1、湖南科技大學信息與電氣工程學院電力電子技術課程設計報告 題 目：基于單片機集成電路的橋式可逆降壓斬波仿真 專 業：電氣工程及其自動化 班 級：13級電氣三班 姓 名：陳美林 學 號：1304010330 指導教師：郭小定 2016年 6 月 17日19信息與電氣工程學院課程設計任務書2015 2016 學年 第 2 學 期專業：電氣工程及其自動化 班級：13級電氣三班 學號：1304010330 姓名：陳美林 課程設計名稱 ： 電力電子技術課程設計 設計題目：基于單片機集成電路的橋式可逆降壓斬波仿真（電源：220V，電機48V,4A,IGBT）完成期限：自 2016 年 6 月 14 日至 2

2、016 年 6 月 17 日共 1 周設計依據、要求及主要內容一、設計依據設計參數：輸出電壓48V、電流4A二、要求及主要內容    1主電路、保護電路、控制電路設計；    2主電路元件的參數計算與選擇；     3計算整流變壓器參數、選擇其容量和規格；    4主電路中過電壓過電流保護電路的選擇及相應電路元件的計算與選擇；    5繪制主電路、保護電路、控制電路設計電氣系統原理圖；6

3、寫出課程設計報告。其中設計報告要包括有設計的目的，設計原理，設計參數的計算，元器件選型，器件表，電路圖的設計說明以及設計的心得等；設計報告3000字以上； 指導教師（簽字）： 批準日期：2016 年 6月 1日評語： 成績： 評閱人： 日期： 摘 要 本次電力電子技術課程設計的題目是基于單片機集成電路的橋式可逆斬波電路仿真設計（電源：220V，電機48V,4A,IGBT）。以單片機為核心的橋式可逆斬波電路實現直-直電壓的斬波控制，有利于提高變換器的功率密度和功率效率。文章給出其工作模態和工作原理，討論了三種P W M調制策略，并指出單性調制策略可降低開關損耗。斬波開關元件采用電力電子器件I G

4、 B T。系統具有控制靈活、外圍器件少、結構簡單、精度高、可靠性高等特點，通過仿真得到了驗證。 直流斬波電路是城市軌道交通車輛電力牽引系統中廣泛應用的電力電子電路，主要用于構成驅動直流電機的調壓調速主電路和輔助電路的前級。直流斬波基本電路主要有：降壓斬波電路、升壓斬波電路、再生斬波電路、多象限斬波電路、多相多重斬波電路和G T O斬波電路等。而橋式可逆斬波電路的特點，具有反應速度快、效率高、開關元件承受反壓小的特點。本文給出了橋式可逆斬波電路詳細的分析和仿真。 關鍵詞：斬波器 直-直變換器 微控制器 目錄1、目的與意義52、原理62.1設計要求62.2設計方案62.3電路拓撲圖72.3.1主電

5、路72.3.2控制電路82.3.3驅動電路92.3.4保護電路93、器件選型103.1 555定時芯片簡述103.2主電路參數計算113.2.1占空比113.2.1主電路113.2.2 IGBT114.1仿真平臺134.1.1仿真平臺134.1.2仿真過程134.2仿真波形144.2.1輸入電壓、輸出電壓144.2.2波形輸出145、心得體會166、參考文獻177、附錄187.1器件表187.2主電路197.3控制電路197.4驅動電路207.5保護電路207.6總電路圖211、目的與意義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，已成為現代電氣 工程與自動化

6、專業不可缺少的一門專業基礎課，在培養本專業人才中占有重要地位。電子技術包括信息電子技術和電力電子技術兩大分支。通常所說的模擬電子技術和數字電子技術都屬于信息電子技術。電力電子技術是應用于電力領域的電子技術。具體的說，就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術。所用的電力電子器件均用半導體制成，故也稱為電力半導體器件。電力電子技術所變換的“電力”，功率可以大到數百MW甚至GW，也可以小到數W甚至1W以下。信息電子技術主要用于信息處理，而電力電子技術則主要用于電力變換。隨著電力電子技術應用的不斷發展，對電力電子器件性能指標和可靠性的要求也日益苛刻。具體而言，要求電力電子器件具有更大的電流密度、

