电力电子课程设计--直流斩波电路.doc

电电力力电电子技子技术术 课课程程设计说设计说明明书书 直流斩波电路 院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 何峰 学 号： 09401040238 指导教师： 桂友超 专 业： 自动化 班 级： 自本 0902 完成时间： 2012 年 5 月 1 日 设计任务书 一 设计课题：直流斩波电路设计 二 设计目的任务 学生通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题，巩固和运用在电力 电子技术中所学的理论知识和实验技能，掌握应用直流斩波电路的一般设计 方法，提高设计能力和实践动手能力，为以后从事电力电子电路设计、研发电 力电子产品打下良好的基础。 三 设计要求 1 可取直流输入电压=50v, =350v d u o u 2 电力电子课程设计说明书一份 3 设计时间一周 4 一人一组一课题 四 参考资料 1 王兆安黄俊电力电子技术，第4版，机械工业出版社，2000 2 张乃国电源技术北京：中国电力出版社，1998 3 何希才新型开关电源设计与应用北京：科学出版社，2001 目 录 1 直流斩波电路设计方案和方案实施1 1.1 设计方案选择.1 1.2 升压斩波电路的设计原理.1 2 单元电路设计2 2.1 直流供电电路.2 2.2 升压斩波主电路.2 2.3 控制和驱动电路.3 2.3.1 芯片 sg3525 简介.3 2.3.2 控制和驱动电路原理图.4 2.4 保护电路.5 2.5 参数计算.5 3 实验仿真分析7 3.1 仿真电路.7 3.2 仿真结果与误差分析.7 结束语9 致 谢10 参考文献11 原件清单12 1 1 直流斩波电路设计方案和方案实施 1.1 设计方案选择 斩波电路有三种控制方式 （1）脉冲宽度调制（pwm）：开关周期t不变，改变开关导通时间ton。 （2）频率调制：开关导通时间ton不变，改变开关周期t。 （3）混合型：开关导通时间ton和开关周期t都可调，改变占空比。 本次设计采用的是脉宽调制的方法，开关选用全控型器件 igbt，它集中了电力 mosfet 和 gtr 得优点。 1.2 升压斩波电路的设计原理 原理图如图 2 所示：v 断时，e 和 l 共同向 c 充电并向负载 r 供电。设 v 断的时间为，则此期间电感 l 释放能量为： off t （1-)( 1 euti ooff 1） 当电路工作于稳态时，一个周期 t 中电感 l 的能量与释放的能量相等，即： （1- offoon tieutei 11 )( 2） 化简得： (1-3) e t t e t tt u offoff offon 0 式中，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。式中，1 off tt 表示升压比，调节其大小，即可改变输出电压的大小，将升压比的倒 off tt o u 数记作，即。则和占空比有如下关系： t toff （1-4）1 因此， （1-3）式可以表示为： 2 (1-5)eeuo 1 11 2 单元电路设计 2.1 直流供电电路 生活中现有的都为交流电，所以斩波电路的输入电压需由交流电经整流得 到。本设计采用桥式电路整流：由四个二极管组成一个全桥整流电路.由整流电 路出来的电压含有较大的纹波，电压质量不太好，故需要进行滤波。本电路采 用 rl 低通滤波器（通过串联一个电感，滤除电流的高次谐波，并联一个电容滤 除电压的高次谐波） ，以减小纹波。protel 原理图如下图 1 所示： 图 1 直流供电电路 输入端接 220v、50hz 的市电，进过变压器 t1（原线圈/副线圈为 4/1）后 输出 55v、50hz。当同名端为正时 d2、d5 导通，d3、d4 截止，电压上正下负。 当同名端为负时 d2、d5 截止，d3、d4 导通，电压同样是上正下负，从而实现 整流。电感具有电流不能突变，通直流阻交流特性，因此串联一个电感可以提 高直流电压品质。而电容具有电压不能突变，通交流阻直流特性，因此并联一 个大电容可以滤除杂波，减小纹波。结合两种元器件的特性，组成上图整流电 路，可以得到比较理想的直流电压（幅值为 50v 左右） 。 2.2 升压斩波主电路 3 本设计为直流升压斩波（boost chopper）电路，该电路是本系统的核心。 应为输出电压比较大，故斩波器件选用能够承受大电压和导通内阻小，开关频 率高，开关时间小的大功率 igbt 管。