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降压斩波电路 报告实验


电力电子技术
题 目 直流降压斩波电路

学生姓名 学 学 专 号 院 业 电子与信息工程 电子信息工程

指导教师

二O一二



五 月 二十八



1

目录
一、摘要、引言........................................................3 二、分电路的原理及选择................................................4 2.1 降压斩波电路工作原理...........................................4 2.1.1 降压斩波电路(Buck Chopper)...............................4 2.1.2 IGBT 驱动电路选择..........................................4 2.2 整流电路.......................................................5 2.3 斩波信号产生电路...............................................6 2.3.1 由分立元件组成的驱动电路....................................6 2.3.2 集成驱动电路................................................7 三、最 优 参 数 选 择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.1 整流电路部分. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3 . 2 斩波主电路部分. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 四、生成总的电路图....................................................11 4.1 总原理图.......................................................11 4.2 此电路的主要功能...............................................12 五、保护电路..........................................................12 5.1 整流桥电路部分.................................................12 5.2 驱动电路部分...................................................13 六、心得体会..........................................................13 七、参考文献..........................................................13 八、实际图片..........................................................14

2

降压斩波电路
xx
南京信息工程大学电子与信息工程系,南京 210044 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。

DC 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.

一、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、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及 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。

单相、 三相

不可控电流 滤波电容 蓄 电 池

DC--DC变换器

负载

图 1 直流变换系统结构图

3

二、分电路的原理及选择
2.1 降压斩波电路工作原理
2.1.1 降压斩波电路(Buck Chopper) 电路的原理图如图 2 所示,

V

L

R

E

VD

Em

图 2 降压斩波电路主电路 此电路使用一个全控型器件 V,图中为 IGBT,若采用晶闸管,需设置使晶闸管关断的 辅助电路。并设置了续流二极管 VD,在 V 关断时给负载中电感电流提供通道。主要用于电 子电路的供电电源,也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等,后两种情况下负载中均会出 现反电动势,如图中 Em 所示。 工作原理:当 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。 当 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。 此电路的基本数量关系为: (1)电流连续时 负载电压的平均值为

Uo ?

t on t E ? on E ? ?E t on ? t off T

(1-1)

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,简称占空比或导通比。负载电流平均值为 (1-2) (2)电流断续时,负载电压 uo 平均值会被抬高,一般不希望出现电流断续的情况。 斩波电路有三种控制方式: 脉冲宽度调制(PWM):保持开关周期 T 不变,调节开关导通时间 ton, 频率调制:保持开关导通时间 ton 不变,改变开关周期 T。 混合型:ton 和 T 都可调,使占空比改变。

Io ?

U o ? Em R

2.1.2 IGBT 驱动电路选择
IGBT 的门极驱动条件密切地关系到他的静态和动态特性。门极电路的正偏压 uGS、负 偏压-uGS 和门极电阻 RG 的大小,对 IGBT 的通态电压、开关、开关损耗、承受短路能力及
4

du/dt 电流等参数有不同程度的影响。其中门极正电压 uGS 的变化对 IGBT 的开通特性,负 载短路能力和 duGS/dt 电流有较大的影响,而门极负偏压对关断特性的影响较大。同时, 门极电路设计中也必须注意开通特性,负载短路能力和由 duGS/dt 电流引起的误触发等问 题。根据上述分析,对 IGBT 驱动电路提出以下要求和条件: (1)由于是容性输出输出阻抗; 因此 IBGT 对门极电荷集聚很敏感, 驱动电路必须可靠, 要保证有一条低阻抗的放电回路。 (2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电,以保证门及控制电压 uGS 有足够陡峭的前、 后沿,使 IGBT 的开关损耗尽量小。另外,IGBT 开通后,门极驱动源应提供足够的功率, 使 IGBT 不至退出饱和而损坏。 (3)门极电路中的正偏压应为+12~+15V;负偏压应为-2V~-10V。 (4)IGBT 驱动电路中的电阻 RG 对工作性能有较大的影响,RG 较大,有利于抑制 IGBT 的电流上升率及电压上升率,但会增加 IGBT 的开关时间和开关损耗;RG 较小,会引起电 流上升率增大,使 IGBT 误导通或损坏。RG 的具体数据与驱动电路的结构及 IGBT 的容量 有关,一般在几欧~几十欧,小容量的 IGBT 其 RG 值较大。 (5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对 IGBT 的自保护功能。IGBT 的控制、驱动 及保护电路等应与其高速开关特性相匹配, 另外, 在未采取适当的防静电措施情况下, IGBT 的 G~E 极之间不能为开路。 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。本文设计的电路采用的是专用集成块驱动电路。 IGBT 驱动电路分析随着微处理技术的发展(包括处理器、系统结构和存储器件),数字 信号处理器以其优越的性能在交流调速、运动控制领域得到了广泛的应用。一般数字信号 处理器构成的控制系统, 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。因此本文采用 EXB841 设计出了一种可靠的 IGBT 驱动方案。 本文将在斩波信号产生电路一节将分立元件组成的驱动电路和集成驱动电路做一下简单 的比较,以此来说明集成驱动电路的优越性。

