升压直流斩波电路.docx
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升压直流斩波电路
〈〈电力电子技术》课程设计说明书
升压直流斩波电路设计
院、部:
电气与信息工程学院
学生姓名:
指导教师:
职称
专业:
电气工程及其白动化
班级:
完成时间:
电力电子课程设计课题任务书
学院:
电气与信息工程学院专业:
电气工程及其自动化专业
指导教师
学生姓名
课题名称
升压直流斩波电路设计
内
容
及
任
务
一、设计任务
设计一个升压直流斩波电路,已知交流电源:
单相220V,前级整流输出电压限
制在50V以内,斩波输出电流最大值2A,纯电阻负载,斩波输出直流电压在
50-100V可调。
二、设计内容
1、关于本课程学习情况简述;
2、主电路的设计、原理分析和器件的选择;
3、控制电路的设计;
4、保护电路的设计;
5、利用MATLAEa件对自己的设计进行仿真。
主要参考
资料
[1]王兆安,王俊编.电力电子技术(第5版).北京:
机械工业出版社,2012
[2]黄俊,秦祖荫编.电力电子自关断器件及电路.北与:
机械工业出版社,1991
[3]李序葆,赵永健编.电力电子器件及其应用.北京:
机械工业出版社,1996
教
研
室
意
见
教研室主任:
年月曰
电力电子电路的基本作用是进行电能的变换与控制,即将一定形式的输入点能变换成另外一种形式的电能输出,从而满足不同负载的要求。
电能的形式可以分为交流和直流两种类型,因此根据输入、输出的不同形式,可将电力电子电路分为四大类型,即AC-DC变换器、DC-AC变换器、DC-DC变换
器、AC-AC变换器。
该设计将主要介绍其中的DC-DC变换器。
随着半导体工业的发展,DC/DC^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。
目前直流变换电路的用途非常广泛,无论是从性能、功率还是节能性上,都处丁不断地发展之中。
其中升压直流斩波电路是输出电压高丁电源电压的一种斩波电路,主要运用丁直流电动机传动、单相功率因数校正以及交直流电源中。
该设计中,运用了单相桥式全控整流电路和升压斩波电路结合,从而实现升压直流斩波。
通过方案选定,电路构造以及电路调试,最终基本实现升压直流斩波电路功能。
由丁知识浅薄,该课程设计说明书里还存在不少批漏和错误,殷切希望老师和同学们的批评指正。
关键词:
直流;斩波;升压
1绪论1
1.1电力电子技术的介绍1
1.2电力电子技术的应用1
1.3直流直流变流技术2
1.4设计要求2
2系统总体方案设计2
2.1总体电路设计框图2
2.2整流电路选择2
3主电路设计5
3.1整流电路5
3.1.1整流电路图及工作波形5
3.1.2整流电路工作原理6
3.2升压斩波电路6
3.2.1升压斩波电路及工作波形6
3.2.2升压斩波电路工作原理7
3.3元器件参数及选型7
3.3.1晶闸管的选型7
3.3.2绝缘栅双极晶体管(IGBD选型9
4控制电路及驱动电路11
4.1控制电路11
4.1.1SG3525控制芯片介绍11
4.1.2SG3525外部引脚功能12
4.2驱动电路13
4.3控制和驱动电路原理图13
5保护电路设计15
5.1过电流保护15
5.2过电压保护15
6仿真电路图及结果16
6.1MATLAB仿真软件16
6.2整流电路仿真及部分参数设置16
6.2.1整流电路仿真模型16
6.2.2部分参数设置17
6.3升压斩波电路仿真模型19
6.4总电路仿真模型19
6.5仿真波形及波形分析20
7设计总结21
参考文献22
致谢23
附录24
附录A升压直流斩波总电路图24
附录B元件活单25
1绪论
1.1电力电子技术的介绍
电力电子技术是一门新兴的应用丁电力领域的电子技术,就是使用电力电子器件(如晶闸管,GTQIGBT等)对电能进行变换和控制的技术。
电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数白MV耿至GW也可以小到数W晚至1®下,和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用丁电力变换。
电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术两个分支。
现已成为
现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课,在培养该专业人才中占有重要地位。
电力电子学(PowerElectronics)这一名称是在上世纪60年代出现的。
1974年,美国的W.Newell用一个倒三角形对电力电子学进行了描述,认为它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交义而形成的。
这一观点被全世界普遍接受。
“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术2个不
同的角度来称呼的。
1.2电力电子技术的应用
电力电子技术是一门新兴技术,它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交义而成的,在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧密联系的不可缺少的专业基础课。
