电力电子课程设计直流斩波电路

鱼缸水循环系统的直流斩波电路的设计

电力

报告

直流电动机的斩波调速设计

指导教师： 学 生： 学 号： 专 业： 班 级： 设计日期：

重庆大学自动化学院

2012年12月

鱼缸水循环系统的直流斩波电路的设计

课程设计指导教师评定成绩表

指导教师评定成绩：

指导教师签名： 年 月 日

鱼缸水循环系统的直流斩波电路的设计

自动化学院2010级自动化专业 电力电子技术课程设计任务书

一、课程设计的教学目的和任务

电力电子技术是研究利用电力电子器件、电路理论和控制技术，实现对电能的控制、变换和传输的科学，其在电力、工业、交通、通信、航空航天等很多领域具有广泛的应用。电力电子技术不但本身是一项高新技术，而且还是其它多项高新技术发展的基础。因此，提高学生的电力电子领域综合设计和综合应用能力是教学计划中必不可少的重要一环。

通过电力电子技术的课程设计达到以下几个目的：

1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Intel网检索需要的文献资料。 2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。 3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。 4、提高学生的电力电子装置分析和设计能力。 5、提高学生课程设计报告撰写水平。

二、课程设计的基本要求

1. 教师确定方向，在教师的指导下，学生自立题目 注意事项：

① 所立题目必须是某一电力电子装置或电路的设计，题目难度和工作量要适应在一周内完成，题目要结合工程实际。学生也可以选择规定题目方向外的其他电力电子装置设计，如开关电源、镇流器、UPS电源等，但不允许选择其他班题目方向的内容设计（复合变换除外）。

② 通过图书馆和Intel网广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计题目。自立题目后，首先要明确自己课程设计的设计内容。要给出所要设计装置（或电路）的主要技术数据（如输入技术数据，输出技术数据，装置容量的大小以及装置要具有哪些功能）。如：

直流电动机调压调速可控整流电源设计

首先阐述清楚调压调速可控整流电源要完成的功能 然后给出主要技术数据 输入交流电源： 三相380V 10% f=50Hz 直流输出电压：

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0~220V

50~220V范围内，直流输出电流额定值100A 直流输出电流连续的最小值为10A 设计内容：

整流电路的选择（方案的论证） 整流变压器额定参数的计算 晶闸管电流、电压额定的选择

平波电抗器电感值的计算 （主要参数计算） 保护电路的设计 触发电路的设计

2. 在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力。要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。具体电路元器件的选择应有计算和说明。课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过刨析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。（注意：所确定的主电路方案如果没有论证说明，成绩不能得优；设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇，且文中有引注，否则也不能得优）。

3. 在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力。要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路和控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型），严禁抄袭。

4. 课题设计的主要内容是主电路的设计，主电路的分析说明，主电路元器件的计算和选型，以及控制电路设计。

5. 课题设计报告要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。

6. 课题设计报告字数要求为6000字左右。（A4纸打印8页左右）

三、课程设计的工作计划

课程设计时间6天。第1天上午，指导教师向学生讲授课程设计的目的、任务、设计方法和注意事项。第1天下午和第2天学生到图书馆和Intel网上按照指导教师的要求查找所需要的文献，并在阅读分析中确定自己的研究题目、技术数据和设计内容，交指导教师审阅。第3天学生的主要任务是确定方案。第4天至第6天，学生的任务是综合所学知识，进行主电路和控制电路的设计，在老师指导下撰写课程设计报告。

鱼缸水循环系统的直流斩波电路的设计

四、各班的题目方向

1班题目方向：相控整流技术的工程应用 2班题目方向：交流调压或调功技术的工程应用 3班题目方向：斩波技术的工程应用 4班题目方向：无源逆变技术的工程应用

注：星期五检查所有学生课程设计报告的题目和规范性，指出修改内容。17周星期一提交所有毕业设计打印报告和电子档（要求同时提交参考文献中小论文和硕士论文的电子档）

鱼缸水循环系统的直流斩波电路的设计

目录

1引言 ....................................................................................................................1 2 技术参数............................................................................................................2

2.1 主要技术数据....................................................................................................................... 2

3 总体结构及电路设计 .........................................................................................3

3.1电路结构说明........................................................................................................................ 3 3.2主电路的设计........................................................................................................................ 3 3.3直流供电电路........................................................................................................................ 6 3.4信号发生电路的设计............................................................................................................ 7 3.5 IGBT驱动电路选 ................................................................................................................... 7 3.6保护电路................................................................................................................................ 9