7、更高的工作溫度、更強的散熱能力、更高的工作電壓、更低的通態壓降、更快的開關時間，而對于航天和軍事應用，還要求有更強的抗輻射能力和抗振動沖擊能力。電力電子課程設計的目的在于進一步鞏固和加深所學的電力電子基礎知識。使學生能綜合運用相關課程的基本知識，培養學生檢索文獻的能力，特別是利用網絡檢索需要的文獻資料，培養學生綜合分析問題、發現問題，解決問題的能力。以及方案選擇等。樹立既考慮技術上的先進性與可行性，又考慮經濟上的合理性，并注意提高分析和解決實際問題的能力；迅速準確的進行工程計算的能力，計算機應用能力；用簡潔的文字，清晰的圖表來表達自己設計思想的能力。通過課程實際使學生認識到理論與實踐相結合的重

8、要性，只靠從書本上學到的知識是遠遠不夠的，顯示的生活中需要更為豐富的知識，只有把碩學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在在課程設計工程中查閱資料，了解查閱資料的重要性，鼓勵他們克服心理上的不良情緒，不斷的學習和解決難題，不斷磨練學生意志的過程。通過課程設計是學生所學的基礎理論知識得到鞏固，并使學生可以運用所學理論知識解決實際問題的初步訓練。進一步提高學生的分析、綜合能力以及工程設計中分析設計的基本能力，為今后的畢業設計做必要的準備，并為畢業后的工作學習打下了很好的基礎。2、原理2.1設計要求利用可關斷晶閘管（IGBT）

9、、電源電壓：1000V、電機電壓220V,電流600A 2.2電路拓撲圖2.2.1主電路橋式可逆斬波電路原理圖，如圖二所示。設電動機 感應電動勢為EM，電感電流正方向為AB。橋式可逆斬波電路包括四個工作模態。圖二：主電路1、工作模態1 斬波器工作在第一象限，VT4始終處于導通 狀態，VT3為關斷狀態。VT1導通，VT2關斷。電動機工作于第一象限作正轉電動運行，同時給電感L充電，電路作為降壓斬波器運行。VT1關斷時， 電流不能突變，導致VD2導通，電感向電動機供電。 2、工作模態2 斬波器工作在第三象限，VT2始終處于導通 狀態，VT1于關斷狀態。VT3導通，VT4關斷。電動機工作于第

10、三象限做反轉電動運行，同時給電感L充電，電路作為降壓斬波器運行。工作原理與第一象限運行時完全相同。VT3關斷時，電流不能突變，導致VD4導通，電感向電動機供電。3、工作模態3 斬波器工作在第二象限，VT4始終處于導通狀態，VT3于關斷狀態。VT2導通，VT1關斷。電動機工作于第二象限正轉再生制動運行，速方向不變，電流改變方向，同時給電感L充電，電路作為降壓斬波器運行。VT2關斷時，電流不能突變，導致VD1導通，EM與UL疊加向直流電源反饋能量。 4、工作模態4 斬波器工作在第四象限，電動機作為反轉再 生制動時，電流反向，VT4導通，EM首先向電感L充電。當VT4關斷時，又因為電感電流

11、不能突變，導致VD3導通，EM與UL疊加向直流電源反饋能量，工作原理和第二象限完全相同。5、控制方式橋式可逆斬波電路從控制方式上區分有雙極性調制、單極性調制和受限單極性調制三種方式。主要基于雙極性調制開關損耗較大，受限單極性調制當電動機電流較小的時候會出現電流斷續現象。而單極性調制方式具有開關損耗少，而且很少出現電流斷流現象。對于單極性調制方式，四個開關器件中VT1和VT2工作于互補的PWM方式，處導通狀態；VT3和VT4則根據電動機的轉向采取不同的驅動信號，電動機正轉時，VT4導通，VT3關斷；電動機反轉時，VT3導通，VT4關斷。由于減少了VT3和VT4的開關次數，開關損耗減少，故在此采用

