斩控式直流调压电路设计.doc

1 设计依据主要参数1） 输入电压：三相（AC）380（1+15%）、2） 最大输出电流电压：(选下列一组数据进行设计)100A 0100V3） 功率因数：0.7 2. 可提供实验与仿真条件 说明书格式1 课程设计封面；2 任务书；3 说明书目录；4 设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；5 单元电路设计（各单元电路图）；6 故障分析与电路改进、实验及仿真等。7 总结与体会；8 附录（完整的总电路图）；9 参考文献；11、课程设计成绩评分表目 录第1章 概述1 1.1 电力电子技术的发展及应用领域1 1.2 高频开关电源的发展趋势2第2章 总体方案及原理3 2.1 总体原理3 2.2 总体方案3第3章 主电路设计5 3.1 主电路总体设计5 3.2 整流电路6 3.3 降压斩波电路7 3.4 控制及驱动电路设计8第4章 控制及驱动电路设计11 4.1 主控制芯片的详细说明11 4.2 驱动电路设计13第5章 保护电路及设计14 5.1 主回路输出端过电流保护14 5.2 电源欠压报警14 5.3 IGBT的保护设计15第6章 设计总结与体会17附 录18参考文献 19评分表 20第1章 概 述1.1电力电子技术的发展及应用领域 现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。 1.1.1计算机高效率绿色电源 计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星计划规定,桌上型个人电脑或相关的外围设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。 1.1.2通信用高频开关电源 通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。 1.1.3电力有源滤波器 电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流; 1.2高频开关电源的发展趋势 在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高频开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术。1.2.1高频化 理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5l0%。1.2.2模块化 模块化有两方面含义,其一指功率器件模块化,其二指电源单元模块化。1.2.3数字化 在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。1.2.4绿色化 电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电, 这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。 第2章 总体方案及原理 2.1总体原理 直流斩波器（DC Chopper）是一种把恒定直流电压变换成为另一固定电压或可调电压的直流电压，从而满足负载所需的直流电压的变流装置。也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter）。它通过周期性地快速通、断，把恒定直流电压斩成一系列的脉冲电压，而改变这一脉冲列的脉冲宽度或频率就可实现输出电压平均值的调节。直流斩波器除可调节直流电压的大小外，还可以用来调节电阻的大小和磁场的大小。直流传动、开关电源是斩波电路应用的两个重要领域，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。直流斩波器的种类较多，包括6种基本斩波器：降压斩波器（Buck Chopper）、升压斩波器（Boost Chopper）、升降压斩波器(Boost-Buck Chopper)、Cuk斩波器、Sepic斩波器和Zeta斩波器，前两种是最基本的类型。 设计中采用降压斩波器（Buck Chopper）来改变直流电压大小。2.2总体方案 本设计中，输入三相（AC）380电压，最大输出最大电流电压分别为100A ，100V，功率因数：0.7。而直流斩波器可调节直流电压的大小，同时斩控方式实现直流调压，功率因数高，谐波小，输出波形好。要求中输入高电压输出低电压，故采用降压斩波器。 斩控式直流调压电路设计中，首先将三相交流电转换成直流电（AC-DC），再采用直流斩波方式，用占空比控制低压侧的电压. 其中用控制电路来实现IGBT管的通断，调节PWM波的输出来改变控制角，从而调节占空比的大小，进而来调节输出电压的大小。 初步设想将总电路分为3部分：主电路、控制电路、保护电路。 其中主电路又分为整流电路和斩波电路，整流电路采用三相不可控整流形式，斩波电路采用IGBT进行控制的脉宽调制方式的降压斩波方式。控制电路采用UC3842芯片来对IGBT的通断进行控制。斩波电路主电路不可控桥式整流三相交流电源负载触发控制，电路检测 控 制 电 路图2.1 总电路结构框图保护电路包括主电路中的过电压和过电流保护、IGBT的保护、电源欠电压保护。总电路的结构框图如图2.1所示。 第3章主电路设计3.1主电路总体设计主电路的总电路图如图3.1所示，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限流电阻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。 图3.1 主电路电路图3.2整流电路 整流电路采用三相不可控整流电路，其功能是将三相交流电转变成直流电作为直流斩波的输入电压。电路图如图3.2所示。 整流电路的工作原理是:当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。 当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规律下降。图中电容C起滤波的作用。 图3.2 整流电路图 3.3 降压斩波电路 降压斩波电路（Buck chopper)的原理图及工作形如图3.3所示。图中V为全控型器件，选用IGBT。D为续流二极管。