電子課程設計--- igbt在直流斬波調速系統(tǒng)中的應用

1、<p>　　IGBT在直流斬波調速系統(tǒng)中的應用</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　目錄2</b></p><p><b>　　前 言3</b></p><p><b>　　任務說明書3</b></p

2、><p><b>　　1、給定指標3</b></p><p>　　2、設計任務說明書要求：3</p><p>　　第一章 調速系統(tǒng)的方案確定4</p><p><b>　　系統(tǒng)框圖4</b></p><p>　　1、 開環(huán)機械特性4</p><p&g

3、t;　　2、閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的機械特性4</p><p>　　3、測速電機的選擇5</p><p><b>　　4、光電編碼器5</b></p><p>　　第二章　主電路的計算6</p><p>　?。?、二次電壓的計算6</p><p>　?。?、 一、二次電流計算7</p>

4、;<p>　?。场⒆儔浩魅萘坑嬎?</p><p>　　第三章 電路元件的選擇8</p><p>　?。?、整流元件選擇8</p><p>　?。?、濾波電容選擇8</p><p>　?。?、IGBT選擇8</p><p>　　第四章　保護元件的選擇9</p><p>　　1

5、、變壓器二次側熔斷器的選擇9</p><p>　　2、IGBT保護電路選擇9</p><p><b>　　1）電容的選擇9</b></p><p>　　2）緩沖電阻計算9</p><p>　　3）緩沖電路二極管10</p><p>　　第五章 工作原理11</p><

6、;p>　　1、IGBT工作原理11</p><p>　　2、直流PWM控制電路11</p><p>　　3、總電路的工作原理11</p><p>　　第六章 電路在兩種工作模式下的波形圖12</p><p>　　1、電流連續(xù)工作模式12</p><p>　　2、電流斷續(xù)狀態(tài)13</p>

7、<p><b>　　第七章 總結14</b></p><p><b>　　參考文獻：14</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　眾所周知，IGBT以其輸入阻抗高、開關速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大等特點，已成為當今功率半導體器件發(fā)展的主流器件。

8、自二十世紀八十年代初期研制成功以來，其工藝技術和參數(shù)不斷改進和提高，IGBT已由第三代、第四代發(fā)展到了第五代，由穿通型（PT型）發(fā)展到非穿通型（NPT型），其電性能參數(shù)日趨完善。IGBT模塊也在此基礎上同步發(fā)展，有單管模塊、半橋模塊、高端模塊、低端模塊、6單元模塊等。合理的驅動保護是IGBT安全工作的前提條件，特別是選擇合理的柵極驅動電壓Uge和合理的柵極串聯(lián)電阻Rg，以及過電壓過電流保護尤為重要。IGBT模塊的應用電路有半橋電路逆變、

9、全橋電路逆變、三相逆變、斬波應用等。IGBT模塊已被廣泛應用于UPS、感應加熱電源、逆變焊機電源和電機變頻調速等電源領域。</p><p>　　關鍵字： 電力電子 驅動電路 整流電路 斬波電路</p><p><b>　　設計任務書</b></p><p><b>　　1、給定指標</b></p>

10、<p>　?。?）電網供電電壓為單相 U1=220V； </p><p>　?。?）經整流后輸出電壓連續(xù)可調，Ud =110V（等于斬波的輸入電壓Ui）Id=8A</p><p>　?。?）開關元器件用IGBT</p><p>　　2、設計任務說明書要求：</p><p>　　(1) 主電路設計，包括基本數(shù)量關系、波形關系。(

11、2) 通過計算元件型號選擇。(3) 計算電路中的基本數(shù)量關系，考慮安全裕量，選擇元器件型號</p><p>　　(4) 選擇濾波裝置的結構，考慮保護電路(5) 觸發(fā)電路設計或選擇。(6) 課程設計總結。(7) 有系統(tǒng)電氣原理圖，內容完整、字跡工整、圖表整齊規(guī)范、數(shù)據(jù)詳實。</p><p>　　第一章 調速系統(tǒng)的方案確定</p><p><b

