电力电子课程设计报告

1、学校电力电子课程设计报告课程名称： 设计题目： 班 级 ：姓 名 ：学 号 ： 指导教师： 设计时间：目录一、设计方案31.1 设计题目31.2 主要技木指标和要求31.3 方案选择及电路工作原理；3二、主电路设计说明42.1主电路结构42.2参数计算4三、控制电路设计说明53.1 PWM 波形发生器53.2 开通延迟电路63.3 自举电路63.4 稳压电源6四、 Simulink 仿真（选做）7五、 调试过程及结果分析85.1调试过程85.2 调试结果95.3 面包板实物图14六、收获与体会15七、参考文献16一、设计方案1.1 设计题目：直流 PWM 驱动电源的设计1.2主要技木指标和要求

2、；技术指标：1）、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。2）、驱动系统的调速范围：大于1：100。3）、驱动系统应具有软启动功能，软启动时间约为2s。技术要求：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电路，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

3、电路，直接从主电路的直流母线电压经稳压获得）。1.3 方案选择及电路工作原理；本文设计的 H 型单极性同频可逆直流 PWM 驱动电源由四部分组成： 主电路，H 型单极模式同频可逆 PWM 控制电路，IPM 接口电路及稳压电源。同时具有软启动功能，软启动时间为 2s 左右。控制原理如图 1 所示：功率转换电路ub2L1ub1器件驱动电路Mub3L2ub4脉冲分配电路脉宽调制电路ui脉宽调制电路以 SG3525 为核心，产生频率为 5KHz 的方波控制信号， 占空比可调。经用门电路实现的脉冲分配电路，转换成两列对称互补的驱动信号，同时具有 5us 的死区时间，该信号驱动型功率转换电路中的开关器件，

4、控制直流永磁电动机。稳压电源采用 LM2575-ADJ 系列开关稳压集成电路，通过调整电位器，使其稳定输出 15V 直流电源。二、主电路设计说明2.1主电路结构VdcS2R1V1S1M1V3CRaMV2V4R2AC 220V图 1 主电路原理图电路由交流电源、隔离变压器、整流桥、滤波电容、负载组成，工频电源经降压变压器降压后，由二极管整流桥整流输出，再经电容滤波后供给负载。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或的直流电压。本次设计中斩波部分 H 桥不采用分立元件，而是选用 IPM（智能功率模块）PS21564 来实现。2.2参数计算整流桥二极管的通态压降DUdio

5、de =0.7V，IPM 模块中 IGBT 的饱和通态压降DUIGBT =1.6V，限流电阻为 1/1W。由主电路图可知：整流电路输出电压 U2包括电机两端电压 UL、开关管 IGBT 通态压降和电阻 R3、R4 的压降，即：U2=I(R3+R4)+2DUIGBT +UL =25.2V 1.2U2 2DUduide = U2 U2 =22.17V变压器变比：k=U1/ U2 =220V/22.17V=9.92三、控制电路设计说明3.1 PWM 波形发生器PWM 波形发生器采用芯片 SG3525，内部结构如图 2 所示。图 2 PWM 波形发生电路SG3525 的 5 管脚 CT 端外接振荡 0

6、.02uF 电容，产生 5kHz 的脉冲信号；电位器中间抽头接芯片 2 管脚，用以调节输出 PWM 信号的占空比；由于 SG3525 输出的两路脉冲是互补形式，将 11、14 管脚短接实现输出并联使用，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；8 管脚与地之间接2s60ms/uF= 33uF的电容（此处用实验室现有的 22uF 电容代替），实现上电之后 2s 的软起动；16 管脚输出 5V 参考电压给门电路芯片供电。3.2 开通延迟电路为防止同一桥臂，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

7、驱动信号的开通延时电路，即利用 RC 移相电路后，为每路驱动信号产生 5us 左右的开通延时。这部分电路中的门电路采用反向器74LS04。移相环节中的 R 和 C 的取值，应根据 5us 的延迟时间来计算， 电容指定 C 指定为 0.01uF，R 可采用电位器，以便于调试。3.3 自举电路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。自举电容 C=1uF，自举电阻 R=20W。3.4 稳压电源设计一个DC 15V的控制电

