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多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合
直流传动是斩波电路应用的传统领域,而开关电源则是斩波电路应用的新领域,前者的应用是逐渐萎缩,而后者的应用方兴未艾、欣欣向荣,是电力电子领域的一大热点。
用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。
直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源),同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃,美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器,其最大输出功率有300W、600W、800W等,相应的功率密度为(6、2、10、17)W/cm^3,效率为(80-90)%。
日本NemicLambda公司最
II
新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列,其开关频率为(200-300)kHz,功率密度已达到27W/cm^3,采用同步整流器(MOS-FET代替肖特基二极管),是整个电路效率提高到90%。
目 录
第1章电路总体思路、基本结构和原理框图 1
1.1电路总体思路 1
1.2基本结构 1
1.3原理框图 1
第2章直流斩波电路设计方案和方案实施 3
2.1设计方案选择 3
2.2升压斩波电路的设计原理 3
2.3IGBT驱动电路选择 4
第3章单元电路的设计 5
3.1直流供电电路 5
3.2升压斩波主电路 5
3.3控制和驱动电路 6
3.3.1芯片SG3525简介 6
3.3.2控制和驱动电路原理图 7
3.4保护电路 8
3.5参数计算 9
第4章实验仿真与分析 11
4.1仿真软件Matlab简介 11
4.2仿真电路 11
4.3仿真结果及误差分析 12
第5章设计体会和致谢 14
参考文献 15
附录一原理图 16
附录二原件清单 17
III
第1章电路总体思路、基本结构和原理框图
1.1电路总体思路
直流斩波电路功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电,也称为直接直流—直流变换器。
在设计直流斩波电路过程中,日常所用的电源一般都是220V交流电,在设计中首先通过变压器降压,然后用整流电路将交流电转变为直流电,经过绿波电路滤掉高次谐波,从而获得直流斩波电路的输入电压。
控制和驱动电路,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,通过驱动电路对信号进行放大,放大后的电压可以直接驱动IGBT。
此电路具有信号稳定,安全可靠等优点。
因此他适用于中小容量的PWM斩波电路。
过压和过流保护电路,均采用反馈控制,将过流过压信号反馈到芯片SG3525的输入,从而起到调节保护作用。
1.2基本结构
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。
1.3原理框图
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
2
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。
直流斩波电路由电源、变压器、整流电路、滤波电路、主电路、控制和驱动电路及保护电路组成。
如图1—1所示:
电源变压器
整流电路
滤波电路
直流斩
控制和驱动电路 波
电路
保护电路
图1-1 直流斩波电路原理框图
第2章直流斩波电路设计方案和方案实施
2.1设计方案选择
斩波电路有三种控制方式:
(1)脉冲宽度调制(PWM):
开关周期T不变,改变开关导通时间ton。
(2)频率调制:
开关导通时间ton不变,改变开关周期T。
(3)混合型:
开关导通时间ton和开关周期T都可调,改变占空比。
本次设计采用的是脉宽调制的方法,开关选用全控型器件IGBT,它集中了电力MOSFET和GTR得优点。
2.2升压斩波电路的设计原理
原理图如图3-5所示:
假设L值、C值很大,V通时,E向L充电,充电电流恒为I1,同时C的电压向负载供电,因C值很大,输出电压Uo为恒值,记为Uo。
设V通的时间为ton,此阶段L上积蓄的能量为EI1ton
V断时,E和L共同向C充电并向负载R供电。
设V断的时间为toff,则此期间电感L释放能量为
3
(UO
E)I1toff
(2-1)
稳态时,一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等
化简得:
EI1ton
(UO
(2-2)
UO
T/t 1
ton
toffEtoff
TE
toff
(2-3)
off ,输出电压高于电源电压,故称升压斩波电路。
也称之为boostchooper
变换器。
o
T/toff——升压比,调节其即可改变U。
将升压比的倒数记作β,
toff
T
即。
和导通占空比,有如下关系:
1 (2-4)
因此,式(2-2)可表示为
U
E
1 1 E
o 1
(2-5)
升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因:
①L储能之后具有使电压泵升的作用
②电容C可将输出电压保持住
2.3IGBT驱动电路选择
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。
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SG3525设计出了一种可靠的IGBT驱动方案。
11
第3章单元电路的设计
3.1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原理图如下图3-1所示:
图3-1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)。
3.2升压斩波主电路
本设计为直流升压斩波(boostchopper)电路,该电路是本系统的核心。
应为输出电压比较大,故斩波器件选用能够承受大电压和导通内阻小,开关频率高,开关时间小的大功率IGBT管。
主电路图如下图3-2所示:
图3-2升压斩波主电路原理图
左边接经整流之后的50V电压。
右边为斩波电压输出,J2为测试点。
V-G为SG3525输出的PWM斩波信号。
G1为IGBT,D1为电力二极管,L2为电感,
C1为电容,R1为负载。
3.3控制和驱动电路
3.3.1芯片SG3525简介
PWM控制芯片SG3525具体的内部引脚结构如图3-3及图3-4所示。
其中,脚16为SG3525的基准电压源输出,精度可以达到(5.1±
1%)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70dB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
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