《电力电子技术》课程设计-IGBT升压斩波电路设计.doc

武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书目 录1 绪 论11.1 电力电子技术的介绍11.2 电力电子技术的应用11.3 电力电子技术中的直流变化技术22 系统总体方案及主电路设计32.1 系统的方案及其流程图32.2 主电路的设计42.2.1主电路的原理图42.2.2 主电路的工作原理52.2.3 参数的计算53 控制和驱动电路的设计83.1 芯片SG3525简介83.2 控制和驱动电路原理图及工作原理93.2.1 控制和驱动电路原理图93.2.2 控制和驱动电路工作原理103.3 保护电路104 系统仿真与实测124.1 仿真软件MATLAB的简介124.2 仿真模型的建立12 4.3 系统仿真结果及分析145 设计心得体会17参考文献181 绪 论1.1 电力电子技术的介绍电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。 现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。 电力电子学（Power Electronics）这一名称是在上世纪60年代出现的。1974年，美国的W.Newell用一个倒三角形对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术2个不同的角度来称呼的。1.2 电力电子技术的应用电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联系的不可缺少的专业基础课。本课程体现了弱电对强电的控制，又具有很强的实践性。能够理论联系实际，在培养自动化专业人才中占有重要地位。它包括了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理。1在电力电子技术中，可控整流电路是非常重要的内容，整流电路是将交流电变为直流电的电路，其应用非常广泛。工业中大量应用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置；电气化铁道（电气机车、磁悬浮列车等）、电动汽车、飞机、船舶、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术；各种电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成的直流电源供电，可以说有电源的地方就有电力电子技术的设备。1.3 电力电子技术中的直流变化技术直流变换技术已被广泛的应用于开关电源及直流电动机驱动中，如不间断电源（UPS）、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及20世纪80年代兴起的电动汽车的控制。从而使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。由于变速器的输入是电网电压经不可控整流而来的直流电压，所以直流斩波不仅能起到调压的作用，同时还能起到有效地抑制网侧谐波电流的作用。2 系统总体方案及主电路设计2.1 系统的方案及其流程图 电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断。来完成整个系统的功能。因此，一个完整的升压斩波电路也应包括主电路，控制电路，驱动电路和保护电路这些环节。直流斩波电路一般主要可分为主电路模块，控制电路模块和驱动电路模块三部分组成。主电路模块， 主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和直流斩波电路组成，其中主要由全控器件IGBT的开通与关断的时间占空比来决定输出电压U。的大小。控制电路模块，可用直接产生PWM的专用芯片SG3525来控制IGBT的开通与关断。驱动电路模块，驱动电路把控制信号转换为加在IGBT控制端和公共端之间，用来驱动IGBT的开通与关断。系统总体流程图如图1图1 系统总体流程图2.2 主电路的设计2.2.1主电路的原理图升压斩波电路工作原理图及其波形图2所示图2 升压斩波电路工作原理图及其波形图 2.2.2 主电路的工作原理 当V1导通时，能量从输入电源流入，并储存于电感L1中，由于V1导通期间正向饱和管压降很小，故这时二级管VD反偏，负载由滤波电容C供给能量，C中储存的电能释放给负载。当V截止时，电感L中电流不能突变，它所产生感应电势阻止电流减小，感应电势的极性为下正上负，二极管VD导通，电感中储存的 能量经二极管VD，流入电容C，并给负载。在V导通的他ton期间，能量储存在电感L中，在V截止的toff期间，电感L释放能量，补充在ton期间电容C上损失的能量。 升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是电感L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。2.2.3 参数的计算根据设计要求选择选大小为的直流电压源，同时选取降压斩波电路的占空比为。因此，输出电压。又因为要求输出功率为400W，由输出功率可计算出负载电阻R=25。电压控制电压源和脉冲电压源可组成功率开关的驱动电路。在控制开关开通期间，电流从电源正极流出，经过电感从开关流回电源负极。电容向供电，输出电压上正下负。电源电压全部加到电感两端，在该电压作用下，电感电流线性增长。在导通之间内，电感电流增量为： （1）在控制开关关断期间，经二极管流出，电感电压极性将变成左负右正，认为电感很大，不变。这样，电源和电感同时给电容和负载供电，负载两端电压仍是上正下负。电感电压，电感电流线性减小。