电力电子正文

1、引言随着电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻，薄，小和高效率方向发展。开关电源因其体积小，重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。伴随着人们对开关电源的进一步升级，低电压，大电流和高效率的开关电源成为研究趋势。开关电源分为AC/DC和DC/DC，其中DC/DC 变换已实现模块化，其设计技术和生产工艺已相对成熟和标准化。DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本

2、的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。IGBT降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展。1 方案确定电力

3、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。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1-1所示。图1-1 降压斩波电路结构框图在图1结构框图中，控制电路是用来产生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

4、信号。通过控制开关的开通和关断来控制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。2 主电路设计2.1 主电路方案根据所选课题设计要求设计一个降压斩波电路，可运用电力电子开关来控制电路的通断即改变占空比，从而获得我们所想要的电压。（1）电路选择方案1：直-直变换电路这个方案是较为简单的方案，直接进行直-直变换简化了电路结构。方案2：直-交-直变换电路这种方案把本该简单的电路复杂化，不可取。综上所述，选择方案1。（2）开关的选择方案1：晶闸管晶闸管属于半控型器件，用作斩波电路还要外加关断电路，使电路复杂化，且不易控制。方案2：IGBTIGBT

5、控制较为简单，且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大等优点。综上所述，选择方案2。2.2 工作原理根据所学的知识，直流降压斩波主电路如图2-1所示：图2-1 降压斩波电路原理图该电路使用一个全控型器件V，图中为IGBT。图2-1中，为在V关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二级管VD。斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后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=0，以下分析及表达式均可适用。降压斩波电路工作波形如图2-2：图2-2 a）电流连续时的波形b）电流断续

6、时的波形工作原理：当t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。当 t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降，通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。 此电路的基本数量关系为：（1）电流连续时负载电压的平均值为 (2-1)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，a为导通占空比，简称占空比或导通比。负载电流平均值为 (2-2)（2）电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。 斩波电路有三种控制方式：脉冲宽度调制（PWM）：保持开关周期T不变，调节开关

7、导通时间ton，频率调制：保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T。混合型：ton和T都可调，使占空比改变。3 控制电路的设计3.1 控制电路方案控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。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。因为斩波电路有这三种控制方式，又因为PWM控制技术应用最为广泛，所以采用PWM控制方式来控制IGBT的通断。PWM控

8、制就是对脉冲宽度进行调制的技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。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。我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。图3-1 SG3525引脚图对于PWM发生芯片，我选用了SG3525芯片，其引脚图如图3-1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

9、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PWM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之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。3.2 工作原理由于SG3525的振荡频率可表示为 ： （3.1）式中

10、:, 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5kHz，所以由上式可取=0.01F, =7.2k,=5k。可得f=5kHz，满足要求。图3-2 控制电路SG3525有过流保护的功能，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，同理也可以用10端进行过压保护，如图3-2所示10端外接过压过流保护电路。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11、14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

11、波。SG3525还有稳压作用。1端接芯片内置电源，2端接负载输出电压，通过1端的变位器得到它的一个基准电位，从而当负载电位发生变化时能够通过1、2所接的误差放大器来控制输出脉宽的占空比，若负载电位升高则输出脉宽占空比减小，使得输出电压减小从而稳定了输出电压，反之则然。调节变位器使得1端得到不同的基准电位，控制输出脉宽的占空比在10%90%之间，从而可使得输出功率为300W。4 驱动电路设计4.1 驱动电路方案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

12、。因而还设计中还学要有带电气隔离的部分。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。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

13、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。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1us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

14、宽输出，而且其对变压器的绕制要求严格。通过以上比较，结合本系统中，对电压要求不高，而且只有一个全控器件需要控制，使用光耦电路，使用方便，所以选择方案1。对于方案1可以用EXB841驱动芯片来实现也可以直接用光耦电路进行主电路与控制电路隔离，再把驱动信号加一级推挽电路进行放大使得驱动信号足以驱动IGBT管。由于我所设计的过流保护电路是利用控制芯片10端来设计的，且直接用光耦电路比较简单，所以我没有用驱动芯片而是直接用光耦电路。4.2 工作原理如图4-1所示，IGBT降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。一般电气隔离采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器，光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成