本课程体现了弱电对强电的控制,乂具有很强的实践性。
能够理论联系实际,在培养自动化专业人才中占有重要地位。
它包括了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM制技术、交流调压、直流斩
波以及变频电路的工作原理。
在电力电子技术中,可控整流电路是非常重要的内容,整流电路是将交流电变为直流电的电路,其应用非常广泛。
工业中大量应用的各种直流电动机的调速均采用电力电子装置;电气化铁道(电气机车、磁悬浮列车等)、电动汽车、飞机、船舶、电梯等交通运输工具中也广泛采用整流电力电子技术;各种
电子装置如通信设备中的程控交换机所用的直流电源、大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源都可以利用整流电路构成直流电源供电,可以说有电源的地方就有电力电子技术的设备。
1.3直流直流变流技术
直流-直流变流电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电,包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。
直接直流变流电路也称斩波电路,它的功能是将直流电变成为另一固定电压或可调电压的直流电,一般是指直接将直流电变为另一直流电,这种情况下输入与输出之间不隔离。
间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节,在交流环节中通常采用变压器实现输入输出问的隔离,因此也称为带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直
电路。
直流斩波电路的种类较多,包括六种基本斩波电路:
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,其中前两种是最基本的电路。
直流斩波器在把直流变换成另一电压直流的过程中,依靠的是脉冲宽度调制(PWM)勺工作方式,因此直流斩波调速系统也称直流脉宽调速系统。
斩波器的工作方式有:
脉宽调制方式(Ts不变,改变ton)和频率调制方式(ton不变,改变Ts)两种。
前者较为通用,后者容易产生干扰。
当今世界软开关技术使得DC/DC^换器发生了质得变化和飞跃。
经济性能:
直流电动机V—M调速系统使用的电源是三相交流电源,但是在许多应用场合的电源却是直流电源,例采用直流电网供电的城市公交车(电车)、
地铁,由蓄电池供电的电动汽车、电瓶车等,在这种应用场合使用的直流调速系统则必须米用D(^DC变换器,即在这种应用场合不能使用V—M调速系统,而应使用直流斩波调速系统。
1.4设计要求
电路中要求:
交流电源为单相220V,前级整流输出电压限制在50VZ内,斩波电路所带负载为纯电阻负载,斩波电路输出电流最大值为2A,输出直流电压
在50〜100VW调。
2系统总体方案设计
该设计中,升压直流斩波电路有前级整流电路和升压斩波主电路构成。
下面将就前级整流电路的选择进行说明。
2.1总体电路设计框图
交流输入、直流输出的开关电源将交流电转换为直流电,再通过升压斩波电路输出直流可调电压,其基本的变换过程如图1所示。
2.2整流电路选择
单相整流电路可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路,整流的结构也较多。
因此在做设计之前主要考虑了以下几种方案:
方案一:
单相桥式半控整流电路
电路简图如图2所示。
图2电路中,对每个导电回路进行控制,相对丁全控桥而言少了一个控制器件,用二极管代替,有利丁降低损耗。
如果不加续流二极管,当a突然增大至180。
或触发冲丢失时,由丁电感储能不经变压器二次绕组释放,只是消耗在负载电阻上,会发生一个晶闸管导通而两个二极管轮流导通的情况,这使ud
成为正弦半波,即半周期Ud为正弦,另外半周期为Ud为零,其平均值保持稳定,相当丁单相半波不可控整流电路时的波形,即为失控。
所以必须加续流二极管,以免发生失控现象。
方案二:
单相桥式全控整流电路
电路简图如图3所示。
图3电路中,对每个导电回路进行控制,无须用续流二极管,也不会失控现象,负载形式多样,整流效果好,波形平稳,应用广泛。
变压器二次绕组中,正负两个半周电流方向相反且波形对称,平均值为零,即直流分量为零,不存在变压器直流磁化问题,变压器的利用率也高。
方案三:
单相半波可控整流电路
电路简图如图4所示。
图4电路中,只需要一个可控器件,电路比较简单,VT的a移相范围为
180。
但输出脉动大,变压器二次侧电流中含直流分量,造成变压器铁芯直流磁化。
为使变压器铁心不饱和,需增大铁心截面积,增大了设备的容量。
实际上很少应用此电路。
方案四:
单相全波可控整流电路
电路简图如图5所示。
图5单相全波可控整流电路
图5电路中,变压器是带中心抽头的,结构比较复杂,只要用2个可控器
件,单相全波只用2个晶闸管,比单相全控桥少2个,因此少了一个管压降,相应地,门极驱动电路也少2个,但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。
不存在直流磁化的问题,适用丁输出低压的场合作电流脉冲大(电阻性负载时),且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化,变压器不能充分利用。
