电力电子斩波电路课程设计.docx
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电力电子斩波电路课程设计
直流斩波(DCChopper)
一、综述
直流斩波电路的功能是将电压固定的直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电,其种类较多,包括六种基本斩波电路:
降压斩波、升压斩波、升降压斩波电路、cuk斩波电路,speic斩波电路,zeta斩波电路。
降压斩波电路
降压式直流电压变换电路的输出电压平均值低于输入直流电压,该电路又叫Buck电路,主要用于直流可调电源和直流电动机驱动中。
工作原理图及工作原理:
当V导通时,E向负载供电,负载电压u0=E,由于大电感L的储能作用,负载电流i0按指数曲线上升,此时续流管VD反向不导通。
当V关断时,大电感L的储能使负载电流i0经二极管VD续流,负载电压u0近似为零,负载电流i0呈指数曲线下降,为了使负载电流连续且脉动小,通常串接L值较大的电感。
一个周期T结束,再驱动V导通,重复周期。
当电路处于稳态时,负载电流在周期的初值与终值相等,负载电压的平均值为:
ton----------------V处于通态的时间;
toff----------------V处于断态的时间;
T=ton+toff----------开关周期;
α--------------------导通占空比。
升压斩波电路
升压斩波电路使输出电压高于输入电压,也称为Boost电路。
常用于直流电动机的再生制动,也用做单相功率因数校正电路及其他直流电源中。
工作原理图及工作原理:
假设L、C值很大。
当V处于通态时,VD隔离二极管处于反向阻断状态,电源E向电感L充电,充电电流基本恒定为I1,同时电容C向负载R供电,输出电压U0为恒定值。
当V处于断态时,VD导通,电源E和电感L同时向电容C充电,并向负载提供能量。
电路数量关系:
V通态时间ton,在此阶段电感L上积蓄的能量为;
V断态时间toff,在此期间电感L上释放的能量为稳态时
稳态时,积蓄与释放的能量相等即:
T/toff大于1,输出电压高于电源电压,升压斩波电路。
升降压斩波电路
升降压斩波电路是由降压式和升压式两种基本变换电路混合串联而成的,也称为Buck-Boost电路。
主要用于可调直流电源。
工作原理图及工作原理:
当斩波开关V导通时,电源E经V向L供电,L存储能量,VD处于阻断态,C维持电压并向负载R供电。
当V处于断态时,VD导通,电感L储存的能量向电容C和R释放。
可见负载电压极性为上负下正,与电源极性相反,所以,输入与输出电压极性相反,也称为反号型变换器。
输入电流和L、C回路的电流为脉动,但经过滤波电容的作用,负载电流可连续。
此电路特点:
改变开关占空比,可升压或降压,但应用电路复杂,输入输出的电流是脉动的,为了平波要加滤波器。
数量关系
当0<α<1/2时为降压,当1/2<α<1时为升压,故称升降压斩波电路
Cuk斩波电路
Cuk斩波电路因为其输出电压平均值Uo既可以大于也可以小于输入电压Ud,它也是一种升降压斩波电路。
通过控制晶体管V导通时间的占空比,可以在0到无穷之间控制输出电压。
原理图及工作原理:
V通时,E—L1—V回路和R—L2—C—V回路有电流
V断时,E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路有电流
输出电压的极性与电源电压极性相反
电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换
数量关系:
稳态时电容上的电流一周期内平均值
V处于通态的时间为ton,电容电流和时间的乘积为I2ton。
V处于断态的时间为toff,电容电流和时间的乘积为I1toff,由此有:
当开关在B点时,A,B点电压为
当开关在A点时,A,B点电压为
A,B点平均电压为
输出电压为
优点(与升降压斩波电路相比):
输入电源电流和输出负载电流都是连续的,且脉动很小,有利于对输入、输出进行滤波
Septic斩波电路
工作原理图及工作原理:
V导通时,E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导电,L1和L2贮能。
V关断时,E—L1—C1—VD—负载回路及L2—VD—负载回路同时导电,此阶段E和L1既向负载供电,同时也向C1充电(C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移)。
Zeta斩波电路
工作原理图及工作原理
V导通时,电源E经开关V向电感L1贮能。
V关断时,L1-VD-C1构成振荡回路,L1的能量转移至C1,能量全部转移至C1上之后,VD关断,C1经L2向负载供电。
二、实验
降压斩波电路的性能研究
原理图及工作波形
工作原理:
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
t=t1时刻控制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电路稳态时,负载电流在一个周期的初值和终值相等
电流连续时,负载电压平均值:
ton——V导通的时间
toff——V断开的时间
a---导通占空比Dutycycle
输出负载电压平均值最大为E,改变占空比可改变输出电压大小,所以此电路为降压斩波电路
负载电流平均值:
电流断续,Uo被抬高,一般不希望出现。
直流降压斩波仿真模型
电路图IGBT的电流
二极管两端电压
电阻两端的电压
根据对输出电压平均值进行调制的方式不同,斩波电路有三种控制方式:
1、保持开关周期T不变,调节导通时间ton,称为脉冲宽度调制(PulseWidthModulation)或脉冲调宽型。
2、保持开关导通时间ton不变,改变开关周期T称为频率调制或调频型。
3、T和ton都调,使占空比改变,称为混合型。
PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一, 从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较,产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始,到目前采用全数字化方案,完成优化的实时在线的PWM信号输出,可以说直到目前为止,PWM在各种应用场合仍占主导地位,并一直是人们研究的热点
PWM信号的工作原理
把正弦波分成N等份,那这些脉冲宽度都相等为π/N,但幅值不等,且脉冲顶部不是水平直线,是曲线,各脉冲的幅值按正弦变化。
如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和相应弦波重合,且使矩形脉冲和相应的正弦波面积相等,这就是PWM波。
SG3525以及简易驱动电路的工作原理
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:
100Hz¬—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PWM琐存功能,禁止多脉冲。
(9)逐个脉冲关断。
(10)双路输出(灌电流/拉电流):
mA(峰值)。
SG3525的工作原理
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还增加了同步功能,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。
由于SG3525内部集成了软启动电路,因此只需要一个外接定时电容。
SG3525的软启动接入端(引脚8)上通常接一个5的软启动电容。
上电过程中,由于电容两端的电压不能突变,因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平,PWM比较器输出高电平。
此时,PWM琐存器的输出也为高电平,该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上,使之无法导通。
只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时,SG3525才开始工作。
由于实际中,基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上,而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。
当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时,误差放大器的输出将减小,这将导致PWM比较器输出为正的时间变长,PWM琐存器输出高电平的时间也变长,因此输出晶体管的导通时间将最终变短,从而使输出电压回落到额定值,实现了稳态。
反之亦然。
外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。
当Shutdown(引脚10)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。
注意,Shutdown引脚不能悬空,应通过接地电阻可靠接地,以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。
欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。
如果输入电压过低,在SG3525的输出被关断同时,软启动电容将开始放电。
此外,SG3525还具有以下功能,即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止,输出都将被中止,直到下一个时钟信号到来,PWM琐存器才被复位。
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,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5.2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
绘制
~
的关系曲线
Ui(R)
14.8
14.8
14.8
14.8
14.8
14.8
14.8
14.8
Uo(R)
1.81
2.0
2.52
2.75
2.96
3.28
3.7
41.5
Uo/Ui
0.122
0.135
0.170
0.186
0.20
0.222
0.25
0.280
(%)
41
44.8
53
58
61
68
75
82
拟合运算程序
x=[41,44.8,53,58,61,68,75,82];
y=[0.122,0.135,0.170,0.186,0.200,0.222,0.250,0.280];
p=polyfit(x,y,1)
p=
-0.9767103.4833
>>x2=41:
1:
82;y2=polyval(p,x2);
plot(x,y,'o',x2,y2),gridon
>>
分析误差产生的原因:
在实际试验中L值不能做到无限大,因此会产生较大的误差,还有仪器仪表的误差,在测量时,脉冲对万用表会产生误差,造成测量的数据不准。
心得体会:
通过这次课程设计,我对电力电子中的斩波电路相关知识有了新的认识,基本掌握了降压斩波电路升压斩波电路升降压斩波电路的工作原理合基本应用,学会了使用有关方针软件,如:
MALTAB等。
通过仿真波形了解到斩波电路具体的工作状态,工作环境,误差大小。
通过自己动手,我可以熟练地运用仿真软件。
总之,通过这次课程设计,我学到了很多。
参考文献
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