主电路图如下图 2 所示： 图 2 主电路原理图 左边接经整流之后的 50v 电压。右边为斩波电压输出，v-g 为 sg3525 输出 的 pwm 斩波信号。g1 为 igbt，d5 为电力二极管，l2 为电感，c1 为电容，r1 为 负载。 2.3 控制和驱动电路 2.3.1 芯片 sg3525 简介 pwm 控制芯片 sg3525 具体的内部引脚结构如图 3 所示。其中，脚 16 为 sg3525 的基准电压源输出，精度可以达到（5.11）v，采用了温度补偿， 而且设有过流保护电路。脚 5、脚 6、脚 7 内有一个双门限比较器，内设电容 充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成 sg3525 的振荡器。振荡器还 设有外同步输入端(脚 3)。脚 1 及脚 2 分别为芯片内部误差放大器的反相输入 端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为 70db 左 右。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚 9 和脚 1 之间一 般要添加适当的反馈补偿网络。 4 图 3 sg3525 引脚图 2.3.2 控制和驱动电路原理图 此电路主要用来驱动 igbt 斩波。产生 pwm 信号有很多方法，但归根 到底不外乎直接产生 pwm 的专用芯片、单片机、plc、可编程逻辑控制器等本电 路采用直接产生 pwm 的专用芯片 sg3525.该芯片的外围电路只需简单的连接几 个电阻电容，就能产生特定频率的 pwm 波，通过改变 in+输入电阻就能改变输 出 pwm 波的占空比，故在 in+端接个可调电阻就能实现 pwm 控制。为了提高安 全性，该芯片内部还设有保护电路。它还具有高抗干扰能力，是一款性价比相 当不错的工业级芯片。 为了减少不同电源之间的相互干扰，sg3525 输出的 pwm 经过光电耦合之后 才送至驱动电路。其电路图如下图 4 所示： 图 4 驱动和控制电路 工作原理：通过 r2、r3、c3 结合 sg3525 产生锯齿波输入到 sg3525 的振荡 5 器。其产生的 pwm 信号由 outa、outb 输出，调节 r7 可以改变占空比。输出的 pwm 信号通过二极管 d6、d7 送至光电耦合器 u2，光耦后通过驱动电路对信号进 行放大。放大后的电压可以直接驱动 igbt。此电路具有信号稳定，安全可靠等 优点。因此他适用于中小容量的 pwm 斩波电路。 2.4 保护电路 升压斩波电路需同时具有过压和过流保护功能，分别如图 5,6 所示，均采 用反馈控制,将过流过压信号反馈到芯片 sg3525 的输入，从而起到调节保护作 用。同时芯片 sg3525 也可完成一定的保护功能，例如，脚 8 软起动功能，避免 了开关电源在开机瞬间的电流冲击，可能造成的末级功率开关管的损坏。 图 5 过电压保护电路 图 6 过电流保护电路 2.5 参数计算 由设计要求可取直流输入电压=50v, =350v, 则: d u o u 6 (1) 占空比 =1-50/350=0.85. (2) 交流侧二次电压有效值=/1.2=41.7v; 2 u d u 取交流一次电压有效值=220v 1 u 变压器变比 k=/=220/41.7=5.3。 1 u 2 u (3) 输出功率为 130w,所以负载电阻 r=942.30，取 900；puo 2 负载电流=/ =0.39,电源电流=()/=2.20 a。 2 i o ur 1 i 2 i 二极管承受反向最大电压 =1.414=1.41441.759v dm u 2 u (4) 考虑 3 倍裕量，则 =359v=177v; 平均电流=0.5i2=0.19, 选取 tn u d i 1n4003，其参数为最大反向峰值电压为 200v，平均电流为 1a. (5) 滤波电容选择一般根据放电的时间常数计算，负载越大，要求纹波系数 1 c 越小，一般不做严格计算，多取 2000 f 以上。因该系统负载不大，故取 =2200 f，耐 1.5=1.578.6=117.9v 取 120v 即选用 2200uf、120v 电 1 c dm u 容器。 (6) 电感值一般选择极大值，以保证电流连续且脉动很小，所以取= 0.3mh， 1 l =50m h。 2 l (7) igbt 的选择 因为=41.7v，取 3 倍裕量，选耐压为 150v 以上的 igbt。