1、<p>　　電力電子技術課程設計（論文）</p><p>　　題目：降壓直流斬波電路實驗裝置</p><p>　　課程設計（論文）任務及評語</p><p>　　院（系）：新能源學院 教研室：電氣</p><p><b>　　目錄</b></p>

2、<p><b>　　第1章 緒論4</b></p><p>　　1.1 降壓直流斬波電路的基本概念5</p><p>　　1.2 降壓直流斬波電路的發(fā)展............................................... 5 </p><

3、;p>　　第2章 降壓直流斬波斬波電路設計</p><p>　　2.1 降壓斬波電路工作原理7</p><p>　　2.1.1降壓斬波電路（Buck Chopper）7</p><p>　　2.1.2 IGBT驅動電路選擇8</p><p>　　2.2 整流電路8</p><p>　　2.3 斬波信號

4、產(chǎn)生電路9</p><p>　　2.3.1由分立元件組成的驅動電路9</p><p>　　2.3.2集成驅動電路10</p><p>　?。?）電路原理圖及工作原理簡介11</p><p>　　2.4 最優(yōu)參數(shù)選擇13</p><p>　　2.4.1 整流電路部分13</p><p>

5、;　　2.4.2 斬波主電路部分13</p><p>　　2.5 生成總的電路圖15</p><p>　　2.5.1 總原理圖15</p><p>　　2.5.2 此電路的主要功能16</p><p>　　2.6 保護電路16</p><p>　　2.6.1 整流橋電路部分16</p><

6、;p>　　2.6.2 驅動電路部分17</p><p>　　第3章 課程設計總結........................................................18 </p><p><b>　　參考文獻18</b></p><p><b&

7、gt;　　摘要</b></p><p>　　直流斬波電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調電壓的 DC-DC 變換器 ,在直流傳動系統(tǒng)、充電蓄電電路、開關電源、電力電子變換裝置及各種用電設備中得到普通的應用.隨之出現(xiàn)了諸如降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、復合斬波電路等多種方式的變換電路 . 直流斬波技術已被廣泛用于開關電源及直流電動機驅動中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應、節(jié)約電能的效果

8、。全控型電力電子器件IGBT在牽引電傳動電能傳輸與變換、有源濾波等領域得到了廣泛的應用。</p><p>　　TDC-1型學習機是為了配合高等工科院校及高等?？萍夹g學校的“電力電子”或“半導體變流技術”等課程中的直流斬波電路實驗并根據(jù)當今電力電子技術的發(fā)展方向及應用而設計的新型實驗裝置。該學習機面板上畫有原理圖。各測試點均裝有測試探頭可以鉤住的端子。測試電壓及波形十分方便。使學生在實驗課中安全、方便、直觀地觀察到

9、各種電壓、電流的波形及數(shù)據(jù)。學生實驗可以更加深入了解直流斬波電路的工作原理及其典型的應用電</p><p><b>　　. </b></p><p>　　關鍵詞：直流；電力電子；變換電路；</p><p>　　第一章 摘要 </p><p>　　1.1 直流斬波電路的介紹</p><p&g

10、t;　　直流變換技術已被廣泛的應用于開關電源及直流電動機驅動中，如不間斷電源（UPS）、無軌電車、地鐵列車、蓄電池供電的機動車輛的無級變速及20世紀80年代興起的電動汽車的控制。從而使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能，并同時收到節(jié)約電能的效果。直流變換系統(tǒng)的結構如下圖-1所示。由于變速器的輸入是電網(wǎng)電壓經(jīng)不可控整流而來的直流電壓，所以直流斬波不僅能起到調壓的作用，同時還能起到有效地抑制網(wǎng)側諧波電流的作用。</p>&l

11、t;p><b>　　直流變換系統(tǒng)結構</b></p><p>　　1.2 直流斬波電路的發(fā)展前景</p><p>　　直流傳動是斬波電路應用的傳統(tǒng)領域，而開關電源則是斬波電路應用的新領域，前者的應用是逐漸萎縮，而后者的應用方興未艾、欣欣向榮，是電力電子領域的一大熱點。 DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。直流變換電路的用途非

12、常廣泛，包括直流電動機傳動、開關電源、單相功率因數(shù)校正，以及用于其他領域的交直流電源。 斬波器的工作方式有：脈寬調制方式（Ts不變，改變ton）和頻率調制方式（ton不變，改變Ts）兩種。前者較為通用，后者容易產(chǎn)生干擾。當今世界軟開關技術使得DC/DC變換器發(fā)生了質得變化和飛躍。美國VICOR公司設計制造得多種ECI軟開關DC/DC變換器，最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應得功率密度為（6.2、10、17）W/cm3

