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1、电子技术课程设计说明书IGBT升压斩波电路设计学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 2013年12 月目 录1 引言31.1 电力电子技术的介绍31.2 电力电子技术的应用31.3 电力电子技术中的直流变化技术42 系统方案与主电路设计42.1 系统方案42.2 主电路设计42.3 参数计算52.3.1 RLC的计算 5 2.3.2 额定参数的计算63 控制电路的设计63.1 芯片SG3525的介绍 63.2 控制电路原理图74 系统仿真84.1 仿真模型的建立84.2 系统仿真结果与分析115 结论12参考文献 131 引言 11 电力电子技术的介绍电力电子
2、技术(Power Electronics)也称为电力电子学。利用电力电子开关器件组成电力开关电路，利用晶体管集成电路和微处理器构成信号处理和控制系统，对电力开关电路进行实时、适式的控制，可以经济有效地实现开关模式的电力变换和电力控制，包括电压（电流）的大小、频率、相位和波形的变换和控制。是综合了电子技术、控制技术和电力技术的新兴交叉学科。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（Power Electronics）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（如图）对电力电子学进行了描述，认为它
3、是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。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 电力电子技术是一个全新的技术平台，它由电路技术、功率半导体技术、计算机技术以及现代化的控制技术组成。从电力电子技术出现算起，它已经走过了50年的发展历程，也从电子技术中分离出来，成为了一门独立的科学技术。随着科学技术的发展，电力电子技术广泛应用于国民经济的每个工业领域。新千年后，电力电子技术的相关技术得到长足发展，再加上与微电子技术的结合，将使电力电子技术应用前景更为广阔。电力电子技术在发展速度，渗透力、与别的学科
4、的融合程度上都与微电子技术有着相同的特征。这也使电力电子技术有旺盛的生命力，必将迎来更加广阔的发展空间。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的直流电源供电，可以说有电源的地方就有电力电子技术的设备。 1.3 电力电子技术中的直流变化技术直流变换技术已被
5、广泛地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。由于变速器的输入使电网电压经不可控整流而来的直流电压，所以直流斩波不仅起到调压作用，还起到有效抑制网侧谐波电流的作用。2 系统方案与主电路设计 2.1 系统方案 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
6、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。 2.2 主电路设计升压斩波电路设计条件： 1.电源电压：直流Ud=50V 2.输出功率
7、：250W 3.占空比 4 .开关频率5KHz 5.L=100mH 升压斩波电路工作原理图如下所示：图2.1 工作原理图 2.3 参数计算 2.31 RLC的计算根据设计要求，我选择选大小为的直流电压源，选取降压斩波电路的占空比为。因此，输出电压，输出功率。又因为要求输出功率为250W，可计算出负载电阻40。从能量守恒角度分析（假设电感足够大，电流平直），电路达到稳态时，电感在开关开通期间吸收的能量（）与开关关断期间释放的能量（）相等。列出等式： （2-4）解得： （2-5）下面确定电流连续的临界条件：如果在时刻电感电流刚好降到0。则为电流连续与断续的临界工作状态。此时，升压斩波电路的输入输出
8、功率分别为 、忽略损耗，有，于是 （2-6） 联立式（1）（4）（5）得临界电感值为 （2-7）确定电容的计算电容在关断期间释放的能量与开通期间吸收的电荷相等，则电压变化量 （2-8） 则 （2-9）可决定脉动率。计算：由式（6），周期可由开关频率得出为，把、代入上式得出，当时，工作在连续状态下。故选择L=100mH满足电流连续条件。计算：由式（8），要求脉动率，取，计算，代入上式计算出，滤波电容越大，输出电压越平直，故选择满足要求。 2.32额定参数的计算 电力二极管额定参数的计算： 电力二极管承受的电压为：， 确定其额定电压为：200V。 电力二极管流过有效电流为：,额定电流为：。 IGB
9、T电流、电压额定参数选择： IGBT承受电压为：，确定其额定电压为：200V。 IGBT流过有效电流为：,额定电流为：A。3 控制电路的设计3.1 芯片SG3525的介绍PWM控制芯片SG3525 具体的引脚结构图如下所示。其中，脚16 为SG3525 的基准电压源输出，精度可以达到（5.11）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70d
10、B 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 芯片SG3525引脚结构图3.2 控制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
11、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。其电路图如下所示：图3.2 控制电路原理图4 系统仿真4.1仿真模型的建立IGBT升压斩波电路模型主要由直流电源、同步触发脉冲、IGBT、电阻、电感、电容以及电流表、电压表、示波器等部分组成。采用MATLAB面向电气原理结构图方法构成的IGBT升压斩波电路模型如图。图4.1 IGBT升压斩波电路模型相应的参数设置： 由有 有 有L=100mH 有各部分的具体参数设置如下：图4.2 直流电压参数设计图4.3 触发脉冲参数设置待添加的隐藏文字内容2图4.4 IGBT参数设置图4.5 电感值参数设置图
12、4.6 电容值参数设置图4.7 电阻值参数设置4.2系统仿真结果与分析图4.8 IGBT升压斩波仿真波形图仿真结果分析1、电源端输入大小为的直流电压图4.9 输入直流电压2、控制信号图4.10 控制信号3、 电力二极管电流图4.11 电力二极管电流4、 负载电压图4.12 负载电压5、 电感电流图4.13 电感电流6、 电感电压图4.14 电感电压5 结论回顾起此次的电力电子课程之IGBT升压斩波电路设计，感慨颇多，它使我有了很多的心得体会。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。通过查阅大量有关资料，并与同课题同学互相讨论，交流经验和自学，若遇到
13、实在搞不明白的问题就会及时请教老师，使自己经历了不少艰辛，但收获同样巨大，学到了不少知识。通过本次课程设计让我更加的深刻的理解了斩波器的原理，从而由斩波器这个小小的器件体会到了电力电子这门学科的重要性。课程设计不仅需要灵活的运用书本上以及课堂上的知识，还需要自己运用电脑上网搜索相关信心和操作相关的软件来更好的达到设计的目的。这让我不仅巩固了老师所传授的书本上的知识，而且锻炼了自己解决实际问题的能力。通过课程设计还拓宽了知识面，学到了很多课本上没有的知识，报告只有自己去做能加深对知识的理解，任何困难只有自己通过努力去克服才能收获成功的喜悦。在此次电力电力课程设计，我自学MATLAB了软件。通过对
14、电路图的研究，也增强了自己的思考能力。另外，在使用MATLAB软件绘制电路图的过程中，我学到了很多实用的技巧，这也为以后的工作打下了很好的基础。从开始任务到查找资料，到设计电路图，我学到了课堂上学习不到的知识。上课时总觉得所学的知识太抽象，没什么用途，现在终于认识到它的重要性。总的来说，自己的这次课程设计还算比较成功，我相信今后不管做什么课程设计，只要认真思考认真去做，相信都将会有所收获，都会取得成功！ 参 考 文 献1.王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.20092.李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.电子工业出版社.20053.洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社.20064.钟炎平.电力电子电路设计.华中科技大学出版社.2010
