電力電子課程設計--亮度可連續(xù)調節(jié)直流斬波電路設計

1、<p>　　亮度可連續(xù)調節(jié)直流斬波電路設計</p><p><b>　　1概論</b></p><p>　　電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發(fā)展,新技術的出現(xiàn)又會使許多應用產品更新?lián)Q代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn),將標志著這些技術的成熟,實現(xiàn)高效率用電和高品質用電相結合。伴隨著人們對開關電源的進一步升級

2、，低電壓、大電流和高效率的開關電源成為研究趨勢。電子設備的小型化和低成本化使電源向輕、薄，小和高效率方向發(fā)展。開關電源因其體積小、重量輕和效率高的優(yōu)點而在各種電子信息設備中得到廣泛的應用。</p><p>　　直流斬波電路（DC Chopper）的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{電壓的直流電，也稱為直接直流—直流變換器（DC/DC Converter）。直流斬波電路一般指的是直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姷那闆r，

3、不包括直流—交流—直流的情況，直流斬波電路的種類較多，包括6種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波電路和Zeta斬波電路。</p><p>　　上述其中IGBT降壓斬波電路就是直流斬波中最基本的一種電路，是用IGBT作為全控型器件的降壓斬波電路，用于直流到直流的降壓變換。IGBT是MOSFET與GTR的復合器件。它既有MOSFET易驅動的特點，輸入阻抗高，又具有

4、功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點。其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十千赫茲頻率范圍內，故在較高頻率的大、中功率應用中占據了主導地位。所以用IGBT作為全控型器件的降壓斬波電路就有了IGBT易驅動，電壓、電流容量大的優(yōu)點，因此發(fā)展很快。</p><p>　　這里將進行對直流降壓斬波電路的設計，且其輸出電壓可連續(xù)可調。</p><p>　　2設計要求及設計方案<

5、/p><p><b>　　2.1設計要求</b></p><p>　　1、采用不控整流進行AC/DC轉換；</p><p>　　2、負載（燈泡）要求0~100V直流電壓，最大負載電流3A；</p><p>　　3、確定變壓器的容量和參數(shù)；</p><p>　　4、設計主電路，選擇主電路的參數(shù)；<

6、/p><p>　　5、確定輸入電源的功率因數(shù)。</p><p><b>　　2.2設計方案</b></p><p>　　根據要求設計，先進行降壓處理，降壓到100V的三相交流電，頻率50HZ，然后采用橋式不控整流，將交流變?yōu)橹绷?，通過濾波處理。負載燈泡要求0~100V直流電壓，這里主電路采用直流降壓斬波電路，通過芯片SG3525組成電路產生脈沖波來

7、控制直流斬波電路的全控型器件IGBT，使脈沖占空比從%0~%50變化來控制輸出，進而來控制直流電壓是連續(xù)變化，通過輸出來進行參數(shù)計算來確定電路中元件的參數(shù)。</p><p>　　下圖是設計原理方框圖：</p><p>　　圖2-1 設計原理圖</p><p><b>　　3電路設計</b></p><p>　　總體的電路

8、的設計主要包括整流電路、直流降壓斬波電路和控制電路的設計。</p><p><b>　　3.1整流電路</b></p><p>　　整流電路就是把交流電能轉換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器，整流主 電路和濾波器等組成，其原理圖如下圖所示。</p><p><b>　　圖3-1 整流電路</b></p>

9、<p>　　習慣將其中陰極連接在一起的3個二極管稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個二極管稱為共陽極組。此電路為不可控整流電路，假設將電路中的二極管換作晶閘管，這種情況也就相當于晶閘管觸發(fā)角時的情況。此時，對于共陰極組的3個二極管，陽極所接交流電壓值最高的一個導通。而對于共陽極組的3個二極管，則是陰極所接交流電壓值最低（或者說負得最多）的一個導通。這樣，任意時刻共陽極組和共陰極組中各有1個二級管處于導通狀態(tài)，施加于負載上的電

10、壓為某一線電壓。此時電路工作波形如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 電路工作圖形 </p><p>　　將二極管換成晶閘管，相當于，此時各晶閘管均在自然換相點處換相。由圖中變壓器二繞組相電壓與線電壓波形的對應關系看出，各自然換相點既是相電壓的交點，同時也是線電壓的交點。在分析ud的波形時，既可從相電壓波形分析，也可以從線電壓波形分析。從相電壓波形看，以變壓

11、器二次側的中點n為參考點，共陰極組二極管導通時，整流輸出電壓 ud1為相電壓在正半周的包絡線；共陽極組導通時，整流輸出電壓ud2為相電壓在負半周的包絡線，總的整流輸出電壓ud = ud1－ud2是兩條包絡線間的差值，將其對應到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡線。</p><p>　　直接從線電壓波形看，由于共陰極組中處于通態(tài)的二極管對應的最大（正得最多）的相電壓，而共陽極組中處于通態(tài)的二極管對應的是最小（負

