电力电子课程设计--直流斩波电路的设计.doc

课程设计任务书题目： 直流流斩波电路的设计课题的任务和要求 输入电压：单相交流220v，50HZ， 输出功率：0.51KW； 用集成电路组成触发电路负载性质：电阻对电路进行主设计、计算与说明。计算所用元器件型号参数1、根据课题，查阅相关资料2、画出系统原理框图；3、参数计算和元器件选择4、画出单元电路图；5、画出整体控电路图；、撰写课程设计报告。（说明书）设计题目，主要技术标和要求；方案选择及至电路工作原理；单元电路设计计算；收获、体会和改进设计的建议；主要参考文献。参考文献目 录第一章 概述.2第二章 设计总体思路42.1 主电路设计思路：. 42.2 结构框图.5第三章 各单元思路63.1 主电路的设计.63.2 控制电路的设计.10第四章 保护电路及设计.174.1 主回路输出端过电流保护.174.2 电源欠压报警.174.3 MOSFET的保护设计.18第五章 心得与体会.20参考文献.21附 录22第一章 概述电力电子技术在现代化社会的建设中的应用起着重要作用并得到飞跃性的发展。直流斩波器作为一种电力电子器件，也必定随着直流电的广泛应用而显得异常重要。直流斩波电路的思想是将三相交流电转换为可调的直流电。它有以下几个特点： 采用了具有开关频率高、通断电流大、电压耐量高的MOSFET这一新型优良品质的电力电子器件作为开关管。采用了由美国Silicon General 公司生产的SG3525芯片作为控制电路的核心，SG3525芯片它集成了PWM 控制电路,使整个电路更加简单，实用。采用热管散热技术作为斩波器的散热系统，热管散热技术是当今国际较流行的散热方式，国内近年来发展较快，它被人们称之为热的“超导体”，已广泛用于车辆电传动系统。直流斩波器广泛应用于生产、生活等实际情况当中，从中国大面积，多人口，低技术，少能源等国情出发，大力发展直流电技术，结合电力电子技术，这对改善我国科技现状水平，提高经济效益将起着重要作用。电力投资的持续增长，因此直流斩波器在电力电子行业有着巨大的发展潜力，它的传统领域和新领域节前景非常广阔。目前,市场上用的最多的MOSFET直流斩波器,它是属于全控型斩波器，它的主导器件采用国际上先进的电力电子器件MOSFET，由门极电压控制，从根本上克服了晶闸管斩波器及GTR 斩波器的缺点。该斩波器既能为煤矿窄轨电机车配套的调速装置，针对不同的负载对象，做一些少量的改动又可用于其它要求供电ja电压可调的直流负载上。与可控硅脉冲调速方式和电阻调速方式相比，具有明显的优点。随着科技的发展，新技术不断出现，现在最领先的直流斩波技术主要包括VRM技术、软开关技术和高频磁技术。直流斩波器的应用范围非常广泛。它最初用途是传动控制，但目前应用的新领域是开关电源。前者是斩波电路应用的传统领域，后者则是斩波电路应用的新领域。而高频、大功率、高可靠性开关电源是当今电源变换技术发展的重要方向之一。智能型电力电子器件、抗干扰技术和新的控制理论的应用使其在高频、高效、高可靠性方面更具竞争力。所以研究直流斩波器有着深远的意义，它不仅能够大大改善各种机车的调速系统，为其提高安全、快速、低损耗的调速装置，还可以为世界能源危机带来曙光，解决目前国际能源所带来的各种问题。第二章 设计总体思路2.1 主电路设计思路：系统电路由主电路、控制及保护电路、信号检测电路三大部分组成。2.1.1 主电路说明二极管整流桥把输入的交流电变为直流电，电阻R1为起动限流电阻，C1为滤波电容。可逆PWM变换器主电路系采用MOSFET所构成的H型结构形式，它是由四个功率MOSFET管（VT1、VT2、VT3、VT4）和四个续流二极管（VD1、VD2、VD3、VD4）组成的双极式PWM可逆变换器，根据脉冲占空比的不同，在直流电机M上可得到正或负的直流电压。2.1.2控制及保护电路说明SG3525为脉宽调制器。由R4、C4、VD5，R5、C5、VD6构成逻辑延时环节。由非门1、2及与门电路3、4构成保护环节。此外，还有隔离及驱动电路。图中的G为电压给定器，ASR为转速调节器，ACR为电流调节器。2.1.3检测回路说明 在VT1和VT4的源极回路中，串接两个取样电阻，其上的电压分别反映流过VT2、VT4的电流，经过差分放大输出一反映电流大小的电压Ufi，可作为双闭环系统的电流反馈信号。速度由与电动机同轴连接的永磁发电机TG测量，再变换为转速反馈信号Ufn。回路中的电阻R2有两个作用。第一，可以用来观察波形，R2的阻值取1，其上的电压波形反映了主回路的电流波形。第二，作为过流保护用。当R2的电压超过整定值后，过流保护电路动作，关闭脉冲，从而保护功率MOSFET管2.2 结构框图开始三相交流主电网（380V）主接触器，熔断器，过热继电器，星三角变压器二极管不控整流电容滤波正反组MOSFET电流检测续流二极管、电感输出到负载给定电压反馈电流反馈SG3525逻辑延迟电路光电隔离器电压检测第三章 各单元思路3.1 主电路的设计3.1.1主电路 图3-1 主电路电路图3.1.2电路分析 如图3-1为根据上面的思路设计出来的电路图，其中S1为总开关，为了方便电路的维护和检修，KM是继电器开关，当电压或电流过大时使电路有自保的功能。变压器S选择“-Y”，这样连接可以避免3此谐波流入电网。经过3对二极管整流后，三相交流电变为带有波头的直流电，使用电容C来滤波和稳压，得到完美的直流电 。为了防止开关动作起始，电流过大对电网造成破坏，在整流电路后加一个电阻R1，但考虑到此电阻在电路运行的过程中会消耗电路的电能，为了使电路的设计更完美，在R1上并联一个开关，在运行一段时间后，合上开关，将电阻R1短路。后接降压斩波电路。