电力电子课程设计直流斩波电源

1、1总体分析与解决方案1.1问题的提出与简述直流斩波电路(dc chopper)的功能是将言流电变为另一固定电压或可调 电压的直流电，也称为直接直流一直流变换器(dc/dc converter)o直流斩波电 路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包括直流一交流一直流的情 况，育流斩波电路的种类较多，包括6种基木斩波电路：降压斩波电路，升压斩 波电路，升降压斩波电路，cuk斩波电路，sepic斩波电路和zeta斩波电路，其 屮前两种应用最广泛。利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路, 如电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路等，利用相同结构的基本斩波电路进行 组合，可构成多相多重斩

2、波电路。1.2设计目的及解决方案任务的要求是需要设计一个输出电压在10200v间连续可调的直流稳压电 源，此部分内容由以前所学模拟电路知识可以解决。然后对降压斩波主电路进行 设计，其涉及电力电子原理知识的直流斩波部分。任务还需要通过pwm方式来控 制igbt的通断，查阅相关资料，需要使用脉宽调制器sg3525来产牛pwm控制信 号。电路需要使输出电压10-200v间连续可调，采用电压闭环，将输出电压反 馈给控制端，由输出电压与载波信号比较产生pwm信号，达到负反馈稳定控制 的目的。得到电路的原理框图如下：图1总电路原理框图2直流稳压电源设计2.1电源设计原理小功率稳压电源由电源变压器、整流电路

3、、滤波电路和稳压电路四个部分组 成，其原理框图如下所示:图2直流稳压电源原理框图图3直流稳压波形图电源变压器的作用是将来自电网的220v交流电压u1变换为整流电路所需要的交流电压u2。电源变压器的效率为：，其中：£是变压器副边的功率,片是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表1所示：表1小型变压器效率副边功率/<10va10-3016430 80e480 200e4效率0.60.70.80.85因此，当算岀了副边功率巴后，就可以根据上表算出原边功率片。在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压1；2变换成脉动的直流电压u3。滤波电路一般由 电容

4、组成，其作用是把脉动直流电压u3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑 的直流电压ui。ui与交流电压u2的有效值的关系为：6=（1if）/；在整流 电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：urm = 42u2 ；流过每只二极管 的平均电为：，其中：r为整流滤波电路的负载电阻，它为电容c提供放电通路，放电时间常数rc 应满足：,其中：t = 20ms是50hz交流电压的周期。参数计算根据滤波电路的输出电压ut,确定电源变压器副边电压血的有效值”2；根 据滤波屯路的最犬输出电流/omax ,确定流过电源变压器副边的电流厶和电源变 压器副边的功率根据4,从表21查出变压器的效率t,从而确定电源变

5、压器原边的功率片。然后根据所确定的参数，选择电源变压器。确定整流二极管的正向平均电流1d、整流二极管的最大反向电压/加和滤波 电容的电容值和耐压值。根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容。依据 上述设计步骤，对本次课程的直流电源进行设计，输岀电压为u = 200v o最大 输出电流假设为1a,则由/=(1.112)匕可知:s =1667 181u变压器副边电流：i2 > 4niax = 1a,取厶=1.5a 因此，变压器副边输出功率：p2>i2u2=sw o 由于变压器的效率77 = 0.85,变压器原边输入功率功率为300w的变压器。再选用整流二极管和滤波电容，由于：urm

6、>v2t/2 =72x181 = 2537, 人唤ia。in4004的反向击穿电压u啟>2537，额定工作电流id = 1a = zomax, 故整流二极管选用in4004o由于电路对纹波无要求，而电容的耐压要大于 42u2 = 253v ,故滤波电容c取容量为5oo|1f,耐压为300v的电解电容。3降压斩波主电路设计3. 1 buck电路工作原理图5 buck电路图降压斩波电路(buck chopper)的原理图如上所示。该电路使用一个全控器 件v,图中为igbt,也可使用其他器件，若采用晶闸管，需要设置使晶闸管关断 的辅助电路。在图5中，为在v关断时给负载中的电感电流提供通道

7、，设置了续流 二极管vd。斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两 种情况下负载中均会出现反电动势，如图中em所示。若负载中无反电动势时，只 需令em=0o电路的工作波形如下所示：图6电流连续时波形图由图6中的v的栅射电压uge波形可知，在t二0时刻驱动v导通，电源e向负载 供电，负载电压匕二e,负载电流按指数曲线上升。当t予时刻，控制v关断， 负载电流经二极管vd续流，负载电压匕近似为零，负载电流呈指数曲线下降。 为了使负载电流连续且脉动小，通常串接l值很大的电感。至一个周期t结束，再 驱动v导通，重复上一周期的过程。当电路工作与稳态时，负载电流在一个周期 的初值和终值相

8、等。负载电压的平均值为;式中，匚为v处于通态的时间；心为v处于断态的时间；t为开关周期；"为导通占空比。由此式知， 输出到负载的电压平均值/最大为e,若减小占空比a,则匕随之减小。因此 将该电路称为降压斩波电路。负载电流的平均值为，若负载中的l值较小，则在v关断后，到了乙时刻，如图7所示，负载电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。由 波形可见，负载电压/平均值会被抬高，一般不希望岀现电流断续的情况。根 据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种控制方式：1）保持开关周期t不变，调节开关导通时间匚，称为脉冲宽度调制（pwm方式）。2）保持开关导通时间匚不变，改变开关周期