12、得最多）的相電壓，輸出整流電壓 ud為這兩個相電壓相減，是線電壓中最大的一個，因此輸出整流電壓ud波形為線電壓在正半周的包絡線，其中輸出電壓Ud的平均值為：。</p><p>　　3.2直流降壓斬波電路 </p><p>　　降壓斬波電路的原理圖以及工作波形如圖3-2所示。該電路使用一個全控型器件V，圖中為IGBT。為在V關斷時給負載中電感電流提供通道，設置了續(xù)流二極管VD。斬波電路主要用

13、于電子電路的供電電源，也可拖動直流電動機或帶蓄電池負載等，后兩種情況負載中均會出現(xiàn)反電動勢，如圖所示。若負載中無反電動勢時，只需令=0即可，以下的分析及表達式均可適用。</p><p>　　圖3-3 直流降壓斬波電路</p><p><b>　?。?）工作原理 </b></p><p>　　如圖3-3中V的柵極電壓uGE波形所示，在t=0時刻驅

14、動V導通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數(shù)上升。</p><p>　　當t=t1時刻，控制V關斷，負載電流經二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零負載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小，通常是串聯(lián)的電感L值較大。</p><p>　　至一個周期T結束，在驅動V導通，重復上一周期的過程。當工作處于穩(wěn)態(tài)時，負載電流在一個周期的初值和終值相等。</p>

15、<p><b>　　圖3-4 波形圖</b></p><p><b>　　（2）數(shù)量關系</b></p><p><b>　　負載電壓平均值：</b></p><p>　　——V通的時間 ——V斷的時間 a--導通占空比</p><p><b>　

16、　負載電流平均值： </b></p><p>　　該設計是要實現(xiàn)燈泡亮度可連續(xù)調節(jié)，所以將負載電阻和反電動勢改為燈泡并聯(lián)電容即可，如圖3-5所示。</p><p><b>　　圖3-5 斬波電路</b></p><p><b>　　3.3控制電路</b></p><p>　　控制電路需要

17、實現(xiàn)的功能是產生控制信號，用于控制斬波電路中主功率器件的通斷，通過對占空比的調節(jié)達到控制輸出電壓大小。</p><p>　　IGBT控制電路的功能有：給逆變器的電子開關提供控制信號；以及對保護信號作出反應，關閉控制信號。脈寬調節(jié)器的基本工作原理是用一個電壓比較器，在正輸入端輸入一個三角波，在負輸入端輸入一直流電平，比較后輸出一方波信號，改變負輸入端直流電平的大小，即可改變方波信號的脈寬。</p>&

18、lt;p>　　對于控制電路的設計其實可以有很多種方法，可以通過一些數(shù)字運算芯片如單片機、CPLD等等來輸出PWM波，也可以通過特定的PWM發(fā)生芯片來控制。因為斬波電路有三種控制方式，又因為PWM控制技術應用最為廣泛，所以采用PWM控制方式來控制IGBT的通斷。PWM控制就是對脈沖寬度進行調制的技術。這種電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓。改變脈沖的占空比就是對脈沖寬度進行調制，只是因為輸入電壓和

19、所需要的輸出電壓都是直流電壓，因此脈沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對脈沖的占空比進行控制. 因為題目要求輸出電壓連續(xù)可調，所以我選用一般的PWM發(fā)生芯片來進行連續(xù)控制。</p><p>　　對于PWM發(fā)生芯片，我選用了SG3525芯片，它是一款專用的PWM控制集成電路芯片，它采用恒頻調寬控制方案，內部包括精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護電路等。</p><p>

20、　　SG3525是定頻PWM電路，采用16引腳標準DIP封裝。其各引腳功能如圖3-6所示，內部框圖如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-6 SG3525的引腳 </p><p>　　圖3-7 內部框圖 </p><p><b>　　引腳功能：</b></p><p>　　(1)Inv.input(引腳1)：誤差放大

21、器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補償信號輸入端（引腳9）相連，可構成跟隨器。 (2)Noninv.input(引腳2)：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號。根據需要，在該端與補償信號輸入端（引腳9）之間接入不同類型的反饋網絡，可以構成比例、比例積分和積分等類型的調節(jié)器。 (3)Sync(引腳3)：振蕩器外接同步信號輸入端。該端接外部同步脈沖信號可實現(xiàn)與外電路同步。 (4)

22、OSC.Output(引腳4)：振蕩器輸出端。 (5)CT(引腳5)：振蕩器定時電容接入端。 (6)RT（引腳6）：振蕩器定時電阻接入端。 (7)Discharge(引腳7)：振蕩器放電端。該端與引腳5之間外接一只放電電阻，構成放電回路。 (8)Soft-Start(引腳8)：軟啟動電容接入端。該端通常接一只5 的軟啟動電容。 (9)Compensation(引腳9)：PWM比較器補償信號輸入端。在該端與引腳2之間接入不同類型

