小电压直流充电器.doc

指导教师评定成绩： 审定成绩： 重 庆 邮 电 大 学自 动 化 学 院电子电力课程设计报告 设计题目：小电压直流充电器单位（二级学院）： 自 动 化 学 院 学 生 姓 名： 万立志 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 08350121 学 号： 0830801 指 导 教 师： 唐贤伦 设计时间： 2011 年 6 月重庆邮电大学自动化学院制目 录一、 设计题目设计报告正文摘要.3设计报告正文3一、电路原理图介绍.31. 单相桥式不可控整流电路工作情况.32.电容滤波的单相不可控整流电路.53 .降压斩波电路7二、 总原理图：.12三、仿真结果及分析.13四、心得体会.16电力电子课程设计报告摘要：整流电路是把交流电能转换成直流电能的电路。在本次课程设计中，我主要用到了“单项不可控整流电路”“电容滤波电路”和“降压斩波电路”制作了一个直流充电器。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波起等组成。他在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流部分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压间的匹配以及交流电网与整流电路之 直流斩波电路作为将直流电变成另一种固定电压或可调电压的 DC-DC 变换器 ,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及各种用电设备中得到普通的应用.随之出现了诸如降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路等多种方式的变换电路 . 直流斩波技术已被广泛用于开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用。 一.原理电路图介绍 1. 单相桥式不可控整流电路工作情况桥式整流电路如图1所示，其中图（a）、（b）、（c）是它的三种不同画法。它是由电源变压器、四只整流二极管D14 和负载电阻RL组成。四只整流二极管接成电桥形式，故称桥式整流。桥式整流电路的工作原理如图2所示。在u2的正半周，D1、D3导通，D2、D4截止，电流由TR次级上端经D1 RL D3回到TR 次级下端，在负载RL上得到一半波整流电压。在u2的负半周，D1、D3截止，D2、D4导通，电流由Tr次级的下端经D2 RL D4 回到Tr次级上端，在负载RL 上得到另一半波整流电压。这样就在负载RL上得到一个与全波整流相同的电压波形，其电流的计算与全波整流相同，即 UL = 0.9U2 IL = 0.9U2RL 流过每个二极管的平均电流为ID = IL2 = 0.45 U2RL每个二极管所承受的最高反向电压为目前，小功率桥式整流电路的四只整流二极管，被接成桥路后封装成一个整流器件，称硅桥或桥堆，使用方便，整流电路也常简化为图1（c）的形式。桥式整流电路克服了全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和二极管承受反压大的缺点，但多用了两只二极管。在半导体器件发展快，成本较低的今天，此缺点并不突出，因而桥式整流电路在实际中应用较为广泛。 需要特别指出的是，二极管作为整流元件，要根据不同的整流方式和负载大小加以选择。如选择不当，则或者不能安全工作，甚至烧了管子；或者大材小用，造成浪费。另外，在高电压或大电流的情况下，如果手头没有承受高电压或整定大电滤的整流元件，可以把二极管串联或并联起来使用。图3 示出了二极管并联的情况：两只二极管并联、每只分担电路总电流的一半口三只二极管并联，每只分担电路总电流的三分之一。总之，有几只二极管并联，流经每只二极管的电流就等于总电流的几分之一。但是，在实际并联运用时，由于各二极管特性不完全一致，不能均分所通过的电流，会使有的管子困负担过重而烧毁。因此需在每只二极管上串联一只阻值相同的小电阻器，使各并联二极管流过的电流接近一致。这种均流电阻R一般选用零点几欧至几十欧的电阻器。电流越大，R应选得越小。 图4示出了二极管串联的情况。显然在理想条件下，有几只管子串联，每只管子承受的反向电压就应等于总电压的几分之一。但因为每只二极管的反向电阻不尽相同，会造成电压分配不均：内阻大的二极管，有可能由于电压过高而被击穿，并由此引起连锁反应，逐个把二极管击穿。在二极管上并联的电阻R，可以使电压分配均匀。均压电阻要取阻值比二极管反向电阻值小的电阻器，各个电阻器的阻值要相等。 2.电容滤波的单相不可控整流电路本电路常用于小功率单相交流输入的场合。目前大量普及的微机、电视机等家电产品所采用的开关电源中，其整流部分就是如图1a所示的单相桥式不可控整流电路。以下就对该电路的工作原理进行分析，总结其特点。(1) 工作原理及波形分析图1b为电路工作波形。假设该电路已工作于稳态，同时由于实际中作为负载的后级电路稳态是消耗的直流平均电流是一定的，所以分析中以电阻R作为负载。