12、>　　系統(tǒng)框圖</b></p><p><b>　　圖一、系統(tǒng)框圖</b></p><p><b>　　開環(huán)機械特性</b></p><p>　　晶閘管直流電動機系統(tǒng)的開環(huán)機械性較軟，其原因是當控制角a不變時，Ud則固定不變，負載增加，增大，使轉速n下降。因此，要使轉速穩(wěn)定，必須采用閉環(huán)調速系統(tǒng)。<

13、/p><p>　　2、閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的機械特性</p><p>　　轉速負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，其調速范圍D`比開環(huán)系統(tǒng)大（1+K）倍。放大倍數(shù)K愈大，靜態(tài)轉速降愈小，調速范圍就愈大。在系統(tǒng)最低轉速相同的條件下，具體轉速負反饋系統(tǒng)的靜差率S`=S（開環(huán)）。</p><p>　　因此，只要適當選擇放大器的放大倍數(shù)及轉速反饋系數(shù)a，即可滿足系統(tǒng)精度及調速范圍的要求。不過放大倍數(shù)

14、也不宜過大，以防系統(tǒng)不穩(wěn)定。</p><p><b>　　3、測速電機的選擇</b></p><p>　　1）按電流分，有交流和直流兩種。交流測速發(fā)電機具有結構簡單、無電刷接觸、工作可靠、維護方便等優(yōu)點。但用在直流控制系統(tǒng)中還要經過整流變換，故使反饋信號的準確度受到影響。因此，在多數(shù)情況下，還是選用直流測速發(fā)電機。</p><p>　　2）按磁

15、場分，有永磁式和他勵式兩種。永磁式磁極是用鐵鎳鈷合金制成，磁性能比較穩(wěn)定。但體積稍大一些，同時在工作過程中，如果機械振動較大，磁場會受影響；他勵式測速發(fā)電機體積小，但需要有勵磁電源供電，要保持勵磁電流不變，最好用恒流源。此外，還應注意測速發(fā)電機的負載電流不能過大，否則電樞反應會影響測量精度。</p><p>　　使用直流測速電機在轉速很低時，電刷壓降及輸出電壓中因換向器造成的脈動也不能忽視。</p>

16、<p>　　3）測速發(fā)電機的轉速，一般希望與主電動機轉速相適應，否則還要經過齒輪變速，齒輪間隙會在系統(tǒng)調節(jié)過程中引入新矛盾。所以一般測速發(fā)電機的額度電壓只要能滿足反饋信號的要求就行。</p><p>　　測速電機在安裝時，對同軸度要求比較高，否則，每轉一轉輸出信號會有一個周期變化，對系統(tǒng)是一個干擾信號，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行。</p><p><b>　　4、光電編碼器&l

17、t;/b></p><p>　　在采用數(shù)字或微機控制的系統(tǒng)中，應該用光電編碼器用代替測速發(fā)電機。光電編碼器是一種高精度的將轉軸的旋轉角變?yōu)榫幋a電信號的儀器。即將輸入機械量----轉角，轉換成相應的數(shù)字量。因此，在數(shù)字控制的系統(tǒng)中，用光電編碼器可以簡化電路，而且具有精度高、結構緊湊，可靠性好等優(yōu)點，目前應用日趨廣泛。</p><p>　　因此：采用單相交流電源供電、單相整流變壓器降壓、

18、二級管橋式整流、電容濾波獲得斬波輸入直流電源，經IGBT斬波獲得要求的可調直流電源，并要求：</p><p>　　=110V，=8A，</p><p>　　第二章　主電路的計算</p><p>　　斬波調壓主電路如圖2所示</p><p>　　圖2、斬波調壓主電路</p><p><b>　　整流變壓器計算&

19、lt;/b></p><p><b>　?。?、二次電壓的計算</b></p><p><b>　　=110V</b></p><p><b>　　考慮占空比為90%</b></p><p>　　則 </p>&

