升降压斩波课程设计

电力电子技术电力电子技术 课程设计说明书课程设计说明书 直流升降压斩波电路的设计与仿真 院 部 电气与信息工程学院 学生姓名 指导教师 职称 讲师 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 号 完成时间 2016 年 6 月 电力电子技术课程设计任务书电力电子技术课程设计任务书 学院 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动 化 指导教师姓名学生姓名 课题名称 直流升压降压斩波电路的设计与仿真 设计 内容 及任 务 一 技术指标及要求 1 直流输入电压 100V 2 电阻负载 R 取学号尾数 X10 3 控制电路频率 10KHZ 4 输出电压纹波系数 0 2 5 仿真出占空比 分别为 0 1 0 2 0 5 0 8 的电感电压 电感电 流 开关管电流 二极管电流和输出电压的波形 起止日期设计内容 2016 年 5 月 25 日确定设计方案 2016 年 5 月 26 日计算相关数据 2016 年 5 月 27 日至 2016 年 6 月 6 日 Simulink 仿真 设计 安排 2016 年 6 月 7 日至 2016 年 6 月 23 日撰写课程设计说明书 主要参 考资料 1 王兆安 刘进军 电力电子技术 第 5 版 机械工业出版社 2009 2 康华光 陈大钦 电子技术基础模拟部分 高等教育出版社 2002 3 秋关源 罗先觉 电路 第 5 版 高等教育出版社 2006 4 周克宁 电力电子技术 北京 机械工业出版社 2004 5 黄家善 电力电子技术 北京 机械工业出版社 2006 6 王维平 现代电力电子技术及应用 南京 东南大学出 版社 1999 7 张明勋主编 电力电子设备设计和应用手册 M 北京 机械工业出版社 1992 8 丁道宏主编 电力电子技术 M 北京 航空工业出版社 1992 9 林渭勋主编 电力电子技术基础 M 北京 机械工业出版社 1990 摘 要 电力电子技术飞速发展 电力电子技术已经成为自动化领域里一个重要部 分 其核心就是利用弱电电路的设计思路 强大电路的器件来实现电路的各种 需求 至今电力电子技术已经成为电气工程 信息科学 能源科学三个学科领 域的公共学科 可见现实中其无可替代的重要性 该课程设计做的直流升降压斩波电路 是以 SG3525 为驱动电路的升降压斩 波电路 其优点是响应快 加速平稳 节约能源效果好 通过 MATLAB 中的 SIMULINK 功能仿真 到达了预期效果 关键词 直流 直流变流电路 升降压斩波 Simulink 仿真 目 录 1 绪论 1 2 总体方案设计 2 2 1 设计要求 2 2 2 升降压直流斩波电路总体设计方案 2 2 3 方案的确定 2 3 主电路设计 4 3 1 工作原理 4 3 2 波形图 5 3 3 主要元器件选择 参数分析 6 4 控制与驱动电路的设计 7 4 1 控制电路的设计 7 4 2 驱动电路设计 8 5 直流升压斩波电路保护电路设计 9 5 1 过电流保护电路 9 5 2 过电压保护电路 9 6 Simulink 仿真分析 11 6 1 仿真软件简介 11 6 2 建立仿真模型 11 6 3 仿真结果分析 14 结束语 17 参考文献 18 致 谢 19 附录 A Simulink 仿真图 20 附录 B CAD 电气原理图 21 1 绪论 20 世纪 80 年代以来 信息电子技术和电力电子技术在各自发展的基础上 相结合而产生了一代高频化 全控型的电力电子器件 典型代表有门极可关断 晶闸管 电力晶体管 电力场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管 利用全控型器件可以组成变流器 直流 直流变换器就是其中一种 它广泛 应用于通信交换机 计算机以及手机等电子设备的开关电源 直流 直流变流 电路 DC DC Converter 的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直 流电 包括直接直流变流电路和间接直流变流电路 直接直流变流电路也称斩 波电路 DC Chopper 它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直 流电 早期的直流装换电路 电路复杂 功率损耗 体积大 使用不方便 晶闸 管的出现为这种电路的设计又提供了一种选择 晶闸管 Thyristor 是晶体闸 流管的简称 又可称做可控硅整流器 以前被简称为可控硅 晶闸管具有硅整 流器件的特性 能在高电压 大电流条件下工作 且其工作过程可以控制 被 广泛应用于可控整流 交流调压 无触点电子开关 逆变及变频等电子电路中 它电路简单体积小 便于集成 功率损耗少 符合当今社会生产的要求 所以 在直流转换电路中使用晶闸管是一种很好的选择 1 IGBT 介绍 本设计基于 电力电子技术 课程 充分使用全控型晶闸管 