《基于单片机集成电路的桥式可逆斩波电路分析(DOC 20页)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机集成电路的桥式可逆斩波电路分析(DOC 20页)（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、湖南科技大学信息与电气工程学院电力电子技术课程设计报告 题 目：基于单片机集成电路的桥式可逆降压斩波仿真 专 业：电气工程及其自动化 班 级：13级电气三班 姓 名：陈美林 学 号：1304010330 指导教师：郭小定 2016年 6 月 17日19信息与电气工程学院课程设计任务书2015 2016 学年 第 2 学 期专业：电气工程及其自动化 班级：13级电气三班 学号：1304010330 姓名：陈美林 课程设计名称 ： 电力电子技术课程设计 设计题目：基于单片机集成电路的桥式可逆降压斩波仿真（电源：220V，电机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 周设计依据、要求及主要内容一、设计依据设计参数：输出电压48V、电流4A二、要求及主要内容1主电路、保护电路、控制电路设计；2主电路元件的参数计算与选择；3计算整流变压器参数、选择其容量和规格；4主电路中过电压过电流保护电路的选择及相应电路元件的计算与选择；5绘制主电路、保护电路、控制电路设计电气系统原理图；6写出课程设计报告。其中设计报告要包括有设计的目的，设计原理，设计参数的计算，元器件选型，器件表，电路图的设计说明以及设计的心得等；设计报告3000字以上； 指导教师（签字）： 批准日期：2016 年 6月 1日评语： 成绩： 评阅人： 日期： 摘 要
3、本次电力电子技术课程设计的题目是基于单片机集成电路的桥式可逆斩波电路仿真设计（电源：220V，电机48V,4A,IGBT）。以单片机为核心的桥式可逆斩波电路实现直-直电压的斩波控制，有利于提高变换器的功率密度和功率效率。文章给出其工作模态和工作原理，讨论了三种P W M调制策略，并指出单性调制策略可降低开关损耗。斩波开关元件采用电力电子器件I G B T。系统具有控制灵活、外围器件少、结构简单、精度高、可靠性高等特点，通过仿真得到了验证。 直流斩波电路是城市轨道交通车辆电力牵引系统中广泛应用的电力电子电路，主要用于构成驱动直流电机的调压调速主电路和辅助电路的前级。直流斩波基本电路主要有：降压斩
4、波电路、升压斩波电路、再生斩波电路、多象限斩波电路、多相多重斩波电路和G T O斩波电路等。而桥式可逆斩波电路的特点，具有反应速度快、效率高、开关元件承受反压小的特点。本文给出了桥式可逆斩波电路详细的分析和仿真。 关键词：斩波器 直-直变换器 微控制器 目录1、目的与意义52、原理62.1设计要求62.2设计方案62.3电路拓扑图72.3.1主电路72.3.2控制电路82.3.3驱动电路92.3.4保护电路93、器件选型103.1 555定时芯片简述103.2主电路参数计算113.2.1占空比113.2.1主电路113.2.2 IGBT114.1仿真平台134.1.1仿真平台134.1.2仿真
5、过程134.2仿真波形144.2.1输入电压、输出电压144.2.2波形输出145、心得体会166、参考文献177、附录187.1器件表187.2主电路197.3控制电路197.4驱动电路207.5保护电路207.6总电路图211、目的与意义电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，已成为现代电气 工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养本专业人才中占有重要地位。电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体的说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和
6、控制的技术。所用的电力电子器件均用半导体制成，故也称为电力半导体器件。电力电子技术所变换的“电力”，功率可以大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换。随着电力电子技术应用的不断发展，对电力电子器件性能指标和可靠性的要求也日益苛刻。具体而言，要求电力电子器件具有更大的电流密度、更高的工作温度、更强的散热能力、更高的工作电压、更低的通态压降、更快的开关时间，而对于航天和军事应用，还要求有更强的抗辐射能力和抗振动冲击能力。电力电子课程设计的目的在于进一步巩固和加深所学的电力电子基础知识。使学生能综合运用相关课程的基本知识，培养学
