可逆直流PWM驱动电源的设计

1、Harbin Institute of Technology课程设计说明书（论文）课程名称：电力电子技术 设计题目：可逆直流PWM驱动电源的设计院 系：电气工程系 班 级：1006111，1006151，1006112 设 计 者：甘磊，李栋，任留阳 学 号：1100610114，1100610125，1102800123 指导教师：国海峰，吕瑞峰，赵克 设计时间：2012年06月 哈尔滨工业大学教务处哈尔滨工业大学课程设计任务书 姓 名： 院 （系）：电气工程 专 业： 班 号： 任务起至日期： 2012 年 06 月 25 日至 2011 年 07 月 10 日 课程设计题目： 可逆直流P

2、WM驱动电源的设计 已知技术参数和设计要求： 课程设计的主要任务是设计一个直流电动机的脉宽调速（直流PWM）驱动电源。DC-DC变换器采用H桥形式，控制方式为双极性（或单极性，根据具体题目而定）。被控直流永磁电动机参数：额定电压20V，额定电流1A，额定转速2000rpm。驱动系统的调速范围：大于1：100，电机能够可逆运行。驱动系统应具有软启动功能，软启动时间约为2s。 工作量：1）主电路的设计，器件的选型。包括含整流变压器在内的整流电路设计和H桥可逆斩波电路的设计(要求采用IPM作为DC/DC变换的主电路，型号为PS21564)。2）PWM控制电路的设计（指以SG3525为核心的脉宽调制电

3、路和用门电路实现的脉冲分配电路）。3）IPM接口电路设计（包括上下桥臂元件的开通延迟，及上桥臂驱动电源的自举电路）。4）DC15V 控制电源的设计（采用LM2575系列开关稳压集成电路，直接从主电路的直流母线电压经稳压获得）。2人组成1个设计小组，通过合理的分工和协作共同完成上述设计任务。设计的成果应包括：用PROTEL绘制的主电路和控制电路的原理图，电路设计过程的详细说明书及焊装和调试通过的控制电路板。 工作计划安排： (学时安排为1周，但考虑实验的安排，需分散在2周内完成)l 第1周：全体开会，布置任务，组成设计小组（每组2人），会后设计工作开始。答疑，审查设计方案，发放器件和装焊工具。完

4、成焊装工作。l 第2周每人12学时到实验室调试已装焊好的电路板，并完成相关测试和记录。撰写设计报告。 同组设计者及分工： 指导教师签字 2012 年 07 月 10 日 教研室主任意见： 教研室主任签字_ 年 月 日*注：此任务书由课程设计指导教师填写哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）1 主电路设计说明1.0 主电路设计二极管整流桥把输入的交流电变为直流电。四只功率器件构成H桥，根据脉冲占空比的不同，在直流电机上可得到正或负的直流电压。主电路作为电能变换的功率平台已事先已经由学校做好做好，因此主电路部分只需要进行理论设计，而不用实际制作。1.1 整流电路设计整流电路采用二极管整流电路，如图1

5、所示。它将输入的24V交流电变为直流电。其中，24V交流电由220V市电经过工频变压器变换而来，保证了主电路各处的电压均在人体安全电压范围内。滤波电路则采用电容器滤波，能得到相对平滑的直流电。根据电容滤波的单相不可控整流电路相关理论知识可以计算出整流输出电压：Ud=0.92U2=21.634.0V实际数值要视负载大小以及电容参数而定。整流电路采用4个二极管集成在一起的整流桥模块。二极管承受反向最大电压Udm=2U2=34V,考虑3倍裕量，则有反向重复峰值电压为：URRM=3Udm=102V滤波电容的选取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。因该系统负载不大，

