电力电子技术课程设计指导书-2010

黑龙江省精品课程电力电子技术基础课程设计指导书李久胜编写电力电子与电力传动研究所2010年11月事项日期时间地点布置任务，设计开始提交电路图，领取器件和工具，答疑交课程设计报告，设计结束之后，电路设计之后，焊装电路板之后，撰写报告电力电子技术课程设计时间安排班号：小班调试1课程设计任务书1．目的和意义电源和驱动是电力电子技术的两大主要应用领域。课程设计的主要任务是设计和实现一个直流电动机的脉宽调速（直流PWM）驱动电源及控制用小功率开关电源。其目的是通过对实际电力电子装置的设计、制作和调试，深化和拓展课程所学知识，提高工程实践能力。2．题目及技术指标课程设计提供两个设计题目，同学们可任选其一。题目1：直流PWM驱动电源的设计技术指标：被控直流永磁电动机参数：额定电压20V，额定电流1A，额定转速2000rpm。驱动系统的调速范围：大于1：100。驱动系统应具有软启动功能，软启动时间约为2s。详细设计要求见附录1。题目2：小功率开关电源的设计技术指标：反激式小功率开关电源功率为5W，能为题目1所设计驱动器提供3路隔离的控制电源。详细设计要求见附录2。课程设计的组织形式为：每个设计小组由2人组成，通过合理的分工和协作共同完成设计任务。3．设计内容1）阅读相关资料，设计主电路和控制电路，用PROTEL绘制的主电路和控制电路的原理图。2）采购器件，装焊控制电路板。3）在实验室进行装置调试。4）设计成果验收。5）整理设计文件，撰写设计说明书。设计的成果应包括：用PROTEL绘制的主电路和控制电路的原理图，电路设计过程的详细说明书及焊装和调试完毕的控制电路板。4．时间安排2学时安排为1周，但考虑实验的安排，需分散在2周内完成)z第1阶段——布置任务和电路设计全体开会，布置任务，讲解关键技术。选择题目，组成设计小组（每组2人），开始设计工作。设计指南详见附录1或2。z第2阶段——电路板焊装和调试在指定时间提交电路图，教师审查设计方案，发放器件和装焊工具，并答疑。器件和工具领取后，在宿舍完成电路板的焊装工作。其后，在指定时间到实验室调试已装焊好的电路板，并完成相关测试和记录，调试时间每组不超过12学时。调试成功后，立即由教师验收。详见附录3焊装指南和附录4调试指南。z第3阶段——撰写设计说明书5．考核方法由两部分成绩组成：电路调试：50分设计报告：50分6．设计报告要求依据“课程设计说明书”（电子文档）的模板格式撰写。内容应包括：1）主电路设计说明2）控制电路设计说明3）调试过程的详细记录及实验结果讨论（说明是否达到设计指标的要求）该部分中应包括对实验结果（如所观测和记录的波形）的分析和解释等详细内容。4）收获和体会5）附录：主电路和控制电路原理图7．参考资料“直流PWM驱动电源的设计”的参考资料1）秦继荣编著，现代直流伺服控制技术及其系统设计。2）电力电子实验台（直流脉宽调速部分）使用说明书。3）IPM模块PS21564使用说明书及参考资料。4）SG3525使用说明书及参考资料。35）LM2575使用说明书及参考资料。6）74LS04，74LS00说明书。7）二极管IN4148，IN5819说明书8）主电路原理图（附录5）。9）DIP-IPM内部功能图（附录6）10）SG3525内部功能图（附录7）11）LM2575内部功能图（附录8）12）74LS04，74LS00内部功能图（附录9）“小功率开关电源的设计”的参考资料1）反激变换器的设计。2）UC3842资料。3）SUP85N10说明书。4）二极管HER107说明书。5）EC系列磁芯说明书6）UC3842内部功能图（附录10）7）主电路原理图（附录5）。4附录1：直流PWM驱动电源设计指南1.1设计要求结合图1所示直流PWM驱动电源的控制原理框图，具体设计要求如下：脉宽调制电路脉冲分配电路器件驱动电路V1V3V2V4L1L2L3Mub2ub1ub3ub4ui+功率转换电路图1直流PWM驱动电源的控制原理框图1）主电路的设计。