电力电子技术课程设计升压斩波电路的实现

1、电力电子技术课程设计题目：升压斩波电路的实现专 业： 电气自动化 班 级： 2010级 学生姓名： 王小灵 学号： 指导教师： 祝敏老师时 间： 2012 年 12 月28 日-2013 年 01 月 9 日 目录一设计说明21 实现的功能 22 设计目的23 设计依据2二正文31总体的电路设计32 主电路设计及原理 43 参数计算 54 驱动电路的设计及原理 64-1 IGBT对驱动电路的选择及要求64-2 驱动电路图及工作原理105保护电路的设计及原理125-1过电压保护125-2过电流保护 126 电源电路的设计137元器件清单 138仿真电路14三设计总结 15四参考资料 15一、设计

2、说明1、实现的功能通过升压DC-DC变换电路实现低输入电压30V80到高斩波电路输出电压为380V，输出功率1500W2、设计的目的 直流升压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电路、升降压电路、复合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。 通过此次的课程设计是自己掌握以下内容： 1、通过对升压斩波电路的设计，掌握升压斩波电路的工作原理。 2、理解和掌握升压斩波电路及系统

3、的主电路，驱动电路，保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。 3、了解电力电子电路及系统实验和调试的方法。3设计依据（1） IGBT的选择（2） IGBT过流，过压保护（3） 升压斩波电路的设计（4） 驱动电路设计，驱动电路采用EXB841（5） 触发电路供电电源设计二正文 1总体的电路设计如图1总体实现电路设计所示。电路由升压电路，驱动模块、保护模块电路组成。图1 总体实现电路由EXB841芯片为核心构成的驱动电路，控制IGBT的导通和关断时间，从而控制电路的升压比，使其达到：进而使输出电压达到目的值。升压电路时整个电路的核心，由一个IGBT和电容、电感值都很大的电容电感各一个。R为输

4、出负载，电压由此输出。因为输出功率是一定的150W，从而R为定值963。其中保护电路包括过电压保护和过电流保护。2直流升压斩波主电路图及原理2-1 主电路直流升压变流器用于需要提升直流电压的场合，其原理图如图下所示 图1 主电路2-2原理在电路中V导通时，电流由E经升压电感L和V形成回路，电感L储能；当V关断时，电感产生的反电动势和直流电源电压方向相同互相叠加，从而在负载侧得到高于电源的电压，二极管的作用是阻断V导通是，电容的放电回路。调节开关器件V的通断周期，可以调整负载侧输出电流和电压的大小。假设L值、C值很大处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定，电容C向负载R供电，输出电压恒定。断态

5、时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。设V通态的时间为，此阶段L上积蓄的能量为设V断态的时间为，则此期间电感L释放能量为，稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：=化简得： ，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。也称之为boost变换器升压比，调节其即可改变Uo。将升压比的倒数记作b，即。b和导通占空比a有如下关系：（3）因此，式（3）可表示为升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因:一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。在以上分析中，认为V处于通态期间因电容C的作用使得输出电压Uo不变，但实际上C值不可能为无穷大，在此阶

6、段其向负载放电，U。必然会有所下降，故实际输出电压会略低于理论所得结果，不过，在电容C值足够大时，误差很小，基本可以忽略。3参数计算由直流斩波电路的原理可知又输入电压为输入直流电压范围：30V80V，要求输出直流电压：380V。所以只要根据输入的电压控制全控晶闸管IGBT关断的时间和开通的时间比就可，即升压比就可得到所需电压。由计算得：80）又因为要求输出功率P=1500W,=380V得：= 又由，当时 L0.002731H 当时L0.016H所以 选择L=0.01HC , :最大纹波电压、最大纹波电压在输出电压的2%当 时 C100F 当时C87F 所以 选择C=90F4 驱动电路4-1 I