1．过电流保护电路： ...............................................................................................................9 2．过电压保护 ........................................................................................................................10

4电路参数计算 ...................................................................................................11

4.1参数计算.............................................................................................................................. 11 4.2器件的选取.......................................................................................................................... 11

5 课程设计总结及体会 .......................................................................................12 6参考文献...........................................................................................................12

鱼缸水循环系统的直流斩波电路的设计

1引言

电力电子技术在现代化社会的建设中的应用起着重要作用并得到飞跃性的发展。直流斩波器作为一种电力电子器件，也必定随着直流电的广泛应用而显得异常重要。直流斩波器广泛应用于生产、生活等实际情况当中，从中国大面积，多人口，低技术，少能源等国情出发，大力发展直流电技术，结合电力电子技术，这对改善我国科技现状水平，提高经济效益将起着重要作用。

电力投资的持续增长，因此直流斩波器在电力电子行业有着巨大的发展潜力，它的传统领域和新领域节前景非常广阔。目前,市场上用的最多的MOSFET直流斩波器,它是属于全控型斩波器，它的主导器件采用国际上先进的电力电子器件MOSFET，由门极电压控制，从根本上克服了晶闸管斩波器及GTR 斩波器的缺点。

随着科技的发展，新技术不断出现，现在最领先的直流斩波技术主要包括VRM技术、软开关技术和高频磁技术。直流斩波器的应用范围非常广泛。它最初用途是传动控制，但目前应用的新领域是开关电源。前者是斩波电路应用的传统领域，后者则是斩波电路应用的新领域。而高频、大功率、高可靠性开关电源是当今电源变换技术发展的重要方向之一。

研究直流斩波器有着深远的意义，它不仅能够大大改善各种机车的调速系统，为其提高安全、快速、低损耗的调速装置，还可以为世界能源危机带来曙光，解决目前国际能源所带来的各种问题。

直流电机斩波调速原理是利用可控硅整流调压来达直流电机调速的目的，利用交流电相位延迟一定时间发出触发信号使可控硅导通即为斩波，斩波后的交流电经电机滤波后其平均电压随斩波相位变化而变化。为了达到控制直流电机目的，在控制回路加入了速度、电压、电流反馈环路和PID调节器来防止电机由于负载变化而引起的波动和对电机速度、电压、电流超常保护。

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2 技术参数

2.1 主要技术数据

1.电网供电电压： 单相220V交流电； 2.电网供电频率： 50Hz；

3.变压器二次侧电压 26.7V直流电 3.整流输出电压： 24V直流电 4.斩波电路输入电压：12V

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3 总体结构及电路设计

3.1电路结构说明

整体电路接入220V交流的家用电网中，通过整流电路将交流电转变为直流电，再经直流斩波电路进行降压处理，使其可以满足电机的输入要求，从而带动所需负载。 整流电路采用全桥整流技术，为使电压质量高，进行一定的滤波，减小波纹，得到稳定的直流电压。由于电机的额定电压值较小，所以需要采用降压斩波电路，使得整流电路的输出电压值下降到额定值。

图1 电路结构说明图

3.2主电路的设计

主电路是一个基于IGBT降压直流斩波电路，可通过IGBT的通断，控制电机两端电压的变化，而达到直流调速的目的。它是整个斩波电路的核心，降压过程就由此模块完成。其原理【1】【6】图如下图所示。

V

L

R

Ｅｍ

图2 主电路原理图

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如图，IGBT在控制信号的作用下开通与关断。开通时，二极管截止，电流io流过大电感L，电源给电感充电，同时为负载供电。而IGBT截止时，电感L开始放电为负载供电，二极管VD导通，形成回路。IGBT以这种方式不断重复开通和关断，而电感L足够大，使得负载电流连续，而电压断续。从总体上看，输出电压的平均值减小了。输出电压与输入电压之比α由控制信号的占空比来决定。这也就是降压斩波电路的工作原理。 降压斩波的典型波形如下图所示

图 3 降压电路波形图

图1中的负载为电动机，是一种放电动式负载。反电动势负载有电流断续和电流连续两种工作状态。分别入图3中b）和a）所示。

无论哪一种情况，输出电压的平均值都与负载无关，其大小为：

T表示周期，ton表示导通的时；toff表示截止的时间 ；α表示导通时间占空比。 对于输出电流，当Uo>E时电流连续，输出电流平均值大小为：

当Uo<E时，电流既无法通过IGBT也无法通过二极管。于是便出现了电流断续的现象。一般不希望出现电流断续的现象，因此需要通过控制信号占空比的调节来维持负载的电流。 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。