包括含整流变压器在内的整流电路设计和H桥可逆斩波电路的设计(要求采用IPM作为DC/DC变换的主电路，型号为PS21564)。2）PWM控制电路设计（指以SG3525为核心的脉宽调制电路和用门电路实现的脉冲分配电路）。PWM控制电路从以下两种控制方式之中选取一种进行设计：H型双极模式可逆直流PWM控制方式（详见参考资料1，P32）；在该模式下，2个桥臂协调控制，即V1、V4组和V2、V3组互补导通。通过调节电位器来调节占空比，即可调速也可改变电机方向。H型单极模式同频可逆直流PWM控制方式（详见参考资料1，P43）；在该模式下，两个桥臂需分别控制。通过调节电位器（改变占空比）来调速，利用DIP开关设定方向控制信号，以决定电机方向。不论采用哪种方式，控制系统应具有软启动功能，即突加给定后速度不会突变，而是按照设定变化率缓慢变化。软启动时间设定为2s左右。3）IPM接口电路设计（包括上下桥臂元件的开通延迟，及上桥臂驱动电源的自举电路）。4）DC15V控制电源的设计（采用LM2575系列开关稳压集成电路，直接从主电路的直流母线电压经稳压获得）。51.2设计指南该部分以“H型双极模式可逆直流PWM控制方式”为例来介绍直流PWM驱动电源的设计步骤，控制系统在结构上分为两部分：主回路和控制回路，如图2所示。其它控制方式下控制电路和主电路的结构应有所变化。V1SG352513AC220VCV3V2V4MV1V2V3V42VccLM2575VdcVdc+15V图2直流PWM电路结构示意图1．主电路二极管整流桥把输入的交流电变为直流电。四只功率器件构成H桥，根据脉冲占空比的不同，在直流电机上可得到＋或－的直流电压。主电路部分的设计要求如下：1）整流部分采用4个二极管集成在一起的整流桥模块。2）斩波部分H桥不采用分立元件，而是选用IPM（智能功率模块）PS21564来实现。该模块的主电路为三相逆变桥，在本设计中只采用其中U、V两相即可。（针对本设计的特点，即小功率直流PWM调速，在实际工程中，一般采用P.MOSFET构成H桥，本设计中为了让大家了解和掌握IPM的特点和使用方法，所以指定采用PS21564作为主电路）3）在主电路设计中，应根据负载的要求，计算出整流部分的交流侧输入电6压和电流，作为设计整流变压器、选择整流桥和滤波电容的依据。该电路的整流输出电压较低，所以在计算变压器副边电压时应考虑在电流到达负载之前，整流桥和逆变桥中功率器件的通态压降。主电路作为电能变换的功率平台已事先做好，因此主电路部分只需要进行理论设计，而不用实际制作。2．控制电路SG3525的13脚输出占空比可调（通过改变2脚电压）的脉冲波形（占空比调节范围不小于0.1~0.9），同时频率可通过充放电时间的不同而改变。经过RC移相后，输出两组互为倒相，死区时间为5μS左右的脉冲，经过光耦隔离后，分别驱动四只功率器件，其中V1、V4驱动信号相同，V2、V3驱动信号相同。控制电路中的所有部分都需要进行设计、焊装和调试，因此控制电路是本课程设计中的核心内容。控制电路部分的设计要求如下：1）在设计SG3525外围电路时，应采用该集成芯片的DIP封装形式。脉冲的频率定为5KHz（是根据IPM中IGBT的开关速度而确定的），设定频率的电阻可采用电位器，以便于调试。（注：指定SG3525的5脚CT端外接振荡电容为0.02μF）。由于SG3525输出的两路脉冲是互补形式，在本设计中其输出应并联使用（即11，14管脚短接，从13管脚通过外部上拉电阻输出V1、V4驱动脉冲，利用后续门电路反相后再驱动V2、V3），以达到0～1.0的占空比调整范围，如图3所示。SG3525的8管脚接电容，以实现软启动功能。图3SG3525输出的接法72）为防止同一桥臂，上下两管在驱动信号翻转时出现瞬时直通现象，应设计两路驱动信号的开通延时电路。即利用RC移相电路后，为每路驱动信号产生5μS左右的开通延时。