在关断时间内，电感电流减小量的绝对值为： （2）当电路工作在稳态时，电感电流波形必然周期性重复，开关导通期间电感电流的增量等于开关断开时电感电流的减少量，即联立（1）（2）式可得输出电压 （3）由上式可知，是一个小于1的数，故输出电压比输入电压大。从能量守恒角度分析（假设电感足够大，电流平直），电路达到稳态时，电感在开关开通期间吸收的能量（）与开关关断期间释放的能量（）相等。列出等式： （4）解得 （5）下面确定电流连续的临界条件：如果在时刻电感电流刚好降到0。则为电流连续与断续的临界工作状态。此时，升压斩波电路的输入输出功率分别为： 、忽略损耗，有，于是 （6）联立式（1）（4）（5）得临界电感值为 （7）确定电容的计算电容在关断期间释放的能量与开通期间吸收的电荷相等，则电压变化量 （8） 则 （9）可决定脉动率。计算：由式（6），周期可由开关频率得出为T=，把R、T代入上式得出，当时，工作在连续状态下。电感越大时，电感电流越平直。可适当取较大的电感值。计算：由式（8），要求脉动率，取，计算，代入上式计算出，滤波电容越大，输出电压越平直，可适当取较大的电容值。 3 控制和驱动电路的设计3.1 芯片SG3525简介PWM控制芯片SG3525 具体的引脚结构图和内部框图如图3及图4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。图3 SG3525引脚图 图4 SG3525的内部框图3.2 控制和驱动电路原理图及工作原理3.2.1 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 5所示：图5 控制和驱动电路3.2.2 控制和驱动电路工作原理工作原理：通过R2、R3、C3结合SG3525产生锯齿波输入到SG3525的振荡器。其产生的PWM信号由OUTA、OUTB输出，调节R5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。3.3 保护电路升压斩波电路需同时具有过压和过流保护功能，如图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6 电压和电流保护电路 4 系统仿真与实测4.1 仿真软件MATLAB的简介在科学研究和工程应用中，往往要进行大量的数学计算，其中包括矩阵运算。这些运算一般来说难以用手工精确和快捷地进行，而要借助计算机编制相应的程序做近似计算。目前流行用Basic、Fortran和c语言编制计算程序, 既需要对有关算法有深刻的了解，还需要熟练地掌握所用语言的语法及编程技巧。对多数科学工作者而言，同时具备这两方面技能有一定困难。为克服上述困难，美国Mathwork公司于1967年推出了“Matrix Laboratory”（缩写为Matlab）软件包，并不断更新和扩充。目前最新的5.x版本（windows环境）是一种功能强、效率高便于进行科学和工程计算的交互式软件包。其中包括：一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等应用程序，并集应用程序和图形于一便于使用的集成环境中。在此环境下所解问题的Matlab语言表述形式和其数学表达形式相同，不需要按传统的方法编程。本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用后一种方法。4.2 仿真模型的建立IGBT升压斩波电路模型主要由直流电源、同步触发脉冲、IGBT、电阻、电感、电容以及电流表、电压表、示波器等部分组成。采用MATLAB面向电气原理结构图方法构成的IGBT升压斩波电路模型如图7所示。图7 IGBT升压斩波电路仿真模型连线图相应的参数设置：由有有有 有4.3 系统仿真结果及分析IGBT升压斩波仿真波形如图8。图8 IGBT升压斩波仿真波形图仿真结果分析1、电源端输入大小为的直流电压图9 输入直流电压2、输出电压图10 IGBT升压后的输出电压经IGBT升压斩波后输出直流电压理论值，由上面的波形图可以看出实验值约为与理论值基本符合。误差3、与 图11 输入电流 图12 输出电流 经IGBT升压斩波后输出电流值理论计算式，由上面的波形图可以看出约为7.5V,约为3.9V，实验值与理论计算值相符合。4、图13 IGBT升压后的输出电流电压由图形可以看出经IGBT升压斩波后输出电压约为97V与电流值约为3.9A，输出电流与电压乘积即输出功率约为378.3W,符合理论指标要求。其误差5 设计心得体会 回顾起此次的电力电子课程之IGBT升压斩波电路设计，感慨颇多，它使我有很多的心得体会。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。通过查阅大量有关资料，并与同课题同学和班级优秀同学相互讨论、交流经验和自学，使自己经历了不少艰辛，但收获同样巨大，学到了不少知识。通过本次课程设计让我更加的深刻的理解了斩波器的原理，从而由斩波器这个小小的器件体会到了电力电子这门学科的重要性。课程设计不仅需要灵活的运用书本上以及课堂上的知识，还需要自己运用电脑上网搜索相关信息和操作相关的软件来更好的达到设计的目的。这让我不仅巩固了老师所传授的书本上的知识，而且锻炼了自己解决实际问题的能力。通过课程设计还拓宽了知识面，学到了很多课本上没有的知识，报告只有自己去做能加深对知识的理解，任何困难只有自己通过努力去克服才能收获成功的喜悦。在此次电力电力课程设计，我进一步学习了使用MATLAB软件。通过对电路图的研究，也增强了自己的思考能力。另外，在使用MATLAB软件绘制电路图的过程中，我学到了很多实用的技巧，这也为以后的工作打下了很好的基础。从开始任务到查找资料，到设计电路图，我学到了课堂上学习不到的知识。上课时总觉得所学的知识太抽象，没什么用途，现在终于认识到它的重要性。总的来说，自己的这次课程设计