6、故取470uF/100V即可。关于24V交流电的由来，可以由IGBT通态压降、直流电机的额定电压确定，即U2= Ud1.2=20+2×21.2=20V考虑到实验测试用防直通限流电阻压降和整流二极管通态压降，取U2=24V电机的额定电流为1A，因此变压器副端电流约为I2=UdInU2=24×1.2×124=1.2A式中取Ud=1.2U2变压器副端电流约为I1=U2I2U1=24×1.2220=0.13A由此作为设计变压器的依据。图1 主电路原理设计图1.2 H桥可逆斩波电路设计可逆斩波电路中的H桥不采用分立元件，而是选用IPM（智能功率模块）PS21564

7、来实现。由图2可以看出，该模块含有六只三对IGBT，主电路为三相逆变桥，在本设计中只采用其中U、V两相即可驱动直流电机。图2 IPM模块内部结构图2 控制电路设计说明2.0 控制电路设计SG3525的13脚输出占空比可调（通过改变2脚电压）的脉冲波形（占空比调节范围不小于0.10.9），同时频率可通过充放电时间的不同而改变。经过RC移相后，输出两组互为倒相，死区时间为5S左右的脉冲，经过光耦隔离后，分别驱动四只功率器件，其中V1、V4驱动信号相同，V2、V3驱动信号相同。2.1 脉宽调制电路设计采用以SG3525为核心的脉宽调制电路，其中集成芯片SG3525选择DIP封装形式。脉冲的频率定为5

8、KHz（是根据IPM中IGBT的开关速度而确定的），设定频率的电阻可采用电位器，以便于调试。根据芯片数据手册和使用明可以知道，输出频率由下式决定(5、7脚短接，放电电阻Rd = 0)：fs=1CT(0.7RT+3Rd)=10.7RT×CT（注：指定SG3525的5脚CT端外接振荡电容为0.1F）。由于SG3525输出的两路脉冲是互补形式，在本设计中其输出应并联使用（即11，14管脚短接，从13管脚通过外部上拉电阻输出V1、V4驱动脉冲，利用后续门电路反相后再驱动V2、V3），以达到01.0的占空比调整范围，如图3所示。SG3525的8管脚接电容，以实现软启动功能。软起动时间可按下式来

9、计算：Tsoft=0.06C1uFs由两秒的软起动时间可以确定软起动电容器取33uF.图3 脉宽调制电路原理设计图2.2 脉宽分配电路设计本次课程设计设计采用H型双极模式可逆直流PWM控制方式，开关管的控制方式如图4所示。在该模式下，2个桥臂协调控制，即V1、V4组和V2、V3组互补导通。通过调节电位器来调节占空比，即可调速也可改变电机方向。图4 双极性控制方式示意图由前述脉宽调制电路可以产生一路PWM信号，为驱动H桥逆变器，需要将此PWM信号分为两路互补的PWM信号。脉宽分配电路原理如图5所示。同时，为防止同一桥臂上下两管在驱动信号翻转时出现瞬时直通现象，应设计两路驱动信号的开通延时电路。即

10、利用RC移相电路后，为每路驱动信号产生5s左右的开通延时。这部分电路中的门电路采用6反向器74LS04；移相环节中的R和C的取值，应根据5s的延迟时间来计算，其中R可采用电位器，以便于调试。（注：指定移相电路中C的取值为0.01F，二极管建议选用IN4148。）具体而言，由SG3525产生的负脉冲经过一个非门变成幅值为5V正脉冲信号，当信号为高电平时对电容充电，而只有当电容电压达到非门的开启电压2V时，输出才变为高电平，由此达到了延时的目的。所需延迟时间为5us，由三要素公式计算得Uct=5（1-e-tRC）由此解得RC=9.8us取C=0.01uF， R=980，取R=1K图5 脉冲分配电路

