基于igbt的降壓斬波電路

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1、可編輯版1引言隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，電子設(shè)備的種類(lèi)也越來(lái)越多。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源向輕、薄、小和高效率方向發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源因其體積小，重量輕和效率高的優(yōu)點(diǎn)而在各種電子信息設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)在冶金、礦山、化工、交通、機(jī)械、紡織、航空等領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速性能、過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)顯得十分重要。計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域和高開(kāi)關(guān)頻率、全控型第二代電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，以及脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，直流電機(jī)得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法兩類(lèi)。勵(lì)磁控制法控

2、制磁通，其控制功率雖然小，但低速時(shí)受到磁飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制；而且由于勵(lì)磁線(xiàn)圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法，調(diào)節(jié)電阻即可改變端電壓，達(dá)到調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。目前,市場(chǎng)上用的最多的IGBT直流斬波器,它是屬于全控型斬波器，它的主導(dǎo)器件采用國(guó)際上先進(jìn)的電力電子器件IGBT，由門(mén)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(diǎn)。該斬波器既能為煤礦窄軌電機(jī)車(chē)配套的調(diào)速裝置，針對(duì)不同的負(fù)載對(duì)象，做一些少量的改動(dòng)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)速方

3、式和電阻調(diào)速方式相比，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。IGBT降壓斬波電路就是直流斬波中最基本的一種電路，是用IGBT作為全控型器件的降壓斬波電路，用于直流到直流的降壓變換。IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復(fù)合器件。它既有MOSFET易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)。其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾千赫茲頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。所以用IGBT作為全控型器件的降壓斬波電路就有了IGBT易驅(qū)動(dòng)，電壓、電流容量大的優(yōu)點(diǎn)。因此，在電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中有廣闊的發(fā)展前景，也由于開(kāi)關(guān)電源向低電壓，大電流和高效率發(fā)展的

4、趨勢(shì)，促進(jìn)了IGBT降壓斬波電路的發(fā)展。本系統(tǒng)正是基于IGBT的直流斬波作為直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。Word完美格式可編輯版2課程設(shè)計(jì)的方案2.1概述本次設(shè)計(jì)主要是綜合電力電子所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)出對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，并在實(shí)踐的基本技能方面進(jìn)行一次系統(tǒng)的訓(xùn)練。能夠較全面地鞏固和應(yīng)用電力電子課程中所學(xué)的基本理論和基本方法。應(yīng)用場(chǎng)合：應(yīng)用于電力機(jī)車(chē)和高速動(dòng)車(chē)組,風(fēng)力發(fā)電機(jī)調(diào)速等工業(yè)控制領(lǐng)域。系統(tǒng)功能介紹：IGBT降壓斬波電路,可通過(guò)IGBT的通斷，控制電機(jī)兩端電壓的變化，從而達(dá)到直流調(diào)速的目的，系統(tǒng)具有過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路。2.2系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)直流斬波電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷?/p>

5、或可調(diào)電壓的直流電。它在電源的設(shè)計(jì)上有很重要的應(yīng)用。一般來(lái)說(shuō)，斬波電路的實(shí)現(xiàn)都要依靠全控型器件。在這里，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是基于IGBT的降壓斬波電路。系統(tǒng)電路主要分為三個(gè)部分，分別為主電路模塊，觸發(fā)電路模塊和驅(qū)動(dòng)電路模塊,其次還需要整流電路和保護(hù)電路。系統(tǒng)整體框圖如圖2.1所示。觸發(fā)電路驅(qū)動(dòng)電路電源主電路整流電路保護(hù)電路圖2.1系統(tǒng)整體框圖Word完美格式可編輯版3硬件設(shè)計(jì)3.1整流電路設(shè)計(jì)供給斬波的直流電是由交流電經(jīng)整流后得到的，其匝數(shù)比經(jīng)計(jì)算為1:0.75。整流橋后加大電容和大電感對(duì)電壓和電流進(jìn)行濾波。整流電路如圖3.1所示。圖3.1整流電路由任務(wù)要求可知要求供給斬波的直

6、流電壓為210V。觸發(fā)電路的PWM調(diào)節(jié)范圍為10%--90%,當(dāng)觸發(fā)電路占空比為90%時(shí)輸出電壓最大為額定電壓。觸發(fā)器占空比90%時(shí)負(fù)載電壓：UR=210V整流橋輸出電壓:U1=210/0.9=233.33V變壓器二次側(cè)電壓有效值為：U2=233/√2=164.76V變壓器二次側(cè)電流最大有效值為：I2=1.2A變壓器一次側(cè)與二次側(cè)匝數(shù)比：N1:N2=1:0.753.2主電路設(shè)計(jì)主電路是整個(gè)斬波電路的核心，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是降壓斬波電路模塊，通過(guò)降壓斬波電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)兩端電壓調(diào)節(jié)，從而達(dá)到對(duì)電機(jī)調(diào)速的目的。主電路如圖3.2所示。Word完美格式可編輯版圖3.2主電路如圖3.2所

7、示，IGBT在控制信號(hào)的作用下開(kāi)通與關(guān)斷。開(kāi)通時(shí)，二極管截止，電流流過(guò)大電感L，電源給電感充電，同時(shí)為負(fù)載供電。而IGBT截止時(shí)，電感L開(kāi)始放電為負(fù)載供電，二極管VD導(dǎo)通，形成回路。IGBT以這種方式不斷重復(fù)開(kāi)通和關(guān)斷，而電感L足夠大，使得負(fù)載電流連續(xù)，而電壓斷續(xù)。從總體上看，輸出電壓的平均值減小了。輸出電壓與輸入電壓之比α由控制信號(hào)的占空比來(lái)決定。這也就是降壓斬波電路的工作原理。降壓斬波的典型波形如圖3.3所示。圖3.3降壓斬波波形圖圖3.2中的負(fù)載為電動(dòng)機(jī)，是一種放電動(dòng)式負(fù)載。反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載有電流連續(xù)和電流斷續(xù)兩種工作狀態(tài)。