9、t,称为频率调制。3）匚和t都可调，使占空比改变，称为混合型。 本次设计电路采用pwm方式控制igbt的通断。图7电流断续时波形以上的电压电流关系还可以从能量传递关系简单地推得。由于l为无穷大， 故负载电流维持为厶不变。电源只在v处于通态时提供能量，为田°口。从负载 看，在整个周期t中负载一直在消耗能量，消耗的能量为（ri；t+ejq。一个 周期中，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即：el°t°” = ri：t+et则：与上述结论一致。在上述情况中，均假设l值为无穷大，且负载电流平直。在这种情况下，假 设电源电流平均值为厶，则有： 其值小于

10、等于负载电流打，由上式得 即输岀功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。3. 2主电路参数讨论主电路中需要确定参数的元器件有igbt、二极管、直流电源、电感、电阻 值的确定，其参数确定过程如下。1）对于电源，因为题目要求输入电压为20-30v,且连续可调。其直流稳压电源 模块的设计已在前面完成。所以该直流稳压电源作为系统电源。2）对于电阻，因为当输出电压为15v时，输出电流为0. 1-lao所以由欧姆定律可得负载电阻值为,可得到电路电阻应该在15-150q o3）, igbt参数如何确定额定电压二us*k1*k2*k3us:正常情况下承受的最大峰值电压k1:电网电压波动（会引起e变

11、化）系数，一般取1.15k2:直流中间回路有反馈时的泵升电压，一般取1.2；直流侧无能馈泵升时，取l.ook3:必要的电压安全系数，一般取1.31.5,如1.5。电流定额的选择im：正常导通时流过的最大电流。k4:电流的安全系数，一般取1.52k5:电流脉动率，可取1.2。由图3. 1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；而当°二1时，igbt有最大电流，其值为1a。故需选择集电极最大连续 电流h>la,反向击穿电压目如>200卩的igbt。而一般的igbt都满足要求。4）对于二极管的选择，当°二1时，其承受最大反压200v

12、；而当q趋近于1时,其承受最大电流趋近于1a,故需选择- 200v ,的二极管。5）主电路的设计除了要选择igbt和二极管，还需要确定电感的参数，但电感参 数的计算是非常复杂的，在此对电感不予计算，认定电感值l很大。4控制电路原理与设计4. 1控制电路方案选择igbt控制电路的功能有：给逆变器的电子开关提供控制信号；对电流反馈 信号进行放大处理，并根据反馈、给定信号调节电子开关控制信号的脉宽；以及 对保护信号作岀反应，关闭控制信号。脉宽调节器的的基本工作原理是用一个电 压比较器，在正输入端输入一个三角波，在负入端输入一直流电平，比较后输出 一方波信号，改变负输入端直流电平的大小，即可改变方波信

13、号的脉宽。图8 sg3525引脚图对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、 cpld等等来输出pwm波，也可以通过特定的pwm发生芯片来控制。因为题目要求输出电压、 电流连续可调，所以我选用一般的pwm发生芯片来进行连续控制。对于pwm发生芯片，我选用了 sg3525芯片，其引脚图如图8所示，它是一款专用的pwm 控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差 放大器、比较器、分频器和保护电路等。其11和14脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的信号。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

14、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。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 z间一般要添加适当的反馈补偿网络，另外当10脚的电压 为高电平时，11和14脚的电压变为10输出。4. 2控制电路原理图及工作原理由于sg3525的振荡频率对表示为：式中：ct,rt分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；rd是与脚7相连的放电 端电阻值。根据任务要求需要频率为50khz,所以由上式可取ct=luf,rt= 12q,rd二4q。 可得f二49. 02k

15、hz,基本满足耍求。5驱动电路原理与设计5. 1驱动电路方案选择该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁,驱动电路的稳定与可靠性直接影响着整个 系统变流的成败。该部分主要需完成以下几个功能：（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，以提髙工作效率；（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，有以下2种驱动电路, 下面对其进行比较选择。方案1：采

16、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1gbt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lus的时间滞后，不适应于某些要求比 较高的场合。方案2：采用变压器耦合驱动器，其输入输出耐压高，电路结构简单，延迟小。但是它 不能实现自动过流保护，不能实现任意脉宽输出，而且其对变压器的绕制要求严格。通过以上比较，结合木系统屮，对电压要求不高，而且只有一个全控器件需要控制，又 有一些全控器件专用的驱动芯片，其内部集成了光耦电路，使用方便，所以选择方案1。5. 2驱动电路分析与设计针对以上分析，我选取了日本fujt公司的exb841驱动芯片。它具有单电源、正负偏 压、过流检测、保护、软关断等主要特性，其功能完善，控制简便可靠。下面简单介绍一下 它的工作原理。如图11所示，其工作电源为独立电源2o±1v,内部含有-5v稳压电路，为icbt的栅极 提供+15v的驱动电压，关断时提供-5v的偏置电压，使其可靠关断。当脚15和脚14有10m电流通过时，脚3输出高电平而使igbt导通；而当脚15和脚14无电流通过时，脚3输出 低电平使igbt关断；若icbt导通时，若承受短路电流，则其电压vce随电流的增大迅速上 升，脚6悬空，