7、GBT对驱动电路的选择及要求根据IGBT的特性，其对驱动电路的要求如下：（1） 提供适当的正反向输出电压，使IGBT能可靠的开通和关断。当正偏电压（+）增大时，IGBT通态压降和开通损耗均下降，但若过大，则负载短路时其随增大而增大，对其安全不利，一般+UGE选+12+15V为最佳；负偏电压（-）可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，但是受G、E极间最大反向耐压限制，一般取-5-10V。（2） IGBT的开关时间应综合考虑。快速开通和关断有利于提高工作效率，减小开关损耗。但在大电感负载下，IGBT的开关时间不宜过短，原因在于高速开通和关断会产生很高的尖峰电压dic/dt，极有可能造成I

8、GBT自身或其他元件击穿。（3） IGBT开通后，驱动电路应提供足够的电压、电流幅值，使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和而损坏。（4） IGBT驱动电路中的电阻对工作性能有较大影响。较大，有利于抑制IGBT的电流上升率及电压上升率du/dt，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗；较小，会引起增大，使IGBT误导通或损坏。的选择原则是应在开关损耗不太大的情况下，选择略大的。的具体数值还与驱动电路的结构及IGBT的容量有关，一般在几欧至几十欧，小容量的IGBT其值较大。（5） 驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的保护功能。IGBT为压控型元件，当集射极加高压时很容易受外界干扰，使

9、栅射电压超过(th)引起器件误导通。为了提高抗干扰能力，除驱动IGBT的触发引线应尽量短且应采用双绞线，在栅射极间务必并联栅射电阻,一般取=（10005000）,应并在栅射极最近处。V1，V2是为防止驱动电路出现高压尖峰而并联的两只稳压管，稳压值应与正偏栅压与负偏栅压大小相同而方向相反。信号控制电路与驱动电路之间应采用抗干扰能力强，传输时间短的高速光耦合器件加以隔离。（6） IGBT在使用时除了采取静电防护措施外，还必须注意以下事项： 1、IGBT的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配。 2 、当G-E端在开路的情况下，不要给C-E端家电压。 3、在未采取适当的防静电措施情况下，G-

10、E端不能开路。 图3 栅射电阻与反串稳压管的并联电路4 最有参数选择OOEOOE图 3-1 电流连续图 3-2 电流断续当IGBT处于导通时，得设的初值为，解上式得当IGBT处于关断时，设电动机电枢电流为，得设的初值为，解上式得当电流连续时，从图3-2的电流波形可看出，=时刻=，=时刻=，由此可得故由上两式求得：把上面两式用泰勒级数线性近似，得该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值，即当电流断续时的波形如图3-2所示。当=0时刻=0，令式（1-10）中=0即可求出，进而可写出的表达式。另外，当=时，=0，可求得持续的时间，即当时，电路为电流断续工作状态，是电流断续的条件，即根据上式可对电路的工

11、作状态做出判断。该式也是最优参数选择的依据。4-2驱动电路图及工作原理 图4 EXB841的功能原理图 图5 EXB841的电路原理图EXB841 驱动器的各引脚功能如下： 脚 1 ：连接用于反向偏置电源的滤波电容器； 脚 2 ：电源（ 20V ）； 脚 3 ：驱动输出； 脚 4 ：用于连接外部电容器，以防止过流保护电路误动作（大多数场合不需要该电容器）； 脚 5 ：过流保护输出； 脚 6 ：集电极电压监视； 脚 7 、 8 ：不接； 脚 9 ：电源； 脚 10 、 11 ：不接； 脚 14 、 15 ：驱动信号输入（一，）； 工作原理： （1）开通过程：当输入端 和脚流过10mA的电流时，光

12、耦合器B导通，A点电位迅速下降使晶闸管V1,V2截止，V2截止使B点电位上升，V4管导通，V5管截止，电源通过脚、V4及电阻Rc向IGBT提供电源，使之迅速导通。（2）关断过程：当输入端和脚的电流为零时，光电耦合器B点截止，A点电位上升使V1和V2导通，V2导通使B点电位下降，V5导通，V4截止，IGBT的栅极电荷通过V5迅速放电，使EXB841的脚电位下降至0V，由于此时脚电位比脚电位低5V，即=v，所以IGBT可靠关断。（3）保护动作: IGBT正常导通时，稳压管V6不被击穿，V3管不导通，充电使E点电位保持在20V。若发生短路，IGBT承受大电流而退饱和，上升，二极管截止则EXB841的