13、，效率為（80—90）%。日本NemicLambda公司最新推出得一種采用軟開關技術得高頻開關電源模塊RM系列，其開關頻率為200—300KHz,功率密度已達27W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二極管），使整個電路效率提高到90%。</p><p>　　第二章 降壓直流斬波電路設計</p><p>　　2.1 降壓斬波電路工作原理</p><p>

14、;　　2.1.1降壓斬波電路（Buck Chopper） </p><p>　　電路的原理圖如圖2所示，</p><p>　　圖2 降壓斬波電路主電路</p><p>　　此電路使用一個全控型器件V，圖中為IGBT，若采用晶閘管，需設置使晶閘管關斷的輔助電路。并設置了續(xù)流二極管VD，在V關斷時給負載中電感電流提供通道。主要用于電子電路的供電電源，也可拖動直流電動機或

15、帶蓄電池負載等，后兩種情況下負載中均會出現(xiàn)反電動勢，如圖中Em所示。</p><p>　　工作原理：當t=0時刻驅動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)曲線上升。</p><p>　　當 t=t1時控制V關斷，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，通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。 </p><p>　　此電

16、路的基本數(shù)量關系為：</p><p><b>　?。?）電流連續(xù)時</b></p><p>　　負載電壓的平均值為 </p><p><b>　　(1-1)</b></p><p>　　式中，ton為V處于通態(tài)的時間，toff為V處于斷態(tài)的時間，T為開關周期，為導通占空比，簡稱占空比或導通比。負載電

17、流平均值為 </p><p><b>　　(1-2)</b></p><p>　?。?）電流斷續(xù)時，負載電壓uo平均值會被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。 </p><p>　　斬波電路有三種控制方式：</p><p>　　脈沖寬度調制（PWM）：保持開關周期T不變，調節(jié)開關導通時間ton，</p>&

18、lt;p>　　頻率調制：保持開關導通時間ton不變，改變開關周期T。</p><p>　　混合型：ton和T都可調，使占空比改變。</p><p>　　2.1.2 IGBT驅動電路選擇 IGBT的門極驅動條件密切地關系到他的靜態(tài)和動態(tài)特性。門極電路的正偏壓uGS、負偏壓-uGS和門極電阻RG的大小，對IGBT的通態(tài)電壓、開關、開關損耗、承受短路能力及du/dt電流等參數(shù)有不

19、同程度的影響。其中門極正電壓uGS的變化對IGBT的開通特性，負載短路能力和duGS/dt電流有較大的影響，而門極負偏壓對關斷特性的影響較大。同時，門極電路設計中也必須注意開通特性，負載短路能力和由duGS/dt電流引起的誤觸發(fā)等問題。根據(jù)上述分析，對IGBT驅動電路提出以下要求和條件：</p><p>　　(1)由于是容性輸出輸出阻抗；因此IBGT對門極電荷集聚很敏感，驅動電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電

20、回路。</p><p>　　(2)用低內(nèi)阻的驅動源對門極電容充放電，以保證門及控制電壓uGS有足夠陡峭的前、后沿，使IGBT的開關損耗盡量小。另外，IGBT開通后，門極驅動源應提供足夠的功率，使IGBT不至退出飽和而損壞。</p><p>　　(3)門極電路中的正偏壓應為+12～+15V；負偏壓應為-2V～-10V。</p><p>　　(4)IGBT 驅動電路中的

21、電阻RG對工作性能有較大的影響，RG較大，有利于抑制IGBT 的電流上升率及電壓上升率，但會增加IGBT 的開關時間和開關損耗；RG較小，會引起電流上升率增大，使IGBT 誤導通或損壞。RG的具體數(shù)據(jù)與驅動電路的結構及IGBT 的容量有關，一般在幾歐～幾十歐，小容量的IGBT 其RG值較大。</p><p>　　(5)驅動電路應具有較強的抗干擾能力及對IGBT 的自保護功能。IGBT 的控制、驅動及保護電路等應與

22、其高速開關特性相匹配，另外，在未采取適當?shù)姆漓o電措施情況下，IGBT的G～E極之間不能為開路。</p><p>　　IGBT驅動電路分類驅動電路分為：分立插腳式元件的驅動電路；光耦驅動電路；厚膜驅動電路；專用集成塊驅動電路。本文設計的電路采用的是專用集成塊驅動電路。</p><p>　　IGBT驅動電路分析隨著微處理技術的發(fā)展(包括處理器、系統(tǒng)結構和存儲器件)，數(shù)字信號處理器以其優(yōu)越的性能

