电力电子课程设计-参考模板..

课程设计说明书

题目名称：10～40V降压直流斩波电路实验装置

系部：电力工程系

专业班级：

学生姓名：

学号：

指导教师：张海丽

完成日期：

新疆工程学院

课程设计评定意见

设计题目10～40V降压直流斩波电路实验装置

系部电力工程系专业班级

学生姓名学生学号

评定意见：

评定成绩：

指导教师（签名）：

年月日

评定意见参考提纲：

1、学生完成的工作量与内容是否符合任务书的要求。

2、学生的勤勉态度。

3、设计或说明书的优缺点，包括：学生对理论知识的掌握程度、实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力等。

新疆工程学院

电力工程系(部)课程设计任务书

学年第学期年月日

教研室主任（签名）系（部）主任（签名）

摘要

直流斩波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斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波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。全控型电力电子器件IGBT在牵引电传动电能传输与变换、有源滤波等领域得到了广泛的应用。

TDC-1型学习机是为了配合高等工科院校及高等专科技术学校的“电力电子”或“半导体变流技术”等课程中的直流斩波电路实验并根据当今电力电子技术的发展方向及应用而设计的新型实验装置。该学习机面板上画有原理图。各测试点均装有测试探头可以钩住的端子。测试电压及波形十分方便。使学生在实验课中安全、方便、直观地观察到各种电压、电流的波形及数据。

关键词：直流电力电子变换电路

目录

1绪论 (1)

1.1直流斩波电路的介绍 (1)

1.2直流斩波电路的发展前景 (1)

2降压直流斩波电路设计 (2)

2.1 降压斩波电路工作原理 (2)

2.2 主电路元器件参数选择 (5)

3 驱动电路的设计 (7)

3.1 IGBT驱动电路选择 (7)

4 整流电路的设计 (9)

4.1 整流电路 (9)

4.2 工作原理 (10)

4.3 参数计算 (11)

4.4 整流电路的选定 (12)

5 控制电路的设计 (13)

5.1 芯片介绍 (13)

5.2 IGBT控制电路的设计 (14)

6 保护电路的设计 (15)

6.1 保护电路设计基本原则 (15)

6.2 保护电路的设计 (15)

6.2.1 过电压保护电路 (15)

6.2.2 过电流保护电路 (16)

7 生成总的电路图 (18)

7.1 总原理图 (18)

7.2 此电路的主要功能 (18)

总结 (19)

致谢 (20)

参考文献 (21)

1绪论

1.1直流斩波电路的介绍

直流变换技术已被广泛的应用于开关电源及直流电动机驱动中，如不

间断电源（UPS ）、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及20世纪80年代兴起的电动汽车的控制。从而使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。直流变换系统的结构如下图1.1所示。由于变速器的输入是电网电压经不可控整流而来的直流电压，所以直流斩波不仅能起到调压的作用，同时还能起到有效地抑制网侧谐波电流的作用。

图1.1 直流变换系统结构

1.2直流斩波电路的发展前景

直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开关电源则是斩波电路应用

的新领域，前者的应用是逐渐萎缩，而后者的应用方兴未艾、欣欣向荣，是电力电子领域的一大热点。

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。直流变换电路的用途非常广泛，包括直流电动机传动、开关电源、单相功率因数校正，以及用于其他领域的交直流电源。斩波器的工作方式有：脉宽调制方式（T 不变，改变on t ）和频率调制方式（on t 不变，改变T ）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 变换器发生了质得变化和飞跃。美国VICOR 公司设计制造得多种ECI 软开关DC/DC 变换器，最大输出功率有300W 、600W 、800W 等，相应得功率密度为（6.2、10、17）3/cm W ，效率为（80—90）%。日本NemicLambda 公司最新推出得一种采用软开关技术得高频开关电源模块RM 系列，其开关频率为200—300KHz,功率密度已达273/cm W ，采用同步整流器（MOS-FET 代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90%。

2降压直流斩波电路设计

2.1 降压斩波电路工作原理

完整的降压斩波电路除起降压器作用的主电路之外还要有驱动电路，控制电路和保护电路。其结构框图如图2.1所示。

图2.1 电路结构框图

在图2.1结构框图中，控制电路是用来产生IGBT的控制信号的，控制电路产生的信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换成电压信号加在IGBT的控制端跟公共端之间，使其开通或关断，达到控制主电路的目的。

电路的原理图及工作波形如图2.2所示。

图2.2 降压斩波电路主电路及工作波形

此电路使用一个全控型器件IGBT，图中为V，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。并设置了续流二极管VD，在IGBT关断时给负