23、的反饋網絡，可以構成比例、比例積分和積分等類型調節(jié)器。 (10)Shutd</p><p>　　控制電路圖如圖3-8所示</p><p>　　圖3-8 控制電路原理圖</p><p>　　該電路為直流降壓斬波電路的控制電路，發(fā)出脈沖波控制全控器件IGBT的導通與關閉來調節(jié)輸出電壓平均值的變化，該控制電路的最大占空比為0.5。</p><p>

24、;　　總設計原理圖如圖3-9所示</p><p>　　圖3-9 設計總原理圖</p><p>　　3.4主電路元器件參數(shù)選擇</p><p>　　整流電路中U2=100V，所以整流電路中二極管能承受的最大反向電壓Vc>173V,I>3A，適當取濾波電容的值。</p><p><b>　　斬波電路中</b>&l

25、t;/p><p>　　（1）對于電源，因為題目要求輸入直流電壓為234V，所以該直流穩(wěn)壓電源可直接作為系統(tǒng)電源。</p><p>　?。?）IGBT 由圖3-9易知當IGBT截止時，回路通過二極管續(xù)流，此時IGBT兩端承受最大正壓為100V；而當=0.5時，IGBT有最大電流，其值為3A。故需選擇集電極最大連續(xù)電流>3A，反向擊穿電壓Bvceo>117v的IGBT。如果考慮2倍的安

26、全裕量需選擇集電極最大連續(xù)電流>6A，反向擊穿電壓Bvceo>234V的IGBT。</p><p>　　（3）二極管 當=0.5時，其承受最大反壓117V；而當趨近于0.5時，其承受最大電流趨近于3A，故需選擇Vc>117v,I>3A的二極管?？紤]2倍的安全裕量：</p><p>　　電感 選擇大電感L，使得電路能夠續(xù)流，此時的臨界電感為： L=U0x（Ud—U

27、0）/2fUdI。設輸出電壓為100V，</p><p><b>　　則 </b></p><p>　　所以電感L>=0.06mH，取L=0.1mH。</p><p>　?。?）電容 選擇的電容既要使得輸出的電壓紋波小于1%，也不能取的太大，否則會使電路的速度變得很慢。電容的選擇：也取輸出電壓為100V時來算</p>&l

28、t;p>　　這里取C=1.2mF。（脈沖波頻率為40KHZ）</p><p>　　總電路中一級和次級變壓器的線圈數(shù)之比：</p><p>　　當占空比最大為0.5時，燈泡兩端電壓為，流過它的電流為，則可得電路的輸出功率即有用功為：</p><p>　　流過變壓器二次側電流有效值為：</p><p>　　所以變壓器的容量為：</p&

29、gt;<p>　　則輸入電源的功率因數(shù)為：</p><p>　　通過上述計算可確定電路中的原件參數(shù)。</p><p><b>　　4小結與體會</b></p><p>　　作了一周的課程設計，使我有了很多的心得體會，可以說這次直流斬波電路的性能研究的課程設計是在大家共同努力和在老師的精心指導下共同完成的。通過這次設計加深了我對這門

30、課程的了解，也加深了對這門課程的設計。以前總是覺得理論結合不了實際，但通過這次設計使我認識到了理論結合實際的重要性。但由于我知識的限制，設計還有很多不足之處，希望老師指出并教導。通過對電路圖的研究，也增強了我們的思考能力。知道了大概的模塊之后，我對認真地設計每個模塊，在設計過程中發(fā)現(xiàn)問題后，可以再加于完善。實在不懂的問題，可以和團隊交流，再者就是查資料。也正因此，我對直流降壓斬波電路有了更深的認識和了解，同時，也加強了自己的文件檢索能力

31、，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻資料。為了能夠是設計更加合理，對很多實際問題也進行了比較深入的思考。比如，保護電路這個模塊。所以在很大程度上提高了思考能力和解決實際問題的能力。</p><p>　　尤其在控制電路這個環(huán)節(jié)，花費了很多心思。首先通過不斷地查資料，了解PWM控制器（SG3525）的運用，具體理解每個引腳代表什么，功能是什么。畢竟是第一次進行課程設計，能力不夠，所以很多問題都沒有考慮周到，

32、有些難題是和同學們商量才得出的結果，期間和同組的組員做了很多的溝通和商量，從而解決了很多問題，這在合作上也是一個不小的進步。同時，老師也給予了很多的指導和意見，這讓我明白了很多東西。</p><p>　　課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。很感激學校給了我們這次動手實踐的機會，讓我們學生有了一個共同學習，增長見識，開

33、拓視野的機會。也感謝陳老師對我們無私忘我的指導，我會以這次課程設計作為對自己的激勵，繼續(xù)學習。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]梁延貴.現(xiàn)代集成電路實用手冊可控硅觸發(fā)電路分冊.北京:科學技術文獻出版社.2002.2</p><p>　　[2]王兆安.電力電子技術.第四版.北京:機械工業(yè)出版社.2004.1

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