由于 igbt 是 2 u 以最大标注且稳定电流与峰值电流间大致为 4 倍关系，故应选用大于 4 倍额定 负载电流的 igbt 为宜，因此选用 7a,额定电压 600v 左右的 igbt，选 gt8q101，其参数为最高耐压为 1200v,最大电流为 8a. 7 3 实验仿真分析 3.1 仿真电路 打开仿真参数窗口，选择 ode23tb 算法，按图 8 连接好仿真电路图。相 对误差设置为 1e-03，开始仿真时间设置为 o，停止仿真时间设置为 o.02 s， 控制脉冲周期设置为 o.0001 s(频率为 1 0000hz)，控制脉冲占空比为 85。 各元器件参数按计算出来的参数设置。 图 8 升压斩波电路仿真电路图 3.2 仿真结果与误差分析 参数设置完毕后，启动仿真，得到图 9 的仿真结果，输出电压为 350v 8 图 9 升压斩波电路占空比 85%时仿真结果 在原电路的基础上，改变占空比为 50%时的仿真结果如图 10 所示,理论输出电 压为 100v. 图 10 升压斩波电路占空比 50%时仿真结果 通过以上的仿真过程分析，仿真结果基本符合理论计算值，可以得到下列 结(1)直流变换电路主要以全控型电力电子器件作为开关器件，通过控制主电路 的接通与断开，将恒定的直流斩成断续的方波，经滤波后变为电压可调的直流 输出电压。利用 simulink 对升降压斩波的仿真结果进行了详细分析，与采用常 规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正 9 确性。 结束语 经过将近两周的电力电子课程设计，终于完成了我的直流斩波电路的设计， 虽然耗费了我很多的时间.但是是我学会不少知识。 这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，在老师和 同学们的一一解答下度过重重难关取得成功！在此，对给过我帮助的所有同学 和陆老师表示忠心的感谢，通过这一周的电力电子课程设计，我既对 matlab7.0 软件有了进一步的了解，对 boost chopper 电路也有的深入的认识 和理解。刚开始，对很多元件的选择都不清楚，通过老师的知道和同学的帮助， 学会了如何更好的设计电路选择正确的元器件。把实验室测得的波形和仿真的 波形进行对比，虽然存在一些差异，但是基本上还是一致的。 经过这次的课程设计，发现 matlab 软件功能非常强大。平时在学习中不能 够透彻理解的知识，通过动手，会有更好的认知。本次课程设计虽然不长，但 是它给我们带来了很多收获。 本设计还有很多做的不够好的地方，还望老师批评指正。 10 致 谢 在这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多人的帮助。 首先我要感谢 我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利 完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让 我能把这个直流斩波电路设计做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新 的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。 其次，我要感谢帮助 过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计商的难题。同时也感谢 湖南工学院为我提供良好的电力电子设计的环境。最后再一次感谢所有在设计 中曾经帮助过我的良师益友和同学，我感谢在这这么多天以来给过我帮助和关 注的所有人，更加感谢给过我挫折的所有人。你们用不同的方式给了我成长， 也是你们促使我在走过的大学时光里一直努力，终可以在课程设计的最后那一 天无愧的说一声：我成功了。 11 参考文献 1 王兆安黄俊电力电子技术，第4版，机械工业出版社，2000 2 张乃国电源技术北京：中国电力出版社，1998 3 何希才新型开关电源设计与应用北京：科学出版社，2001 4 阮新波，严仰光直流开关电源的软开关技术北京：科学出版社，2000 5 陈汝全电子技术常用器件应用手册【m】机械工业出版社 6 陈礼明实际直流斩波电路中若干问题的浅析梅山科技，2005 7 康华光,陈大钦.电子技术基础(第四版). 北京: 高等教育出版社,1998 8 张义和.protel dxp 电路设计快速入门.北京:中国铁道出版社,2003 9 张乃国电源技术北京：中国电力出版社，1