課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)功率驅(qū)動(dòng)

1、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 課 程 名 稱(chēng): 功率驅(qū)動(dòng)課程設(shè)計(jì) 課 程 代 碼: 8207071 題 目: 10W直流可控電源的設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名: 學(xué) 號(hào) 年級(jí)/專(zhuān)業(yè)/班: 09級(jí)機(jī)電(3)-1 學(xué)院(直屬系) : 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 指 導(dǎo) 教 師: 杜 福 銀 目 錄摘要 1引言1一.升壓斬波的工作原理 2二.硬件電路 7三.課程設(shè)計(jì)總結(jié)10四.心得體會(huì)11參考文獻(xiàn)12摘要本設(shè)計(jì)是基于TC646B芯片為核心控制的PWM升壓斬波電路（Boost chopper）.設(shè)計(jì)由Matlab仿真和Proteus兩大部分構(gòu)成。Matlab主要是理論分析，借助其強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算和仿真功能可也很直觀的看到PWM控制

2、輸出電壓的曲線圖。通過(guò)設(shè)置參數(shù)分析輸出與電路參數(shù)和控制量的關(guān)系，利用圖形可視化界面的直觀易懂的特點(diǎn)，使設(shè)計(jì)摒棄了繁瑣難懂的單一波形和控制方式，從而具有友好界面，非常方便的就可進(jìn)行控制參數(shù)輸入，和輸出圖像顯示。第二部分是電路板，其中Protel原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)以其分層次的設(shè)計(jì)環(huán)境，強(qiáng)大的元件及元件庫(kù)的組織功能，方便易用的連線工具，強(qiáng)大的編輯功能設(shè)計(jì)檢驗(yàn)，與印制電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)的緊密連接，自定義原理圖模板高質(zhì)量的輸出等等優(yōu)點(diǎn)，和豐富的設(shè)計(jì)法則，易用的編輯環(huán)境，輕松的交互性手動(dòng)布線，簡(jiǎn)便的封裝形式的編輯及組織，高智能的基于形狀的自定布線功能，萬(wàn)無(wú)一失的設(shè)計(jì)檢驗(yàn)等印制電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，使其在我們學(xué)生選

3、用PCB電路板設(shè)計(jì)軟件中占了絕大部分比重。它是本設(shè)計(jì)從理論到實(shí)際制作的必進(jìn)途徑，通過(guò)設(shè)定相應(yīng)的規(guī)則，足以滿足設(shè)計(jì)所要求的規(guī)定。關(guān)鍵字 升壓斬波; PWM;Proteus。引 言直流斬波電路作為將直流電變成另一種固定電壓或可調(diào)電壓的 DC-DC 變換器 ,在直流傳動(dòng)系統(tǒng)、充電蓄電電路、開(kāi)關(guān)電源、電力電子變換裝置及各種用電設(shè)備中得到普通的應(yīng)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(fù)合斬波電路等多種方式的變換電路 . 直流斬波技術(shù)已被廣泛用于開(kāi)關(guān)電源及直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)、節(jié)約電能的效果。全控型電力電子器件IGBT在牽引電傳動(dòng)電能傳輸與變換、有源濾波

4、等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但以 IGBT為功率器件的直流斬波電路在實(shí)際應(yīng)用中需要注意以下問(wèn)題:（1）系統(tǒng)損耗的問(wèn)；（2）柵極電阻；（3）驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)過(guò)流過(guò)壓保護(hù)的問(wèn)題。一、 升壓斬波工作原理1.1 主電路工作原理假設(shè)L值、C值很大，V通時(shí)，E向L充電，充電電流恒為I1，同時(shí)C的電壓向負(fù)載供電，因C值很大，輸出電壓uo為恒值,記為Uo。設(shè)V通的時(shí)間為ton，此階段L上積蓄的能量為EI1ton()offotIEU1-V斷時(shí)，E和L共同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)V斷的時(shí)間為toff，則此期間電感L釋放能量為穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等 （1-1）化簡(jiǎn)得： （1-2），輸出電壓高于電源電