20、lt;p>　　取 U0=1.2U2</p><p>　　則 </p><p><b>　　考慮10%裕量</b></p><p>　　取 </p><p>　　

21、２、 一、二次電流計算</p><p>　　取 </p><p>　　變比 </p><p><b>　　考慮空載電流 取</b></p><p><b>　?。场⒆儔浩魅萘坑嬎?lt;/b><

22、;/p><p>　　第三章 電路元件的選擇</p><p><b>　?。薄⒄髟x擇</b></p><p>　　二極管承受最大反向電壓 , 考慮3倍裕量，則</p><p><b>　　, 取500V</b></p><p>　　該電路整流輸出接有大電容，而且負載也不是純

23、電感負載，但為了簡化計算，仍按電感負載進行計算，只是電流裕量可適當取大些即可。</p><p><b>　　取10A</b></p><p>　　故選ZP10-5整流二極管4只，并配10A散熱器。</p><p><b>　?。?、濾波電容選擇</b></p><p>　　C0一般根據(jù)放電時間常數(shù)計算

24、，負載越大，要求紋波系數(shù)越小，電容量也越大。一般不作嚴格計算，多取2000以上。因該系統(tǒng)負載不大，故</p><p><b>　　取 C0=2200</b></p><p>　　耐壓按 1.5,取250V。</p><p>　　即選用2200、250V電容器。</p><p>　　為濾除高頻信號，取C1=1，耐壓25

25、0V。</p><p><b>　?。?、IGBT選擇</b></p><p>　　因U0=123V，取3倍裕量，選耐壓為400V以上的IGBT。由于IGBT是以最大值標注，且穩(wěn)定電流與峰值電流間大致為4倍關系，故應選用大于4倍額定負載電流的IGBT為宜。為此選用60A的IGBT，并配以相應散熱器即可。</p><p>　　第四章　保護元件的選擇

26、</p><p>　　1、變壓器二次側熔斷器的選擇</p><p>　　由于變壓器最大二次電流=8A，故選用10A熔芯即可滿足要求。應選用15A、250V熔斷器，熔斷器的結構形式可根據(jù)設備結構而定。</p><p>　　2、IGBT保護電路選擇</p><p><b>　　1）電容的選擇</b></p>&

27、lt;p>　　一般按布線電感磁場能量全部轉化為電場能力估算。</p><p><b>　　即 =(-）</b></p><p><b>　　得：</b></p><p>　　——主回路布線電感；</p><p>　　——IGBT關斷時集電極電流A；</p><p>　　

28、——緩沖電容器電壓穩(wěn)定值，由IGBT安全工作區(qū)確定V；</p><p>　　——之類電源電影V。</p><p>　　可由實測確定。這里可按=5~20估算。為保證保護可靠，可取稍低于IGBT耐壓值為宜，這里取=300V進行計算。取=、=123V，得</p><p><b>　　==0.0204</b></p><p>　

29、　取 =0.022、耐壓400V（略大于）。</p><p><b>　　2）緩沖電阻計算</b></p><p>　　要求IGBT關段信號到來之前，將緩沖電容器所積蓄的電荷放完，以關段信號之前放電90%為條件，其計算公式如下：</p><p><b>　　1/（6f）</b></p><p>

30、　　不能太小，過小會使IGBT開通時的集電極初始電流增大，因此，在滿足上式條件下，希望盡可能選取大的電阻值。</p><p>　　F為開關頻率、IGBT最大開關頻率為30KHz以內，這里取f=2KHz。則有</p><p><b>　　=3.8</b></p><p><b>　　取：=3.6.</b></p>

31、<p><b>　　吸收電阻功率</b></p><p><b>　　=f0.67w</b></p><p>　　取=1W，即選用1W、3.6電阻即可。</p><p><b>　　3）緩沖電路二極管</b></p><p>　　因為用于高頻電路中，故應選用快速恢

32、復二極管，以保證IGBT導通時很快關端。</p><p>　　電流定額可按IGBT通過電力的1/10試選，然后由調試決定</p><p><b>　　第五章 工作原理</b></p><p>　　1、IGBT工作原理</p><p>　　IGBT的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGB

33、T導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使IGBT關斷。IGBT的驅動方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N一層的空穴（少子），對N一層進行電導調制，減小N一層的電阻，使IGBT在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。</p><p>　　2、直流PWM控制電路</p><p>　　直流

34、PWM控制電路 直流電動機的PWM控制是一種利用脈沖占空比調節(jié)電動機平均工作電壓的控制方式。它利用直流電壓參考信號Ur和鋸齒波電壓載波信號U1進行比較，從而調節(jié)脈沖信號的占空比，如下圖3所示。參考電壓在小于載波信號電壓的最大值范圍變化時，可得到周期T一定、寬度Ton變化的PWM方波信號，該信號經放大后控制IGBT的導通和關斷。</p><p>　　圖3、直流PWM控制波形圖</p><p&g

35、t;　　3、總電路的工作原理</p><p>　　電網提供單相220V電壓，經過全橋型電路整流變化后得到直流電，作為降壓斬波電路的直流電源E，經過降壓斬波電路的變化后，實現(xiàn)拖動直流電動機。</p><p>　　1）t=0時刻驅動V導通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數(shù)曲線上升</p><p>　　2）t=t1時刻控制V關斷，負載電流經二極管VD

36、續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小通常使串接的電感L值較大 </p><p>　　第六章 電路在兩種工作模式下的波形圖</p><p>　　全橋電路的原理圖如圖4所示，全橋型電路存在電流連續(xù)和電流斷續(xù)兩種工作模式。</p><p>　　圖4、電路電流斷續(xù)狀態(tài)的波形</p><p>　　1、電流連續(xù)工

37、作模式</p><p>　　全橋型電路在電流連續(xù)模式時，在一個開關周期內電路經歷4個開關狀態(tài)，電路圖如圖5。電路中的逆變電路由4個開關組成，互為對角的兩個開關同時導通，而同一側半橋上下兩開關交替導通，將直流電壓逆變變成幅值為Ui的交流電壓，加在變壓器一次側。改變開關的占空比，就可以改變整流電壓的平均值，也就改變了輸出電壓U0。每個開關斷態(tài)時承受的峰值電壓均為Ui。</p><p>　　若S

38、1、S4與S2、S3的導通時間不對稱，則交流電壓uT中將含有直流分量，會在變壓器一次電流中產生很大的直流分量，并可能造成磁路飽和，故全橋型電路應注意避免電壓直流分量的產生，也可以在一次回路中串聯(lián)一個電容，以阻斷直流電流。</p><p>　　為了避免上下兩開關在換相過程中發(fā)生短暫的同時導通而造成短路損壞開關，每個開關各自的占空比不能超過50%，并應留有裕量。</p><p><b&g

39、t;　　2、電流斷續(xù)狀態(tài)</b></p><p>　　全橋型電路在1個開關周期經歷6個開關狀態(tài)，如圖5。</p><p>　　圖5、電路電流斷續(xù)狀態(tài)的波形</p><p><b>　　第七章 總結</b></p><p>　　作了一周的課程設計，使我有了很多的心得體會，可以說這次IGBT在直流斬波電動機系統(tǒng)中

40、的應用的課程設計是在大家共同努力和在老師的精心指導下共同完成的。通過這次設計加深了我對這門課程的了解，也加深了對這門課程的設計。以前總是覺得理論結合不了實際，但通過這次設計使我認識到了理論結合實際的重要性。但由于我知識的限制，設計還有很多不足之處，希望老師指出并教導。通過對電路圖的研究，也增強了我們的思考能力。課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察

41、過程。很感激學校給了我們這次動手實踐的機會，讓我們學生有了一個共同學習，增長見識，開拓視野的機會。也感謝陳老師對我們無私忘我的指導，我會以這次課程設計作為對自己的激勵，繼續(xù)學習。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]電力電子技術 ,石新春，楊京燕，王毅編。北京：中國電力出版社，2006</p><p>　　[