1、本科生課程設(shè)計（論文）I本科生課程設(shè)計（論文）II摘 要本設(shè)計采用一個直流斬波電路實現(xiàn)直流調(diào)壓，以此控制直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。主電路包括：整流電路、斬波電路及保護(hù)電路。控制電路的主要環(huán)節(jié)是：觸發(fā)電路、電壓電流檢測單元、驅(qū)動電路、故障保護(hù)電路。由于要求電機(jī)能穩(wěn)定運行并能實現(xiàn)無極調(diào)速，IGBT 絕緣柵雙極晶體管作為斬波電路的組成元件。關(guān)鍵詞：整流電路；斬波電路；驅(qū)動電路；直流電動機(jī)本科生課程設(shè)計（論文）III目 錄摘 要.III第 1 章 緒論.11.1 電力電子技術(shù)及 IGBT 概況 .11.2 本文設(shè)計內(nèi)容 .2第 2 章 由構(gòu)成的直流斬波調(diào)速系統(tǒng)的電路設(shè)計.32.2 整流電路設(shè)計 .32.3 R

2、C 濾波穩(wěn)壓電路.52.4 升降壓直流斬波電路設(shè)計 .62.5 控制與驅(qū)動電路 .72.6 保護(hù)電路 .82.7 系統(tǒng)總電路圖 .102.8 系統(tǒng)各參數(shù)計算及器件選擇 .11第 3 章 系統(tǒng)調(diào)試及仿真 .13第 4 章 課程設(shè)計總結(jié).14參考文獻(xiàn).15附錄 I 系統(tǒng)主電路圖.16本科生課程設(shè)計（論文）1第 1 章 緒論1.1 電力電子技術(shù)及 IGBT 概況電力電子技術(shù)應(yīng)用于整個電能產(chǎn)生、傳輸及利用的各個環(huán)節(jié)。分布式電源及微電網(wǎng)技術(shù)、高壓直流輸電與靈活交流輸電技術(shù)、電能質(zhì)量控制技術(shù)及為數(shù)眾多的電源技術(shù)都是電力電子技術(shù)應(yīng)用的范例。電力電子技術(shù)為功率強(qiáng)大，可供諸如電力系統(tǒng)那樣大電流、高電壓場合應(yīng)用的

3、電子技術(shù)，它與傳統(tǒng)的電子技術(shù)相比，其特殊之處不僅僅因為它能夠通過大電流和承受高電壓，而且要考慮在大功率情況下，器件發(fā)熱、運行效率的問題。IGBT 直流斬波,對電力電子技術(shù)的發(fā)展起到重大推動作用，它打開了電力電子技術(shù)向高頻大功率化發(fā)展的新紀(jì)元,使其應(yīng)用產(chǎn)品的自動化、智能化、高效化和機(jī)電一體化做出了顯著貢獻(xiàn)。市場上用的最多的 IGBT 直流斬波器，它是屬于全控型斬波器，由門極電壓控制，從根本上克服了晶閘管斬波器及 GTR 斬波器的缺點。中國電力系統(tǒng)具有地域跨度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制要求高的特點。中國資源特別是一次能源相對緊缺、環(huán)境問題突出。因此，中國電能的安全穩(wěn)定、可靠供應(yīng)及高效環(huán)保利用成為當(dāng)務(wù)之急，

4、電力電子技術(shù)必將發(fā)揮重要作用，而 IGBT 在電力電子中的作用不可忽視。在 80 年代后期，以絕緣柵雙極晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合型器件異軍突起。IGBT 是 MOSFET 和 BJT 的復(fù)合。它把 MOSFET 的驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快的優(yōu)點和 BJT 的通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點集于一身，性能十分優(yōu)越，使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件。目前,市場上用的最多的直流斬波器，它的主導(dǎo)器件采用國際上先進(jìn)的電力電子器件 IGBT，由門極電壓控制，從根本上克服了晶閘管斬波器及 GTR 斬波器的缺點。該斬波器,它是屬于全控型斬波器，既能為煤礦窄軌電機(jī)車配套的調(diào)速裝置，針對不同的負(fù)載對象，做一些少