5、壓，故稱(chēng)升壓斬波電路。也稱(chēng)之為boost chooper變換器。升壓比，調(diào)節(jié)其即可改變Uo。將升壓比的倒數(shù)記作，即。b和導(dǎo)通占空比，有如下關(guān)系： （1-3）因此，式（1-2）可表示為（1-4）升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因： L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用 電容C可將輸出電壓保持住1.2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路選擇 IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)條件密切地關(guān)系到他的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。門(mén)極電路的正偏壓uGS、負(fù)偏壓-uGS和門(mén)極電阻RG的大小，對(duì)IGBT的通態(tài)電壓、開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)損耗、承受短路能力及du/dt電流等參數(shù)有不同程度的影響。其中門(mén)極正電壓uGS的變化對(duì)IGBT的開(kāi)通特性，負(fù)載短路能力和duGS/

6、dt電流有較大的影響，而門(mén)極負(fù)偏壓對(duì)關(guān)斷特性的影響較大。同時(shí)，門(mén)極電路設(shè)計(jì)中也必須注意開(kāi)通特性，負(fù)載短路能力和由duGS/dt電流引起的誤觸發(fā)等問(wèn)題。根據(jù)上述分析，對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路提出以下要求和條件： (1)由于是容性輸出輸出阻抗；因此IBGT對(duì)門(mén)極電荷集聚很敏感，驅(qū)動(dòng)電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路。(2)用低內(nèi)阻的驅(qū)動(dòng)源對(duì)門(mén)極電容充放電，以保證門(mén)及控制電壓uGS有足夠陡峭的前、后沿，使IGBT的開(kāi)關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開(kāi)通后，門(mén)極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)提供足夠的功率，使IGBT不至退出飽和而損壞。(3)門(mén)極電路中的正偏壓應(yīng)為+12+15V；負(fù)偏壓應(yīng)為-2V-10V。 (4)IGBT 驅(qū)

7、動(dòng)電路中的電阻RG對(duì)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(huì)增加IGBT 的開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗；RG較小，會(huì)引起電流上升率增大，使IGBT 誤導(dǎo)通或損壞。RG的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及IGBT 的容量有關(guān)，一般在幾歐幾十歐，小容量的IGBT 其RG值較大。(5)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力及對(duì)IGBT 的自保護(hù)功能。IGBT 的控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路等應(yīng)與其高速開(kāi)關(guān)特性相匹配，另外，在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下，IGBT的GE極之間不能為開(kāi)路。IGBT驅(qū)動(dòng)電路分類(lèi)驅(qū)動(dòng)電路分為：分立插腳式元件的驅(qū)動(dòng)電路；光耦驅(qū)動(dòng)電路；厚膜驅(qū)動(dòng)電路；專(zhuān)用集成塊驅(qū)動(dòng)電路

8、。本文設(shè)計(jì)的電路采用的是專(zhuān)用集成塊驅(qū)動(dòng)電路。 IGBT驅(qū)動(dòng)電路分析隨著微處理技術(shù)的發(fā)展(包括處理器、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)器件)，數(shù)字信號(hào)處理器以其優(yōu)越的性能在交流調(diào)速、運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。一般數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)成的控制系統(tǒng)， IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)由處理器集成的PWM模塊產(chǎn)生的。而PWM接口驅(qū)動(dòng)能力及其與IGBT的接口電路的設(shè)計(jì)直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。因此本文采用SG3525設(shè)計(jì)出了一種可靠的IGBT驅(qū)動(dòng)方案。1.3 最優(yōu)參數(shù)選擇OOEOOE圖 1-1 電流連續(xù)圖 1-2 電流斷續(xù)當(dāng)IGBT處于導(dǎo)通時(shí)，得 ( 1 - 6 )設(shè)的初值為，解上式得 ( 1 7 )當(dāng)IGBT處于關(guān)斷時(shí)，設(shè)電動(dòng)機(jī)電樞

9、電流為，得 ( 1 8 )設(shè)的初值為，解上式得 ( 1 9 )當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，從圖 3-2 的電流波形可看出，=時(shí)刻=，=時(shí)刻=，由此可得 ( 1 10 ) ( 1 11 )故由上兩式求得： ( 1 12 ) ( 1 13 )把上面兩式用泰勒級(jí)數(shù)線性近似，得 ( 1 14 )該式表示了L為無(wú)窮大時(shí)電樞電流的平均值，即 ( 1 15 )當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)的波形如圖 3-2所示。當(dāng)=0時(shí)刻 =0，令式 （1-10）中=0即可求出，進(jìn)而可寫(xiě)出的表達(dá)式。另外，當(dāng)=時(shí)，=0，可求得持續(xù)的時(shí)間，即 ( 1 16 )當(dāng)時(shí)，電路為電流斷續(xù)工作狀態(tài)，是電流斷續(xù)的條件，即 ( 1 17 )根據(jù)上式可對(duì)電路的工作狀態(tài)做出判