15、，封装在一个外壳内。本电路中采用的隔离方法是，先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。采用的光耦是TLP521-1。为得到最佳的波形，在调试的过程中对光耦两端的电阻要进行合理的搭配。图4-1 驱动电路原理：控制电路所输出的信号通过TLP521-1光耦合器实现电气隔离，再经过推挽电路进行放大，从而把输出的控制信号放大5 保护电路的设计5.1 过压保护电路过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到定电压值时，自动开通保护电路，所以可分为主电路器件保护和负载保护。 主电路器件保护当达到定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使

16、过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图5-1所示。图5-1 主电路器件保护电路 负载过压保护如图5-2所示 比较器同相端接到负载端，反相端接到一个基准电压上，输出端接控制芯片10端，当负载端电压达到一定的值，比较器输出Uom抬高10端电位，从而使10端上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放

17、电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程，从而实现过压保护。电阻的取值，比较器反相端接5V电源经变位器后为可调基准电压，比较器同相端电压应在5V以内，取负载输出电压最大值50V来算R20/R18=50/3左右 ，所以R20=50K，R18=3K，R17=10k，R19=2k。图5-2 负载过压保护电路5.2 过流保护电路当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。当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能

18、力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。过流保护的方法比较多，比较简单的方法是一般采用添加FU熔断器来限制电流的过大，防止IGBT的破坏和对电路中其他元件的保护。如图5-1在主电路串接一个快速熔断丝。还有一种方法如图5-3所示，也是利用控制电路芯片的第10端。在主电路的负载端串接一个很小取样电阻，把它接到放大器进行放大，后再利用比较器，运用过压保护原理同样能实现过流保护。电阻的取值，一般取样电阻端所获得的电压为零点几伏，需要通过放大器把电压放大到几伏左右，由放大器运算公式：Uo=（1+R12/R10）*Ui，取放大10倍，即 1+R12/R10=10 , 所以取R12=9K，R10=1K。

19、放大后把它接到比较器中比较使得比较器输出端电位升高，与过压保护一样原理，所以R13=2K，R14=2K，R15=10K，R16=2K。图5-3 过流保护电路6 稳压电路的设计因为要求输出电压脉率小于10%，而经过降压斩波电路输出的电压脉率很大，所以要进行稳压操作，具体电路如图6-1：图6-1 稳压电路将降压后的电压50V经过一个1000uF的电容，再经过两个104的电容，基本上将电压的脉率降低到了10%以下。7 参数确定（1）输入电压：Ud=100V（2）占空比：根据要求占空比在10%90%之间，取占空比为50%。（3）开关频率：通过调节SG3525的外接电路的参数，取=0.01F, =7.2

20、k,=5k，根据振荡频率表达式 ，得到开关频率为5KHz。（4）输出功率：根据降压公式： ，因为占空比取为50%，所以输出电压为50V。另R=8.3欧，则电流为6A,因此输出功率P=UI=300W。（5）输出电压脉率：将降压后的电压50V经过一个1000uF的电容，再经过两个104的电容，基本上将电压的脉率降低到了10%以下。8 课程设计结论经过7天的努力，我的电力电子课程设计终于做完了。回顾一周的经历，感觉真是收获很多。在我的课程设计中，我运用了很多在电力电子课上学到的知识，使我的专业知识得到了巩固。整体来看，我的课程设计做的还算成功。实现了对降压斩波电路的主电路的设计、控制电路的设计、驱动电路的设计和保护电路的设计。基本实现了对要求的控制参数的实现。整个设计电路结构简单，设计新颖，充分的运用了IGBT的功能。总体上，我对我的这份课程设计还算满意。9 课程设计体会经过七天的电力电子课程设计让我懂了很多，也得到了很多的收获，受益匪浅。不仅仅是在知识方面得到了提升，在交流方面也有了进一步提高。刚刚看到这个课程设计任务书时，对这些课题