5、量的改動又可用于其它要求供 電電壓可調(diào)的直流負(fù)載上。與可控硅脈沖調(diào)速式和電阻調(diào)速方式相比，具有明顯的優(yōu)點。直流斬波電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蛘呖烧{(diào)電壓的直流電，也稱為直接直流-直流變換器。直流斬波電路一般是只直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姷那闆r，不包括直流-交流-直流的情況。我們要研究的就是各種斬波電路的工作原理、掌握它們的工作的輸入輸出關(guān)系、電路解析方法和工作特點。1.2 本文設(shè)計內(nèi)容IGBT 組成的直流斬波調(diào)速系統(tǒng)，對一臺額定電壓 110V、功率為 1kW 的直流電動機(jī)提供直流可調(diào)電源，本文設(shè)計一個由以實現(xiàn)直流電動機(jī)的調(diào)速。要求輸出電壓在 0110V 連續(xù)可調(diào),斬波輸出最大電流 1

6、0A.本系統(tǒng)設(shè)計多個電氣部分組成整體結(jié)構(gòu)有變壓部分，整流部分，保護(hù)部分，反饋部分及由 IGBT 為主的控制部分等部分所組成。本電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用直流斬波調(diào)速方式, 與晶閘管調(diào)速相比技術(shù)先進(jìn), 可減少對電源的污染，而且本系統(tǒng)有著過電流保護(hù)與過電壓保護(hù)，安全并且實用。第 2 章 由構(gòu)成的直流斬波調(diào)速系統(tǒng)的電路設(shè)計2.1 總體設(shè)計方案本設(shè)計采用升降壓直流斬波電路實現(xiàn)直流調(diào)壓，以此控制直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。采用220V本科生課程設(shè)計（論文）2單相交流電源經(jīng)降壓變壓器降壓輸出的交流電，再經(jīng)感容濾波單相橋式全控整流電路整流，整流后的脈動直流電經(jīng)RC 濾波后，再由升降壓斬波電路調(diào)壓后控制直流電動機(jī)的運行。由于要求

7、電機(jī)能穩(wěn)定運行并能實現(xiàn)無極調(diào)速，所以采用雙閉環(huán)直流可逆脈沖調(diào)速系統(tǒng)。電流環(huán)作為系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)作為系統(tǒng)的外環(huán)選用集成脈沖調(diào)制控制與驅(qū)動器。IGBT 絕緣柵雙極晶體管作為斬波電路的組成元件。 圖 2.1 總體框圖2.2 整流電路設(shè)計在整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備。小功率整流電路中，常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。方案一：單相全波可控整流電路 單相全波整流電路紋波系數(shù)低，電源利用率高。但變壓器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，繞組及鐵芯對銅、鐵等材料的消耗多，所承受的反向峰值電壓較高，不存在直流磁化的問題，適用于輸出低壓的場合作電流脈

8、沖大（電阻性負(fù)載時），且整流變壓器二次繞組中存在直流分量,使鐵心磁化，變壓器不能充分利用。方案二：單相橋式全控整流電路 單相橋式全整流電路輸出電壓高，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因電源變壓器在正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，對每個導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，無須用續(xù)流二極管，也不會失控現(xiàn)象，負(fù)載形式多樣，整流效果好，波形平穩(wěn)，變壓器二次繞組中，正負(fù)兩個半周電流方向相反且波形對稱，平均值為零，即直流分量為零，不存在變壓器直流磁化問題，變壓器的利用率也高。因此，得到了較為廣泛的應(yīng)用。但二極管的數(shù)量多，二極管的正向電阻不為零，整流電路內(nèi)阻大，損耗也較大。這是其唯一的缺點。綜上所述，方案三較為經(jīng)濟(jì)、可靠、效

9、率高。可以滿足設(shè)計要求單相橋式全控整流電路單相交流 220V變壓器降壓整 流直流電動機(jī)直 流 斬 波 濾 波本科生課程設(shè)計（論文）3 圖 2.2 單相橋式全控整流電路橋式整流電路的工作原理如下：U2 為正半周時，對 VT1 、VT4 和方向電壓，VT1，VT4 導(dǎo)通；對 VT2 、VT3 加反向電壓，VT2、VT3 截止。電路中構(gòu)成 U2 、VT1、R1 、VT4 通電回路，在 R1 上形成上正下負(fù)的半波整洗電壓，U2 為負(fù)半周時，對VT2 、VT3 加正向電壓，VT2、VT3 導(dǎo)通；對 VT1 、VT4 加反向電壓，VT1、VT4 截止。電路中構(gòu)成 U2 、VT2 、 R1 、VT4 通電回