3.1.3主电路参数计算和元器件的选择 直流电机参数：型号 Z 2-81 额定电压 110V 额定功率 30kW额定电流 315.5 A最大转速 2250r/minUd=110v 考虑占空比为90%则 Us=Ud/0.9=123v取 Us=1.2U2 U2=Us/1.2= 102v考虑到10%的裕量 U2=1.1*102=113v一、二次线圈电流 I2=Id=315.5A变比 K=U1/U2=380/113=3.36 I1=I2/K=315.5/3.36=93.9A考虑空载电流 取I1=1.05*93.9=98.6A变压器容量计算 S1=U1*I1=380*98.6=37468VA S2=U2*I2=113*315.5=35631.5VA S=(S1+S2)/2=36560VA整流元件选择二极管承受反向最大电压UDM=1.414U=160V，考虑3倍裕量，则 UTN=3*160=480V 取500v该电路整流输出接有大电容，而且负载也不是纯电感负载，但为了简化计算，仍可按电感计算，只是电流裕量要可适当取大些即可。 IdD=0.5Id=158 ID=1/1.414 *Id=223A ID(AV)=2*223/1.57=284A取300A滤波电容选择一般根据放电的时间常数计算，负载越大，要求纹波系数越小，一般不做严格计算，多取2000以上。因该系统负载不大，故取 =2200耐压 1.5UDM=1.5*160=250v即选用2200250v电容器MOSFET的选择因为=220V，取3倍裕量，选耐压为660v以上的MOSFET。由于MOSFET是以最大标注且稳定电流与峰值电流间大致为四倍关系，故应选用大于4倍额定负载电流的MOSFET为宜，因此选用2000A,额定电压700V左右的MOSFET续流二极管的选择根据 得知 续流二极管应选1000A、额定电压为600v的二极管。 3.1.4 H型桥式斩波电路的设计图3-2 H桥式斩波电路原理图3.1.5整流电路的设计 图3-3 整流电路图 3.2 控制电路的设计3.2.1控制电路框图根据MOSFET的特点，本设计用脉宽调制（PWM）控制方式对开关管的占空比进行控制。采用的芯片是用集成了PWM控制电路的SG3525芯片。控制电路的框图如图3-4： 图3-4控制电路框图3.2.2控制电路原理简要本控制电路是以SG3525为核心构成, SG3525为美国Silicon General 公司生产的专用，它集成了PWM 控制电路,其内部电路结构及各引脚功能将在下一节中介绍。它采用恒频脉宽调制控制方案,内部包含有精密基准源,锯齿波振荡器,误差放大器,比较器,分频器和保护电路等.调节Ur 的大小,在11,14两端可输出两个幅度相等,频率相等,相位相差,占空比可调的矩形波(即PWM信号)。然后，将脉冲信号驱动电路，对微信号进行升压处理，再把经过处理的电平信号送往MOSFET，对其触发，以满足主电路的要求。图35光电隔离器驱动3.2.3 SG3525的结构图和工作原理 SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。 SG3525是定频PWM电路，采用16引脚标准DIP封装。其各引脚功能如图3-6(a)所示，内部框图如图3-62.3(b)所示。脚8为软起动端。 （a） SG3525的引脚图 （b）SG3525G内部框图 图3-6 SG3525G管脚框图3.2.4各引脚具体功能：Inv.input(引脚1)：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。Noninv.input(引脚2)：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。Sync(引脚3)：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。 OSC.Output(引脚4)：振荡器输出端。CT(引脚5)：振荡器定时电容接入端。RT（引脚6）：振荡器定时电阻接入端。Discharge(引脚7)：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。 Soft-Start(引脚8)：软启动电容接入端。该端通常接一只5的软启动电容。Compensation(引脚9)：PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同 类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。Shutdown(引脚10)：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。Output A（引脚11）：输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。Ground(引脚12)：信号地。Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。Output B（引脚14）：输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。 Vcc（引脚15）：偏置电源接入端。Vref(引脚16)：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。 特点如下：工作电压范围宽：835V。5.1（1 1.0%）V微调基准电源。振荡器工作频率范围宽：100Hz400KHz. 具有振荡器外部同步功能。 死区时间可调。内置软启动电路。 具有输入欠电压锁定功能。 具有PWM锁存功能，禁止多脉冲。逐个脉冲关断。双路输出（灌电流/拉电流）： mA(峰值)。3.2.5 SG3525的工作原理： SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至 1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个5 的软启动电容。