12、單極性調制方式。 2.2.2控制電路控制電路需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，通過對占空比的調節達到控制輸出電壓大小的目的。555定時器設計的方案555定時器是一種應用紀委廣泛的中規模集成電路，改電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容原件就可以構成單穩觸發器。根據555定時器的這種原理改變閾值電壓的值使之輸出高電平或低電平，就可以產生仿真電路圖，如圖三所示：圖三：控制電路2.3.3驅動電路一般電氣隔離采用光隔離或磁隔離。光隔離一般采用光耦合器，光耦合器由發光二極管和光敏晶體管組成，封裝在一個外殼內。本電路中采用的隔離方法是，先加一級光耦隔離，再加一級推挽電路進行

13、放大。驅動電路原理控制電路所輸出的信號通過TLP521光耦合器實現電氣隔離，在經過推挽電路進行放大，從而把輸出的控制信號放大。如圖四所示：圖四：驅動電路2.3.4保護電路阻容保護：當達到一定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓保護電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關器件上，保護了電力電子設備。為了達到保護效果，可以使用阻容保護電路來實現。將電容并聯在回路中，當電路中出現電壓尖峰電壓時，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯的電阻能消耗到部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產生的振蕩，過電壓保護電路圖如圖五所示：圖五：過電壓保護電路圖

14、3、器件選型3.1 555定時芯片簡述555定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現多諧振蕩器、單穩態觸發器及施密特觸發器等脈沖產生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。555 定時器的內部電路框圖如右圖所示。它內部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯電阻，一個 RS 觸發器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VCC /3 和 2VCC /3555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制RS 觸發器和放電管的狀態。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，則電壓比較器 C1 的同相輸入端的電壓為 2

15、VCC /3，C2 的反相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發器置 0，使輸出為低電平。它的各個引腳功能如下：1腳：外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地。2腳：低觸發端TR。3腳：輸出端Vo4腳：是直接清零端。當此端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應接高電平。5腳：VC為控制電

16、壓端。若此端外接電壓，則可改變內部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入干擾。6腳：高觸發端TH。7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。8腳：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5 16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3 18V。一般用5V。在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個比較器A1、A2基準電壓分別為的情況下，555時基電路的功能表如表所示。555定時器的功能表清零端高觸發端TH低觸發端TRQ放電管T功能0××0導通直接清零101x保持上一狀態保持上一狀態1101截止置11001截止置111

17、10導通清零3.2主電路參數計算3.2.1占空比占空比是指高電平在一個周期之內所占的時間比率。方波的占空比為50%，占空比為0.5，說明正電平所占時間為0.5個周期。3.2.1主電路3.2.2 IGBT可關斷晶閘管也屬于PNPN四層三端器件，其結構及等效電路和普通晶閘管相同，因此圖1僅繪出IGBT典型產品的外形及符號。大功率IGBT大都制成模塊形式。盡管IGBT與SCR的觸發導通原理相同，但二者的關斷原理及關斷方式截然不同。這是由于普通晶閘管在導通之后即外于深度飽和狀態，而IGBT在導通后只能達到臨界飽和，所以IGBT門極上加負向觸發信號即可關斷。IGBT的一個重要參數就是關斷增益，off，它

18、等于陽極最大可關斷電流IATM與門極最大負向電流IGM之比，有公式off =IATM/IGMoff一般為幾倍至幾十倍。off值愈大，說明門極電流對陽極電流的控制能力愈強。很顯然，off與昌盛 的hFE參數頗有相似之處。1判定IGBT的電極將萬用表撥至R×1檔，測量任意兩腳間的電阻，僅當黑表筆接G極，紅表筆接K極時，電阻呈低阻值，對其它情況電阻值均為無窮大。由此可迅速判定G、K極，剩下的就是A極。2檢查觸發能力首先將表的黑表筆接A極，紅表筆接K極，電阻為無窮大；然后用黑表筆尖也同時接觸G極，加上正向觸發信號，表針向右偏轉到低阻值即表明IGBT已經導通；最后脫開G極，只要IGBT維持通態