而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小,功率因数高,变压器二次电流为两个等大反向的半波,没有直流磁化问题,变压器利用率高的优点。
相同的负载下流过晶闸管的平■单相全控式整流电路其输出平■均电压是半波整流电路2倍,在均电流减小一半;且功率因数提高了一半。
在以上不同单相整流电路中,单相桥式全控整流电路对每个导电回路进行控制,无须用续流二极管,也不会失控现象,负载形式多样,整流效果好,波形平■稳,应用广泛。
变压器二次绕组中,正负两个半周电流方向相反且波形对称,平均值为零,即直流分量为零,不存在变压器直流磁化问题,变压器的利用率也高,因此,在整流电路选择单相桥式全控整流电路,即采用方案二。
3主电路设计
主电路由前级整流电路与升压斩波电路构成,下面就整流电路与升压斩波电路进行说明。
3.1整流电路
整流电路的任务是将交流电变换成直流电。
完成这一任务主要是靠晶闸管的单向导电作用,因此晶闸管是构成整流电路的关键元件。
3.1.1整流电路图及工作波形
该电路中电源变压器的作用是将交流电网电压Vi变成整流电路要求的交流电压V2克V2Sint,电阻R是要求直流供电的负载电阻,四只晶闸管接成电桥的形式,故有桥式整流电路之称。
前级整流电路图如图6所示,工作波形图如
图7所示。
3.1.2整流电路工作原理
在电源电压正半周期间,VT1、VT2承受正向电压,若在时触发,VT1、VT2导通,电流经VT1、负载、VT2和T二次侧形成回路,但由丁大电感的存在,过零变负时,电感上的感应电动势使VT1、VT2继续导通,直到VT3VT4被触发导通时,VT1、VT2承受反相电压而截止。
输出电压的波形出现了负值部分。
在电源电压负半周期间,晶闸管VT3VT4承受正向电压,同时触发VT3VT4导通,VT1、VT2受反相电压截止,负载电流从VT1、VT2中换流至VT3VT4中在时,电压过零,VT3VT4因电感中的感应电动势一直导通,直到下个周期VT1、VT2导通时,VT3VT4因加反向电压才截止。
只有当兀/2时负载
电流才连续,当兀/2时负载电流不连续,而且输出电压的平■均值均接近零,
因此这种电路控制角的移相范围是0兀/2。
3.2升压斩波电路
直接直流变流电路也称斩波电路,包括直接直流电变流电路和间接直流电变流电路,它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。
直流斩波电路的种类有很多,包括六种基本斩波电路:
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。
该设计主要针对升压斩波电路,它是输出电压高丁电源电压的一种斩波电路。
3.2.1升压斩波电路及工作波形
3.2.2升压斩波电路工作原理
图8电路中,使用一个全控型器件IGBT。
假设电路中电感L值很大,电容C值也很大。
当V处丁通态时,电源E向电感L充电,充电电流基本包定为I1,同时电容C上的电压向负载R供电。
因为C值很大,基本保持输出电压Uo为包值,记为U6设V处丁通态时间为Ton,此阶段电感L上积蓄的能量为EIITon。
设V处丁通态时E和L共同向电容C充电,并向负载R提供能量,设V处丁断态的时间为Toff,则在此期间电感L释放的能量(Uo-Ui)IIToff。
当电路工作丁稳态时,一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等,即
(1)
UiIton(UoUi)Itoff
化简得,
(2)
上式中a表示导通占空比,调节其大小,即可改变输出电压Uo的大小。
升
压斩波电路能使输出电压高丁电源电压的原因:
1.电感L储能以后具有使电压泵升的作用;
2.电容C可保持输出电压。
3.3元器件参数及选型
由丁单相桥式全控整流带电感性负载主电路主要元件是晶闸管,所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。
3.3.1晶闸管的选型
①额定电压UTn
通常取UDRM:
URR时较小的,再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。
在选用管子时,额定电压应为正常工作峰值电压的2〜3倍,以保证
电路的工作安全。
晶闸管的额定电压:
Utn(2~3)Utm
②额定电流IT(AV)
IT(AV)乂称为额定通态平均电流。
其定义是在室温40°和规定的冷却条件下,元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小丁170°的电路中,结温不超过额定结温时,所允许的最大通态平均电流值。
将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。
要注意的是若晶闸管的导通时间远小丁正弦波的半个周期,即使正向电流值没超过额定值,但峰值电流将非常大,可能会超过管子所能提供的极限,使管子由丁过热而损坏。
在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大,只要其最大电流有效值,散热冷却符合规定,则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。
:
额定电流有效值,根据管子的换算出,、、三者之间的关系如下:
Itn20(|mSinf)2d(°?