载中电感电流提供通道。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2.2中Em 所示。

工作原理：当0=t 时刻驱动IGBT 导通，电源E 向负载供电，负载电压

E u o =，负载电流o i 按指数曲线上升。

当 1t t =时控制IGBT 关断，二极管VD 续流，负载电压o u 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。

基于分时段线性电路这一思想，按IGBT 处于通态和处于断态两个过程

来分析，初始条件分电流连续和断续。

电流连续时得出：负载电压的平均值为： E E T

t E t t t U on off on on O α==+=式中on t 为IGBT 处于通态的时间，off t 为IGBT 处于断态的时间，T 为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比。负载电流平均值为R

E U I m o o -=。 R E m e e I I ???? ??---==1110min ραρ；R E m e e I I ???

? ??---==--ραρ1120max 。式中T t on =α，τρT =，R L =τ,E E m m =。把上式用泰勒级数近似，可得()o I R

E m I I =-≈≈α2010。平波电抗器L 为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。从能量传递关系简单地推得，一个周期中，忽略电路中的损耗，则电源提供的能

量与负载消耗的能量相等，即T I E T RI t EI o m o on o +=2。则R

E E I m o -=α。假设电源电流平均值为1I ，则有o o on I I T t I α==1

其值小于等于负载电流0I 电流断续的条件：1

1-->ραρe e m 。输出电压平均值为：()T

E t t T E t U M x on on --+=o 负载电流平均值为：R

E U I m o o -=

。电流断续时，负载电压平均值会被抬高，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：

（1）脉冲宽度调制：保持开关周期T 不变，调节开关导通时间on t

（2）频率调制：保持开关导通时间on t 不变，改变开关周期T 。

（3）混合型：on t 和T 都可调，使占空比改变。

2.2 主电路元器件参数选择

主电路中需要确定参数的元器件有直流电源、IGBT 、二极管、电感、电容、电阻，其参数选择如下说明：

1、直流电源。()V U d 100=由直流电源提供。

2、电阻R 。取导通占空比%90=α，则()V U o 90=，已知输出功率300W ， 则()A U P I o o 31090300=== Ω==27o

o I U R 。 3、IGBT 。当%90=α时，()V U o 90=，()A R U I o 33.327

90max ===取2倍裕量，()A I N 66.6233.3=?=。IGBT 承受的最大截止电压为输入电压()V U d 100=，取2倍裕量则()V U N 2002100=?=。由此两数据选择IGBT 型号为GT8Q101。

4、二极管VD 。VD 承受最大反相电压为100V ，即为其最大工作电压。

()V U N 100=最大工作电流为()A R U I N N 70.327

100===由于需要瞬间导通，二极 管的开关速度大，则选择续8A/200V 型号SF84的快速恢复二极管。其开关频率为5KHZ 。

5、电感L 。选择大电感，使得电路能够续流。此时的临界电感为（设输出电压为60V ）：

()()mH mH I fU U U U L o d o d o 36.0106.366

.610050002601006024=?=???-?=-=-，考虑裕量后取mH L 1=.

6、电容 C 。由输出电压脉率要求小于10%，选择电容（输出电压为60V ）

()()F F U U Lf U U U C d C o d o μ2.1102.1100

1.050001860100608622=?=????-?=?-=-，所以选择常用电容F C μ

2.2=。

7、整流桥二极管的选择。在桥式整流电路中，每只二极管只在输入电压的半个周期内导通，因此二极管的平均电流只有负载电阻上平均电流的一半，即()()L AV O AV D R U I I 245.02==

。在二极管不导通期间，承受反压的最大值

就是变压器二次测电压2U 的最大值，即 22U U RM =，根据上面的选择原则可知选择二极管的最大整流电流L

o F R U I I 255.021

.1=≥，最大反向电压221.1U U R ≥。 8、滤波电容的选择：L

R T C 25=

3 驱动电路的设计

3.1 IGBT 驱动电路选择

PWM 控制信号由于强度不够，不能够直接去驱动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。因而设计中还需要有带电器隔离的部分。所以我采用光电耦合式驱动电路。

一、驱动电路原理

如图3.1所示，IGBT 降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。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。采用推挽电路进行放大的原因是因为驱动IGBT 的电压叫高，约为12V 左右，而SG3525芯片提供的电压只有5V 左右，直接连入无法驱动IGBT 。并且推挽式电路简单实用，故用推挽式进行电压放大。IGBT 是电压控制型器件，在它的栅极-发射极间施加十几V 的直流电压，只有A μ级的漏电流流过，基本上不消耗功率。但IGBT 的栅极-发射极间存在着较大的寄生电容（几千至上万pF ），在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数安电流，才能满足开通和关断的动态要求，这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。