19、，就說明被測管具有觸發能力。3檢查關斷能力現采用雙表法檢查IGBT的關斷能力，如圖2(b)所示，表的檔位及接法保持不變。將表撥于R×10檔，紅表筆接G極，黑表筆接K極，施以負向觸發信號，如果表的指針向左擺到無窮大位置，證明IGBT具有關斷能力。4估測關斷增益off進行到第3步時，先不接入表，記下在IGBT導通時表的正向偏轉格數n1；再接上表強迫IGBT關斷，記下表的正向偏轉格數n2。最后根據讀取電流法按下式估算關斷增益：off=IATM/IGMIAT/IG=K1n1/ K2n2式中K1表在R×1檔的電流比例系數；K2表在R×10檔的電流比例系數。off10

20、5;n1/ n2此式的優點是，不需要具體計算IAT、IG之值，只要讀出二者所對應的表針正向偏轉格數，即可迅速估測關斷增益值。注意事項：（1）在檢查大功率IGBT器件時，建議在R×1檔外邊串聯一節1.5V電池E，以提高測試電壓和測試電流，使IGBT可靠地導通。（2）要準確測量IGBT的關斷增益off，必須有專用測試設備。但在業余條件下可用上述方法進行估測。由于測試條件不同，測量結果僅供參考，或作為相對比較的依據。4、仿真4.1仿真平臺4.1.1仿真平臺Multisim是一款著名的電子設計自動化軟件，與NI Ultiboard同屬美國國家儀器公司的電路設計軟件套件。是入選伯克利加大SPI

21、CE項目中為數不多的幾款軟件之一。Multisim在學術界以及產業界被廣泛地應用于電路教學、電路圖設計以及SPICE模擬。NI Multisim軟件是一個專門用于電子電路仿真與設計的EDA工具軟件。作為 Windows 下運行的個人桌面電子設計工具，NI Multisim 是一個完整的集成化設計環境。NI Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術可以很好地解決理論教學與實際動手實驗相脫節的這一問題。學員可以很方便地把剛剛學到的理論知識用計算機仿真真實的再現出來，并且可以用虛擬儀器技術創造出真正屬于自己的儀表。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multis

22、im提煉了SPICE仿真的復雜內容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器技術，PCB設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。 NI Multisim軟件絕對是電子學教學的首選軟件工具。NI Multisim軟件是一個專門用于電子電路仿真與設計的EDA工具軟件。作為 Windows 下運行的個人桌面電子設計工具，NI Multisim 是一個完整的集成化設計環境。NI Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術可以很好地解決理論教學與

23、實際動手實驗相脫節的這一問題。學員可以很方便地把剛剛學到的理論知識用計算機仿真真實的再現出來，并且可以用虛擬儀器技術創造出真正屬于自己的儀表。NI Multisim軟件絕對是電子學教學的首選軟件工具。4.1.2仿真過程第一步：添加原器件第二步：根據已經設計好的圖紙，在電路中將各個原器件連接好線，完成電路連接。第三步：啟動仿真，觀察運行狀態，由仿真中出現的問題來排查線路錯誤，故障。第四步：觀察輸出波形，調整器件參數，從而使仿真運行在最佳狀態。4.2仿真波形4.2.1輸入電壓、輸出電壓如圖六、圖七所示 圖六、輸出電壓 圖七、輸出電流4.2.2波形輸出1、 占空比為75%的波形，如圖八所示圖八：占空

24、比為75%的波形2、輸出波形，如圖九所示圖九：輸出波形3、總波形，如圖十所示圖十：輸出波形5、心得體會理論的學習使我們掌握了有關近現代的電力電子器件的原理和功能。隨著科技的不斷發展進步電力電子器件也同我們的生活息息相關，在我們的生活中扮演的角色也越來越重要。對于一個電路的設計，首先應該對它的理論知識很了解，這樣才能設計出性能好的電路。整流電路中，開關器件的選擇和觸發電路的選擇是最關鍵的，開關器件和觸發電路選擇的好，對整流電路的性能指標影響很大。在做電力電子課程設計的過程中我們更能認真和全面的對所學知識有一個全面和系統更深刻的了解和掌握。在這個過程中我們認真的查閱了大量的資料和工具書增長了我們的知識，開闊了我們的視野，是一種讓學生更加接近社會和生活的有效方法。這就要求我們在學習和生活得過程中每個人都要學會應用資源和我們自身的優勢，讓自己有能面對任何苦難都不認輸的豪情。還要有過硬的技術水平，在走出大學的時候