升压斩波(1).doc

电力电子技术课程设计电力电子技术课程设计报告 -升压斩波变频技术工程应用 班级：电气1016姓 名：祁小同学 号：19指导老师: 夏志华 日 期: 2012-5-20升压斩波电路设计目录一、课程设计的目的3二、升压斩波电路设计要求3三、升压斩波电路设计方案3（1）升压斩波主电路的设计4（2）驱动电路51、驱动电路要求52、驱动电路的设计5（3）控制电路的设计6SG3525简介7（4）保护电路8 1、IGBT保护电路简介83、过电压、欠电压保护；过电流保护9（5）主电路参数计算及元件选取10四、参考资料11五、元器件清单11六、升压斩波电路Protel总原理图12七、课程设计总结12一、课程设计的目的1、培养文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。2、培养综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3、培养运用知识的能力和工程设计的能力。4、提高课程设计报告撰写水平。二、升压斩波电路设计要求1、输入直流电压：Ud=40V2、开关频率100KHz3、输出电压范围80V120V4、输出电压纹波：小于1%5、最大输出电流：5A6、具有过流保护功能，动作电流：6A7、具有稳压功能8、效率不低于70%三、升压斩波电路设计方案在直流升压电路的设计中，Boost升压电路结构简单，可将不可控的直流输入变为可控的直流输出，广泛应用于可调整直流开关电源和直流电机驱动。Boost电路只有一个开关管，克服了传统串联型稳压电源能耗大、体积大的缺点，具有体积小、结构简单、变换效率高，不存在桥式电路共态导通等优点。本文采用Boost斩波电路为直流升压电路的主电路，并以SG3525为控制核心设计了控制电路，其中包括完善的保护电路，当输入电压为DC 40V 时，输出可基本稳定在DC 100V 系统设计框图如图所示图1系统设计框图输出电压经采样及信号调理以后，送至SG3525的10脚，10脚为PWM信号封锁端， 当该脚为高电平时， 输出驱动脉冲信号被封锁，该脚用于故障保护，将反馈信号接到该引脚形成闭环控制。SG3525产生的PWM波经由隔离驱动电路后驱动Boost斩波电路中的开关器件IGBT，将直流输入电压升压至设定值输出。（1）升压斩波主电路的设计 升压斩波工作原理Boost 型直流变换器的主电路如图1所示, 主电路由全控型器件V（IGBT）、电感L、滤波电容C、二极管VD和负载R 组成。全控型器件的控制脉冲如图2 所示图1 升压斩波电路主电路图V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定，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（有效值为）和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。首先假设电感L值很大，电容C值也很大。当V-G为高电平时，Q1导通，40V电源向L充电，充电基本恒定为。同时电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，基本保持输出电压为恒值。设V处于通态的时间为，此阶段电感L上积储的能量为。当V处于段态时E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。设V处于段态的时间为，则在此期间电感L释放的能量为。当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积储的能量于释放的能量相等，即 = （2-1）化简得 （2-2）上式中的K为占空比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实际应用中的升压斩波电路是电流连续的状态：如图3图3 电流连续升压斩波电路波形（2）驱动电路驱动电路是主电路与控制电路之间的接口。它将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号，对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号驱动电路要求：1）使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义2）对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现3）驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离，并且具有良好的抗干扰能力和温度稳定性。电气隔离，就是将电源与用电回路作电气上的隔离，即将用电的分支电路与整个电气系统隔离，使之成为一个在电气上被隔离的、独立的不接地安全系统，以防止在裸露导体故障带电情况下发生间接触电危险。电气隔离的作用主要是减少两个不同的电路之间的相互干扰。采用电气隔离后，该电路接地时就不会影响整个电网的工作，同时还可通过绝缘监测装置检测该电路对地的绝缘状况，一旦该电路发生接地，可以及时发出警报，提醒管理人员及时维修或处理，避免保护装置跳闸停电的现象发生。在这电路上的电气隔离主要是为了防止主电路上的高压对控制电路上的影响。驱动电路的设计：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。本设计的电路采用的是专用集成块驱动电路。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。