VT5截止。2腳電源經(jīng)VT4到3腳到Rg到IGBT,驅(qū)動(dòng)IGBT的柵極，使IGBT迅速導(dǎo)通。 當(dāng)IGBT正常工作時(shí)，Uce較小，隔離二極管VD2導(dǎo)通，穩(wěn)壓管VZ1不會(huì)被擊穿，VT3截止，C4被充電，使E點(diǎn)電位為電源電壓值（20V）并保持不變。一旦發(fā)生過電流或短路，IGBT因承受大電流而退飽和，導(dǎo)致Uce上升，VD2截止，VZ1被擊穿使VT3導(dǎo)通，C4經(jīng)R7和VT3放電，E點(diǎn)及B點(diǎn)電位逐漸下降，VT4截止，VT5導(dǎo)通，使IGBT被慢慢關(guān)斷從而得到保護(hù)。與此同時(shí)，5腳輸出

14、低電平，將過流保護(hù)信號(hào)輸出。 使用此驅(qū)動(dòng)電路時(shí)應(yīng)注意以下問題： 輸入電路與輸出電路應(yīng)分開。即輸入電路（光電耦合器）接線遠(yuǎn)離輸出電路接線，以保證有適當(dāng)?shù)慕^緣強(qiáng)度和高的噪聲阻抗。驅(qū)動(dòng)電路與IGBT柵到射極接線長(zhǎng)度應(yīng)小于1m，并使用雙絞線以提高抗干擾能力。若集電極上有大的電壓尖脈沖產(chǎn)生，可增加?xùn)艠O串聯(lián)電阻Rg使尖脈沖較小。Rg值的選擇可參考表2所給數(shù)據(jù)。表2推薦的柵極串聯(lián)電阻Rg的參考值IGBT額定值600A10A15A30A50A75A100A150A200A300A400A1200V8V15V25V50V75V100V150V200VRg/歐姆250150825033251512825圖七 EX

15、B841的電路原理圖2 最優(yōu)參數(shù)的選擇由給出的初始條件可知，E=300V當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，有其中 為占空比，=tonTtx=ln1-1-me-m其中 =T/ m=Em/E =L/R電流斷續(xù)時(shí)，tx<toff,由此得出電流斷續(xù)的條件為m>e-1e-1當(dāng)滿足此條件時(shí)，電流斷續(xù)，此時(shí)負(fù)載電流的平均值為已知開關(guān)頻率為100KHz，則T=10us負(fù)載電流平均值I0=PU0=240120=2A設(shè)L=0.3mH R=3=LR=3×10-43=1×10-4P=T=0.1取=39%時(shí)，滿足m>e-1e-1 即滿足斷續(xù)條件Em=117V此時(shí)U0120V，理想情況下滿足題設(shè)條件3電

16、路的仿真3.1仿真模型圖 圖八 電路仿真模型圖圖九 仿真工作波形圖3.2 仿真參數(shù)由于考慮到實(shí)際情況需要對(duì)參數(shù)做出一些修改，各種主要參數(shù)的設(shè)置如下在實(shí)際調(diào)試中，可能會(huì)出現(xiàn)一定的誤差而達(dá)不到理想狀況，由仿真圖的出的結(jié)果，U0約為117V，I0約為2A，基本符合條件。4 總結(jié)回顧起此次電力電子課程設(shè)計(jì)，感慨頗多，在兩個(gè)星期的日子里可以說是整天都充滿著壓力與忙碌，自己也的確從此次安排的課程設(shè)計(jì)中學(xué)到了很多東西。從開始得到老師給定課題時(shí)的一臉茫然到老師講解后內(nèi)容的初步了解再到自己通過查資料、與同學(xué)共同探討、經(jīng)過老師指導(dǎo)后，自己設(shè)計(jì)并寫出這份課程報(bào)告，心中充滿了成就感。通過課程設(shè)計(jì)還拓寬了知識(shí)面，學(xué)到了很多課本上沒有的知識(shí)，報(bào)告只有自己去做能加深對(duì)知識(shí)的理解，任何困難只有自己通過努力去克服才能收獲成功的喜悅。本次課程設(shè)計(jì)還讓我明白了理論聯(lián)系實(shí)際的重要性，只有通過實(shí)際的動(dòng)手才能加深對(duì)于理論知識(shí)的理解。在做課程設(shè)計(jì)的過程中我發(fā)現(xiàn)自己對(duì)課本知識(shí)的理解不夠深刻，掌握的不太牢靠，以后一定會(huì)努力地溫習(xí)以前的知識(shí)。此次我選擇了電子版的報(bào)告書，運(yùn)用了AUTO CAD2008進(jìn)