图3.1 IGBT 驱动电路

二、IGBT 的门极驱动条件密切地关系到他的静态和动态特性。门极电路的正偏压GS u 、负偏压GS u -和门极电阻RG 的大小，对IGBT 的通态电压、开关、开关损耗、承受短路能力及dt du /电流等参数有不同程度的影响。其

中门极正电压GS u 的变化对IGBT 的开通特性，负载短路能力和dt du GS /电流有较大的影响，而门极负偏压对关断特性的影响较大。同时，门极电路设计中也必须注意开通特性，负载短路能力和由dt du GS /电流引起的误触发等问题。根据上述分析，对IGBT 驱动电路提出以下要求和条件：

由于是容性输出输出阻抗；因此IBGT 对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路。

(2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电，以保证门及控制电压GS u 有足够陡峭的前、后沿，使IGBT 的开关损耗尽量小。另外，IGBT 开通后，门极驱动源应提供足够的功率，使IGBT 不至退出饱和而损坏。

(3)门极电路中的正偏压应为+12～+15V ；负偏压应为-2V ～-10V 。

(4)IGBT 驱动电路中的电阻g R 对工作性能有较大的影响，g R 较大，有利于抑制IGBT 的电流上升率及电压上升率，但会增加IGBT 的开关时间和开关损耗；g R 较小，会引起电流上升率增大，使IGBT 误导通或损坏。g R 的具体数据与驱动电路的结构及IGBT 的容量有关，一般在几欧～几十欧，小容量的IGBT 其g R 值较大。

(5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT 的自保护功能。IGBT 的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防静电措施情况下，IGBT 的G ～E 极之间不能为开路。

IGBT 驱动电路分类驱动电路分为：分立插脚式元件的驱动电路；光耦驱动电路；厚膜驱动电路；专用集成块驱动电路。本文设计的电路采用的是专用集成块驱动电路。

IGBT 驱动电路分析随着微处理技术的发展(包括处理器、系统结构和存储器件)，数字信号处理器以其优越的性能在交流调速、运动控制领域得到了广泛的应用。一般数字信号处理器构成的控制系统，IGBT 驱动信号由处理器集成的PWM 模块产生的。而PWM 接口驱动能力及其与IGBT 的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。为此，目前已经研制出多种专用的IGBT 集成驱动电路。这些集成块速度快，为了提高安全性，内部设有保护电路。它还具有高抗干扰能力，可实现IGBT 的最优驱动。

4 整流电路的设计

4.1 整流电路

整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。

按组成器件可分为不可控电路、半控电路、全控电路三种：

（1）不可控整流电路完全由不可控二极管组成，电路结构一定之后其直流整流电压和交流电源电压值的比是固定不变的。

（2）半控整流电路由可控元件和二极管混合组成，在这种电路中，负载电源极性不能改变，但平均值可以调节。

（3）在全控整流电路中，所有的整流元件都是可控的（SCR、GTR、GTO 等），其输出直流电压的平均值及极性可以通过控制元件的导通状况而得到调节，在这种电路中，功率既可以由电源向负载传送，也可以由负载反馈给电源，即所谓的有源逆变。

按电路结构可分为零式电路和桥式电路：

（1）零式电路指带零点或中性点的电路，又称半波电路。它的特点所有整流元件的阴极(或阳极)都接到一个公共接点﹐向直流负载供电﹐负载的另一根线接到交流电源的零点。

（2）桥式电路实际上是由两个半波电路串联而成，故又称全波电路。

按电网交流输入相数可分为单相电路、三相电路和多相电路：

（1）对于小功率整流器常采用单相供电；单相整流电路分为半波整流，全波整流，桥式整带平衡电抗器的双反星型可控整流电路流及倍压整流电路等。

（2）三相整流电路是交流测由三相电源供电，负载容量较大,或要求直流电压脉动较小，容易滤波。三相可控整流电路有三相半波可控整流电路，三相半控桥式整流电路，三相全控桥式整流电路。因为三相整流装置三相是平衡的﹐输出的直流电压和电流脉动小，对电网影响小，且控制滞后时间短，采用三相全控桥式整流电路时，输出电压交变分量的最低频率是电网频率的6倍，交流分量与直流分量之比也较小，因此滤波器的电感