10、路，同樣在 R1 上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。如此重復(fù)下去，結(jié)果在R1 ，上便得到全波整流電壓。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。從圖中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級電壓的最大值，比全波整洗電路小一半。這樣就將交流電變?yōu)橹绷麟姟ｋ娙?C 起濾波穩(wěn)壓作用。波形圖如下； 圖 2.3 單相橋式全控整流電路波形圖2.3 RC 濾波穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電源一般由變壓器、整流器和穩(wěn)壓器三大部分組成。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟姟Ｕ髌靼呀涣麟娮優(yōu)橹绷麟姟＝?jīng)濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。濾波電路的作用：允許規(guī)定范圍內(nèi)的信號通過；而使規(guī)定

11、范圍之外的信號不能通過靠著電容器的平滑作用，使電壓波動大大減小了，相應(yīng)地脈動直流電壓的平均值也就顯著提高了。直流電源配用的濾波電容器都是電容量比較大的電解電容器。電容量越大，平滑濾波的效果越好。值得注意的是，電容器的充電電流都是流過二極管的，電容量越大，起始充電電流也越大，這個起始充電電流比流過二極管的正常工作電流要大許多倍，人們稱它為“浪涌電流” 。如果浪涌電流超過二極管所能耐受的最大瞬時電流值，就可能燒壞二極管。因此一般采用電解電容，在接線時要注意電解電容的正、負(fù)極。電容濾波電路利用電容的充、放電作用，使輸出電壓趨于平滑。2.4 升降壓直流斬波電路設(shè)計本科生課程設(shè)計（論文）4圖 2.5 升

12、降壓斬波電路圖 2.6 升降壓斬波電路波形圖設(shè)電路中電感的值很大，電容的值也很大如圖，使電感電流和電容電壓即負(fù)載電壓基本為恒值。當(dāng)可控開關(guān)處于通態(tài)時，電源經(jīng) V 向電感 L 供電，使其存儲能量，此時電流為 i1。同時，電容 C 維持輸出電壓基本恒定并向負(fù)載 R 供電。此后，使 V 關(guān)斷，電感 L 中儲存的能量向負(fù)載釋放，電流為 i2。可見，負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，因此，該電路也稱作反極性斬波電路。改變占空比，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng) 01/2 時為降壓，當(dāng) 1/21 時，為升壓。2.5 控制與驅(qū)動電路控制電路主要環(huán)節(jié)是：觸發(fā)電路、電壓電流檢測單元、

13、驅(qū)動電路、檢測與故障保護(hù)電路。主電路電力電子開關(guān)器件要采用 IGBT，并且系統(tǒng)具有完善的保護(hù)。IGBT 開通的柵射極間驅(qū)動電壓一般為 1520V。關(guān)斷時電壓通常為-5-15V，有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。本次設(shè)計采用三菱公司的 M57962L 型混合驅(qū)動器。 ； 圖 2.7 M57962L 接線圖M57962L 采用雙電源+ Vcc 和 Vee ，接線如圖 2.7 所示。電路組成： (1) 放大隔離電路； (2) 定時復(fù)位電路；(3) 過流檢測電路； (4) 過流輸出電路。 本科生課程設(shè)計（論文）5當(dāng)控制電路使 M57962L 輸入端 13 和 14 腳有 10mA 的電流時光耦 IC1 導(dǎo)

14、通， A 點電位迅速下降至 VEE，使IC2A 的 2 腳輸出為高電平 Vcc ，則三極管 V2、V4 導(dǎo)通，V3、V5 截止，使 V7 導(dǎo)通，Vcc 加到 R17 上，同時由 R18/ (R17+ R18)大于 R16/(R15+ R16)，導(dǎo)致 IC2D 的 13 腳為低電位，V6 截止，R4/(R3 +R4)大于R16(R15 + R16)使 IC2B 的 13 腳截至，故 IC2 的 14 腳為高電平 V1，截止，M57962L 的 8 腳不輸出故障信號。在 M57962L 輸入端 13 和 14 無電流時，IC1 截止，A 點電位上升使 IC2A 的 2 腳變?yōu)榈碗娢唬瑒t使 V3、V

