直流斩波电路设计
更新时间:2024-01-14 00:22:02 阅读量: 教育文库 文档下载
第一章 电路总体思路,基本结构和原理框图
1.1 电路总体思路
直流斩波电路功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电,也称为直接直流—直流变换器。
在设计直流斩波电路过程中,日常所用的电源一般都是220V交流电,在设计中首先通过变压器降压,然后用整流电路将交流电转变为直流电,经过绿波电路滤掉高次谐波,从而获得直流斩波电路的输入电压。控制和驱动电路,采用直接产生PWM的专用芯片SG3525,该芯片的外围电路只需简单的连接几个电阻电容,就能产生特定频率的PWM波,通过改变IN+输入电阻就能改变输出PWM波的占空比,故在IN+端接个可调电阻就能实现PWM控制。为了减少不同电源之间的相互干扰,SG3525输出的PWM经过光电耦合之后才送至驱动电路,通过驱动电路对信号进行放大,放大后的电压可以直接驱动IGBT。此电路具有信号稳定,安全可靠等优点。因此他适用于中小容量的PWM斩波电路。过压和过流保护电路,均采用反馈控制,将过流过压信号反馈到芯片SG3525的输入,从而起到调节保护作用。 1.2 基本结构
直流斩波电路一般主要可分为主电路模块,控制电路模块和驱动电路模块三部分组成。
主电路模块, 主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和直流斩波电路组成,其中主要由全控器件IGBT的开通与关断的时间占空比来决定输出电压u。的大小。
控制电路模块,可用直接产生PWM的专用芯片SG3525来控制IGBT的开通与关断。
驱动电路模块,驱动电路把控制信号转换为加在IGBT控制端
和公共端之间,用来驱动IGBT的开通与关断。 1.3 原理框图
电力电子器件在实际应用中,一般是由控制电路,驱动电路,保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号,通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断。来完成整个系统的功能。因此,一个完整的降压斩波电路也应包括主电路,控制电路,驱动电路和保护电路这些环节。
直流斩波电路由电源、变压器、整流电路、滤波电路、主电路、控制和驱动电路及保护电路组成。如图1—1所示:
电源 变压器 整流 电路 滤波电路 控制和驱动电路 保护电路 直 流 斩 波 电 路
图1—1 总电路原理框图
第二章 主电路各单元的设计
2.1 直流供电电路和滤波电路
生活中现有的都为交流电,所以斩波电路的输入电压需由交流电经整流得到。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.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RL低通滤波器(通过
串联一个电感,滤除电流的高次谐波,并联一个电容滤除电压的高次谐波),以减小纹波。原理图如下图2—1所示:
图2—1 供电电路和滤波电路
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D1、D4导通,D2、D3截止,电压上正下负。当同名端为负时D1、D4截止,D2、D3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)。
2.2 升压斩波电路 2.2.1 工作原理
假设L和C值很大。
V处于通态时,电源E向电感L充电,电流恒定I1,电容C向
负载R供电,输出电压Uo恒定。
V处于断态时,电源E和电感L同时向电容C充电,并向负载提供能量。
2.2.2 数量关系
设V通态的时间为ton,此阶段L上积蓄的能量为 设V断态的时间为toff,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:
T/toff>1,输出电压高于电源电压,故为升压斩波电路
电压升高得原因:电感L储能使电压泵升的作用
电容C可将输出电压保持住
2.3 降压斩波电路 2.3.1 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。
VEiGVDLioR+uoMEM-iGOiotonTi1I10Ouoi2I20t1Etta) 电路图tofftOiGiGOioOuoOtoni1Et1b)电流连续时的波形toffTtI20txi2t2EEMttc)电流断续时的波形
2.3.2 数量关系 负载电压平均值:
ton——V通的时间 toff——V断的时间 a--导通占空比 负载电流平均值:
2.4 Cuk 斩波电路
第三章 控制和驱动电路
3.1 芯片SG3525简介