10、斷。該式也是最優(yōu)參數(shù)選擇的依據(jù)。二、硬件電路2.1斬波信號(hào)產(chǎn)生電路 此電路主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT斬波。產(chǎn)生PWM信號(hào)有很多方法，但歸根到底不外乎直接產(chǎn)生PWM的專(zhuān)用芯片、單片機(jī)、PLC、可編程邏輯控制器等本電路采用直接產(chǎn)生PWM的專(zhuān)用芯片SG3525.該芯片的外圍電路只需簡(jiǎn)單的連接幾個(gè)電阻電容，就能產(chǎn)生特定頻率的PWM波，通過(guò)改變IN+輸入電阻就能改變輸出PWM波的占空比，故在IN+端接個(gè)可調(diào)電阻就能實(shí)現(xiàn)PWM控制。為了提高安全性，該芯片內(nèi)部還設(shè)有保護(hù)電路。它還具有高抗干擾能力，是一款性?xún)r(jià)比相當(dāng)不錯(cuò)的工業(yè)級(jí)芯片。為了減少不同電源之間的相互干擾，SG3525輸出的PWM經(jīng)過(guò)光電耦合之后才送至驅(qū)動(dòng)電

11、路。其電路圖如下圖 5所示：工作原理：通過(guò)R2、R3、C3結(jié)合SG3525產(chǎn)生鋸齒波輸入到SG3525的振蕩器。其產(chǎn)生的PWM信號(hào)由OUTA、OUTB輸出，調(diào)節(jié)R7可以改變占空比。輸出的PWM信號(hào)通過(guò)二極管D6、D7送至光電耦合器U2，光耦后通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。放大后的電壓可以直接驅(qū)動(dòng)IGBT。此電路具有信號(hào)穩(wěn)定，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。因此他適用于中小容量的PWM斬波電路。2.3升壓斬波電路的基本原理本設(shè)計(jì)為直流升壓斬波（boost chopper）電路，該電路是本系統(tǒng)的核心。應(yīng)為輸出電壓比較大，故斬波器件選用能夠承受大電壓和導(dǎo)通內(nèi)阻小，開(kāi)關(guān)頻率高，開(kāi)關(guān)時(shí)間小的大功率IGBT管。原理圖如下圖

12、6所示：圖 6 主電路仿真圖左邊接經(jīng)整流之后的50V電壓。右邊為斬波電壓輸出，J2為測(cè)試點(diǎn)。V-G為SG3525輸出的PWM斬波信號(hào)。Q1為IGBT，D1為電力二極管，L2為電感，C1為電容，R1為負(fù)載。原理分析：首先假設(shè)電感L值很大，電容C值也很大。當(dāng)V-G為高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，50V電源向L2充電，充電基本恒定為,同時(shí)電容C上的電壓向負(fù)載R供電，因C值很大，基本保持輸出電壓為恒值，記為。設(shè)V處于通態(tài)的時(shí)間為，此階段電感L上積儲(chǔ)的能量為。當(dāng)V處于段態(tài)時(shí)E和L共同向電容C充電，并向負(fù)載R提供能量。設(shè)V處于段態(tài)的時(shí)間為，則在此期間電感L釋放的能量為。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中電感L積儲(chǔ)的能