13、脚“悬空”，C点和F点电位开始上升，当上升至一定值时，被击穿，使管导通，电容通过和放电，E点电位逐步下降，从而EXB841的脚电位也逐步下降，慢慢关断IGBT。图1-3是EXB841实际应用电路。由于EXB841的脚接高电平，故控制脉冲输入脚为低电平时，IGBT导通，脚高电平时，IGBT截止。稳压管、为栅极电压的正向限府保护，电容、为正、反向电源的滤波电容，脚还外接发射极的衔位二极管。此外，当集电极电流过大时IGBT的饱和压降将明显增加，使集电极电位升高，过高的集电极电位作为过流信号送至脚，通过EXB841内部的保护电路，使栅极电位下降，IGBT截止。与此同时，脚输出低电平，使光耦合器B导通，

14、输出过电流保护动作信号。IGBT在发生短路后是不允许立即过快的关断，因为此时短路电流相当大，如果立即关断会造成很大的di/dt，这在线路杂散电感作用下会在IGBT上产生过高的冲击电压，损坏元件。EXB841慢关断时间约8us。EXB841的脚用于连接外部电容，以防止过流保护电路误动作，多数场合不需要接该电容。5、保护电路5-1、过电流保护 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

15、，即给晶闸管串联一个保险丝实施电流保护。如图3-1电流保护电路所示。图3-1直流升压斩波电路过流保护电路对于所选的保险丝，遵从值小于晶闸管的允许值。5-2过压保护 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

16、路。如图2-4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3-2中的电阻可以是1K左右的电阻，而电容的值可以为100F左右，这样形成一个保护电路。图3-2直流斩波电路过电压保护电路6 电源模块电源模块图如上图所示，输入150V直流稳压电源，经电阻R1、R2分压，送给三端温压器7815稳压，输出15V直流稳压电来PWM控制模块供电。7元器件清单名称大小、型号 数量（个）电感 0.01H 1电容 100F 2电容 90F1电阻 1K、4.7K、 各一个 二极管2AP9 2发光

17、二极管2EF1 1全控型晶闸管 IGBT 1稳压二极管HZ5 2驱动芯片EXB841 1开关 断路开关 2保险丝 GP032 1反相器2N4002 18 、仿真波形用MATLAB软件来仿真8-1仿真电路图8-2元器件的选择：1、 直流电压选择DC voltage source ,其工作电压设置为100V。2、 电压源串电阻选择Series RLC Branch,参数设置为R=50、L=10H、C=inf3、 IGBT的参数选择为默认值4、 晶闸管选择Diode，参数选择为默认值5、 外电路阻感选择Series.RLC Branch1，参数设置为：R=10、L=3H、C=inf6、 主电路负载选

18、择Series.RLC Branch2 、参数设置为：R=50、L=0、C=inf7、 脉冲触发元件选择Pulse Genrator 参数设置为：Pulse type：time based 、Amplitude：0.1、pulse width：50、phase deley：08-3仿真图没能仿真出来。三 、设计总结此次电力电子课程设计，尽管耗费了较长的时间，但是收获还是挺多的。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。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能提高我们的实际动手能力和独立思考的能力。在本次设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重。最后在老师和同学的帮助下逐一得到解决。同时让我认识到只有在设计的过程中才能真正发现了自己的不足之处，发现以前所学过的知识还是理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故，好好掌握。本次课程设计不仅使我们加深了对课本知识的理解和掌握，也大大提高了我们的实践能力。我认识到无论在什么设计中，都要有一定的耐心和毅力，不要遇到问题就退缩，要不畏困难，勇于创新。课程设计