通电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。此时，PWM锁存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM锁存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当Shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM锁存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM锁存器才被复位。3.2.6 SG3525主要电路及其功能欠电压锁定电路当SG3525输入电压低于8V时，控制器内部电路锁定，除基准电源和一些必要电路之外的所有电路停止工作，此时控制器消耗的电流极小。软启动电路 引脚8为软启动控制端，该端可外接软启动电容。软启动电容由SG3525内部50的恒流源进行充电。 限流方式SG3525无限流比较器，改由外部关断信号输入端（引脚10）来实现限流功能，同时还具有逐个脉冲关断和直流输出电流限幅功能。实际使用中，一般在引脚10上接电流检测信号，如果过电流检测信号维持时间较长，软启动电容将被放电。 PWM比较器的两个反向输入端 在SG3525中，误差放大器输出端和外部关断信号输入电路分别送至PWM比较器的 一个反向输入端。这样做的好处在于，避免了误差放大器和外部关断信号输入电路之间相互影响，有利于误差放大器和补偿网络工作精度提高。PWM锁存器 为了使关断电路更可靠的工作，SG3525在其内部增加了PWM锁存器。PWM比较器输 出信号首先送至PWM锁存器，锁存器由关断电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。当关断电路工作时，即使过电流信号立即消失，锁存器也可以维持一个周期的关断控制，直到下一周期时钟信号使锁存器复位为止。同时，由于PWM锁存器对PWM比较器的置位信号进行锁存，误差放大器上的噪声信号、振铃及其他信号在此过程中都被消除了。只有在下一个时钟周期才能重新复位，可靠性大大提高。其中主电路采用MOSFET，适用于电压较低，电流较小的小功率电源，但是MOSFET所承受的响应频率较就，故在选择50V、25A的限压限流电源，选用MOSFET不仅对主电路的性能有较好的控制，也不会太耗费元件，另外在主电路整流过后加上一个电容对电源的滤波故然较好，但是由于滤波电容较大，电路启动的一瞬间，对整流管会有一个很大的冲击作用，所以在电路中加入一个过压启动，当电压过一定值时才会将电容两端接入电网，防止过流冲击。第四章 保护电路及设计4.1 主回路输出端过电流保护电力电子器件在使用过程中出现的过电流可分为过载和短路两种情况，器件允许的过载时间较长，而允许的短路时间极短，一般在若干微秒之内。对于负载过大产生的过载电流一般可用反馈控制的方法进行调整和保护。在这里采用了两中过电流保护措施，一是加限流电阻，主要对电流过载起保护作用，其二是在电路中串熔断器，对短路起保护作用。接线图在主电路图中可见到。4.2 电源欠压报警在斩波器中开关器件MOSFET的驱动电路电源设置电源电压保护电路。 当驱动电源欠压时，立即发出封锁信号，封锁MOSFET的驱动。驱动电源电压信号图41电源欠压保护电路4.3 MOSFET的保护设计 4.3.1 MOSFET的过电流保护在斩波电路中对斩波器的保护，实际上就是对MOSFET的保护。所以重要的是怎么设计好对开关管MOSFET的保护方案。在设计对MOSFET的保护系统中，主要是针对过电流保护和开关过程中的过电压保护。 MOSFET的过流保护电路可分为2类：一类是低倍数的（1.21.5倍）的过载保护；一类是高倍数（可达810倍）的短路保护。对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有MOSFET驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。 MOSFET能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该MOSFET的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。如饱和压降小于2V的MOSFET允许承受的短路时间小于5s，而饱和压降3V的MOSFET允许承受的短路时间可达15s，45V时可达30s以上。存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，MOSFET的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方加大，造成承受短路的时间迅速减小。通常采取的保护措施有软关断和降栅压2种。软关断指在过流和短路时，直接关断MOSFET。但是，软关断抗骚扰能力差，一旦检测到过流信号就关断，很容易发生误动作。为增加保护电路的抗骚扰能力，可在故障信号与启动保护电路之间加一延时，不过故障电流会在这个延时内急剧上升，大大增加了功率损耗，同时还会导致器件的di/dt增大。所以往往是保护电路启动了，器件仍然坏了。 降栅压旨在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。降栅压后设有固定延时，故障电流在这一延时期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件保护十分有利。若延时后故障信号依然存在，则关断器件，