IGBT 设计电 路 实现直流升压 IGBT 绝缘栅双极型晶体管 是由 BJT 双极型三极管 和 MOS 绝缘栅型场 效应管 组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件 兼有 MOSFET 的高输入 阻抗和 GTR 的低导通压降两方面的优点 GTR 饱和压降低 载流密度大 但 驱动电流较大 MOSFET 驱动功率很小 开关速度快 但导通压降大 载流密度 小 IGBT 综合了以上两种器件的优点 驱动功率小而饱和压降低 非常适合应 用于直流电压为 600V 及以上的变流系统如交流电机 变频器 开关电源 照 明电路 牵引传动等领域 2 驱动电路SG3525简介 SG3525 是一种性能优良 功能齐全和通用性强的单片集成 PWM 控制芯 片 它简单可靠及使用方便灵活 输出驱动为推拉输出形式 增加了驱动能力 内部含有欠压锁定电路 软启动控制电路 PWM 锁存器 有过流保护功能 频率可调 同时能限制最大占空比 2 总体方案设计 2 1 设计要求 1 直流输入电压 100V 2 电阻负载 R 取学号尾数 X10 3 控制电路频率 10KHZ 4 输出电压纹波系数 0 2 5 仿真出占空比 分别为 0 1 0 2 0 5 0 8 的电感电压 电感电流 开 关管电流 二极管电流和输出电压的波形 2 2 升降压直流斩波电路总体设计方案 直流斩波电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电 它在电源的设计上有很重要的应用 一般来说 斩波电路的实现都要依靠全控 型器件 在这里 我所设计的是基于 IGBT 的降压斩波短路 直流降压斩波电路 主要分为三个部分 分别为主电路模块 控制电路模块和驱动电路模块 电路 的结构框图如图 1 所示 整流 电路 升降压 斩波 控制 驱动 电路 负载 工频交流 图 1 总体设计方案 除了上述主要结构之外 还必须考虑电路中电力电子器件的保护 以及控 制电路与主电路的电器隔离 2 3 方案的确定 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 当控制电路所产生的控制信号能 够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路 控制电路是用来产生升 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开关控制端 可以使其开 通或关断的信号 通过控制开关的开通和关断来控制升 降压斩波电路的主电 路工作 控制电路中的保护电路是用来保护电路的 防止电路产生过电流现象 损害电路设备 3 主电路设计 3 1 工作原理 图 2 所示为升降压斩波电路 Buck Boost Chopper 原理图 电路中电感 L 值很大 电容 C 值也很大 因为要使得电感电流和电容电压基本为恒值 图 2 升降压斩波电路 该电路的基本工作原理 当可控开关 V 处于通态时 电源 E 经 V 向电感 L 供电使其储存能量 此时电流为 方向如图 1 所示 同时 电容 C 维持输出 1 i 电压基本恒定并向负载 R 供电 此后 使 V 关断 电感 L 中储存的能量向负载 释放 电流为 方向如图 1 所示 可见 负载电压极性为下正上负 与电源 2 i 电压极性相反 因此该电路也称作反极性斩波电路 稳态时 一个周期 T 内电感 L 两端电压对时间的积分为零 即 L u 1 0 0 00 off tT t onoffLonL T L tuEtdtudtudtu on on 当 V 处于通态期间时 E 而当 V 处于断态期间时 于是 L u L u 0 u offoon tUEt 所以输出电压为 2 EE tT t E t t u on on off on 1 0 为 V 处于通态的时间 为 V 处于断态的时间 T 为开关周期 为 on t off t 导通占空比 简称占空比或导通比 若改变导通比 则输出电压既可以比电源电压高 也可以比电源电压低 当01 2 时为降压 当1 21 时为升压 因此该电路称为升降压斩波电路 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同 斩波电路有三种控制方式 1 保持开关周期 T 不变 调节开关导通时间不变 称为 PWM on t 2 保持开关导通时间不变 改变开关周期 T 称为频率调制或调频型 on t 3 和 T 都可调 使占空比改变 称为混合型 on t 3 2 波形图 输出电压 3 EE t t U off on O 1 图 3 给出了电源电流和负载电流的波形 设两者的平均值分别为 1 i 2 i 1 I 当电流脉动足够小时 有 2 I 4 off on t t I I 2 1 由上式可得 5 112 1 II t t I on off 如果 V VD 为没有损耗的理想开关时 则有 21 IUEI O 其输出功率和输入功率相等 