11、原理设计图3 IPM接口电路设计说明3.0 IPM接口电路设计DIP-IPM 是面向AC100200V 级小容量马达变频驱动，采用传递型封装结构将功率电路和驱动保护电路集成于一体的小型智能功率模块。IPM中集成了功率器件的驱动电路，因此在控制电路中不需要设计驱动电路；而且为了简化设计，隔离环节也取消。IPM模块控制部分的接口信号中除了H桥中4个器件的驱动信号外，还应提供集成在IPM内部的4个器件的驱动电路的供电电源，为了简化设计，上桥臂两个器件，即V1和V3的驱动电源采用单电源的自举式供电。这样整个模块的控制部分只采用1个15V电源供电即可，而不必采用3路独立的电源，简化了设计。（注：自举电路

12、中的二极管建议选用IN5819。）IPM接口电路原理设计如图6所示。图6 IPM接口电路原理设计图4 DC15V控制电源设计说明4.0 LM2575系列开关稳压集成电路设计需要设计一个DC 15V的控制电源，为SG3525及IPM模块的驱动电路供电。稳压源电路原理如图7所示。为了减小损耗，采用LM2575T-ADJ系列开关稳压集成电路，将主电路的直流母线电压作为输入，通过电位器的调节，经稳压后获得15V的直流电源。LM2575T的封装形式为5脚TO-220形式。另外TTL电路的5V工作电源可直接取自SG3525的内部参考电源管脚。（注：滤波电路中的二极管建议选用IN5819。）图7 DC15V

13、控制电源电路原理设计图通过芯片的使用说明书得：V0=Vref（1+RHRL）本设计中， V0=15V, Vref=1.23V,得：RHRL=11.2实际电路RH RL使用电位器方便调试。5 调试过程及结果分析5.0 调试平台直流PWM的主电路作为电能变换的功率平台已事先做好，只需将控制板安放在主电路上方，同时将主电路板上J3 和J6、J7与控制板上对应的J3 和J6、J7用排线相连，就可进行调试。测试用主电路原理如图8所示。图8 测试平台主电路原理示意图5.1 调试步骤1）先调试控制板上的15V稳压电源电路。步骤是：只将控制板的J3接口与主电路板相连，J6和J7均不连接。在模拟盒上断开S2开关

14、，闭合S1开关，控制板将通过J3接口获得直流母线电压。然后调节稳压电路中的电位器，使稳压电路的输出为所需15V直流电压。2）接下来调试脉宽调制信号发生电路。首先将SG3525插在电路板的对应插座上。在模拟盒上断开S2开关，闭合S1开关，给控制板上电。然后调节相应电位器，获得频率为5KHz，占空比可在01之间调节的脉宽调制信号。3）调试两路驱动信号的开通延时电路。在模拟盒上断开S2开关，闭合S1开关，给控制板上电。然后调节相应电位器，使两路驱动信号之间有5S的开通延时，或者说存在5S的死区。4）测试IPM中上桥臂驱动电源的自举电路。将控制板的J6和J7接口与主电路板相连。在模拟盒上断开S2开关，

15、闭合S1开关，给控制板上电。测量通过自举电路提供的上桥臂驱动电源是否正常。5）上述单元电路均调试通过后，在模拟盒上断开S2开关，闭合S1开关，给控制板上电。将驱动信号的占空比调整到50附近。闭合S2开关，接通H桥的直流电源，测试电机的端电压，判断是否与设计的情况复合。若一切正常，则调节占空比，使电机运转起来，并能够调速和反转，且具有软启动性能。 5.2 测试结果分别在纯电阻负载（图11中接端子3和5）和电机负载（图11中接端子4和1）下对系统进行如下的测试。测试用负载电路原理如图9所示。图9 电试用负载电路原理如图1）占空比的有效调节范围，及所对应的输出电压平均值的变化范围。实验测得占空比的有