量比同容量的单相或三相半波电路小得多。另外，晶闸管的额定电压值也较低。因此，这种电路适用于大功率变流装置。

（3）多相整流电路随著整流电路的功率进一步增大(如轧钢电动机，功率达数兆瓦)，为了减轻对电网的干扰﹐特别是减轻整流电路高次谐波对电网的影响，可采用十二相﹑十八相﹑二十四相，乃至三十六相的多相整流电路。采用多相整流电路能改善功率因数，提高脉动频率，使变压器初级电流的波形更接近正弦波，从而显著减少谐波的影响。理论上，随着相数的增加，可进一步削弱谐波的影响。多相整流常用在大功率整流领域，最常用的有双反星中性点带平衡电抗器接法和三相桥式接法。

按控制方式可分为相控式电路和斩波式电路（斩波器）：

（1）通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。

（2）斩波器就是利用晶闸管和自关断器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断的时间变化来改变负载电压平均值，亦称直流-直流变换器。它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，广泛应用于直流牵引的变速拖动中，如城市电车、地铁、蓄点池车等。斩波器一般分降压斩波器，升压斩波器和复合斩波器三种。

4.2 工作原理

单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，其电路如图4.1所示。

图4.1 单相桥式整流电路

图4.1 单相桥式整流电路

在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。根据图4.1的电路图可知：当正半周时二极管1VD 、4VD 导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。当负半周时二极管2VD 、3VD 导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电路的波形图见图4.2。

4.3 参数计算

根据图8（b ）可知，输出电压是单相脉动电压。通常用它的平均值与直流电压等效。 输出平均电压为：22029.02

2sin 21U U t td U U o ===?πωωππ

； 流过负载的平均电流为：R U I 2o 9.0=

； 流过二极管的平均电流为R

U I I o VD 245.02==； 二极管所承受的最大反向电压：22U U TM =。

4.4 整流电路的选定

本设计采用桥式电路整流：由四个二极管组成一个全桥整流电路. 对整流出来的电压进行傅里叶变换得

??

? ??---=...6cos 3544cos 1542cos 3422t t t U U i o ωπωπωππ 由整流电路出来的电压含有较大的纹波，电压质量不太好，故需要进行滤波。本电路采用RC 滤波器,因为电容滤波的直流输出电压Uo 与变压器副边电压U2的比值比较大，而且适用在小电流、整流管的冲击电流比较大的电路中。因此本电路选用电容滤波.因为本电路要求有稳定的输出因此还需用到稳压二极管进行稳压。

整流电路的原理图如图4.3所示：

图4.3 整流电路原理图

输入端接220V 、50Hz 的市电，进过变压器T1（原线圈/副线圈为4/1）后输出55V 、50Hz 。当同名端为正时1VD 、4VD 导通，2VD 、3VD 截止，电压上正下负。当同名端为负时1VD 、4VD 截止，2VD 、3VD 导通，电压同样是上正下负，从而实现整流。电感具有电流不能突变，通直流阻交流特性，因此串联一个电感可以提高直流电压品质。而电容具有电压不能突变，通交流阻直流特性，因此并联一个大电容可以滤除杂波，减小纹波。结合两种元器件的特性，组成上图整流电路，可以得到比较理想的直流电压（幅值为50V 左右）。

5 控制电路的设计

5.1 芯片介绍

SG3525芯片图如下图5.1：

图5.1 SG3525芯片图

SG3525各引脚具体功能：

（1）引脚1：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。

（2）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之间接入信号不同的反馈网络。

（3）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外电路同步。

（4）引脚4：振荡器输出端。

（5）引脚5：振荡器定时电容接入端。

（6）引脚6：振荡器定时电阻接入端。

（7）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，形成放回路。

（8）引脚8：软启动电容接入端。

（9）引脚9：PWM 信号输入端。

（10）引脚10：外部关断信号输入端。

（11）引脚11：输出端A 。

（12）引脚12：信号地。

（13）引脚13：输出级偏置电压接入端。

（14）引脚14：输出端B 。

（15）引脚15：偏置电源接入端。

（16）引脚16：基准电源输出端。

SG3525芯片特点如下：

（1） 工作电压范围：8-35V 。

（2） 5.1V 微调基准电源

（2） 振荡器频率工作范围：100Hz-500kHz 。

（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 锁存功能，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)

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。

5.2 IGBT 控制电路的设计

由于SG3525的振荡频率可表示为 ：()

Rd R C f t t 37.01+= 式中:t C 、t R 分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；d R 是与脚7相连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为kHz 5，所以由上式可取t C =1F μ, t R =70Ω,d R =50Ω。可得kHz f 5=，满足要求,其电路如图5.2