23、在交流調速、運動控制領域得到了廣泛的應用。一般數(shù)字信號處理器構成的控制系統(tǒng)， IGBT驅動信號由處理器集成的PWM模塊產(chǎn)生的。而PWM接口驅動能力及其與IGBT的接口電路的設計直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。因此本文采用EXB841設計出了一種可靠的IGBT驅動方案。</p><p>　　本文將在斬波信號產(chǎn)生電路一節(jié)將分立元件組成的驅動電路和集成驅動電路做一下簡單的比較，以此來說明集成驅動電路的優(yōu)越性。</p&

24、gt;<p><b>　　2.2 整流電路</b></p><p>　　本設計采用橋式電路整流：由四個二極管組成一個全橋整流電路. 對整流出來的電壓進行傅里葉變換得，由整流電路出來的電壓含有較大的紋波，電壓質量不太好，故需要進行濾波。本電路采用RC濾波器,因為電容濾波的直流輸出電壓Uo與變壓器副邊電壓U2的比值比較大，而且適用在小電流、整流管的沖擊電流比較大的電路中。因此本電路

25、選用電容濾波.因為本電路要求有穩(wěn)定的輸出因此還需用到穩(wěn)壓二極管進行穩(wěn)壓。</p><p>　　整流電路的原理圖如圖3所示：</p><p><b>　　圖3 整流電路圖</b></p><p>　　輸入端接220V、50Hz的市電，進過變壓器T1（原線圈/副線圈為4/1）后輸出55V、50Hz。當同名端為正時D2、D5導通，D3、D4截止，電壓

26、上正下負。當同名端為負時D2、D5截止，D3、D4導通，電壓同樣是上正下負，從而實現(xiàn)整流。電感具有電流不能突變，通直流阻交流特性，因此串聯(lián)一個電感可以提高直流電壓品質。而電容具有電壓不能突變，通交流阻直流特性，因此并聯(lián)一個大電容可以濾除雜波，減小紋波。結合兩種元器件的特性，組成上圖整流電路，可以得到比較理想的直流電壓（幅值為50V左右）。</p><p>　　2.3 斬波信號產(chǎn)生電路</p><

27、;p>　　此電路主要用來驅動IGBT斬波。同其他的電力電子器件一樣，由分立元件組成的IGBT驅動電路也存在著可靠性問題。為此，目前已經(jīng)研制出多種專用的IGBT集成驅動電路。這些集成塊速度快，為了提高安全性，內(nèi)部設有保護電路。它還具有高抗干擾能力，可實現(xiàn)IGBT的最優(yōu)驅動。下面將分立元件組成的驅動電路和集成驅動電路做一下簡單的比較，以此來說明集成驅動電路的優(yōu)越性。</p><p>　　2.3.1由分立元件組成

28、的驅動電路</p><p>　　如圖4為由脈沖變壓器組成的柵極驅動電路。其工作原理為：正向驅動信號使VT1導通，電源電壓作用于脈沖變壓器一次側，二次電壓經(jīng)二極管VD2、VD3和門集電阻Rg后作用于IGBT，使IGBT導通。晶體管VT2由于基極反向偏置而截至。</p><p><b>　　圖 4 由分立</b></p><p><b>

29、　　元件組成的</b></p><p><b>　　驅動電路</b></p><p>　　當驅動信號為零時，VT1截止，一次勵磁電流經(jīng)VD1和VS迅速衰減，使在脈沖間隙期間脈沖變壓器的磁通回零。變壓器二次側的反向電壓經(jīng)R2加到二極管VD2上。IGBT門極結電容上的電荷經(jīng)Rg和VT2放掉，R2為VT2的偏流電阻。</p><p>　　

30、此電路的優(yōu)點：這種電路不用獨立的驅動電源，驅動電路結構簡單，脈沖變化時，驅動電壓幅值不變，可用于各種容量的IGBT的驅動。</p><p>　　此電路的缺點：截止時沒有門極反向電壓，抗干擾能力不強。這種電路適用于驅動占空比小于50%的高頻場合。</p><p>　　2.3.2集成驅動電路</p><p>　?。?）芯片介紹及功能原理圖</p><

31、p>　　EXB841芯片是單列直插式結構，如圖5所示，各引腳的功能見表1。圖5中3腳為驅動的輸出端，通過電阻Rg接被驅動的IGBT的柵極；4腳用于外接電容，防止電流保護電路的誤動作；5腳為過電路保護電路的輸出信號，低電平有效；6腳接IGBT的集電極，通過檢測Uce的大小來判斷是否發(fā)生短路或集電極電流過大，從而進行自動保護。EXB841的功能塊圖如圖6所示。</p><p>　　圖-5 EXB841 芯片