15、5 導(dǎo)通，V2、V4 截止。lGBT 的門極(GATE)通過 V5 導(dǎo)通到 VEE，而使 IGBT 關(guān)斷。IC2C 的 14 腳輸出為低電平， 使 V1、V7 導(dǎo)通， 使 IC2B、IC2D 保持原先狀態(tài)不變。若 IGBT 己導(dǎo)通發(fā)生過流現(xiàn)象，則 E、F 兩點電壓升高，經(jīng)過保護(hù)延時而使得 V7 截止， IC2D 的 13 腳變?yōu)榻刂梗?V6 導(dǎo)通。在 M57962L 的 8 腳輸出故障信號，同時，V6 使得 A 點變?yōu)榈碗娖?VEE 進(jìn)入封閉型軟關(guān)斷過程，此時，M57962L 的 13 和 14 腳有無信號，對 M57962L 的狀態(tài)沒有影響。C6 通過 R14 和 R21 放電使 G 點電

16、位緩慢下降，從而實現(xiàn)軟關(guān)斷。同時，C1 則通過 R4 放電使得 IC2B 的 7 腳的電位緩慢下降，當(dāng) C1 放電結(jié)束時，將打斷軟關(guān)斷過程。若 IGBT 的短路故障消失則電路就可以恢復(fù)正常工作;若 IGBT 的故障末消失，則 M57962L 輸出周期為 1.3ms 的脈沖信號(前沿陡，后沿緩) 。M57962L 采用+15V、- 10V 雙電源供電，由于采用- 10V 關(guān)斷電壓，能更可靠關(guān)斷，同時具有封閉性軟關(guān)斷功能，從而使 IGBT 更加安全的工作。2.6 保護(hù)電路熱管散熱技術(shù)是當(dāng)今國際較流行的散熱方式，國內(nèi)近年來發(fā)展較快，被人們稱之為熱的“超導(dǎo)體” ，已廣泛用于車輛電傳動系統(tǒng)，熱管的主要特

17、點：高效的導(dǎo)熱性，高度的等溫性，熱流密度變換能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)多樣靈活、重量輕。由于 IGBT 模塊的開關(guān)頻率高，開關(guān)損耗大，特別是對大功率 IGBT 模塊，一般普通型材散熱器難以滿足要求。熱管散熱器特別適合于這種安裝底板絕緣的大功率 IGBT 模塊散熱。目前適合于大功率 IGBT模塊散熱器的熱阻可以達(dá)到 0.01C/W 以下。在斬波電路中對斬波器的保護(hù)，實際上就是對 IGBT 的保護(hù)。所以重要的是怎么設(shè)計好對開關(guān)管 IGBT 的保護(hù)方案。在設(shè)計對 IGBT 的保護(hù)系統(tǒng)中，主要是針對過電流保護(hù)和開關(guān)過程中的過電壓保護(hù)。若 IGBT 己導(dǎo)通發(fā)生過流現(xiàn)象，則 E、F 兩點電壓升高，經(jīng)過保護(hù)延時而使得 V

18、7 截止， IC2D 的 13 腳變?yōu)榻刂梗?V6 導(dǎo)通。在 M57962L 的 8 腳輸出故障信號，同時，V6 使得 A 點變?yōu)榈碗娖?VEE 進(jìn)入封閉型軟關(guān)斷過程，此時，M57962L 的 13 和 14 腳有無信號，對 M57962L 的狀態(tài)沒有影響。C6 通過 R14 和 R21 放電使 G 點電位緩慢下降，從而實現(xiàn)軟關(guān)斷。同時，C1 則通過 R4 放電使得 IC2B 的 7 腳的電位緩慢下降，當(dāng) C1 放電結(jié)束時，將打斷軟關(guān)斷過程。若 IGBT 的短路故障消失則電路就可以恢復(fù)正常工作;若 IGBT 的故障末消失，則 M57962L 輸出周期為 1.3ms 的脈沖信號(前沿陡，后沿緩

19、) 。IGBT 的過流保護(hù)電路可分為 2 類：一類是低倍數(shù)的（1.21.5 倍）的過載保護(hù)；一類是高倍數(shù)（可達(dá)810 倍）的短路保護(hù)。對于過載保護(hù)不必快速響應(yīng)，可采用集中式保護(hù)，即檢測輸入端或直流環(huán)節(jié)的總電流，當(dāng)此電流超過設(shè)定值后比較器翻轉(zhuǎn)，封鎖所有 IGBT 驅(qū)動器的輸入脈沖，使輸出電流降為零。這種過載電流保護(hù)，一旦動作后，要通過復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。 IGBT 能承受很短時間的短路電流，能承受短路電流的時間與該 IGBT 的導(dǎo)通飽和壓降有關(guān)，隨著飽和導(dǎo)通壓降的增加而延長。如飽和壓降小于 2V 的 IGBT 允許承受的短路時間小于 5s，而飽和壓降 3V 的 IGBT 允許承受的短路時間可達(dá)