该电路的基本工作过程是，在u2正半周过零点至t=0期间，因u2 ud，故二极管均不导通，此阶段电容C向R放电，提供负载所需电流，同时ud下降。至 t=0之后，u2将要超过ud，使得VD1和VD4开通，ud= u2，交流电源向电容充电，同时向负载R供电。设VD1和VD4导通的时刻与u2过零点相距角，则u2如下式所示(1)在VD1和VD4导通期间，以下方程成立(2)式中，ud(0)为VD1、VD4开始导通时刻直流侧电压值。 将u2代入并求解得(3) 而负载电流为(4)于是 (5)设VD1和VD4的导通角为,则当t=时，VD1和VD4关断。将id()=0代入式(5)，得 (6)电容被充电到t =时，ud=u2= U2sin(+), VD1和VD4关断。电容开始以时间常数RC按指数函数放电，当t =,即放电经过角时，ud降至开始充电时的初值 ,另一对二极管VD2和VD3导通此后u2又向C充电与u2 正半周的情况一样。由于二极管导通后u2开始向C充电时的ud与二极管关断后C放电结束时的ud相等，故有下式成立 (7)注意到+为第2象限的角，由式(6)和式(7)得 (8) (9)在RC已知时，即可由式（9）求出，进而由式（8）求出。显然和仅由乘积RC决定。图2给出了根据以上两式求得的和角随RC变化的曲线。二极管VD1和VD4关断的时刻,即t达到的时刻,还可用另一种方法确定。显然，在u2达到峰值前，VD1和VD4是不会关断的。u2过了峰值之后，u2和电容电压ud都开始下降。VD1和VD4的关断时刻,从物理意义上讲就是两个电压下降速度相等的时刻，一个是电源电压的下降速度|du2/d(t)|,另一个是假设二极管VD1和VD4关断而电容开始单独向电阻放电时电压的下阵速度|dud/d(t)|。（下标表示假设）。前者等于该时刻 u2导数的绝对值，而后者等于该时刻ud与RC的比值。据此即可确定。3 .降压斩波电路（1） 总体电路框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，一个完整的降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。根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动及保护电路，设计出降压斩波电路的结构框图如图1所示。 图1 电路框图在图1结构框图中，控制电路是用来产生IGBT降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在IGBT控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。通过控制IGBT的开通和关断来控制IGBT降压斩波电路的主电路工作。保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流、过电压和欠电压等现象损害电路设备。（2）降压斩波主电路：在电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路称为主电路。IGBT降压斩波电路的主电路图如下图2所示。它是一种降压型变换器，其输出电压平均值U，总是小于输入电压Ud。该电路使用一个全控型器件V，为IGBT。在V关断时，为了给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。图2 降压斩波主电路图(3)电路工作原理分析： 直流降压斩波主电路使用一个全控电压驱动器件IGBT。用控制电路和驱动电路来控制IGBT的导通或关断。当t=0时，V管被激励趋于导通，VD管要承受反压。在V管接通的t1时间内，开关管V流过的电流就是电感电流，电感L中电流直线上升，能量存储于电感中。电源E向负载供电，负载电压=E，负载电流按指数曲线上升。电路工作时波形图如图3（b）所示： 图3 电路工作时的电流波形图当时刻V管关断，由于电感储能作用，电感电流必须要按某一路径流通，能量要释放。其中二极管VD势必导通，电感电流可通过负载，VD形成通电回路。电流经二极管续流，负载电压近似为零，负载电流指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，故应串联较大的电感L。（2）至一个周期T结束，再驱动IGBT导通，重复上一周期的过程。当电力工作于稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为U.=KE, 为IGBT处于通态的时间；为处于断态的时间；T为开关周期；K为导通占空比。通过调节占空比K使输出到负载的电压平均值最大为E，若减小占空比，则随之减小。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，可分为三种工作方式：1） 保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制工作方式；2） 保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽调制工作方式；3） 开关导通时间ton和开关周期T都可调，称为混合型。