8、源，为SG3525及IPM模块的驱动电路供电。为了减小损耗，采用LM2575TADJ系列开关稳压集成电路，将主电路的直流母线电压33V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。电路图如图3所示。图 315V 稳压电源电路各参数选择如下：电感 L=330mH，电阻分别选择 20K 的变阻器和 1K 的定值电阻，输出稳压电容 C=330uF，输入电容 C=100uF，滤波电路中二极管选择 IN5819。四、Simulink 仿真图 4 simulink 仿真图五、

9、调试过程及结果分析5.1调试过程（1）先调试控制板上的 15V稳压电源电路。将控制板的接口 1、2 与主电路板相连。再将 LM2575 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，控制板将获得直流母线电压。然后调节稳压电路中的电位器，能得到输出为 15V 的直流电压。（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，通过示波器的观察，可以获得频率为 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。首先将 74LS04

10、 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。然后调节两路开通延时电路的电位器，使两路驱动信号之间有 5S 的开 通延时。观察最终的输出驱动信号，可见其逻辑满足设计要求。（4）测试 IPM 中上桥臂驱动电源的自举电路。将控制板的接口 1、2 与主电路板相连。在模拟盒上断开 S2 开关，闭合 S1 开关，给控制板上电。测量得到通过自举电路提供的上桥臂驱动电源电压在 14V 左右，满足条件。（5）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 70附近。闭合 S2 开关，接通 H 桥的直流电源， 可以看到电机运转起来了

11、。调节占空比，电机能够调速；将驱动信号的占空比调整到 30附近，电机能实现正反转，且具有软启动性能。5.2 调试结果下图为整个系统的连线图：直流电机AC 220V调试盒变压器控制电路主电路图 4 调试系统组成图M1S2S1L2L102A调试盒上面安放 2 个开关、2 个指示灯和 1 个电流表，其面板如图 5 所示。S1 用于开关总电源，L1 为其上电指示灯。S2 用于接通或断开 H 桥的直流电源（可用于电机的启停控制），L2 为其上电指示灯。电流表 M1 用于检测负载电流。主电路中 H 桥（即 IPM 模块）前串入的电阻 R1 和 R2， 阻值各为 5 欧姆，用于限制短路电流，保护 IPM。R

12、a 为电机电枢回路的电流取样电阻（阻值为 1 欧姆），用于观测电枢电流的波形。图 5 调试盒的面板1、电阻负载（1）、观察电阻两端电压。随着占空比的改变，电阻上的电压也相应改变。占空比的调节范围为 0%97%。其中占空比为 0%时，输出电压平均值 0.144V；占空比 97.0%时，输出电压平均值 29.7V。（2）、电阻上电压和电流的波形：图 6 电阻电压波形图 7电阻电流波形（3）、直流母线电压图 8 直流母线电压波形由测得的波形图可知，母线上的电压电流波形大致为一条平直的直线， 符合实际。（4）、H 桥中各个 IGBT 驱动控制信号的波形图 7电阻负载 IGBT 驱动信号由测得的波形图可

13、知，两路波形都是互补的，波形是比较好的方波， 并且存在大约有 5 us 的死区时间，满足设计要求。2、电机负载（1）占空比有效调节范围：占空比大于 50%时，电机正转；占空比小于 50%时，点击反转。调节占空比可改变电机转速，符合设计要求。（2）负载电压和电流波形：图 8 电压波形图 9 电流波形由波形可看出，当电机两端电压为正时，流过电枢的电流上升，电感 储能；当电机两端电压为零时，电感释放能量，电流下降。观察电压波形， 发现电枢电压并不是标准的矩形波，这是由于电枢电感的作用，电机上产 生的反电势引起的波形。（3）直流母线电压波形：图 10 电机直流母线电压（4）H 桥中各个 IGBT 驱动控制信号的波形：图 11电机负载 IGBT 驱动信号由波形图可知，两路波形均为互补导通，而且都存在 5us 左右的死区时间，满足设计要求。5.3 面包板实物图图 12面包板正面实物图图 13面包板背面电焊图六、收获与体会经过本次课程设计，我不但收获知识，同时收获了意志力。因为此次课程设计需要很耐心很谨慎去电焊和调试。在这其中会有很多失误，一次次打击自信心，在这期间自己得不断调节自己的情绪并不断去进行每一天的任务与安排，所以最后自己反而收获更多。总之，此次课程设计很有意义，让人受益匪浅。所以必须得干劲十足， 学习课程设计，这