用SG3525设计出了一种可靠的IGBT驱动方案。采用光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。采用的光耦是TLP521-1。为了达到最佳波形，在实物调试过程中对光耦两端的电阻进行合理的搭配。（现各取1K）图4驱动电路的原理图（3） 控制电路的设计控制电路需要实现的功能是产生PWM信号，用于可控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节，达到控制输出电压大小的目的。此外，控制电路还具有一定的保护功能。被实验装置的控制电路采用控制芯片SG3525为核心组成。芯片的输入电压为8V到35V。它的振荡频率可在100HZ到500KHZ的范围内调节。在端接可调输入电阻就能改变波的占空比。在芯片的CT端和放电端间串联一个电阻可以在较大范围内调节死区时间。此外，其软起动电路非常容易设计，只需外部接一个软起动电容即可。在SG3525的管脚1、9之间接电阻电容构成超前滞后补偿网络对系统进行稳压。振荡频率100KHZ。控制电路的protel设计电阻电容的取值如图，可得振荡频率：SG3525简介SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。SG3525是定频PWM电路，采用原理16引脚标准DIP封装。其各引脚功能如图1所示，内部原理框图如图2所示1 脚：误差放大器的反相输入端； 2 脚：误差放大器的同相输入端； 3脚：同步信号输入端， 同步脉冲的频率应比振荡器频率fS要低一些； 4 脚：振荡器输出； 5 脚：振荡器外接电容CT端，振荡器频率fs1CT（0.7RT+3R0）, R0为5脚与7脚之间跨接的电阻，用来调节死区时间，定时电容范围为0.0010.1 F； 6 脚：振荡器外接定时电阻RT端，RT值为2150 k； 7 脚：振荡器放电端，用外接电阻来控制死区时间，电阻范围为0500 ； 8 脚：软启动端，外接软启动电容，该电容由内部Vref的50A恒流源充电； 9 脚：误差放大器的输出端； 10脚：PWM信号封锁端， 当该脚为高电平时， 输出驱动脉冲信号被封锁，该脚主要用于故障保护； 11脚：A路驱动信号输出； 12脚：接地； 13脚：输出集电极电压； 14脚：B路驱动信号输出； 15脚：电源， 其范围为835 V； 16脚：内部5 V基准电压输出直流电源Vs从脚15接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的元器件作为电源。振荡器脚5须外接电容CT，脚6须外接电阻RT。振荡器频率厂由外接电阻RT和电容CT决定，振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出，误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。双稳态触发器的两个输出互补，交替输出高低电平，将PwM脉冲送至三极管VT1及VT2的基极，锯齿波的作用是加入死区时间，保证VT1及VT2不同时导通。最后，VTl及VT2分别输出相位相差为180的PWM波。（4）保护电路的设计1、IGBT保护电路简介直流电源中的功率器件IGBT是系统的主要部件，也是最昂贵的部件。由于它工作在高频、高压、大电流的状态，所以也是最容易损坏的部件。因此IGBT的保护工作显得十分重要。保护电路主要有以下几个部分：(1)输出过压保护电路；(2)输入过压、欠压保护电路；(3)IGBT短路保护电路；(4)温度保护电路斩波器的散热设计：热管散热技术是当今国际较流行的散热方式，国内近年来发展较快，被人们称之为热的“超导体”，已广泛用于车辆电传动系统，热管的主要特点：高效的导热性，高度的等温性，热流密度变换能力强，结构多样灵活、重量轻。由于IGBT模块的开关频率高，开关损耗大，特别是对大功率IGBT模块，一般普通型材散热器难以满足要求。热管散热器特别适合于这种安装底板绝缘的大功率IGBT模块散热。目前适合于大功率IGBT模块的热管散热器的热阻可以达到额定标准以下。过电流保护电路：过电流保护采用的是在主电路中串联一个1的电阻，在其两端并联电磁继电器的线圈。过流保护信号取自电阻两端的电压，当主电路的电流高于一定数值时，电磁继电器的开关闭合，接通低电平，该过电流信号还送到SG3525的脚10。在SG3525内部由于T3基极与A端线相连，A端线由低电压上升为逻辑高电平，经过SG3525A的13脚输出为高电平，功率驱动电路输出至功率场效应管的控制脉冲消失。在电路中，过流保护环节还输出一个信号到与门的输入端，当出现过流信号时，检测环节输出一低电平信号到与门的输入端，使脉冲消失，与SG3525的故障关闭功能一起构成双重保护。IGBT的过电流保护IGBT的过流保护电路可分为2类：一类是低倍数的（1.21.5倍）的过载保护；一类是高倍数（可达810倍）的短路保护。对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。 IGBT能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。如饱和压降小于2V的IGBT允许承受的短路时间小于5s，而饱和压降3V的IGBT允许承受的短路时间可达15s，45V时可达30s以上。存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方加大，造成承受短路的时间迅速减小。 通常采取的保护措施有软关断和降栅压2种。软关断指在过流和短路时，直接关断IGBT。