当V处于通态时，电源Ui向负载供电,UD=Ui。当V处于断态时，负载电流经二极管D续流，电压UD近似为零，至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。负载电压的平均值为： （1.1） 式中：ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间, T为开关周期, 为导通占空比，简称占空比或导通比（ton/T）。 （a）电路图 （b）波形图 图3.3 降压斩波电路原理图及波形 由此可知，输出到负载的电压平均值UO最大为Ui，若减小占空比，则UO随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。本直流斩波电路作用是将直流电压转换为0至12V可调的直流电压，其工作原理是：当控制脉冲使V导通后，电容C开始充电，输出电压U0加到负载R的两端，在电容C充电的过程中，电感L1内的电流逐渐增加，储存的磁场能量也逐渐增加，此时，续流二极管D因反向而截止，经过时间ton后，当控制信号使V截止时，L1中电流减小，在L1两端的感应电动势使D导通，L1中储存的磁场能量通过续流二极管D传送给负载，当负载中电压低于电容C两端的电压时，C便向负载放电，经过时间toff后，控制脉冲又使V导通。上述过程重复发生。3.4 主电路参数计算和元器件的选择3.4.1开关管IGBT的选择开关管IGBT的耐压值，当开关管截止时，续流二极管导通，稳压电源的全部输入电压都加在开关管的集射极间，因此，开关管的耐压值VCBO必须大于前级整流电路的输出电压Uwi，考虑到其他因素的影响，开关管集射级间电压U按下式选取： （1.2） 当开关管导通时，负载电流及电容充电电流都通过开关管，因此开关管的集电极电流必须大于负载电流，开关管的最大集电极IB可由下式求得： （1.3）式中I0为负载的电流，Uwi为整流输出电压，toff为开关管的截止时间。3.4.2续流二极管的选择当开关管截止时，续流二极管导通，滤波电感内存储的能量通过续流二极管传输到负载由此可知，续流二极管的正向额定电流必须大于开关管的最大集电极电流当开关管饱和时，集电极间的电压可以忽略不记，续流二极管的耐压值必须大于前级整流电路的输出电压Uwi。电感的选取 电感可以由下式求得： （1.4） 式中Ud为输出电压，Ui是输入电压，omin为电感续流的临界负荷电流。输出电容可以按照经验值取1000F/A。3.4.3具体它参数计算给定参数为Ud=100V,Id=100A1.U2计算设占空比为，01，要得到Ud的输出值在0V到100V可调，考虑占空比为90%，则 Us=Ud/0.9=111V取 Us=1.2U2 U2=Us/1.2= 92.6V考虑到10%的裕量 U2=1.1*92.6=101.9V2.一、二次线圈电流 I2=Id=100A变比 K=U1/U2=220/101.9=2.2 I1=I2/K=100/2.2=45.5A考虑空载电流 取I1=1.05*45.5=47.8A3.变压器容量计算 S1=U1*I1=220*47.8=10510.5W S2=U2*I2=101.9*100=10190W S=(S1+S2)/2=10350.3W4.整流二极管参数计算二极管承受反向最大电压UDM=1.414U2=144V，考虑3倍裕量，则 UTN=3*144=432V 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=50A ID=1/1.414Id=70.7A ID(AV)=2*70.7/1.57=90.1A5.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*144=216V,取300V。即选用2200 300V电容器。6.IGBT的选择因为=111V，取3倍裕量，选耐压为400v以上的IGBT。由于IGBT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IGBT为宜，因此选用400A,额定电压500V左右的IGBT。7.续流二极管的选择根据 ，得知 续流二极管应选200A、额定电压为500v的二极管。 5.3 IGBT的保护设计 5.3.1 IGBT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IGBT的保护。所以重要的是怎么设计好对开关管IGBT的保护方案。在设计对IGBT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。 IGBT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IGBT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。 IGBT能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT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IGBT允许承受的短路时间小于5s，而饱和压降3V的IGBT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，IGBT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IGBT。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，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗骚扰能力。 5.3.2 IGBT开关过程中的过电压保护 关断IGBT时，它的集电极电流的下降率较高，尤其是在短路故障的情况下，如不采取软关断措施，它的临界电流下降率将达到数kA/s。极高的电流下降率将会在主电路的分布电感上感应出较高的过电压，导致IGBT关断时将会使其电流电压的运行轨迹超出它的安全工作区而损坏。所以从关断的角度考虑，希望主电路的电感和电流下降率越小越好。但对于IGBT的开通来说，集电极电路的电感有利于抑制续流二极管的反向恢复电流和电容器充放电造成的峰值电流，能减小开通损耗，承受较高的开通电流上升率。一般情况下IGBT开关电路的集电极不需要串联电感，其开通损耗可以通过改善栅极驱动条件来加