7、生检索文献的能力，特别是利用网络检索需要的文献资料，培养学生综合分析问题、发现问题，解决问题的能力。以及方案选择等。树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意提高分析和解决实际问题的能力；迅速准确的进行工程计算的能力，计算机应用能力；用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。通过课程实际使学生认识到理论与实践相结合的重要性，只靠从书本上学到的知识是远远不够的，显示的生活中需要更为丰富的知识，只有把硕学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在在课程设计工程中查阅资料，了解查阅资料的重要性，鼓励他们
8、克服心理上的不良情绪，不断的学习和解决难题，不断磨练学生意志的过程。通过课程设计是学生所学的基础理论知识得到巩固，并使学生可以运用所学理论知识解决实际问题的初步训练。进一步提高学生的分析、综合能力以及工程设计中分析设计的基本能力，为今后的毕业设计做必要的准备，并为毕业后的工作学习打下了很好的基础。2、原理2.1设计要求利用可关断晶闸管（IGBT）、电源电压：1000V、电机电压220V,电流600A 2.2电路拓扑图2.2.1主电路桥式可逆斩波电路原理图，如图二所示。设电动机 感应电动势为EM，电感电流正方向为AB。桥式可逆斩波电路包括四个工作模态。图二：主电路1、工作模态1 斩波器工作在第一
9、象限，VT4始终处于导通 状态，VT3为关断状态。VT1导通，VT2关断。电动机工作于第一象限作正转电动运行，同时给电感L充电，电路作为降压斩波器运行。VT1关断时， 电流不能突变，导致VD2导通，电感向电动机供电。2、工作模态2 斩波器工作在第三象限，VT2始终处于导通 状态，VT1于关断状态。VT3导通，VT4关断。电动机工作于第三象限做反转电动运行，同时给电感L充电，电路作为降压斩波器运行。工作原理与第一象限运行时完全相同。VT3关断时，电流不能突变，导致VD4导通，电感向电动机供电。3、工作模态3 斩波器工作在第二象限，VT4始终处于导通状态，VT3于关断状态。VT2导通，VT1关断。
10、电动机工作于第二象限正转再生制动运行，速方向不变，电流改变方向，同时给电感L充电，电路作为降压斩波器运行。VT2关断时，电流不能突变，导致VD1导通，EM与UL叠加向直流电源反馈能量。4、工作模态4 斩波器工作在第四象限，电动机作为反转再 生制动时，电流反向，VT4导通，EM首先向电感L充电。当VT4关断时，又因为电感电流不能突变，导致VD3导通，EM与UL叠加向直流电源反馈能量，工作原理和第二象限完全相同。5、控制方式桥式可逆斩波电路从控制方式上区分有双极性调制、单极性调制和受限单极性调制三种方式。主要基于双极性调制开关损耗较大，受限单极性调制当电动机电流较小的时候会出现电流断续现象。而单极
11、性调制方式具有开关损耗少，而且很少出现电流断流现象。对于单极性调制方式，四个开关器件中VT1和VT2工作于互补的PWM方式，处导通状态；VT3和VT4则根据电动机的转向采取不同的驱动信号，电动机正转时，VT4导通，VT3关断；电动机反转时，VT3导通，VT4关断。由于减少了VT3和VT4的开关次数，开关损耗减少，故在此采用单极性调制方式。 2.2.2控制电路控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。555定时器设计的方案555定时器是一种应用纪委广泛的中规模集成电路，改电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容原件就可以
12、构成单稳触发器。根据555定时器的这种原理改变阈值电压的值使之输出高电平或低电平，就可以产生仿真电路图，如图三所示：图三：控制电路2.3.3驱动电路一般电气隔离采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器，光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。本电路中采用的隔离方法是，先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。驱动电路原理控制电路所输出的信号通过TLP521光耦合器实现电气隔离，在经过推挽电路进行放大，从而把输出的控制信号放大。如图四所示：图四：驱动电路2.3.4保护电路阻容保护：当达到一定电压值时，自动开通保护电路，使过压保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压
13、的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子设备。为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗到部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生的振荡，过电压保护电路图如图五所示：图五：过电压保护电路图3、器件选型3.1 555定时芯片简述555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图如右图所示。
14、它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出
