IGBT控制的直流斩波电路设计

IGBT控制的直流斩波电路设计目录前言一、总体设计·····························1、总体框图···························二、电路选择与分析······················1三相桥式整流电路····················2斩波电路························3保护及缓冲电路······················4PWM控制脉冲·························5整体电路图··························三、总体分析及元器件的选择············1元器件参数的计算····················2元器件清单列表·····················四设计所用参考文献····················五设计收获与体会······················前言电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。电力电子课程设计是为了使学生加深对所学内容的理解，让学生熟悉工程设计的过程、规范和方法、能正确的查缺技术资料、技术手册和标准、培养学生工程设计能力而专门开设的实习专用周。在电机的直流伺服系统中,速度调节主要通过改变电枢电压的大小来实现.经常采用大功率晶体管脉宽调制调速两种方法,简称PWM,常见于中小功率系统,它采用脉冲宽度调制技术,其工作原理是:通过改变接通脉冲的宽度,使直流电机电枢上的电压的占空比改变,从而改变电枢电压的平均值,控制电机的转速.而绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。PWM调速系统具有以下特点:1.主电路简单,所用功率元件少,且工作于开关状态,因此电路的导通损耗小,装置效率比较高;2.开关频率高,可避开机床的共振区,工作平稳;3.采用功率较小的低惯量电机时,具有高的定位速度和精度;4.低速性能好,稳速精度高,调速范围宽;5.系统频带宽,动态响应好,抗干扰能力强.一、总体框图整流电路斩波电路电动机驱动电路工频交流二、电路1三相可控桥式整流电路三相全控桥式可控整流电路是应用电能变换电路，他的作用是将交流电变换成大小可以调节的直流电，为直流设备供电。采用三相整流电路易与满足负载对高电压大电流的需求，供电的电网三相平衡。本次采用变压器和二极管的桥式整流，变压器可以改变二次侧电压的大小，在此用S9系列的小型变压器。利用二极管的单向导通性，将交流电的负半波切去只保留间隔一个半波时隙的正半波，得到不太平稳的直流电。三相全控整流电路它可以看成是由一组共阴极接法和另一组共阳极接法的三相半波可控整流电路串联而成。共阴极VT1和VT3和VT5在正半周导电，流经变压器的电流为正电流；共阴组VT4和VT6和VT2在负半周导电，流经变压器的电流为反向电流。变压器每组相绕组在正负半周都有电流流过，因此，变压器绕组中没有电流磁通势，同时也提高了变压器绕组的利用率。三相桥式全控整流电路主电路接线图如图所示。共6个晶闸管接成三相桥，其中三个晶闸管共阴极连接；另三个晶闸管共阳极连接。电路中必须有一个共阳极组中的晶闸管导并且由两个导通的晶闸管属于不同的两相，所以负载电压就是电源线电压。三相桥式整流电路图如：2斩波电路斩波电路就是将一个固定的直流电压变换成大小可调的直流电压（DC-DC电路）。它是被控制对象获得变数平稳，快速响应，并起到节约电能的作用。降压式斩波电路的输出电压平均值低于输入直流电压，它主要用于直流可调电源和直流电动机的驱动脉宽调速中。降压式斩波电路图如下在电路图中直流电动机是斩波器的负载，IGBT为斩波开关，VD为续流管，当斩波开关管短时续流管为感性负载提供电流通道，电感L和电容C组成低通滤波器以减小输出电压的波动。电路中的IGBT的栅极3保护及缓冲电路在电力电子电路中保护电路为了确保电流的正常工作，不仅要选择电力电子器件的型号外还要采用必要的保护措施，即过电压保护过电流保护。产生原因主要是系统的储能发生了激烈的变化，使系统能量来不及转换，或系统中原有积聚的能量不能及时消散造成的。过电压保护：压敏电阻用于整流输出端做直流侧过电压保护。它阻通流容量大，残压低，抑制过电压能力强，平时漏电流小，放电后没有续流元件标称电压数值范围宽还对正负浪涌电压有较好的吸收效果。过电流保护：回路线圈用于整流输出端直流侧过电流保护。它限制电流的上升率。线圈中的自感电动势总是与线圈中的电流变化抗，线圈对电流有阻碍作用。采用了电抗器，在发生短路时，电抗器上的电压降较大，所以也起到了维持母线电压水平的作用，使母线上的电压波动较小，保证了非故障线路上的用户电气设备运行的稳定性。4PWM控制电路控制采用了TL494脉宽调制控制电路，其主要特征如下：集成了全部的脉宽调制电路。片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。内置误差放大器。内止5V参考基准电压源。可调整死区时间。内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。推或拉两种输出方式。工作原理简述TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在0—3.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。当比较器CT放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的双稳触发器进行计时，同时停止输出管Q1和Q2的工作。若输出控制端连接到参考电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。如果工作于单端状态，且最大占空比小于50%时，输出驱动信号分别从晶体管Q1或Q2取得。输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将Q1和Q2并联使用，这时，需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。TL494内置一个5.0V的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达10mA的负载电流，在典型的0—70℃温度范围50mV温漂条件下，该基准电压源能提供±5%的精确度。TL494的极限参数名称代号极限值单位工作电压Vcc42V集电极输出电压Vc1,Vc242V集电极输出电流Ic1,Ic2500mA放大器输入电压范围VIR-0.3V—+42V功耗PD1000mW热阻RθJA80℃/W工作结温TJ125℃工作环境温度TL494BTL494CTL494INCV494BTA-40—+1250—+70-40—+85-40—+125℃额定环境温度TA40℃三、总体分析及元器件的选择1元器件参数的计算与选择电机参数：Z3-71额定功率10KW额定电压220V额定电流55A转速N1000r/min极数2P=4电枢电阻0.5欧电枢电感7mH励磁电压220V励磁电流1.6A调速范围10电压脉动1.6电流脉动10%由公式Ea=Ceфn额定电枢电流Ia=IN-IfEa=U-IaRaCEф=EN/nN=UN-INRa/nN=220-55×√5/1000=0.097Ia=55-1.6=53.4An=U-IaRa/CEфn150r/minn1500r/minU=nCEф+IaRa133.85VU264.8220×1.6=352VK=Ton/TIlBmax=TUd/8L⊿Vo=⊿Q/C=⊿ILT/8CU1=kU2当K=0.5时最大，4ILBmaxK(1-k)=ILB=55AILBmax=55/k(1-k)4=55Z=U/I=264.8/55=4.8L=Z/W=4.8/314=15.3mH电流脉动系数为Si≤10%55+55×10%=60.5ILB=0.5(imax-imin)=0.5×5.5=2.75AIBL=4ILBmax.k(1-k)IlBmax=IlB/4k(1-k)=2.75/0.75≈3.67A2元器件清单整流电路：6个大小相同的二极管6个大小相同的熔断器（FU）3个大小相同的电阻IGBT的触发电路：一块TL494芯片13个电阻2个变阻器1个电容用电设备：一台直流电动机四、设计所用参考文献1、王兆安黄俊《电力电子技术》机械工业出版社2、王晓明《电动机的单片机控制》北京航空航天大学出版社3、谭建成《电机控制专用集成电路》机械工业出版社4、黄家善《电力电子技术》机械工业出版社5、张力、黄俊《电力电子技术》机械工业出版社五设计收获与体会通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我通过这个方案包括设计了一套电路原理图及元器件的选择。我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中对于其在电路的使用有了更多的认识。平时看课本时，有些问题老是弄不懂，做完本次程设计，那些问题就迎刃而解了。对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅最后，感谢老师的细心指导，也同样谢谢其他同学的无私帮助！