PWM控制芯片SG3525 具体的内部引脚结构如图3-1及图3-2所示。其中,脚16 为SG3525 的基准电压源输出,精度可以达到(5.1±1%)V,采用了温度补偿,而且设有过流保护电路。脚5、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,直流开环增益为70dB 左右。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。
图3-1 SG3525的引脚
图3-2 SG3525的内部框图
3.2 控制和驱动电路原理图
此电路主要用来驱动IGBT斩波。产生PWM信号有很多方法,但归根到底不外乎直接产生PWM的专用芯片、单片机、PLC、可编程逻辑控制器等本电路采用直接产生PWM的专用芯片SG3525.该芯片的外围电路只需简单的连接几个电阻电容,就能产生特定频率的PWM波,通过改变IN+输入电阻就能改变输出PWM波的占空比,故在IN+端接个可调电阻就能实现PWM控制。为了提高安全性,该芯片内部还设有保护电路。它还具有高抗干扰能力,是一款性价比相当不错的工业级芯片。
为了减少不同电源之间的相互干扰,SG3525输出的PWM经过光电耦合之后才送至驱动电路。其电路图如下图 3-3所示:
图 3-3 控制和驱动电路
工作原理:通过R2、R3、C3结合SG3525产生锯齿波输入到SG3525的振荡器。
其产生的PWM信号由OUTA、OUTB输出,调节R7可以改变占空比。输出的PWM信号通过二极管D6、D7送至光电耦合器U2,光耦后通过驱动电路对信号进行放大。放大后的电压可以直接驱动IGBT。此电路具有信号稳定,安全可靠等优点。因此他适用于中小容量的PWM斩波电路。
3.3 保护电路
升压斩波电路需同时具有过压和过流保护功能,分别如图3-4
所示,均采用反馈控制,将过流过压信号反馈到芯片SG3525的输入,从而起到调节保护作用。同时芯片SG3525也可完成一定的保护功能,例如,脚8软起动功能,避免了开关电源在开机瞬间的电流冲击,可能造成的末级功率开关管的损坏。
图3-4 电压和电流保护电路
3.4 参数计算
由设计要求可取直流输入电压Ud=50V, Uo=340V, 则: (1) 占空比α=1-50/340=0.85.
(2) 交流侧二次电压有效值U2=Ud/1.2=41.7V; 取交流一次电压有效值U1=220V 变压器变比K=U1/U2=220/41.7=5.3。 (3) 输出功率为100W,所以负载电阻R=
UO2P=1156Ω,取1200Ω;
负载电流I2=UO/R =0.28,电源电流I1=(I2α)/β=1.59 A。 二极管承受反向最大电压 UDM=1.414U2=1.414×41.7=59V (4) 考虑3倍裕量,则UTN =3×59V=177V; 平均电流ID=0.5×I2=0.14, 选取 1N4003,其参数为最大反向峰值电压为200V,平均电流为1A.
(5) 滤波电容选择C1一般根据放电的时间常数计算,负载越大,要求纹波系数越小,一般不做严格计算,多取2000 μF以上。因该系统负载不大,故取C1=2200 μF,耐1.5UDM=1.5×78.6=117.9V取120V即选用2200uF、120V电容器。
(6) 电感值一般选择极大值,以保证电流连续且脉动很小,所以取L1= 0.3mH,
L2 =50m H。
(7) IGBT的选择
因为U2=41.7V,取3倍裕量,选耐压为150V以上的IGBT。由于IGBT是以最大标注且稳定电流与峰值电流间大致为4倍关系,故应选用大于4倍额定负载电流的IGBT为宜,因此选用7A,额定电压600V左右的IGBT,选GT8Q101,其参数为最高耐压为1200V,最大电流为8A.
第四章 实验仿真与分析
4.1 仿真软件Matlab简介
在科学研究和工程应用中,往往要进行大量的数学计算,其中包括矩阵运算。这些运算一般来说难以用手工精确和快捷地进行,而要借助计算机编制相应的程序做近似计算。目前流行用
Basic、Fortran和c语言编制计算程序, 既需要对有关算法有深刻的了解,还需要熟练地掌握所用语言的语法及编程技巧。对多数科学工作者而言,同时具备这两方面技能有一定困难。通常,编制程序也是繁杂的,不仅消耗人力与物力,而且影响工作进程和效率。为克服上述困难,美国Mathwork公司于1967年推出了“Matrix Laboratory”(缩写为Matlab)软件包,并不断更新和扩充。目前最新的5.x版本(windows环境)是一种功能强、效率高便于进行科学和工程计算的交互式软件包。其中包括:一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等应用程序,并集应用程序和图形于一便于使用的集成环境中。在此环境下所解问题的Matlab语言表述形式和其数学表达形式相同,不需要按传统的方法编程。不过,Matlab作为一种新的计算机语言,要想运用自如,充分发挥它的威力,也需先系统地学习它。但由于使用Matlab编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致,所以不象学习其它高级语言--如Basic、Fortran和C等那样难于掌握。实践证明,你可在几十分钟的时间内学会Matlab的基础知识,在短短几个小时的使用中就能初步掌握它.从而使你能够进行高效率和富有创造性的计算。 Matlab大大降低了对使用者的数学基础和计算机语言知识的要求,而且编程效率和计算效率极高,还可在计算机上直接输出结果和精美的图形拷贝,所以它的确为一高效的科研助手。自推出后即风行美国,流传世界。