20、 15s，45V 時可達(dá) 30s 以上。存在以上關(guān)系是由于隨著飽和導(dǎo)通壓降的降低，IGBT 的阻抗也降低，短路電流同時增大，短路時的功耗隨著電流的平方加大，造成承受短路的時間迅速減本科生課程設(shè)計（論文）6小。 通常采取的保護(hù)措施有軟關(guān)斷和降柵壓 2 種。軟關(guān)斷指在過流和短路時，直接關(guān)斷 IGBT。但是，軟關(guān)斷抗騷擾能力差，一旦檢測到過流信號就關(guān)斷，很容易發(fā)生誤動作。為增加保護(hù)電路的抗騷擾能力，可在故障信號與啟動保護(hù)電路之間加一延時，不過故障電流會在這個延時內(nèi)急劇上升，大大增加了功率損耗，同時還會導(dǎo)致器件的 di/dt 增大。所以往往是保護(hù)電路啟動了，器件仍然壞了。 降柵壓旨在檢測到器件過流時，

21、馬上降低柵壓，但器件仍維持導(dǎo)通。降柵壓后設(shè)有固定延時，故障電流在這一延時期內(nèi)被限制在一較小值，則降低了故障時器件的功耗，延長了器件抗短路的時間，而且能夠降低器件關(guān)斷時的 di/dt，對器件保護(hù)十分有利。若延時后故障信號依然存在，則關(guān)斷器件，若故障信號消失，驅(qū)動電路可自動恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，因而大大增強(qiáng)了抗騷擾能力。 當(dāng)控制電路使 M57962L 輸入端 13 和 14 腳有 10mA 的電流時光耦 IC1 導(dǎo)通， A 點電位迅速下降至 VEE，使IC2A 的 2 腳輸出為高電平 Vcc ，則三極管 V2、V4 導(dǎo)通，V3、V5 截止，使 V7 導(dǎo)通，Vcc 加到 R17 上，同時由 R18/

22、(R17+ R18)大于 R16/(R15+ R16)，導(dǎo)致 IC2D 的 13 腳為低電位，V6 截止，R4/(R3 +R4)大于R16(R15 + R16)使 IC2B 的 13 腳截至，故 IC2 的 14 腳為高電平 V1，截止，M57962L 的 8 腳不輸出故障信號。在 M57962L 輸入端 13 和 14 無電流時，IC1 截止，A 點電位上升使 IC2A 的 2 腳變?yōu)榈碗娢唬瑒t使 V3、V5 導(dǎo)通，V2、V4 截止。lGBT 的門極(GATE)通過 V5 導(dǎo)通到 VEE，而使 IGBT 關(guān)斷。IC2C 的 14 腳輸出為低電平， 使 V1、V7 導(dǎo)通， 使 IC2B、IC2

23、D 保持原先狀態(tài)不變。關(guān)斷 IGBT 時，它的集電極電流的下降率較高，尤其是在短路故障的情況下，如不采取軟關(guān)斷措施，它的臨界電流下降率將達(dá)到數(shù) kA/s。極高的電流下降率將會在主電路的分布電感上感應(yīng)出較高的過電壓，這樣一來導(dǎo)致 IGBT 關(guān)斷時將會使其電流電壓的運行軌跡超出它的安全工作區(qū)而損壞。所以從關(guān)斷的角度考慮，希望主電路的電感和電流下降率越小越好。但對于 IGBT 的開通來說，集電極電路的電感有利于抑制續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和電容器充放電造成的峰值電流，能減小開通損耗，承受較高的開通電流上升率。一般情況下 IGBT 開關(guān)電路的集電極不需要串聯(lián)電感，其開通損耗可以通過改善柵極驅(qū)動條件來加以控制。2.7 系統(tǒng)總電路 圖 2.9 系統(tǒng)總電路圖2.8 系統(tǒng)各參數(shù)計算及器件選擇（1） 的計算2U=110V （2-1）dU考慮占空比為 90%則 =V=123V （2-2）0U0.9dU1100.9取 =1.20U2U則 =V=102V （2-3）2U01.2U1231.2本科生課程設(shè)計（論文）7考慮 10%的裕量取 =1.1102V=113V2U（2） 一、二次電流計算取 =10A2IdI變