1、目 錄第一章 緒論21.1電力電子技術的介紹21.2電力電子技術的應用31.3電力電子技術中的直流變化技術4第二章系統總體方案及主電路設計42.1 設計題目 IGBT升壓斬波電路設計（純電阻負載）42.2系統的方案及其流程圖 42.3 主電路的設計52.4參數的計算6第三章控制和驅動電路的設計83.1 控制電路設計83.1.1 控制電路方案選擇83.1.2 SG3525的工作原理93.2 驅動電路設計103.3 保護電路設計11第四章 系統仿真與分析114.1 仿真軟件Matlab簡介 114.2 仿真模型的建立124.3 系統仿真結果及分析134.3.1 仿真結果134.3.2 仿真結果分析

2、13致謝14參考文獻 15第一章緒論1.1電力電子技術的介紹 電力電子技術是一門新興的應用于電力領域的電子技術，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電能進行變換和控制的技術。電力電子技術所變換的“電力”功率可大到數百MW甚至GW，也可以小到數W甚至1W以下，和以信息處理為主的信息電子技術不同電力電子技術主要用于電力換。電力電子技術分為電力電子器件制造技術和變流技術（整流，逆變，斬波，變頻，變相等）兩個分支?，F已成為現代電氣工程與自動化專業不可缺少的一門專業基礎課，在培養該專業人才中占有重要地位。電力電子學（PowerElectronics）這一名稱是在上世紀60年代出現的。1

3、974年，美國的W.Newell用一個倒三角形（如圖）對電力電子學進行了描述，認為它是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而形成的。這一觀點被全世界普遍接受?！半娏﹄娮訉W”和“電力電子技術”是分別從學術和工程技術2個不同的角度來稱呼的。 1.2電力電子技術的應用 電力電子技術是一門新興技術，它是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而成的，在電氣自動化專業中已成為一門專業基礎性強且與生產緊密聯系的不可缺少的專業基礎課。本課程體現了弱電對強電的控制，又具有很強的實踐性。能夠理論聯系實際，在培養自動化專業人才中占有重要地位。它包括了晶閘管的結構和分類、晶閘管的過電壓和過電流保護方法、可控整流電路

4、、晶閘管有源逆變電路、晶閘管無源逆變電路、PWM控制技術、交流調壓、直流斬波以及變頻電路的工作原理。在電力電子技術中，可控整流電路是非常重要的內容，整流電路是將交流電變為直流電的電路，其應用非常廣泛。工業中大量應用的各種直流電動機的調速均采用電力電子裝置；電氣化鐵道（電氣機車、磁懸浮列車等）、電動汽車、飛機、船舶、電梯等交通運輸工具中也廣泛采用整流電力電子技術；各種電子裝置如通信設備中的程控交換機所用的直流電源、大型計算機所需的工作電源、微型計算機內部的電源都可以利用整流電路構成的直流電源供電，可以說有電源的地方就有電力電子技術的設備。1.3電力電子技術中的直流變化技術直流變換技術已被廣泛的應

5、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、快速響應的性能，并同時收到節約電能的效果。由于變速器的輸入是電網電壓經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側諧波電流的作用。第二章系統總體方案及主電路設計2.1 設計題目 IGBT升壓斬波電路設計（純電阻負載） 設計要求 1. 輸入直流電壓：Ud =50v 2. 輸出功率：300w 3. 開關頻率：5KHZ 4. 占空比：10% 50% 5.輸出電壓脈率：10%2.2系統的方

6、案及其流程圖 電力電子器件在實際應用中，一般是由控制電路，驅動電路，保護電路和以電力電子器件為核心的主電路組成的一個系統。由信息電子電路組成的控制電路按照系統的工作要求形成控制信號，通過驅動電路去控制主電路中電力電子器件的導通或者關斷，來完成整個系統的功能。因此，一個完整的升壓斬波電路也應包括主電路，控制電路，驅動電路和保護電路這些環節。直流斬波電路一般主要可分為主電路模塊，控制電路模塊和驅動電路模塊三部分成。主電路模塊，主要由全控器件IGBT的開通與關斷的時間占空比來決定輸出電壓u。的大小?？刂齐娐纺K，可直接用產生PWM的專用芯片SG3525來控制IGBT的開通與關斷。驅動電路模塊，驅動電