在V处于通态期间，设负载电流为i1，可列出如下方程：

Ldi1dt

Ri1 EM E

设此阶段电流初值为I10，τ=L/R,解上式得

i1 I10e

t

E EM

R

(1 e

t

)

di2dt

Ri2 EM 0

在V处于断态期间，设负载电流为i2，可列出如下方程：L

鱼缸水循环系统的直流斩波电路的设计

设此阶段电流初值为I20，解上式得

i2 I20e

t ton

EMR

(1 e

t ton

)

当电流连续时，有I10 i2(t2)

I20 i1(t1)

电流连续时得出

（1）

（2）

式中

I10

LR

，

T

，m

EME

，

t1

(

t1T

)(

T

)

和I20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。

把式（1）和式（2）用泰勒级数近似，可得

I10 I20

( m)E

R

I0 （3）

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。

式（3）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

EI0ton RI0T EMI0T

则 I0

E EM

R

2

tonT

I0 I0

假设电源电流平均值为I1，则有 I1

其值小于等于负载电流I0，由上式得 EI1 EI

U0I0

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，I20 0，可以得出

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tx ln[

1 (1 m)e

m

]

当时，电路为电流断续工作状态， 是电流断续的条件，即

m

输出电压平均值为

e

1 1

e

U0

负载电流平均值为

tonE (T ton tx)EM

T

[ (1

ton tx

T

)m]E

I0

1T

(

ton

i1dt

ton tx

ton

i2dt) (

ton tx

T

m)

ER

U0-EM

R

3.3直流供电电路

生活中现有的都为交流电，所以斩波电路的输入电压需由交流电经整流得到。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.由整流电路出来的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RL低通滤波器（通过串联一个电感，滤除电流的高次谐波，并联一个电容滤除电压的高次谐波），以减小纹波。protell原理【2】【3】图如下图3所示：

Ｃ

图4 直流供电电路

输入端接220V、50Hz的市电，进过变压器T1（原线圈/副线圈为8.25）后输出26.7V、50Hz。当同名端为正时D1、D4导通，D2、D3截止，电压上正下负。当同名端为负时D1、D4截止，D2、D3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24V左右）。

由于采用不可控器件，则计算公式相当于可控期间的α=0时的计算公式，即：

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E

1

2Usin td( t) 0.9Ucos

所以有

E 0.9U

其中整流输如U=110V，E为整流输出电压（斩波电路的输入电压）。

3.4信号发生电路的设计

1）晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发电路，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。

晶闸管触发电路应满足以下要求：

1.触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。

2.触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的3~5倍，脉冲前沿的陡度也需增加。

3.所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内。

4.应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

2）信号发生电路，是整个电路的控制电路，是整个电路的关键部分。没有这部分，就没法实现斩波电路的控制，实现直流电机的调速。通过可调节的信号产生的电路，产生相应的信号，通过IGBT的驱动电路来控制IGBT的通断，实现直流斩波，就能达到直流电动机调速的目的。

图5 信号发生电路

【4】

3.5 IGBT驱动电路选

IGBT是电压型控制器件，为了能使IGBT安全可靠地开通和关断．其驱动电路必须满足以下的条件：

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IGBT的栅电容比VMOSFET大得多，所以要提高其开关速度，就要有合适的门极正反向偏置电压和门极串联电阻。 （1）门极电压

任何情况下，开通状态的栅极驱动电压都不能超过参数表给出的限定值（一般为20v），最佳门极正向偏置电压为15v土10％。这个值足够令IGBT饱和导通；使导通损耗减至最小。虽然门极电压为零就可使IGBT处于截止状态，但是为了减小关断时间，提高IGBT的耐压、

dvdt

耐量和抗干扰能力，一般在使IGBT处于阻断状态时．可在门极与源极之间加一个-5~-15v的反向电压。

（2）门极串联电阻心

选择合适的门极串联电阻Rg对IGBT的驱动相当重要。

IGBT的输入阻抗高压达109~1011，静态时不需要直流电流．只需要对输入电容进行充放电的动态电流。其直流增益可达108~109，几乎不消耗功率。为了改善控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡，减少IGBT集电极大的电压尖脉冲，需在栅极串联电阻Rg，当Rg增大时，会使IGBT的通断时间延长，能耗增加；而减少RF又会使