2.2 整流电路
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. 对整流出来的电压
4 4 ?2 4 ? 进行傅里叶变换得 vout ? 2vin ? ? 由整流电路出来的 cos 2?t ? cos 4?t ? 6?t... ? , 15? 35? ? ? 3? ?

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 RC 滤波器,因为电 容滤波的直流输出电压 Uo 与变压器副边电压 U2 的比值比较大,而且适用在小电流、整流 管的冲击电流比较大的电路中。因此本电路选用电容滤波.因为本电路要求有稳定的输出 因此还需用到稳压二极管进行稳压。 整流电路的原理图如图 3 所示:

5

V1 U~ V2

V3

R C1 U Vz

V4

图 3 整流电路图 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 D2、D5 导通,D3、D4 截止,电压上正下负。当同名端为负时 D2、 D5 截止,D3、D4 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) 。

2.3 斩波信号产生电路
此电路主要用来驱动 IGBT 斩波。 同其他的电力电子器件一样, 由分立元件组成的 IGBT 驱动电路也存在着可靠性问题。为此,目前已经研制出多种专用的 IGBT 集成驱动电路。 这些集成块速度快,为了提高安全性,内部设有保护电路。它还具有高抗干扰能力,可实 现 IGBT 的最优驱动。下面将分立元件组成的驱动电路和集成驱动电路做一下简单的比较, 以此来说明集成驱动电路的优越性。

2.3.1 由分立元件组成的驱动电路
如图 4 为由脉冲变压器组成的栅极驱动电路。其工作原理为:正向驱动信号使 VT1 导 通,电源电压作用于脉冲变压器一次侧,二次电压经二极管 VD2、VD3 和门集电阻 Rg 后作 用于 IGBT,使 IGBT 导通。晶体管 VT2 由于基极反向偏置而截至。

IGBT TP VS VD1 VT1 VT2 R2 R1 VD2 VD3 Rg

6

图 4 由分立元件组成的驱动电路 当驱动信号为零时,VT1 截止,一次励磁电流经 VD1 和 VS 迅速衰减,使在脉冲间隙期 间脉冲变压器的磁通回零。变压器二次侧的反向电压经 R2 加到二极管 VD2 上。IGBT 门极 结电容上的电荷经 Rg 和 VT2 放掉,R2 为 VT2 的偏流电阻。 此电路的优点:这种电路不用独立的驱动电源,驱动电路结构简单,脉冲变化时,驱 动电压幅值不变,可用于各种容量的 IGBT 的驱动。 此电路的缺点:截止时没有门极反向电压,抗干扰能力不强。这种电路适用于驱动占 空比小于 50%的高频场合。

2.3.2 集成驱动电路
(1)芯片介绍及功能原理图 EXB841 芯片是单列直插式结构,如图 5 所示,各引脚的功能见表 1。图()中 3 脚为 驱动的输出端,通过电阻 Rg 接被驱动的 IGBT 的栅极;4 脚用于外接电容,防止电流保护 电路的误动作;5 脚为过电路保护电路的输出信号,低电平有效;6 脚接 IGBT EXB841 的功能块图如图 6 所示。 引脚号 1 2 3 4 功能 与用于反向偏置电源的滤波电容连接 电源(+20V) 驱动输出端 用于连接外部电容,以防止过流保护 电路的误动作(绝大部分场合不需要 此电路) 5 6 过流保护输出端 集电极电压输出端 表 1 EXB841 的引脚功能表
5 4 6

的 集 电

极,通过检测 Uce 的大小来判断是否发生短路或集电极电流过大,从而进行自动保护。 引 号 7、8 9 10、11 14 悬空 电源地 悬空 驱动信号输入(-) 端 15 驱动信号输入(+) 端 脚 功能