°.5|m
It(av)-1oImsintd(t)坦0.318Im(5)
波形系数:
有直流分量的电流波形,其有效值I与平均值Id之比称为该波
形的波形系数,用表小:
Kf£⑹
额定状态下,晶闸管的电流波形系数:
晶闸管的选择原则:
I、若放热条件不符合规定要求时,则元件的额定电流应降低使用。
a.通态平均管压降Ut(av)。
指在规定的工作温度条件下,使晶闸管导通
的正弦波半个周期内阳极与阴极电压的平■均值,一般在0.4〜1.2V。
b.维持电流Ih。
指在常温门极开路时,晶闸管从较大的通态电流降到刚
好能保持通态所需要的最小通态电流。
一般Ih值从几十到几白毫安,由晶闸管
电流容量大小而定。
c.门极触发电流Ig。
在常温下,阳极电压为6V时,使晶闸管能完全导通所需的门极电流,一般为毫安级。
d.断态电压临界上升率du/dto在额定结温和门极开路的情况下,不会导致晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。
一般为每微秒几十伏。
e.通态电流临界上升率di/dt。
在规定条件下,晶闸管能承受的最大通态电流上升率。
若晶闸管导通时电流上升太快,则会在晶闸管刚开通时,有很大的电流集中在门极附近的小区域内,从而造成局部过热而损坏晶闸管。
皿、所选晶闸管电流有效值Itn大丁元件在电路中可能流过的最大电流有效值。
用、选择时考虑(1.5〜2)倍的安全余量。
即Itn=1.57It(av)=(1.5〜2)Itm。
晶闸管的额定电流输出电流的有效值为最小值,所以该额定电流也为最小值,考虑到2倍裕量,取4A.即晶闸管的额定电流至少应大丁4A.因此,设计中选用4个KP5-8晶闸管来实现电路功能。
3.3.2绝缘栅双极晶体管(IGBT)选型
该设计的电源电压为220V,前级输出电压50V,当二极管VD导通时V的C和E两端承受的电压为前级输出电压,因此UCe=50M
1C,其值下降5mV&右。
在
lbE(th)随温度的升高略有下降,温度每升高
+25°C时,lbE(th)的值一般为2〜6V。
由计算公式有:
Imin
et1/1E
(e^n)R
Em
R
、Em)R
(8)
ti/
Imax
(空
(』T/
1e
Em
R
m)l
R
式中,T/;mEm/E;ti/
tiT
取R为50,贝U:
Imax=220/R=4.4A
根据设计要求:
电阻参数:
升压斩波电路电压输出选取阻值为50Q电阻。
50〜100V可调,
电流输出最大值为2A,
电感参数:
由丁电感L要尽量大一些否则会出现负载电流断续的情况,所以选择L的值为1mH
续流二极管VD的参数设定:
VD所承受的最大反向电压是当IGBT导通时的电压。
考虑其安全裕度则IGBT的额定电压可以为2〜3倍峰值电压,所以额定电压可为440V〜660V.额定电流33A〜44A,二极管VD与其类似,最大反向电压为220V。
考虑到器件安全裕度,则IGBT的额定电压可以为2〜3倍峰值电压,所以额定电压可为440V〜660V,额定电流33A〜44A,二极管VD与其类似,反向电压为220V。
VD的最大
选择IGBT的型号为IRG4PC40UM额定电压为600V,额定电流为择续流二极管的型号为HFA25TB60其额定电压为600V,额定电流为
40A。
选
25A。
4控制电路及驱动电路
该系统中,控制电路应用SG352融片,驱动电路将控制电路输出的PWMft冲放大至足以驱动功率晶体管,起到开关功率放大作用。
4.1控制电路
4.1.1SG3525控制芯片介绍
SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWMH制芯片,
它简单可靠及使用方便灵活,输出驱动为推拉输出形式,增加了驱动功能;内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PW倾存器,有过流保护功能,频率
可调,同时能限制最大占空比。
SG35256制芯片特点如下:
(1)工作电压范围宽:
8-35V。
(2)5.1(11.0%)V微调基准电源。
(3)振荡器工作频率范围宽:
100H"400KHz
(4)具有振荡器外部同步功能。
(5)死区时间可调。
(6)内置软启动电路。
(7)具有输入欠电压锁定功能。
(8)具有PW颇存功能,禁止多脉冲。
(9)逐个脉冲关断。
(10)双路输出(灌电流/拉电流):
mA侔值)。
SG3525内置了5.1V精密基准电源,微调至1.0%,在误差放大器共模输入电压范围内,无须外接分压电组。