13、量于釋放的能量相等，即 （2-1）化簡(jiǎn)得 （2-2）上式中的，輸出電壓高于電源電壓。式（2-1）中為升壓比，調(diào)節(jié)其大小即可改變輸出電壓的大小。2.3 總原理圖圖形如下圖7所示。其中J1為市電插口，P1接15V驅(qū)動(dòng),P2為驅(qū)動(dòng)IGBT的PWM信號(hào)T1為變壓器，將220 V市電轉(zhuǎn)換成頻率不變的55V交流電（題目要求整理輸出50V，由于元器的阻抗會(huì)分壓，故把輸入電壓提高5 V，此時(shí)變壓器變比為T(mén)1：T2=4:1）。變壓器變壓后輸入到由D2、D3、D4、D5四個(gè)整流二極管組成的整流電路輸入端 。經(jīng)整流后電壓含有較大的紋波，故通過(guò)L1、C2組成的LC低通濾波器進(jìn)行濾波。濾波后輸出的電壓就比較平滑了。接下

14、來(lái)就是由電感L2、斬波器件IGBT Q1，電力二極管D1、電容C1組成的升壓斬波電路（Boost Chopper）.改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM的占空比就可以調(diào)節(jié)輸出到負(fù)載R1兩端電壓，J2是負(fù)載兩端的電壓測(cè)試點(diǎn)，接至示波器就可以看到輸出電壓。三、課程設(shè)計(jì)總結(jié)現(xiàn)在我們所使用到能源中電能占了很大的比重，它具有成本低廉，輸送方便，綠色環(huán)保，控制方便能很容易轉(zhuǎn)換成其他的信號(hào)等等。我們的日常生活已經(jīng)離不開(kāi)電了。在如今高能耗社會(huì)，合理的利用電能，提高電能品質(zhì)和用電效率成為了全球研究的當(dāng)務(wù)之急。而電力電子技術(shù)正是與這一主題相關(guān)聯(lián)的。直流升壓斬波電路是里面的一部分，它開(kāi)關(guān)電源，與線性電源相比，具有綠色效率高，控制方便

15、，智能化，易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。 在做課程設(shè)計(jì)的這段時(shí)間里，通過(guò)不斷地查找資料，最升壓斬波電路有了一定的理解。并且在matlab中仿真實(shí)現(xiàn)了，最后在protel中繪制了原理圖和PCB板。在做課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我對(duì)matlab在仿真中的應(yīng)用有了進(jìn)一步的了解和掌握。Matlab在電力電子方面的仿真應(yīng)用時(shí)，可以將電力電子電路輸出效果圖形化，形象直觀，可以幫助我們對(duì)電路的理解。在制作PCB板的過(guò)程中，我對(duì)protel的各種功能有了一定的了解，也讓我明白了理論和實(shí)際有很大差別。經(jīng)過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我認(rèn)識(shí)到自己還有很多東西需要進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)習(xí)，而且要把理論聯(lián)系實(shí)踐來(lái)學(xué)習(xí)，不僅要懂理論知識(shí)，還要懂如何作出實(shí)物。四、設(shè)

16、計(jì)體會(huì)做了兩周的課程設(shè)計(jì)，使我有了很多的心得體會(huì)，可以說(shuō)這次直流電機(jī)斬波調(diào)速控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)是在大家共同努力和在老師的精心指導(dǎo)下共同完成的。一開(kāi)始接觸這個(gè)課題時(shí)我還不知道該從何下手，很多東西不知該如何實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)2星期的努力，在圖書(shū)館和網(wǎng)上查資料，請(qǐng)教同學(xué)，終于是完成了任務(wù)。通過(guò)這次設(shè)計(jì)加深了我對(duì)這門(mén)課程的了解，以前總是覺(jué)得理論結(jié)合不了實(shí)際，但通過(guò)這次設(shè)計(jì)使我認(rèn)識(shí)到了理論結(jié)合實(shí)際的重要性。但由于我知識(shí)的限制，設(shè)計(jì)還有很多不足之處，希望老師指出并教導(dǎo)。通過(guò)對(duì)電路圖的研究，也增強(qiáng)了我們的思考能力。另外，在使用protel軟件繪制電路圖的過(guò)程中，我學(xué)到了很多實(shí)用的技巧，這也為以后的工作打下了很好的基礎(chǔ)。從開(kāi)始任務(wù)到查找資料，到設(shè)計(jì)電路圖，到最后的實(shí)際接線過(guò)程中，我學(xué)到了課堂上學(xué)習(xí)不到的知識(shí)。上課時(shí)總覺(jué)得所學(xué)的知識(shí)太抽象，沒(méi)什么用途，現(xiàn)在終于認(rèn)識(shí)到它的重