但是，软关断抗骚扰能力差，一旦检测到过流信号就关断，很容易发生误动作。为增加保护电路的抗骚扰能力，可在故障信号与启动保护电路之间加一延时，不过故障电流会在这个延时内急剧上升，大大增加了功率损耗，同时还会导致器件的di/dt增大。所以往往是保护电路启动了，器件仍然坏了。 降栅压旨在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。降栅压后设有固定延时，故障电流在这一延时期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件保护十分有利。若延时后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗骚扰能力。 IGBT开关过程中的过电压保护 关断IGBT时，它的集电极电流的下降率较高，尤其是在短路故障的情况下，如不采取软关断措施，它的临界电流下降率将达到数kA/s。极高的电流下降率将会在主电路的分布电感上感应出较高的过电压，导致IGBT关断时将会使其电流电压的运行轨迹超出它的安全工作区而损坏。所以从关断的角度考虑，希望主电路的电感和电流下降率越小越好。但对于IGBT的开通来说，集电极电路的电感有利于抑制续流二极管的反向恢复电流和电容器充放电造成的峰值电流，能减小开通损耗，承受较高的开通电流上升率。一般情况下IGBT开关电路的集电极不需要串联电感，其开通损耗可以通过改善栅极驱动条件来加以控制。3、过电压欠电压保护；过电流保护对电压采样通常有两种方法：一是利用分压电阻进行采样；二是采用电压采样霍尔。综合考虑，采用分压电阻进行采样。由于进行采样的输入电压为100V，故须对采样值进行调理。用滑动变阻器取输出电压、电流与基准电压进行比较，比较结果送至SG3525的10脚，10脚为PWM信号封锁端， 当该脚为高电平时， 输出驱动脉冲信号被封锁，该脚用于故障保护，将反馈信号接到该引脚形成闭环控制。一旦电压或电流超过设定值，关断IGBT触发信号，从而保护IGBT。而电流不能直接取样，但可将电流转化为电压取出，所以在主电路上串联一个0.5/18W的功率电阻，原理同过电压保护。还可在主电路串联一个快速熔断器，电流超过一定值时熔断，保护电路 。欠电压保护原理同过电压保护，只需把取样电压放在比较器负端，基准电压放在正端。过压，过流保护电路示意图 （6）主电路参数计算及器件选型1、输入直流电压40V2、开关频率100KHz3、输出电压：80-120V4、输出电压纹波：小于1%5、最大输出电流：5A6、动作电流6A本次设计输出电压100V，可得K=0.61、功率管Boost电路输入平均电流为：功率管导通时最大峰值电流为：考虑额定电压、电流裕值和元器件成本，选择IDBT模块SGH80N60NUFD（IGBT管反并联二极管）作为Boost电路的功率管，其规格为80A600V。2、二极管通过二极管的最大电流值： 考虑额定电压、电流裕值和元器件成本，选择二极管模块TM90DZCZ-24，其规格为90A1200V。3、升压电感的设计根据储能电感取值的不同，电路可分为连续工作状态和不连续工作状态两种模式。工作在连续、不连续临界情况下的临界电感为：式中，为输出电压；为工作周期；为输出电流，为最小占空比。已知Boost电路输入直流电压为40V，输出直流电压为100V。可推得占空比为 开关管工作频率为100kHz，则可得 ： T=10s，输出电流范围为05A，取A 代人公式 可得： L=96H 实际应用中Boost电路升压设计在连续模式工作区间，故升压电感应大于临界值，取L=1mH4、输出滤波电容的设计电感电流连续模式下，考虑滤波电容器有内部寄生电阻，同时考虑二极管电流，D的纹波电流会全部流进电容器C，以保证负载上得到平直的直流电流。在指定纹波电压限制下，需要电容值最小值：式中：U为纹波电压，U=100X1%=1V，由于在电感充电期间，电容独立为负载供电，故由式计算出的电容值偏小，应留有一定裕量，实际中选择C=100F，耐压值500V。这样纹波电压一定小于1%5、动作电流6A 在主电路串联电阻Rm 0.5。那么当电流为6A时取样的电压为3V，在经过比较器比较，反馈到SG3525 10脚。6、控制电路，反馈等中的电阻电容取值见各部分。四、参考资料1周克宁，电力电子技术北京：机械工业出版社，2004。2王维平，现代电力电子技术及应用。南京：东南大学出版社，1999。3石玉等电力电子技术题例与电路设计指导北京：机械工业出版社五、元器件清单 电阻： 500x1 1Kx2 50Kx3 10Kx3 20Kx2 20x1 5Kx1 功率电阻：(0.5/18W )x1 电位器：10Kx1 20Kx2 电容： 2nFx1 47Fx3 100Fx3 1000F/100V 电感：1mH 普通二极管：4个 三极管：NPN PNP 各一个二极管模块：TM90DZCZ-24，其规格为90A1200V IGBT模块： SGH80N60NUFD 其规格为80A600V 光耦：TLP521-1 芯片：SG3525一片 集成运放LM324一片六、升压斩波电路Protel总原理图七、课程设计总结通过这次设计，我加深了对升压斩波电路相关内容有了更深刻的认识和理解，另外，此次设计内容不仅仅只涉及了直流斩波电路，还有与主电路相配套的触发电路、保护电路设计等，扩大了我的知识面，为以后课程设计、毕业设计打下知识基础。同时，通过对原理图的绘制,我对protel等软件有了一个很好的学习机会，基本掌握了软件的使用方法，提高了理论分析能力，但在设计初期由于缺少经验，有很多问题没有考虑到。最后感谢老师的指导与帮助，给我提了宝贵的意见。此次课程设计过程中我学到了很多方面的知识，以后我一定会珍惜这种机会好好学习。13