可看作直流变压器 图 3 升降压斩波电路波形 3 3 主要元器件选择 参数分析 考虑安全裕度则 IGBT 的额定电压为 2 3 倍峰值电压 所以额定电压可为 440V 660V 额定电流 33A 44A 二极管 VD 的反向电压为 220V 选择 IGBT 的型号为 IRH4PC40U 其额定电压为 600V 额定电流为 40A 选择续流二极管的型号为 HFA25TB60 期而定电压为 600V 额定电流 25A 1 前级整流电路 负载平均电压升高 纹波减小 且 C 越大 电容放电速率越慢 则负载电 压中的纹波成分越小 负载平均电压越高 为得到平滑的负载电压 一般取 C 3 5 T 2 6 式中 T 为电源交流电压的周期 电容滤波电路的负载电压与的关系约为 Y1 1 1 2 7 L V 2 V 令整流后输出电压为 100V 则整流前输入电压 1 2 100 1 2 83 4V 8 2 V L V 因为电源为交流单项 220V 变压器变比需满足 220 83 4 2 1 9 1 V 2 V 此时前级整流输出电压 E 为 100V 2 其他器件选择 主电路中电感选择 1Mh 整流电路中二极管选择为 IN5232 驱动电路中二极 管选择为 IN4148 驱动电路中 C1 为 0 01 F 4 控制与驱动电路的设计 4 1 控制电路的设计 斩波电路有三种控制方式 1 保持开关周期 T 不变 调节开关导通时间 ton 称为脉冲宽度调制或 脉冲调宽型 2 保持导通时间不变 改变开关周期 T 成为频率调制或调频型 3 导通时间和周期 T 都可调 是占空比改变 称为混合型 其中第一 种是最常用的方法 PWM 控制信号的产生方法有很多 使用 IGBT 的专用触发 芯片 SG3525 其电路原理图如图 4 所示 图 4 控制电路原理图 SG3525 所产生的仅仅只是 PWM 控制信号 强度不够 不能够直接去驱动 IGBT 中间还需要有驱动电路就爱你过信号放大 另外 主电路会产生很大的 谐波 很可能影响到控制电路中 PWM 信号的产生 因此 还需要对控制电路 和主电路进行电气隔离 4 2 驱动电路设计 IGBT 是电力电子器件 控制电路产生的控制信号一般难以以直接驱动 IGBT 因此需要信号放大的电路 另外直流斩波电路会产生很大的电磁干扰 会影响控制电路的正常工作 甚至导致电力电子器件的损坏 因而还设计中还 学要有带电器隔离的部分 具体来讲 IGBT 的驱动要求有一下几点 1 动态驱动能力强 能为 IGBT 栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲 否则 IGBT 会 在开通及关延时 同时要保证当 IGBT 损坏时驱动电路中的其他 元件不会被损坏 2 能向 IGBT 提供适当的正向和反向栅压 一般取 15 V 左右的正向栅 压比较恰当 取 5V 反向栅压能让 IGBT 可靠截止 3 具有栅压限幅电路 保护栅极不被击穿 IGBT 栅极极限电压一般为 土 20 V 驱动 信号超出此范围可能破坏栅极 4 当 IGBT 处于负载短路或过流状态时 能在 IGBT 允许时间内通过逐 渐降低栅压自 动抑制故障电流 实现 IGBT 的软关断 驱动电路的软关断过程 不应随输入信号的消失而受到影响 5 直流升压斩波电路保护电路设计 在电力电子电路中 除了电力电子器件参数选择合适 驱动电路设计良好 外 采用合适的过电压保护 过电流保护 du dt 和 di dt 也是非常必要的 5 1 过电流保护电路 电力电子电路运行不正常或者发生短路时 可能会发生过电流 过电流分 为过载和短路两种情况 晶闸管是整流装置中的核心器件 但其过载能力较差 所以对晶闸管必须 进行保护 晶闸管承受过流的能力比一般电器差得多 必须在极短的时间内把电源断 开或者把电流值降下来 电力电子电路运行不正常或者发生故障时 可能会发 生过电流 过电流分为过载和短路两种情况 通常采用的保护措施有 快速熔 断器 直流快速断路器和过电流继电器 一般电力电子装置均同时采用集中过 流保护措施 以提高保护的可靠性和合理性 综合本次设计电路的特点 采用快速熔断器 是电力电子装置中最有效 应用最广的一种过流保护措施 即给晶闸管串联一个保险丝实施电流保护 过 电流保护电路如图 5 所示 图 5 直流升压斩波电路过流保护电路 在选择快熔时应考虑 遵从值小于晶闸管的允许值 t 2 It 2 I 电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定 电流容量应按其主电路中的接入方式和主电路的连接形式来确定 快熔一般与电力电子半导体器件串联连接 在小容量装置中也可以串接与 阀测交流母线或直流母线中 5 2 过电压保护电路 电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类 外 因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因 本设计主要用于室内 