32、引腳圖</p><p>　　表1 EXB841的引腳功能表</p><p>　　圖6 EXB841的功能塊圖</p><p>　?。?）電路原理圖及工作原理簡介</p><p>　　圖7示出了EXB841的電路原理圖，其結構包含隔離放大、過電流保護和基準電源三部分。隔離放大部分由光電耦合器ISO01、晶體管VT2、VT4、VT5和阻容元件R1

33、、C1、R2、R9組成。光電耦合器IS01的隔離電壓可達2500VAC。VT2為中間放大級，VT4和VT5組成的互補式推挽輸出可為IGBT柵極提供導通和關斷電壓。晶體管VT1、VT3和穩(wěn)壓管VZ1以及阻容元件R3~R8、C2~C4組成過電流保護部分，實現(xiàn)過電流檢測和延時保護。電阻R10、穩(wěn)壓管VZ2與電容C5構成5V基準電源，為IGBT的關斷提供-5V的反偏電壓，同時也為輸入光耦合器IS01提供副方電源.。</p><

34、;p>　　電路的工作過程簡述如下：當14腳與15腳間流過的電流為零時，光電耦合器截止，A點為高電平，晶體管VT1、VT2導通，D點電位下降VT4截止、VT5導通。IGBT的柵極電荷經(jīng)VT5迅速放電，使3腳電位降至0V，IGBT由于Ugs=-5V而可靠關斷。當14腳與15腳間通過10mA電流時，光電耦合器導通，A點電位下降，VT1、VT2由導通變?yōu)榻刂?。VT2截止導致D點電位升高，VT4導通，VT5截止。2腳電源經(jīng)VT4到3腳到Rg

35、到IGBT,驅動IGBT的柵極，使IGBT迅速導通。</p><p>　　當IGBT正常工作時，Uce較小，隔離二極管VD2導通，穩(wěn)壓管VZ1不會被擊穿，VT3截止，C4被充電，使E點電位為電源電壓值（20V）并保持不變。一旦發(fā)生過電流或短路，IGBT因承受大電流而退飽和，導致Uce上升，VD2截止，VZ1被擊穿使VT3導通，C4經(jīng)R7和VT3放電，E點及B點電位逐漸下降，VT4截止，VT5導通，使IGBT被慢慢

36、關斷從而得到保護。與此同時，5腳輸出低電平，將過流保護信號輸出。</p><p>　　使用此驅動電路時應注意以下問題：</p><p>　　①輸入電路與輸出電路應分開。即輸入電路（光電耦合器）接線遠離輸出電路接線，以保證有適當?shù)慕^緣強度和高的噪聲阻抗。</p><p>　　②驅動電路與IGBT柵到射極接線長度應小于1m，并使用雙絞線以提高抗干擾能力。</p&g

37、t;<p>　?、廴艏姌O上有大的電壓尖脈沖產(chǎn)生，可增加柵極串聯(lián)電阻Rg使尖脈沖較小。Rg值的選擇可參考表2所給數(shù)據(jù)。</p><p>　　表2推薦的柵極串聯(lián)電阻Rg的參考值</p><p>　　圖7 EXB841的電路原理圖</p><p><b>　　2.4最優(yōu)參數(shù)選擇</b></p><p>　　2.

38、4.1 整流電路部分</p><p>　　整流橋二極管的選擇。在橋式整流電路中，每只二極管只在輸入電壓的半個周期內(nèi)導通，因此二極管的平均電流只有負載電阻上平均電流的一半，即ID(AV)=IO(AV)/2=0.45U2/RL</p><p>　　在二極管不導通期間，承受反壓的最大值就是變壓器二次測電壓U2的最大值，即 URM=1.414U2，根據(jù)上面的選擇原則可知選擇二極管的最大整流電流IF

39、≧(1.1IO)/2≈0.5(U2/RL);最大反向電壓UR≧1.1√2U2=1.1√2×55=84.7V。</p><p>　　濾波電容的選擇：C=(5T/2)/RL</p><p>　　2.4.2 斬波主電路部分</p><p>　?、買GBT的選擇：因為本電路設計的E=50V,因此根據(jù)表2可知所選IGBT的額定電壓與額定電流分別為50V、100A。

40、</p><p>　?、跂艠O串聯(lián)電阻Rg的阻值：根據(jù)IGBT的選擇，由表2可知Rg的值為25。</p><p>　　③其他元器件的選擇標準如下：</p><p>　　對降壓斬波電路進行解析 </p><p>　　基于分時段線性電路這一思想，按V處于通態(tài)和處于斷態(tài)兩個過程來分析，初始條件分電流連續(xù)和斷續(xù)。</p><p&g