SG3525®增加了同步功能,可以工作在主从模式,也可以与外部系统时钟信号同步,为设计提供了极大的灵活性。
在CT引
脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。
由丁SG3525内部集成了软启动电路,因此只需要一个外接定时电容。
SG352呐部电路中,直流电源Vs从脚15接入后分两路,一路加到或非门;另一路送到基准电压稳压器的输入端,产生稳定的元器件作为电源。
振荡器脚5须外接电容CT,脚6须外接电阻RT。
振荡器频率由外接电阻RT和电容CT决定,振荡器的输出分为两路,一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门;另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端,比较器的反向输入端接误差放大器的输出,误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较,输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲,再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。
其他引脚分别为:
引脚1为反相输入,2为同相输入引脚,3为同步端引脚,4为振荡器输出引脚,7为放电端引脚,8为软启动端引脚,9为补偿引脚,10为闭锁控制引脚,引脚12接地。
4.1.2SG3525外部引脚功能
1
16
2
15
3
14
4
13
5
12
6
11
7
10
8
9
图10SG3525外部管脚图
(1)Inv.input(引脚1):
误差放大器反向输入端。
闭环系统中,该引脚接反
馈信号。
开环系统中,该端与补偿信号输入端(引脚9)相连,构成跟随器。
(2)Noninv.input(引脚2):
误差放大器同向输入端。
在闭环系统和开环系统
中,该端接给定信号。
根据需要,在该端与补偿信号输入端(引脚9)之间接
入不同的反馈网络,可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。
(3)Sync(引脚3):
振荡器外接同步信号输入端。
该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。
(4)OSC.Output(引脚4):
振荡器输出端。
(5)CT(引脚5):
振荡器定时电容接入端。
(6)RT(引脚6):
振荡器定时电阻接入端。
(7)Discharge(引脚7):
振荡器放电端。
该端与引脚5之间外接一只放电电阻,构成放电回路。
(8)Soft-Start(引脚8):
软启动电容接入端。
该端通常接一只5uf的软启动电容。
(9)Compensation(引脚9):
PWM匕较器补偿信号输入端。
在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络,可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。
(10)Shutdown(引脚10):
外部关断信号输入端。
该端接高电平■时控制器输出被禁止。
该端可与保护电路相连,以实现故障保护。
(11)OutputA(引脚11):
输出端A。
引脚11和引脚14是两路互补输出端。
(12)Ground(引脚12):
信号地。
(13)Vc(引脚13):
输出级偏置电压接入端。
(14)OutputB(引脚14):
输出端B。
引脚14和引脚11是两路互补输出端。
(15)Vcc(引脚15):
偏置电源接入端。
(16)Vref(引脚16):
基准电源输出端。
该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。
4.2驱动电路
驱动电路如图11所示,在升压斩波电路中,三极管V的基极接驱动电路的
V-G,发射极E接驱动电路的V-E,结点11、12、13、14为SG3525勺相应引脚。
4.3控制和驱动电路原理图
控制和驱动电路原理图如图12所示,驱动电路主要用来驱动IGBT斩波。
产生PW”号有很多方法,但归根到底不外乎直接产生PWMJ专用芯片、单片机、PLG可编程逻辑控制器等本电路采用直接产生PW啪专用芯片SG3525该
芯片的外围电路只需简单的连接几个电阻电容,就能产生特
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- 升压 直流 电路