但是普遍采用的是脉冲宽调制工作方式。因为采用频率调制工作方式，容易产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。此电路就是采用脉冲宽调制控制IGBT的通断。(4) 主电路元器件参数选择：主电路中需要确定参数的元器件有直流电源、IGBT、二极管、电感、电容、电阻值，其参数选择如下说明：(1) 对于电源，因为题目要求输入直流电压为100V，所以该直流稳压电源可直接作为系统电源。(2)IGBT 由图2易知当IGBT截止时，回路通过二极管续流，此时IGBT两端承受最大正压为100V；而当=1时，IGBT有最大电流，其值为5A。故需选择集电极最大连续电流5A，反向击穿电压Bvceo100v的IGBT。如果考虑2倍的安全裕量需选择集电极最大连续电流10A，反向击穿电压Bvceo200V的IGBT。 (4)二极管 当=1时，其承受最大反压100V；而当趋近于1时，其承受最大电流趋近于5A，故需选择Vc100v,I5A的二极管。考虑2倍的安全裕量： Umin=2Xu1=200V Imin=1xIt=2x5=10A(5)电感 选择大电感L，使得电路能够续流，此时的临界电感为： L=U0（UdU0）/2fUdI。 设输出电压为80V，则 L=80x（10080）/2x1000x40x100x5=0.04mH 所以电感L=0.04mH，取L=0.1mH。(6) 电容 选择的电容既要使得输出的电压纹波小于1%，也不能取的太大，否则会使电路的速度变得很慢。电容的选择：也取输出电压为80V时来算 C=U0（UdU0）/8LUcffUd =80x（10080）/8x0.1mHx0.01x40Kx40Kx100=12.5uF这里取C=13uF。(7)电阻RL 因为输出电压为50V80V时，而输出的最大电流为5A。所以由欧姆定律R=U/I可得负载电阻值为最小取值在10。(5)控制电路原理分析：选用芯片SG3525来控制；由于SG3525的振荡频率可表示为 ：式中:, 分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；是与脚7相连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为40kHz，所以由上式可取=1F, =10,=6.2。可得f=39.1kHz，基本上等于实际40 kHz即满足要求。 SG3525有保护的功能，可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压信号来进行过流保护。当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将10脚的电位抬高，从而13脚输出低电平，而当其没有过流时，10脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM波。由此可以得出控制电路的电路图如图6所示：图6.控制电路图其中第十脚过流过压还有欠电压保护输入端。 （6）驱动电路原理与设计该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，该部分主要完成以下几个功能：(1)提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT可靠的开通和关断；(2)提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使IGBT能迅速建立栅控电场而导通；(3)尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率；(4) 足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；(5)具有灵敏的过流保护能力。针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。针对驱动电路的隔离方式：(1)采用磁耦隔离，最常用的是用时变压器隔离，即通过一次侧和二次侧的磁耦联系将电路隔开，从而取到电气隔离的作用。这种方法的优点是简单，不需要外接电源对器件进行驱动，且传递的效率很高。但同时缺点也很明显，首先磁耦隔离只能用于交流电路，直流电路无效，其次变压器的体积较大，不利于集成。(2)采用光电耦合式驱动电路，该电路双侧都有源。其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测IGBT的电压和电流的状态，对外送出过流信号。另外它使用比较方便，稳定性比较好。但是它需要较多的工作电源，其对脉冲信号有1s的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。（11）由于这次设计的电路是直流电路，且要求不是很高，所以选择光耦隔离。 驱动电路的电