过电流 保护电路
2

15 14

3 1

7

9

图 6 EXB841 的功能块图 (2)电路原理图及工作原理简介 图 7 示出了 EXB841 的电路原理图,其结构包含隔离放大、过电流保护和基准电源三 部分。隔离放大部分由光电耦合器 ISO01、晶体管 VT2、VT4、VT5 和阻容元件 R1、C1、R2、 R9 组成。光电耦合器 IS01 的隔离电压可达 2500VAC。VT2 为中间放大级,VT4 和 VT5 组成 的互补式推挽输出可为 IGBT 栅极提供导通和关断电压。晶体管 VT1、VT3 和稳压管 VZ1 以 及阻容元件 R3~R8、C2~C4 组成过电流保护部分,实现过电流检测和延时保护。电阻 R10、 稳压管 VZ2 与电容 C5 构成 5V 基准电源,为 IGBT 的关断提供-5V 的反偏电压,同时也为输 入光耦合器 IS01 提供副方电源.。 电路的工作过程简述如下:当 14 脚与 15 脚间流过的电流为零时,光电耦合器截止, A 点为高电平,晶体管 VT1、VT2 导通,D 点电位下降 VT4 截止、VT5 导通。IGBT 的栅极电 荷经 VT5 迅速放电,使 3 脚电位降至 0V,IGBT 由于 Ugs=-5V 而可靠关断。当 14 脚与 15 脚间通过 10mA 电流时,光电耦合器导通,A 点电位下降,VT1、VT2 由导通变为截止。VT2 截止导致 D 点电位升高,VT4 导通,VT5 截止。2 脚电源经 VT4 到 3 脚到 Rg 到 IGBT,驱动 IGBT 的栅极,使 IGBT 迅速导通。 当 IGBT 正常工作时,Uce 较小,隔离二极管 VD2 导通,稳压管 VZ1 不会被击穿,VT3 截止,C4 被充电,使 E 点电位为电源电压值(20V)并保持不变。一旦发生过电流或短路, IGBT 因承受大电流而退饱和,导致 Uce 上升,VD2 截止,VZ1 被击穿使 VT3 导通,C4 经 R7 和 VT3 放电,E 点及 B 点电位逐渐下降,VT4 截止,VT5 导通,使 IGBT 被慢慢关断从而得 到保护。与此同时,5 脚输出低电平,将过流保护信号输出。 使用此驱动电路时应注意以下问题: ①输入电路与输出电路应分开。即输入电路(光电耦合器)接线远离输出电路接线, 以保证有适当的绝缘强度和高的噪声阻抗。 ②驱动电路与 IGBT 栅到射极接线长度应小于 1m,并使用双绞线以提高抗干扰能力。 ③若集电极上有大的电压尖脉冲产生,可增加栅极串联电阻 Rg 使尖脉冲较小。Rg 值 的选择可参考表 2 所给数据。 IGBT 600A 10A 15A 额定 1200V —— 8V 值 Rg/欧姆 250 150 30A 15V 82 50A 25V 50 75A 100A 150A 200A 300A 400A —— 50V 75V 100V 150V 200V 33 25 15 12 8.2 5

表 2 推荐的栅极串联电阻 Rg 的参考值

8

VD2

6 2
R2 A R3 VT2 B R4 C
IS01

20V

C

R8 R5 VZ1 VT3

R9 D

VT4 VT

R11

3

RG C IGBT E

R7

VD1

TLP550

R1 VT1 C2 VZ2 C5 C3 R6 C4

1

15 14
C1

9

5
图7

4

EXB841 的电路原理图

三、最优参数选择
3.1 整 流 电 路 部 分
整流桥二极管的选择。在桥式整流电路中,每只二极管只在输入电压的半个周期内 导通,因此二极管的平均电流只有负载电阻上平均电流的一半,即 ID(AV)=IO(AV)/2=0.45U2/RL 在二极管不导通期间,承受反压的最大值就是变压器二次测电压 U2 的最大值,即 URM=1.414U2,根据上面的选择原则可知选择二极管的最大整流电流 IF≧(1.1IO)/2≈ 0.5(U2/RL);最大反向电压 UR≧1.1√2U2=1.1√2×55=84.7V。 滤波电容的选择:C=(5T/2)/RL

3.2 斩 波 主 电 路 部 分
①IGBT 的选择:因为本电路设计的 E=50V, 因此根据表()可知所选 IGBT 的额定电 压与额定电流分别为 50V、100A。 ②栅极串联电阻 Rg 的阻值:根据 ③其他元器件的选择标准如下: IGBT 的选择,由表()可知 Rg 的值为 25 ? 。

9

对降压斩波电路进行解析 基于分时段线性电路这一思想,按 V 处于通态和处于断态两个过程来分析,初始条件 分电流连续和断续。 电流连续时得出

(1-3)

I 10

? e t1 / ? ? 1 ? E E m ? e?? ? 1 ?E ? ? ? ? T /? ?? ? ? m? ? e ?1 ?R ? e ?1? R R ? ? ? ?