为了使用方便不考虑来自雷击的威胁 操作过电压是由分闸 合闸的开关操作引起的过电压 电网侧的操作过电 压会由供电变压器磁感应耦合 或由变压器绕组之间存在的分布电容静感应耦 合过来 内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程 包括 换相过电 压 关断过电压 根据以上产生过电压的的各种原因 设计相应的保护电路 如图 6 过压保 护电路所示 其中 图中是利用一个电阻加电容进行电压抑制 当电压过高时 保护电路中的电容会阻碍其电压的上升 从而使得电力电子器件 IGBT 管因电压 的的过高厄尔损坏 图 6 过压保护电路 图 6 中的电阻可以是 1K 左右的电阻 而电容的值可以为 100 F 左右 这样形成一个保护电路 该过压保护方法也称为阻容吸收保护法 其通常都是 采用电阻 R 和电容 C 的串联支路 并联在保护器件的两侧 6 Simulink 仿真分析 6 1 仿真软件简介 此次仿真使用的是 MATLAB 软件 Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一 它提供一个动态系统建模 仿 真和综合分析的集成环境 在该环境中 无需大量书写方程 而只需通过简单 直观的鼠标操作 就可构造出复杂的系统 Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具 是一种基于 MATLAB 的 框图设计环境 是实现动态系统建模 仿真和分析的一个软件包 被广泛应用 于线性系统 非线性系统 数字控制及数字信号处理的建模和仿真中 为了创 建动态系统模型 Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口 GUI 这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成 它提供了一种更快 捷 直接明了的方式 而且用户可以立即看到系统的仿真结果 6 2 建立仿真模型 仿真模型的搭建如下图 7 所示 其中输入电压为 100V 电感为 1Mh 电容为 1 F 负载电阻为 60 控制信号为频率 10KHz 的矩形波 图 7 升降压斩波 Simulink 仿真模型 具体参数设置如下 1 直流电压值为 100V 设置如图 8 所示 图 8 电压参数设置 2 电阻 R 值设为 60 如图 9 所示 图 9 电阻参数设置 3 电感 L 值设为 1e 3H 如图 10 所示 图 10 电感参数设置 4 电容 C 值设为 1e 3F 如图 11 所示 图 11 电容参数设置 5 开关频率要求 10KHz 设置周期为 0 0001s 依次调节占空比 如图 12 所示 图 12 周期及占空比参数设置 6 3 仿真结果分析 设计要求直流输入电压 100V 电阻负载为 60 控制电路频率 10KHZ 输出电压纹波系数 0 2 仿真出占空比 分别为 0 1 0 2 0 5 0 8 的电感电 压 电感电流 开关管电流 二极管电流和输出电压的波形 仿真结果如下所 示 以下仿真图真每个图形中从上至下所表示的波形分别是电感电压 电感电 流 开关管电流 二极管电流和输出电压的波形 1 当控制电路频率占空比 0 1 时仿真波形如图 13 所示 图 13 占空比 0 1 各输出点的波形 2 当控制电路频率占空比 0 2 时仿真波形如图 14 所示 图 14 占空比 0 2 各输出点的波形 2 当控制电路频率占空比 0 5 时仿真波形如图 15 所示 图 15 占空比 0 5 各输出点的波形 2 当控制电路频率占空比 0 8 时仿真波形如图 16 所示 图 16 占空比 0 8 各输出点的波形 由以上仿真结果可知当随着控制信号占空比的逐渐增大 电感两端的平均 电压也逐渐增大 电感的储能也增加 通过开关管电流的平均电流也逐渐增大 由于电感的储能随着控制信号占空比增大而增大 所以负载两端的输出电压也 随之增大 并且流过续流二极管的电流下降速率随之降低 从仿真结果可以很直观的看出 当控制信号占空比小于 0 5 时 负载两端 的输出电压小于系统的输入电压 并且随着控制信号占空比的增大而增大 当 控制信号的占空比等于 0 5 时 负载两端的输出等于系统的输入电压 当控制 信号的占空比大于 0 5 时 负载两端的输出电压大于系统的输入电压 同时也 随着控制信号占空比的增大而增大 由结果可以很好的验证该系统为升降压斩 波电路 由此也很好的验证的设计方案是完全可行的 结束语 电力电子技术既是一门技术基础课程 也是一门实用性很强的课程 因此 电力电子装置的应用是十分重要的 通过此次电力电子课程设计 直流升降压 斩波的设计 对电力电子技术这门课程有了进一步的认识 不仅巩固了以前所 学过的知识 而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识 从做直流升降压 斩波电路课程设计可以发现理论与实际相结合是很重要的 只有理论知识是远 远不够