7、路把控制信號轉換為電壓信號加在IGBT控制端和公共端之間，用來驅動IGBT的開通與關斷。 系統總體流程圖如圖2-1 圖2-1 系統總體流程圖2.3 主電路的設計 升壓斬波電路工作原理圖及其波形圖2-2所示 圖2-2升壓斬波電路工作原理圖及其波形圖2.4參數的計算 根據設計要求，我選擇大小為50v的直流電壓源，選取升壓斬波電路的占空比為30%。因此，輸出電壓Uo=71.4v，輸出功率P0=Uo2/R。又因為要求輸出功率為300W，可計算出負載電阻為17。電壓控制電壓源和脈沖電壓源可組成功率開關的驅動電路。在控制開關開通期間ton，電流從電源正極流出，經過電感從開關流回電源負極。電容C向R供電，輸

8、出電壓Uo上正下負。電源電壓Ui全部加到電感兩端Ui=UL，在該電壓作用下，電感電流iL線性增長。在導通之間內，電感電流增量為：在控制開關關斷期間toff，iL經二極管流出，電感電壓極性將變成左負右正，認為電感很大，iL不變。這樣，電源和電感同時給電容C和負載R供電，負載兩端電壓仍是上正下負。電感電壓UL=Ui UoLc時，工作在連續狀態下。電感越大時，電感電流越平直，可適當取較大的電感值。 計算C：由式（ 2-9）知C=(UoT)/(RUo ) ，因為要求電壓脈動率10%，這里取5%，計算Uo =Uo5%=3.57V，代入上式計算出C=7.0610-5 F，濾波電容越大，輸出電壓越平直，可適

9、當取較大的電容值。 第三章控制和驅動電路的設計3.1 控制電路設計 3.1.1 控制電路方案選擇 控制電路主要實現的功能是產生控制信號，用于控制斬波電路中主功率器件的通斷，同時能夠通過對占空比的調節達到控制輸出電壓大小的目的。根據對輸出電壓平均值進行調制的方式不同，斬波電路有三種控制方式：（1）保持開關周期T不變，調節開關導通時間ton，稱為脈沖寬度調制或脈沖調寬型；（2）保持導通時間不變，改變開關周期T，稱為頻率調制或調頻型；（3）導通時間和周期T都可調，使占空比改變，稱為混合型。 其中第一種是最常用的方法。此次設計也采用PWM控制。PWM控制就是對脈沖寬度進行調制的技術，即通過一系列脈沖的

10、寬度進行調制，來等效的獲得所需的波形。這種電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需的電壓。改變脈沖的占空比就是對脈沖寬度進行調制，只是因為輸入電壓和所需的輸出電壓都是直流電壓，因此脈沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對脈沖的占空比進行控制。 本次設計中，控制電路以SG3525為核心構成。SG3525為美國Silicom General 公司生產的專用PWM控制集成電路，它采用衡頻脈寬調制控制方案，適合于各種開關電源，斬波器的控制。SG3525其內部包含精密精準源，鋸齒波振蕩器，誤差放大器，比較器，分頻器等，實現PWM控制所需的基本電路，并含有保護電路，其電路圖如下圖:圖3 S

11、G3525 電路圖3.1.2 SG3525的工作原理 SG3525的腳16為基準電壓源輸出，精度可以達到（5.11）V，采用了溫度補償，而且設有過流保護電路。腳6、腳7內有一個雙門限比較器，內設電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構成SG3525的振蕩器，同時振蕩器還設有外同步輸入端(腳3)。腳1及腳2分別為芯片內部誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端，該放大器是一個兩級差分放大器。通過R2、R3、C3結合SG3525產生鋸齒波輸入到SG3525的振蕩器。通過調節R7，可在OUTA、OUTB兩端輸出兩個幅度相等，頻率相等，相位相差180，占空比可調的矩形波(即PWM信號)。3.2 驅動電路

12、設計 IGBT是電力電子器件，控制電路產生的控制信號一般難以直接驅動IGBT，因此需要外加驅動電路。驅動電路是連接控制部分和主電路的橋梁，驅動電路的穩定與可靠性直接影響著整個系統變流的成敗，具體來講IGBT的驅動要求動態驅動能力強，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅動脈沖。否則IGBT會在開通及關斷延時，同時要保證當IGBT損壞時驅動電路中的其他元件不會被損壞。其次能向IGBT提供適當的正向和反向柵壓，一般取+15V左右的正向柵壓比較恰當，取-5V反向柵壓能讓IGBT可靠截止。而且要具有柵壓限幅電路，保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為土20V，驅動信號超出此范圍可能破壞柵極。最后