(1-4)

I 20

式中, ? ? L / R

? 1 ? e ?t1 / ? ? E Em ? 1 ? e ??? ?E ? ? ?? ?? ? m? ?R ? 1 ? e ?T / ? ? R R ? 1 ? e ? ? ? ? ? ? ?, T / ? m , Em / E t1 /? ? ? t1 ? ? ? T ? ? ?? ? ? , ? ? ? ?
?T ? ?? ?



I10 和 I20 分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。 把式(1-3)和式(1-4)用泰勒级数近似,可得 (1-5)
10

I10 ? I 20 ?

?? ? m?E ? I
R

o

平波电抗器 L 为无穷大,此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。 (1-5)所示的关系还可从能量传递关系简单地推得,一个周期中,忽略电路中的损耗, 则电源提供的能量与负载消耗的能量相等,即
2 EI o t on ? RI o T ? Em I oT



Io ?

?E ? Em
R
I1 ? ton I o ? ?I o T

假设电源电流平均值为 I1,则有

其值小于等于负载电流 Io,由上式得

EI1 ? ?EI o ? U o I o

即输出功率等于输入功率,可将降压斩波器看作直流降压变压器。 电流断续时有 I10=0,且 t=ton+tx 时,i2=0,可以得出

?1 ? (1 ? m)e ??? ? t x ? ? ln? ? m ? ? 当 t x ? toff 时,电路为电流断续工作状态, t x ? toff 是电流断续的条件,
即 m?
e?? ? 1 e? ?1

输出电压平均值为

Uo ?
Io ?

ton E ? (T ? ton ? t x ) Em ? ? t ?t ? ? ? ?? ? ?1 ? on x ?m? E T T ? ? ? ?
ton ?t x t ? t ? E U ? Em 1 ? ton ? i2 d t ? ? ?? ? on x m ? ? o ? ?0 i1 d t ? ?t ? on ? ? T? T R ?R

负载电流平均值为

根据上式可对电路的工作状态做出判断。该式也是最优参数选择的依据。

四、生成总的电路图
4.1 总原理图
随着电力电子技术的发展,有源功率因数校正(APFC)技术已经能有效地抑制输入电流 的谐波分量,其波形接近正弦波,并与输入电压同相位。APFC 电路不仅能实现输出直流电 压的斩波调节,还能实现电网一侧单位功率因数。降压斩波 APFC 的电路图如图 8 所示,

11

1

V3

R C1 Vz

L io IGBT Co

U~

i~ V2 V4

M

Rg
交流电 压检测 交流电 流检测 驱动电路

UL
直流电 压检测

SPWM比较 器
乘法器 电流调 节器

UR

UC

三角波 发生器

ULf ULo
直流参 考电压

电压调节器
图 8 总电路图

4.2 此电路的主要功能
①通过检测和跟踪电网电流 i~,实现电网电流的近似正弦化,达到电网一侧单位功 率因数。 ②通过检测和跟踪输出直流电压的波动,实时调节输出直流电压的稳定。

五、保护电路
5.1 整流桥电路部分
在桥式整流电路中,为了防止二极管受到电压的瞬间冲击,在每个二极管上并联一个 电容。如图 9 所示,

12

图 9 整流二极管的保护电路 5.2

驱动电路部分
EXB841 集成块的内部有很好的保护措施。

六、心得体会
回顾起此次电力电子课程设计,感慨颇多,在两个星期的日子里可以说是整天都充满 着压力与忙碌,自己也的确从此次安排的课程设计中学到了很多东西。从开始得到老师给 定课题时的一脸茫然到老师讲解后内容的初步了解再到自己通过查资料、与同学共同探 讨、经过老师指导后,自己设计并写出这份课程报告,心中充满了成就感。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。本次课程设计还让我明白了理论 联系实际的重要性,只有通过实际的动手才能加深对于理论知识的理解。在做课程设计的 过程中我发现自己对课本知识的理解不够深刻,掌握的不太牢靠,以后一定会努力地温习 以前的知识。 此次我选择了电子版的报告书,运用了 AUTO CAD2008 进行画图,也练习了使用的熟 练程度。此外对论文的的格式要求等有了比较清晰的认识,也为了以后毕业论文的设计奠 定了基础。

七、参考文献
[1]王兆安,刘进军,电力电子技术[M].第五版.北京:机械工业出版,2009:119-123. [2] 樊 立 平 , 王 忠 庆 , 电 力 电 子 技 术 [M]. 北 京 : 中 国 林 业 出 版 , 北 京 大 学 出 版 社,2006:116-119. [3]曲学基,曲敬铠,于明扬,电力电子整流计算及应用[M].北京:电子工业出版社, 2008:192-196. [4]黄家善,王廷才,电力电子技术[M].北京:机械工业出版,2000:193.

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