4.2 仿真电路及分析
打开仿真参数窗口,选择ode23tb算法,按图4-1连接好仿真电路图。相对误差设置为1e-03,开始仿真时间设置为O.0194s,停止仿真时间设置为21.2e-3s,控制脉冲周期设置为O.0001 s(频
率为1 0000Hz),控制脉冲占空比为50%。各元器件参数按计算出来的参数设置。输入电压为100V,负载并联LRC,参数设置为R=50Ω,C=3e-6 F,平波电感串联LRC,参数设置为148e-5 H。
降压斩波电路
升压斩波电路
Cuk 斩波电路
148e-05 H 20%
图4-3 cuk斩波电路占空比20%时仿真结果
电感参数为50e-05 H 80%
图4-2 cuk斩波电路占空比80%时仿真结果
4.3 仿真结果及误差分析
参数设置完毕后,启动仿真,得到图4-2的仿真结果,输出电压为340V。
在原电路的基础上,改变占空比为50%时的仿真结果如图4-3所示,理论输出电压为100V.
通过以上的仿真过程分析,仿真结果基本符合理论计算值,本次设计取得成功。可以得到下列结论:(1)直流变换电路主要以全控型电力电子器件作为开关器件,通过控制主电路的接通与断开,将恒定的直流斩成断续的方波,经滤波后变为电压可调的直流输出电压。利用Simulink对升降压斩波的仿真结果进行了详细分析,与采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较,进一步验证了仿真结果的正确性。
存在误差,但在误差允许范围之类,分析误差原因有以下两点:第一,电感值和电容值取不到无穷大,造成电流电压脉动。第二,整流滤波出来的电压并没完全消除高次谐波,这些谐波会影响仿真结果。
第五章 总结与体会
经过两周的电力电子课程设计让我懂了很多,也得到了很多的收获,受益匪浅。不仅仅是在知识方面得到了提升,在交流方面也有了进一步提高。
刚刚看到这个课程设计任务书时,对这些课题很熟悉却无从入手,课本上都有提到,但有些不大全面。考虑了很久,才确定了设计课题,那就是“降压斩波电路设计”这个课题时,在复习这章节的同时,也去了图书馆找了很多资料以便更广地了解这部分的内容,再不懂得地方请教老师,还有自己网上查资料。经过几天的努力,终于有了一个电路的基本框架,知道了一个完整的电路应该包含几部分,各部分之间的连接又应该注意些什么问题
等等。
知道了大概的模块之后,我对认真地设计每个模块,在设计过程中发现问题后,可以再加于完善。实在不懂的问题,可以和团队交流,再者就是查资料。也正因此,我对直流降压斩波电路有了更深的认识和了解,同时,也加强了自己的文件检索能力,特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。为了能够是设计更加合理,对很多实际问题也进行了比较深入的思考。比如,保护电路这个模块。所以在很大程度上提高了思考能力和解决实际问题的能力。
尤其在控制电路这个环节,花费了很多心思。首先通过不断地查资料,了解PWM控制器(SG3525)的运用,具体理解每个引脚代表什么,功能是什么。毕竟是第一次进行课程设计,能力不够,所以很多问题都没有考虑周到,有些难题是和同学们商量才得出的结果,期间和同组的组员做了很多的沟通和商量,从而解决了很多问题,这在合作上也是一个不小的进步。同时,老师也给予了很多的指导和意见,这让我明白了很多东西。
在答辩的时候,拿着自己的设计进行说明,老师帮助我们发现了问题,并提出了很多改进的意见,由此才得到了最后的设计图。撰写这份报告也很用心,花了很多的时间,提高了课程设计报告的撰写水平,这对以后写一些比较正式和重要的报告而言是很有好处的
这次的设计经验,在以后的学习、设计中提供了基础。也让我懂得无论多么大的设计,应该分模块去完成,才会把看似难题的东西解决掉。
参考文献
1. 王兆安、刘进军,《电力电子技术》第五版 北京:机械工业出版社,2010;
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清华大学出版社,2007;
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5. 王维平,现代电力电子技术及应用,南京:东南大学出版社,1999;
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北京:机械工业出版社,2001;
附件(完整电路图)
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