didt

增高，可能损坏IGBT。因此应根据IGBT电

流容量和电压额定值及开关频率的不同，选择合适的Rg，一般选心值为几十欧姆至几百欧姆。具体选择Rg时．要参考器件的使用手册。 （3）驱动功率的要求

IGBT的开关过程要消耗一定的来自驱动电源的功耗，门极正反向偏置电压之差为 GE，工作频率为f，栅极电容为CGE，则电源的最少峰值电流为：

iGPR

GERG

2

驱动电源的平均功率为：PAV CGE GEf

IGBT的过流保护

IGBT的过流保护就是当上、下桥臂直通时，电源电压几乎全加在了开关管两端，此时将产生很大的短路电流，IGBT饱和压降越小，其电流就会越大，从而损坏器件。当器件发生过流时，将短路电流及其关断时的I—V运行轨迹限制在IGBT的短路安全工作区，用在损坏器件之前，将IGBT关断来避免开关管的损坏。

本设计采用了一个具有过流保护功能的光耦隔离的IGBT的驱动电路

【5】

，如下图。

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图6 IGBT驱动和过流保护电路

图6中，高速光耦6N137实现输入输出信号的电气隔离，能够达到很好的电气隔离，适合高频应用场合。驱动主电路采用推挽输出方式，有效地降低了驱动电路的输出阻抗，提高了驱动能力，使之适合于大功率IGBT的驱动，过流保护电路运用退集电极饱和原理，在发生过流时及时的关断IGBT，其中V1、V3、V4构成驱动脉冲放大电路。V1和R5构成一个射极跟随器，该射极跟随器提供了一个快速的电流源，减少了功率管的开通和关断时间。利用集电极退饱和原理，D1、R6、R7和V2构成短路信号检测电路．其中D1采用快速恢复二极管，为了防止IGBT关断时其集电极上的高电压窜入驱动电路。为了防止静电使功率器件误导通，在栅源之间并接双向稳压管D3和D4。如是IGBT的门极串联电阻。 正常工作时：

当控制电路送来高电平信号时，光耦6N137导通，V1、V2截止，V3导通而V4截止，该驱动电路向IBGT提供+15V的驱动开启电压，使IGBT开通。

当控制电路送来低电平信号时，光耦6N137截至，VI、V2导通。V4导通而v3截止，该驱动电路向IBGT提供-5v的电压，使IGBT关闭。

当过流时：

当电路出现短路故障时，上、下桥直通此时+15V的电压几乎全加在IGBT上．产生很大的电流，此时在短路信号检测电路中v2截止，A点的电位取决于D1、R6、R7和Vces的分压决定，当主电路正常工作时，且IGBT导通时，A点保持低电平，从而低于B点电位。所有A1输出低电平，此时V5截止，而c点为高电平，所以正常工作时。输入到光耦6N137的信号始终和输出保持一致。当发生过流时，IGBT集电极退饱和，A点电位升高，当高于B电位（即是所设置的电位）时，即是当电流超过设计定值时，A1翻转而输出高电平，V5导通，从而将C点的电位箝在低电位状态，使与门4081始终输出低电平，即无论控制电路送来是高电平或是低电平，输人到光耦6N137的信号始终都是低电平，从而关断功率管。从而达到过流保护。直到将电路的故障排除后，重新启动电路。

3.6保护电路 1．过电流保护电路：

晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:一类是由于整流电路内部原因, 如整流晶闸管损坏, 触发电路或控制系统有故障等; 其中整流桥晶闸管损坏类较为严重, 一般是由于晶闸管因过电压而击穿,造成无正、反向阻断能力，它相当于整流桥臂发生永久性短路，使在另外两桥臂晶闸管导通时，无法正常换流，因而产生线间短路引起过电流.

另一类则是整流桥负

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载外电路发生短路而引起的过电流，这类情况时有发生，因为整流桥的负载实质是逆变桥, 逆变电路换流失败，就相当于整流桥负载短路。另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。

1）对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔短器的方式。

图7 晶闸管过电流保护电路

2）对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。

2．过电压保护：

晶闸管电路中可能发生的过电压可分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因。内因过电压主要来自晶闸管内部的开关过程。，包括换相过电压和关断过电压。

晶闸管电路过电压保护主要防止内因过电压，一般情况下，外因过电压出现的几率比较小，这里主要分析内因过电压的电路设计。

晶闸管内因过电压保护电路如图所示。

图8 晶闸管过电压保护电路

这种保护电路能有效的抑制内因过电压，从而保护晶闸管不受损坏。这种电路一般和di/dt抑制电路串联使用，从而更好的保护晶闸管，如下图。

图9 晶闸管过电压、di/dt抑制保护电路