变换电路电力电子课程设计_常用电力电子电路_开关型电力电子变换器

南京工程学院 课程设计任务书 课 程 名 称 院（系、部、中心） 专 业 班 级 姓 名 学 号 起 止 日 期 指 导 教 师 电力电子技术课程设计 题目：硬开关降压型直流变换器设计 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D…

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南京工程学院

课程设计任务书

课 程 名 称 院（系、部、中心） 专 业 班 级 姓 名 学 号

起 止 日 期 指 导 教 师

电力电子技术课程设计

题目：硬开关降压型直流变换器设计

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。

AbstractDC chopper as DC into another fixed voltage DC voltage or adjustable in DC converter, and DC - regenerative power transmission system, charging circuit, switch power, power electronics device and all sorts of electrical equipment transformation in ordinary application. Then appeared such as step-down chopper, booster chopper, lift pressure chopper composite chopper, etc.. the commutation circuit DC chopper technology has been widely used in switching power supply and DC driver, make its smooth acceleration control, and obtain the fast response, managing electric energy effect. All-controlling power electronics device IGBT in traction power transmission and transformation of power transmission and active filter etc widely application.

0、引言

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。

1、BUCK降压斩波主电路及其原理

降压斩波电路的原理图以及工作波形如下图所示。该电路使用一个全控型器件V，图中为IGBT。为在V关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。

Uo

U

降压斩波电路原理图

如上图中V的栅极电压uGE波形所示，在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按指数上升。

当t=t1时刻，控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压uo近似为零负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常是串联的电感L值较大。

至一个周期T结束，在驱动V导通，重复上一周期的过程。当工作处于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如上图所示。负载电压平均值为

Uo

tont

UionUiUi

tontoffT

式中，ton为V处于通态的时间；toff为V处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比。

由上式可知，输出到负载的电压平均值Uo，减小占空比，Uo随之减小。因此将该电路称为降压斩波电路。也称buck变换器。

负载电流平均值为

Io

Uo

R

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。Ud100V由直流电源提供。

2、电阻R。取导通占空比90%，则Uo90V，已知输出功率300W，则

UoP30010

Io,R27。

UO903IO3、IGBT。当=90%时，Uo90V，Imax

UO90

3.3。变换电路电力电子课程设计取2倍裕量，R27

IN3.326.6。IGBT承受的最大截止电压为输入电压Ud100V，取2倍裕量则UN1002200V。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。

90

3.3。由于需要瞬间导通，二极UN100V。最大工作电流为IN27

管的开关速度大，则选择续8A / 200V型号SF84的快速恢复二极管。 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：

L

UOUdUo2fUdI

。设输出为60V，则L

54100541.242m。250001002

取L10m。

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）

C

UOUdUO8Lf2UcUd





54100540.1242uF。所以选择电容2

81050000.1100

C2.2uF。

3、IGBT控制电路的设计

1、控制方式选择

斩波电路有三种控制方式：

1）保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制或脉

冲调宽型：

2）保持导通时间不变，改变开关周期T，成为频率调制或调频型； 3）导通时间和周期T都可调，是占空比改变，称为混合型。

其中第一种是最常用的方法。PWM控制信号的产生方法有很多。这里我使用的是IGBT的专用触发芯片SG3525。 2、芯片介绍

SG3525封装图如下图：

SG3525封装图

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

（3） 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。 3、控制电路原理

由于SG3525的振荡频率可表示为 ：

f

1

Ct(0.7Rt3Rd)

式中:Ct, Rt分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；Rd是与脚7相连的放电端电阻值。根据任务要求需要频率为5kHz，所以由上式可取Ct=1μF,

Rt=70Ω,Rd=50Ω。可得f=5kHz，满足要求。

SG3525有保护的功能，可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压信号来

41、 2是，有5V电压，

5、保护电路设计

1、保护电路设计基本原则

在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，还要设计合适的过电压、过电流、du/dt保护和di/dt 保护电路。 2、过电压保护电路

过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到—定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。