41、t;<b>　　電流連續(xù)時得出</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　式中， ， ， ，

42、，</p><p>　　I10和I20分別是負載電流瞬時值的最小值和最大值。 </p><p>　　把式（1-3）和式（1-4）用泰勒級數(shù)近似，可得 </p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　平波電抗器L為無窮大，此時負載電流最大值、最小值均等于平均值。 </p><p&

43、gt;　?。?-5）所示的關系還可從能量傳遞關系簡單地推得，一個周期中，忽略電路中的損耗，則電源提供的能量與負載消耗的能量相等，即 </p><p><b>　　則</b></p><p>　　假設電源電流平均值為I1，則有 </p><p>　　其值小于等于負載電流Io，由上式得 </p><p>　　即輸出功率等于

44、輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器。</p><p>　　電流斷續(xù)時有I10=0，且t=ton+tx時，i2=0，可以得出 </p><p>　　當時，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài)，是電流斷續(xù)的條件，即</p><p><b>　　輸出電壓平均值為 </b></p><p><b>　　負載電流平均值為 &l

45、t;/b></p><p>　　根據(jù)上式可對電路的工作狀態(tài)做出判斷。該式也是最優(yōu)參數(shù)選擇的依據(jù)。</p><p>　　2.5 生成總的電路圖</p><p>　　2.5.1 總原理圖</p><p>　　隨著電力電子技術的發(fā)展，有源功率因數(shù)校正(APFC)技術已經(jīng)能有效地抑制輸入電流的諧波分量，其波形接近正弦波，并與輸入電壓同相位。AP

46、FC電路不僅能實現(xiàn)輸出直流電壓的斬波調節(jié)，還能實現(xiàn)電網(wǎng)一側單位功率因數(shù)。降壓斬波APFC的電路圖如圖8所示，</p><p><b>　　圖8 總電路圖</b></p><p>　　2.5.2 此電路的主要功能</p><p>　?、偻ㄟ^檢測和跟蹤電網(wǎng)電流i～，實現(xiàn)電網(wǎng)電流的近似正弦化，達到電網(wǎng)一側單位功率因數(shù)。</p><

47、p>　?、谕ㄟ^檢測和跟蹤輸出直流電壓的波動，實時調節(jié)輸出直流電壓的穩(wěn)定。</p><p><b>　　2.6 保護電路</b></p><p>　　2.6.1 整流橋電路部分</p><p>　　在橋式整流電路中，為了防止二極管受到電壓的瞬間沖擊，在每個二極管上并聯(lián)一個電容。如圖9所示，</p><p>　　圖9

48、整流二極管的保護電路</p><p>　　2.6.2 驅動電路部分</p><p>　　EXB841集成塊的內(nèi)部有很好的保護措施。</p><p>　　第三章 課程設計總結</p><p>　　兩周的課程設計結束了，在這次的課程設計中不僅檢驗了我所學習的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設計過程中，

49、與同學分工設計，和同學們相互探討，相互學習，相互監(jiān)督。學會了合作，學會了運籌帷幄，學會了寬容，學會了理解，也學會了做人與處世。</p><p>　　課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，這是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程．”千里之行始于足下”，通過這次課程設計，我深深體會到這句千古名言的真正含義．我今天認真的進行課程設計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基

50、礎．</p><p>　　在這次設計過程中，體現(xiàn)出自己單獨設計電路的能力以及綜合運用知識的能力，體會了學以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時學習的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補。</p><p>　　在此感謝我們的xxx老師.，老師嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣；老師循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪；這次模具設計的每個實驗細節(jié)和每個數(shù)據(jù)，都離

51、不開老師您的細心指導。而您開朗的個性和寬容的態(tài)度，幫助我能夠很順利的完成了這次課程設計。</p><p>　　同時感謝對我?guī)椭^的同學們，謝謝你們對我的幫助和支持，讓我感受到同學的友誼。 </p><p>　　由于本人的設計能力有限，在設計過程中難免出現(xiàn)錯誤，懇請老師們多多指教,我十分樂意接受你們的批評與指正，本人將萬分感謝。</p><p><b>

52、;　　參考文獻</b></p><p>　　1]王兆安，劉進軍，電力電子技術[M].第五版.北京：機械工業(yè)出版，2009:119-123.</p><p>　　[2]樊立平，王忠慶，電力電子技術[M].北京：中國林業(yè)出版，北京大學出版社,2006:116-119.</p><p>　　[3]曲學基，曲敬鎧，于明揚，電力電子整流計算及應用[M].北京：電子