16、效调节范围为2%到95%，对应负载电压为：电机负载从-16.5V到16.5V，电阻负载从-27V到27V.2）负载电压和电流的波形，电流波形在与电机串连的取样电阻上获得。图10 电机负载电压电流波形（占空比约50%）可以看出电压和电流平均值均为零，电机不转图11 电机负载电压电流波形（占空比约10%）可以看出电压和电流平均值均为负，电机反转图12 电机负载电压电流波形（占空比约80%）可以看出电压和电流平均值均为正，电机正转图13 电阻负载电压（电流）波形（占空比约40%）由于是电阻负载，电压和电流波形相同，一组开关管导通则为正，另一组导通则为负，处于死区都不导通则为零。且状态变化几乎没有过渡

17、过程，上升下降时间极短。3）H桥中各个IGBT驱动控制信号的波形，要求在同时观察和记录各驱动控制信号的波形。图14 两组互补的IGBT驱动信号（死区约5us）两路PWM信号互补，且不能同时为正（即有死区），避免了直通5.3 问题思考问题1：双极性PWM控制时如何生成基极驱动控制信号？答：采用以SG3525为核心的脉宽调制电路，可以产生频率及占空比可调的PWM脉冲，经过脉冲分配延时电路后成为带有死区的两路互补的PWM信号，再经由由自举电路升驱动四个两组IGBT基极。具体驱动控制方式见图4所示。问题2：单极性（同频）PWM控制时电动机如何反转？答：虽然我们做的是双极性控制，但对单极性控制也相当了解

18、。通过拨码开关即可实现电机反转。因为包括开关在内的逻辑电路决定了4个IGBT中那一组桥臂在转向不变时常开/闭、哪一组是交替导通以调节转速。两组控制信号对调时即实现反转，而拨码开关在此逻辑电路中起的作用就是这样。问题3：脉冲分配电路如何设计？延时导通电路的作用？为什么采用开关型集成稳压电路？答：具体见图5所示。因为驱动信号需要两路互补的PWM波，因此利用反相器获得反相的PWM波。延时导通电路的作用是为上述两路互补的PWM波添加死区以防止桥臂直通。采用开关型集成稳压电路可以产生高质量的稳定直流电，为后续PWM产生与控制芯片SG3525提供可靠15V电源线，同时减少损耗。问题4：LM2575-ADJ

19、如何调节输出电压？输出滤波器件参数的选取？答：如图6所示，通过调节外围电位器比值即可实现输出稳定直流电压大小的调节。输出滤波器件参数的选取可参照数据手册和典型电路，以输出电压大小为依据选择。6 收获和体会虽然这次课程设计只有短短的四天，却让我们收获了许多课堂上学不到的东西。一方面，我们学会了如何将从书本上学到的知识应用到工程实践中，如H桥双极性PWM控制方式的实现，这使我们在对理论知识有了更深刻认识的同时，也懂得了如何将电力电子技术与电机控制技术结合在一起；另一方面，对于软件和硬件的操作也更加熟练和得心应手，如用软件绘制电路原理图、焊接并调试硬件电路。此外，由于课程设计的过程涉及了SG3525

20、、LM2575和IMP等芯片的使用方法，我们的自己动手查找资料解决问题的能力也得到了提升。而且，本次课设还为大家提供了一个结识新同学的机会，锻炼了沟通能力以及作为一个团队分工合作共同完成任务的能力。本次课设的主要流程分为以下几个部分。首先是电路原理图的设计。根据课题的要求以及给定的芯片，我们需要对电路的直流15V稳压电源部分（使用LM2575-ADJ）进行设计、对PWM产生及控制电路（使用SG3525）进行设计、对脉冲分配及死区设置电路进行设计、对驱动开关管的自举电路进行设计，最后还要设计主电路中IPM芯片的接口电路。虽然不用实际做主电路，但是为了实现整体的功能以及设计控制电路的需要，也必须理解主电路的电路结构以及IPM芯片的使用方法。为此，我们的第一步工作就是先构设出整体框架，然后结合老师提供的丰富的资料进行理论学习，所谓磨刀不误砍柴工，最后根据数据手册和使用说明等资料设计以上各功能部分的电路图，同时计算所用元器件的参数，兼顾考