本次设计的电路要求输出电压为10V—90V，所以当输出电压设定时，一旦出现过电压，为了保护电路和器件，应立刻将电路断开，及关断IGBT的脉冲，使电路停止工作。因为芯片SG3525的引脚10端为外部关断信号输入端，所以可以利用SG3525的这个特点进行过压保护。当引脚10端输入的电压等于或超过8V时，芯片将立刻锁死，输出脉冲将立即断开。所以可以从输出电压中进行电压取样，并将取样电压通过比较器输入10端，从而实现电压保护。

过压保护电路图如下图所示。

取样电路

+15V20Ω

10Ω

2k

1k

接入SG3525的10端

过压保护电路图

3、过电流保护电路

当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。

本次设计要求具有过流保护功能，在电流达到6A时动作。因为前面说过，SG3525的引脚10端在输入一个高电平时具有自锁功能，所以仍然可以利用这个方法进行过流保护。主要思想是将过电流转化为过电压。具体的做法是在干路上串联一个很小的功率电阻，再在这个小电阻上并联一个大电阻，从而进行过电流

与过电压的转化。将转化的电压连入比较器于一个基准电压(取0.6V)相比较，就是在基准5.1V经过电阻分压得到0.6V,再将输出经降压后得到5V后连入SG3525的10端。在正常状态下连入的电压小于基准电压，此时，输出一个负的最大值，芯片不会锁死，正常工作。而当过电流时，转化的电压高于基准电压，此时输出一个高电平，芯片的10端锁死，IGBT脉冲断开，电路断开，从而对电路实现过流保护。 过流保护电路如下图

过流保护输入VREF

1k

过流保护电路

1221Ω88.7Ω

接入SG3525的10端

4、IGBT的保护

IGBT如果不采取保护，它很容易损坏。一般认为IGBT要原因有两种：一是IGBT退出饱和区而进入了放大区，使得开关损耗增大；二是IGBT发生短路，产生很大的瞬态电流，从而使IGBT损坏。下面是对IGBT进行设计的保护电路。RC串联电路可以对IGBT进行过电压保护，而反向二极管可以对IGBT进行过电流保护。在无缓冲电路的情况下，IGBT开通时电流迅速上升，di/dt很大；关断时

du/dt很大，并出现很大的过电压。在有缓冲电路的情况下；V开通时C5通过R34向V放电，使ic先上一个台阶，以后因有Li，ic上升速度减慢；V关断时负载电流通过VD向C5分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压。VD和R34的作用是在V关断时，给Li提供释放储能的回路。如下图所示。

IGBT保护电路图

6、仿真电路及其仿真结果

1、仿真电路

2、参数设置

设置电感参数如下图所示：

设置电阻参数如下图所示：

设置电容参数如下图所示：

设置占空比如下图所示：

3、仿真结果

MATLAB的.仿真结果如下（第一个波形为PWM控制信号，第二个为输出电压Uo,第三个是输出电流Io,第四个为流经IGBT的电流）：

=0.1时的仿真结果

=0.5时的仿真结果

=0.9时的仿真结果

4、仿真结果分析

（参考公式 Uo

tont

UIonUIUI）

tontoffT

上面数据中Uo的仿真值与理论值存在着误差，主要原因是由于理论值是在理想情况下求出的，此时Ｌ取值很大，则输出电流可看做不变化。而在仿真电路中，需要根据实际情况Ｌ与不能取到非常大。所以电流、电压不恒定，存在着振荡，使仿真值与理论值存在差异。

此外，我还仿真了在不同的电感值下的结果。最后发现，电感取得越大，输出电压振荡的脉率越小。

7、心得体会

做课程设计我们都感觉入手比较困难，因为它首先要求你对所学的知识都要弄懂，并且能将其联系贯穿起来，因此课程设计是综合性比较强的。这次的电力电子课程设计时间比较紧。首先把设计任务搞清，接下来就是找相关资料，然后对资料进行整理。书上原理性的东西与真正的动手操作还是有很大的区别的，要考虑很多因素，比如说，参数的选取和设定，这些对实验结果是有很大的影响的。

在完成课程设计的同时我们也再复习了一遍电力电子这门课程，对于以前一知半解的问题有了更深刻的认识。

通过这次课程设计，使我明白了自身的不足，还有就是学习上存在的以应试为目的的陋习，自己真正学到的知识还是相当有限的，而且都是很死板的知识，并没有做到活学活用。而且，在软件学习方面还要有很大的提升的需要。变换电路电力电子课程设计

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