这部分电路中的门电路采用6反向器74LS04；移相环节中的R和C的取值，应根据5μS的延迟时间来计算，其中R可采用电位器，以便于调试。注：指定移相电路中C的取值为0.01μF，二极管建议选用IN4148。3）IPM中集成了功率器件的驱动电路，因此在控制电路中不需要设计驱动电路；而且为了简化设计，隔离环节也取消。IPM模块控制部分的接口信号中除了H桥中4个器件的驱动信号外，还应提供集成在IPM内部的4个器件的驱动电路的供电电源，为了简化设计，上桥臂两个器件，即V1和V3的驱动电源采用单电源的自举式供电，详细设计可参考IPM的设计手册。这样整个模块的控制部分只采用1个15V电源供电即可，而不必采用3路独立的电源，简化了设计。注：自举电路中的二极管建议选用IN5819。4）应设计一个DC15V的控制电源，为SG3525及IPM模块的驱动电路供电。为了减小损耗，采用LM2575T－ADJ系列开关稳压集成电路，将主电路的直流母线电压作为输入，通过电位器的调节，经稳压后获得15V的直流电源。LM2575T的封装形式为5脚TO-220形式。另外TTL电路的5V工作电源可直接取自SG3525的内部参考电源管脚。注：滤波电路中的二极管建议选用IN5819。注：如果采用开关电源设计组提供的3路隔离的15V直流电源供电，则不需要自举电路和LM2575T稳压电路。8附录2：小功率开关电源设计指南2.1设计要求电力电子设备中的H型DC-DC变换器，由4个开关器件（如IGBT）构成桥式变换电路。由于上桥臂器件与下桥臂器件的没有公共的驱动端，所以它们的栅极驱动，大都需要几个相互隔离的直流电源。用小功率开关电源提供多路隔离的栅极驱动电源是一个较理想的方案。针对这个需要，本设计要求利用PWM控制芯片UC3842，设计一个小功率单端反激式开关电源。具体指标如下：输入直流电压变化范围20～30V，输出3组独立的直流电源，分别为：16V0.15A，16V0.05A，16V0.05A。电源功率为5W。功率元件开关频率为50KHz。高频开关稳压电源的基本电路结构如图4所示，通过取样、比较放大、驱动电路控制开关周期的占空比，把电网输人整流滤波后的直流高压，变成了高频交变开关脉冲并传递到副边，再经二次整流滤波输出客户所需要的特定直流电压和电流值。整流变压器一次整流滤波直流变换器二次整流滤波占空比控制误差放大比较取样电网交流输入直流输出基准电压直流输入图4脉宽调制DC／DC高频开关稳压电源的基本电路方框图结合图4所示开关稳压电源的基本结构，具体设计要求如下：1）一次整流电路的设计。含整流变压器在内的一次整流电路设计。2）反激式变换器主电路设计。包括高频隔离变压器的设计和原边激励电路，副边二次整流电路的设计。3）反激式变换器控制电路的设计。利用UC3842设计单端反激式变换器的PWM控制电路。92.2设计指南下面结合图5中反激式调压器的典型电路，介绍设计步骤。图5反激式调压器电路图1．一次整流电路二极管整流桥把输入的交流电变为直流电。为了实验的安全，要求整流器输出的空载电压不超过30V。电网电压变化时，整流器输出直流电压的变化范围是20V～30V。因此，在整流器前需配置合适变比的整流变压器。一次整流电路作为电能变换的功率平台已事先做好，因此该部分只需要进行理论设计，而不用实际制作。2．高频隔离变压器根据设计要求，该变压器应包含1个原边绕组，一个反馈绕组和3个副边绕组。设计方法和步骤详见参考资料1：反激变换器的设计。设计步骤可概括如下：（1）计算原边绕组流过的峰值电流pI(min)max2opsPIAVD==⋅式中：16(0.150.050.050.05)4.8oooPUIW=∑=×+++=为总输出功率10(min)20sVV=为变换器的昀低直流输入电压（电压变化范围20～30V）max0.5D=为昀大占空比（2）求出原边绕组的电感值pL(min)maxsppVDLHIf⋅==⋅（3）求昀小占空比minD()maxminmaxmax1DDDKD==−+式中：(max)(min)ssVKV=直