13、當IGBT處于負載短路或過流狀態時，能在IGBT允許時間內通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流，實現IGBT 的軟關斷。驅動電路的軟關斷過程不應隨輸入信號的消失而受到影響。在本設計中，直接采用光電耦合式驅動電路，該電路雙側都有電源。其提供的脈沖寬度不受限制，較易檢測IGBT的電壓和電流的狀態。另外它使用比較方便，穩定性比較好。如圖4所示，控制電路所輸出的PWM信號通過TLP521-1光耦合器實現電氣隔離，再經過推免電路進行放大，從而把輸出的控制信號放大以驅動IGBT。為得到最佳的波形，在調試的過程中對光耦兩端的電阻要進行合理的搭配。 圖4 驅動電路3.3保護電路設計 升壓斬波電路需同時具有過壓和過

14、流保護功能，如圖5所示，均采用反饋控制，將過流過壓信號反饋到芯片SG3525的輸入，從而起到調節保護作用。同時芯片SG3525也可完成一定的保護功能，例如，腳8軟起動功能，避免了開關電源在開機瞬間的電流沖擊，可能造成的末級功率開關管的損壞。圖5 電壓和電流保護電路第四章 系統仿真與分析 4.1 仿真軟件Matlab簡介 在科學研究和工程應用中，往往要進行大量的數學計算，其中包括矩陣運算。這些運算一般來說難以用手工精確和快捷地進行，而要借助計算機編制相應的程序做近似計算。目前比較流行的控制系統仿真軟件是MATLAB。MATLAB是一種功能強、效率高便于進行科學和工程計算的交互式軟件包。其中包括：

15、一般數值分析、矩陣運算、數字信號處理、建模和系統控制和優化等應用程 序，并集應用程序和圖形于一便于使用的集成環境中。本次課程設計仿真便是采用MATLAB，利用其面向控制系統電氣原理結構圖，使用PowerSystem工具箱進行主電路的仿真與設計。 4.2仿真模型的建立 IGBT升壓斬波電路模型主要由直流電源、同步觸發脈沖、IGBT、電阻、電感、電容以及電流表、電壓表、示波器等部分組成。采用MATLAB面向電氣原理結構圖方法構成的IGBT升壓斬波電路模型如圖7所示。圖7 IGBT升壓斬波電路4.3 系統仿真結果及分析4.3.1 仿真結果4.3.2 仿真結果分析1. 電壓端輸入大小為Ui=50v的直

16、流電2. 輸出電壓Uo經 IGBT升壓斬波后輸出直流電壓理論計算值Uo=71.4v，由上面的波形圖可以看出實驗值約為69.5v與理論值基本符合，誤差為2.66%3. I0和I14. U0和I0 由功率P0= U0I0知，P0=69.54.27=296.765w，誤差為1.08%。致謝 通過這一個星期的電力電子技術課程設計使我收獲頗多。本課程設計中，我不僅對IGBT升壓斬波電路從原理到實踐上有了深刻的了解，更增強了我對電力電子技術這門課的了解。在此次電力電力技術課程設計中，我自學了MATLAB軟件在電力電子技術上的應用，進一步增強了我的自學能力。同時，在本次設計過程中我也發現了自己許多方面的不足

17、，對課上所學知識理解不夠深刻，掌握得不夠牢固。使得自己在課程設計中多走了許多彎路，但這也迫使我不斷地努力學習。我相信自己在以后的學習和生活中能夠取得更多的進步。使我對于學習和實踐有了很深的感觸，我深刻的認識到：作為一個大學生，動手能力和知識的掌握同樣重要，只有兩者兼備才能更好的應對學習及以后的工作。在此次課程設計期間，首先要感謝的是我的指導老師翁志遠老師。通過老師給我們講述用相關的軟件進行設計，并在設計中給予了相關的指導。以此課程設計為引，通過不斷的理論知識學習和動手實踐，我感覺自身的綜合素質得到了很大程度上的提升，不僅讓我們擴展了視野，更是對以前所學知識的一個綜合檢驗。從這次課程設計中，我進一步鞏固和深化了所學的理論知識，為后續專業課學習和畢業設計打下了堅實的基礎，也為努力把自己塑造成為一個專業功底扎實、知識結構完善、適應能力強的合格大學生指明了方向。最后，還是要感謝老師的辛苦指導。 參考文獻 1王兆安，劉進軍.電力電子技術.第5版.